Классификация методов и приборов экологического контроля компонентов окружающей среды.

Введение

Любое производство, находящееся на конкретной территории, взаимодействует с природой очень тесно, поэтому для изучения этого взаимодействия совокупный комплекс природной среды и ее техническое насыщение необходимо рассматривать совместно, как единую систему – природно-техническую геосистему.
Устойчивое развитие природно – технической системы характеризуется способностью компонентов выдерживать изменения, создаваемые внешними воздействиями; оказывать сопротивление внешним (техногенным) воздействиям; обнаруживать способность к восстановлению или к самовосстановлению системы.
Безопасность системы зависит от возможности обеспечения равновесия, как свойства системы сохранять устойчивость в пределах регламентированных границ при антропогенных изменениях природного ландшафта. Обеспечение надежности природно-технической системы накладывает необходимость дополнительного условия для количественного выражения конкретных показателей, характеризующих качество окружающей среды и допустимые уровни антропогенного воздействия на нее. Необходима разработка специальных шкал физических величин, объединяющих в своем составе объекты искусственного и естественного происхождения.
Поэтому анализ и классификация современных методов и приборов измерения и контроля состояния природных систем, а также количественная оценка загрязнений окружающей среды являются актуальными задачами.
Целью данной работы является рассмотрение методов и приборов экологического контроля компонентов окружающей среды. Структурно работа состоит из введения, основной части, заключения и списка использованных источников.

Классификация методов и приборов экологического контроля компонентов окружающей среды

К настоящему времени разработано большое количество разнообразных приборов контроля состояния окружающей среды. Для ориентирования в этой области и реализации знаний, умений и навыков выбора оптимальных методов и приборов для экологического мониторинга целесообразно классифицировать их.
Алгоритм аналитического процесса в экологическом мониторинге представлен в виде диаграммы на рис. 1.

Рисунок 1. Этапы аналитического процесса
 
Аналитическое оборудование
Прибор – устройство, состоящее из 4-х частей:
Генератора аналитического сигнала, например, источника излучения;
Входного преобразователя (детектора);
Электронного преобразователя сигнала, например, фильтра или усилителя;
Системы регистрации выходных данных, например, компьютера.
Функциональные узлы аналитического прибора:
Источник (например, источник излучения);
Устройство для установки образца или система его ввода;
Селектор (обычно являющийся генератором аналитического сигнала);
Детектор (ФЭУ);
Система регистрации выходных данных (ПК и аналого-цифровой преобразователь АЦП).
Критерии эффективности работы оборудования:
Точность;
Повторяемость и воспроизводимость результатов;
Чувствительность (предел обнаружения и предел количественного определения);
Селективность;
Линейность градуировочного графика;
Динамический диапазон;
Стабильность.
Лабораторные аналитические приборы:
Спектрометрические приборы;
Приборы на принципах предварительного разделения аналитов;
Приборы на принципах визуализации объектов анализа;
Электрохимические приборы;
Другие приборы (приборы для термогравиметрического анализа, дифференциальные сканирующие калориметры, рентгеновские дифрактометры).
Портативные аналитические приборы:
Спектрометрические приборы;
Приборы для гибридных методов анализа;
Приборы на принципах визуализации объектов анализа;
Электрохимические приборы.
Спектрометрические приборы. Блок-схема МС-спектрометра показана на рис. 2.

Рисунок 2. Блок-схема МС-спектрометра
 
Атомно-абсорбционная спектроскопия (ААС) основана на поглощении видимого, или УФ-излучения определенных длин волн свободными атомами в основном состоянии. При определенных условиях количество поглощенного излучения коррелирует с концентрацией атомов в образце. В связи с тем, что большинство атомов при температурах ниже 5000 К находятся в основном состоянии, для стимуляции их возбуждения требуется высокая температура. В ААС измеряется разность падающего и выходящего излучения в очень узком диапазоне длин волн. Аналитически ААС – это очень простой и надежный метод, дающий простые спектры абсорбции.
Атомно-флуоресцентная спектроскопия (АФС), как и атомно-абсорбционная спектроскопия (ААС), основана на поглощении излучения характерной длины волны свободными атомами в основном состоянии с последующей регистрацией флуоресцентного излучения с большей (характеристической) длиной волны

. Интенсивность испускаемого флуоресцентного излучения зависит от концентрации атомов в образце. Как и в ААС, при использовании АФС получаются простые спектры, при этом и сам метод прост в исполнении. Блок-схема типового ААС показана на рис. 3.

3. Блок-схема однолучевого спектрометра с пламенной атомной абсорбцией (хотя компоненты атомного флуоресцентного спектрометра похожи, в нем испускаемое излучение измеряется в плоскости, перпендикулярной падающему излучению)
 
Приборы на принципах предварительного разделения аналитов:
Газовая хроматография;
Высокоэффективная жидкостная хроматография;
Ионная хроматография;
Капиллярный электрофорез;
Сверхкритическая флюидная хроматография;
Комбинированные приборы (для газовой, для жидкостной хроматографии, метод комбинированного капиллярного электрофореза).
Ионная хроматография (ИХ) представляет собой разновидность одного из видов высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) – ионообменной хроматографии. В ИХ для разделения ионов используют ионообменные смолы. Метод основан на способности ионов ко взаимодействию с фиксированными группами ионообменной смолы.
Чаще всего метод ИХ используют для определения анионов, для которых других способов быстрого анализа не существует. Кроме того, ИХ часто используют и для анализа катионов и простых биохимических образцов, например, аминокислот. Для анализа обычно требуются водные растворы. На рис. 4. приведена блок-схема ионного хроматографа.
 
Рисунок 4. Блок-схема ионного хроматографа
 
Явление капиллярного электрофореза (КЭ) наблюдается при приложении внешнего электрического поля к находящемуся в капилляре раствору, содержащему заряженные частицы. При этом разделяемые ионы перемещаются по капилляру к электроду с противоположным зарядом. Электрофоретическое разделение основано на том, что параметры миграции ионов различных растворенных веществ в одних и тех же условиях различны.
Скорость миграции ионов зависит от напряженности приложенного электрического поля, формы частиц и свойств среды. Необходимо отметить, что КЭ не является хроматографическим методом, поскольку в нем нет неподвижной фазы, тем не менее между этими разделительными методами много общего. На рис. 5. приведена блок-схема прибора для капиллярного электрофореза.
 
Рисунок 5. Блок-схема прибора для капиллярного электрофореза
 
Приборы на принципах визуализации объектов анализа
Оптические микроскопы;
Конфокальные микроскопы;
Электронные микроскопы:
3.1 Растровые электронные микроскопы
3.2 Просвечивающие электронные микроскопы;
Сканирующие зондовые микроскопы:
4.1 Сканирующие туннельные микроскопы
4.2 Атомно-силовые микроскопы;
Спектральные приборы для анализа изображения.
Электронная микроскопия.
Электронная микроскопия представляет собой технологию получения изображений, в которой для исследования образца используется поток электронов. Так как длина волны, характерная для электронов, намного меньше, чем у видимого света, то дифракция происходит при намного меньших размерах объектов. Поэтому разрешение в электронной микроскопии намного выше, чем в оптической микроскопии. На рис. 6. приведена блок-схема сканирующего электронного микроскопа.
 
Рисунок 6. Блок-схема сканирующего электронного микроскопа
 
Другие приборы:
Термогравиметрический анализ (ТГА) – метод, в котором измеряется масса образца во времени или относительно изменения температуры в определенной атмосфере (изучение механизмов разложения и термостойкости ЗВ).
Дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК) – метод, в котором измеряются изменения энергии образца в зависимости от температуры.
Рентгеновские дифрактометры (параметры кристаллической решетки, длина связей, величина углов, размеры кристалла, его чистота и текстура).
Электрохимические приборы:
Потенциометрия (измеряют потенциал напряжения: измерение рН, избирательное определение концентрации ЗВ);
Вольтамперометрия (измеряют силу тока: измеренные изменения силы тока пропорциональны концентрации ЗВ);
Кондуктометрия (измеряют проводимость: изменения значений электропроводности соответствуют изменениям концентрации ЗВ).
Электрохимические аналитические методы включают потенциометрию, вольтамперометрию и кондуктометрию