Использование спектрального анализа для изучения загрязнения снежного покрова на территории школ г. Сарова

Авторы:

Панькина Наталья, Горбачева Татьяна, 11 кл.

Научные руководители:

Кузнецова В.Ф., педагог д/о ЦВР

Александрович К.В., к.т.н, доцент кафедры общей физики СарФТИ

Саров, 2001

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время доказано, что неблагоприятная экологическая  обстановка может явиться непосредственной причиной нарушения состояния здоровья человека [1]. По оценкам различных отечественных и зарубежных специалистов здоровье населения на 20‑40% зависит от состояния окружающей среды [2].

Характерной чертой существующих в настоящее время экологических проблем является то, что повышенное содержание загрязняющих веществ наблюдается не только в промышленных районах, где имеют место частые выбросы, но и в районах, удаленных от точек выбросов вредных веществ [3]. Поэтому одной из первоочередных задач улучшения экологической обстановки является получение информации о вредном влиянии загрязнения на окружающую среду не только по промышленным районам, но и по региону или стране в целом. Только в этом случае проведение мероприятий по улучшению качества окружающей среды будет наиболее эффективным.

Целью нашей работы является изучение загрязнения снежного покрова на территории школ г. Сарова с помощью спектрального анализа на содержание тяжелых металлов.

В наших широтах (средняя полоса России) земля покрыта снегом почти 5 месяцев в году. За зиму снег, как хорошая губка, впитывает в себя и удерживает многие загрязняющие вещества из воздуха. К этим веществам относятся и аэрозоли различных кислот, и соединения металлов, и пылевые частицы. Все это постепенно оседает на снег, фиксируется, как бы составляя химическую летопись зимы. Изучение загрязнения снежного покрова является одним из методов экологического мониторинга и имеет широкое использование для контроля за состоянием окружающей среды [4].

В качестве объектов исследования выбраны некоторые школы, которые расположены в различных частях города. Исследование загрязнения снежного покрова проводилось методом атомно‑эмиссионной спектроскопии (АЭС). Этот метод позволяет одновременно регистрировать множество линий испускания. Поэтому АЭС является многоэлементным методом анализа. Это важнейшее достоинство метода позволяет успешно использовать его для идентификации элементов, содержащихся в пробе, для качественного анализа [5].

В качестве загрязняющих веществ, которые были нами исследованы в снежном покрове, выбраны тяжелые металлы (ТМ). Наш выбор объясняется, во‑первых, отсутствием данных по их содержанию в объектах окружающей среды города Сарова, во‑вторых, высокой токсичностью этих элементов, их высоким техногенным потоком, который либо сопоставим, либо превалирует над естественным потоком. Судя по литературным данным, вопрос поведения ТМ в различных природных средах очень сложный. На распределение этих элементов в окружающей среде оказывают влияние их миграционная форма, физико‑химические свойства, метеорологические условия, расположение источников загрязнения и др. [1, 2, 6].

При проведении исследований нам потребовалась информация об экологической обстановке в нашем городе и возможном влиянии экологических факторов на здоровье населения. Эти данные мы получили в экологическом отделе при администрации города, в детской поликлинике ЦМСЧ‑50,  ЦГСЭН №50 и из средств массовой информации.

Согласно собранной информации экологическая обстановка в г. Сарове намного лучше, чем, например, в Нижнем Новгороде или в Дзержинске. Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных источников в 1997 г. на одного человека в Сарове составляли 12,8 кг/чел., тогда как по Нижегородской области‑71 кг/чел. Суммарный валовой выброс в 1997 г. вредных химических веществ промышленными предприятиями и автотранспортом по городу составил 7753 тонны. Из них 82% приходится на автотранспорт. Основной вклад в выбросы загрязняющих веществ от стационарных источников вносит ТЭЦ города — 80%. Таким образом, одним из основных источников загрязнения  окружающей среды в нашем городе является автотранспорт. По данным ЦГСЭН в последние годы в Нижегородской области запрещено использование бензина со свинцовыми добавками. Систематически ведется контроль за состоянием воздуха по программе «Чистый воздух». Измерение концентрации загрязняющих веществ в выхлопных газах на дорогах города показали, что превышение ПДК наблюдается в течение 15‑20 минут утром и вечером в часы пик [7].

Актуальность нашей работы заключается в том, чтобы выяснить содержание ТМ, как потенциальных факторов, влияющих на заболеваемость школьников, поскольку такие данные отсутствуют. Наиболее важна такая информация в отношении школ, расположенных вблизи напряженных автотрасс.

I. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование состоит из двух этапов: отбора проб и проведения спектрального анализа.

Методика отбора проб

1. Отбор проб проводился на территории школьного двора, удаленной от проезжей части. Выбиралась ровная площадка, по возможности с нетронутым снежным покровом (спортивная площадка или клумба). На этой площадке закладывался треугольник со стороной 10 м. В эталонной точке (Мордовский гос. заповедник — МГЗ) пробы снега отбирались на лесной поляне, удаленной от источников загрязнения.
2. В вершинах треугольника  проводился отбор снега с помощью снегоотборного устройства на всю глубину снежного покрова. Это делалось для того, чтобы суммировать все загрязнения, накопившиеся за сезон в снегу.
3. Снег отбирался в полиэтиленовые пакеты.
4. При комнатной  температуре снег  растапливался.
5. Талая вода отфильтровывалась через бумажный фильтр.
6. Проводился анализ отфильтрованной воды на содержание тяжелых металлов методом спектрального анализа [10].

Методика спектрального анализа снега

Для качественного  спектрального анализа снега на тяжелые металлы применялся метод сухого осадка. Этот метод обладает достаточно высокой  чувствительностью и прост в использовании.

В торце стандартного стержня из спектрального чистого угля диаметром 6 мм делалось углубление сверлом такого же диаметра. В углубление наносилась капля 1% раствора полистирола в бензоле. После высушивания при комнатной температуре на поверхности электрода образуется пленка полистирола, препятствующая проникновению раствора вглубь стержня. На подготовленный таким образом стержень наносилась капля исследуемой воды и высушивалась в сушильном шкафу при температуре 70С^о в течение 15 минут. Затем наносилась следующая капля и т.д. Всего высушивалось 12 капель общим объемом 1,5 см³.

Подготовленные стержни с сухим осадком использовались в качестве нижнего электрода в дуге переменного тока от генератора ДГ-1. Верхним электродом служил угольный стержень, заточенный на конус. Сила тока составила J= 4А, время экспозиции 1 минута. За это время происходит полное выгорание осадка на электроде, что было предварительно установлено.

Для регистрации спектров применялся кварцевый спектрограф ИСП-22. Перед входной щелью которого помещалась диафрагма Гартмана. Эта диафрагма позволяет производить съемку четырех спектров образцов и трех спектров дуги между железными электродами без перемещения кассеты с фотопленкой.

При качественном анализе это обстоятельство является важным, так как при перемещении кассеты спектры железа и пробы могут сдвигаться друг относительно друга.

Спектр железа необходим для расшифровки спектрограмм, так как  имеет много линий, длины волн которых известны с большой точностью.

Спектры фотографировались на фотопленке типа СП-ЭС, проявление велось в стандартном проявителе №1, время проявления 10 минут при 20С^о.

Расшифровка полученных спектрограмм производилась с помощью атласа спектральных линий. В атласе приведен спектр железа, шкала длин волн и положение спектральных линий различных элементов. Спектрограмма помещалась в спектропроектор, который  дает такое увеличение, что линии железа в атласе совпадают с изображением спектра железа. Тогда по положению изображений спектральных линий пробы можно определить, к каким элементам эти линии принадлежат. После предварительной расшифровки полученные результаты уточнялись по таблицам спектральных линий [11]. Уточненные результаты заносились в таблицу.

II. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

     Отбор снега был проведен с 13 по 16.03 1999 г. в период начала снеготаяния. Пробы снега были отобраны около девяти школ города: №№ 3, 5, 7, 10, 12, 15, 17, 19 и 20. В качестве эталона служили пробы снега, отобранного в МГЗ. Анализ проб снега проводился на кафедре общей физики СарФТИ МИФИ под руководством доцента кафедры, к.т.н. Александровича К.В.

Было проанализировано 10 усредненных проб снега. Методом атомно-эмиссионного спектрального анализа был определен их качественный состав. Для примера в таблице 1 представлены результаты определения содержания элементов в пробе снега, отобранного около одной из школ города.

Таблица 1 — Содержание элементов в пробе снега, отобранного около школы №20

* Примечание. Интенсивность спектральных линий (Y) выражается условними единицами в промежутке от “сл.” (>1) до “5” единиц (в наших исследованиях).

Всего в пробах обнаружено 9 элементов: Si, Mg, Fe, Sn, Ti, Al, Cu, Zn, Mn.

Каковы возможные источники загрязнения этими элементами в нашем городе? Поступление этих элементов в окружающую среду имеет как естественное, так и техногенное происхождение. Кроме того, характер выпадения тяжелых металлов из атмосферы на поверхность земли зависит от многих факторов: физико-химических свойств металлов (в воздухе мигрируют две основные формы металлов: растворенные и взвешенные), расположения источников выбросов (промзоны, шоссе) и жилых зон, а также метеорологических условий и др. [2].

Чтобы определить происхождение элементов, необходимо знать их кларки. Обнаруженные нами элементы: Si, Al, Fe, Mg являются основными составляющими земной коры. Их кларки соответственно равны: 29.5; 8.8; 4.65 и 1.87% массы. Таким образом, вероятность присутствия этих металлов в воздухе от естественных источников очень высока.

Содержание в природе элементов Ti, Cu, Zn, Sn значительно ниже, их кларки в земной коре соответственно равны: 0,45-0,57; 4,7*10^-3; 1,5*10^-3; 2-2,5*10^-4 % массы. По приблизительным оценкам средняя концентрация Mn в земной коре около 1000мг/кг [12].

Наряду с естественным происхождением перечисленные выше элементы могут попадать в атмосферный воздух от антропогенных источников, которых на территории ЗАТО г. Саров на 1996 г. зарегистрировано 4,7 тыс. единиц.

Элементы Zn, Si, Fe содержатся в городской пыли, при этом источником  Zn может служить процесс стирания шин, Si – стройматериалы, Fe- процесс разрушения железных конструкций. Sn может попасть в воздух в результате утилизации и сжигания бытового мусора [12].

Источником загрязнения Mn могут являться выхлопные газы транспортных средств, работающих на бензине [12].

К существующим трем классам опасности различных химических элементов из найденных нами тяжелых металлов относятся:

к первому классу ‑ Zn

ко второму классу ‑ Cu

к третьему классу – Mn [13].

Данные о количестве элементов и их качественном составе в пробах, отобранных на территории школ г. Саров и МГЗ, представлены в таблице № 2.

Как видно из таблицы, наиболее распространенными элементами, которые обнаружены практически во всех пробах являются Si, Ti, Mg, Fe.

В пробе снега, отобранной в МГЗ, и принятой нами за эталонную, были обнаружены следующие элементы: Si, Mg, Fe, Sn, Ti, Al и Cu.

Сравнение качественного состава элементов МГЗ и школ г. Саров показало, что существенного различия в них не наблюдается за исключением  школы № 3, где обнаружен Zn, и школы № 17, где найден Mn.

ВЫВОДЫ

     Методом атомно-эмиссионной спектроскопии проведен качественный анализ 10 проб снега, отобранных в МГЗ и около 9 школ Сарова. Всего обнаружено 9 элементов. Источники и поступления этих элементов в окружающую среду могут иметь как естественное, так и антропогенное происхождение. Их выпадение зависит от многих факторов: физико-химических свойств металлов, расположения источников выбросов и жилых зон, а также метеорологических условий и др. [9].

Сравнение качественного состава проб снега, отобранных в МГЗ (принятого за эталон) и около школ Сарова, показало, что существенного различия в них не наблюдается за исключением школ №3 и №17, где обнаружены Zn и Mn соответственно. Полученные результаты низкого содержания ТМ в городском воздухе, подтверждают данные по относительно благополучной экологической обстановке Сарова.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.    С.В. Алексеев. Экология. Учебное пособие для 10‑11 классов. С.‑Пб.: СМИО Пресс, 1999.
2.    Ю.Е. Сает, Б.А. Ревич, Е.П. Янин и др. Геохимия окружающей среды. М.:Недра, 1990г.
3.    Ulrich Kirschbaum, Ute Windish. Beurteilung der lufthygilnischen situation Hessens mittels epiphytisher Flchten. Wiesbaden, im Marz, 1995.
4.    Э.Я. Яхнин, О.В. Томилина и др. Проблемы интерпретации результатов мониторинга загрязнения снежного покрова. Экологическая химия, 1997.
5.    Ю.А. Золотов. Основы аналитической химии. Книга 2. Методы химического анализа. Москва, «Высшая школа», 1995.
6.    Н.Н. Роева, Ф.Л. Ровинский, Э.Л. Кононов. Специфические особенности поведения тяжелых металлов в различных природных средах. Журнал аналитической химии том 51, №4, с. 384‑397, 1996 г.
7.    В. Юпаков. Газета «Городской курьер» №48, 30 ноября 2000 г.
8.    В.Г. Малашенко, Н.Н. Низовцев, В.С. Петровский, В.Ф. Пономарева. Анализ заболеваемости жителей г. Сарова Нижегородской области за период с 1970 по 1991 гг.
9.    В.В. Прохорова. Годовые отчеты по состоянию здоровья детей организованных коллективов за 1992‑94 гг. (г. Саров, ЦМСЧ‑50).

10. Е.В.Орлов, С.Б. Шустов, К.А. Орлова. Методические рекомендации по обследованию водоемов. Нижний Новгород, Экологический центр «Дронт», 1994.

11. А.Н. Зайдель. Основы спектрального анализа. Издательство «Наука», Москва, 1965.

12. Вредные химические вещества (V – VII гр.). Ленинград, 1989.

13. В.Ф. Протасов, А.В. Молчанов. Экология, здоровье и природопользование в России. Москва, 1995.