Эколого-аналитический мониторинг снежного покрова городов Свердловской области



Залогом успешного и устойчивого развития общества является единство трех сфер его жизнедеятельности: экономической, экологической и социальной. Все они тесно связаны между собой, и от благополучия одной зависит и благополучие других. Наиболее важную роль играет экологический аспект, как говорится, «в здоровом теле здоровый дух». Чем лучше будут экологические показатели местности, в которой человек проживает, тем лучше будет жить и развиваться человек. Уже давно не секрет, что в благоприятной экологической обстановке повышается и уровень работоспособности людей, и из этого вытекает улучшение экономического положения, а значит, и социального.

Загрязнение воздуха — это любое нежелательное изменение состава земной атмосферы в результате поступления в нее различных газов, водяного пара и твердых частиц. Около 10 % загрязнителей попадают в атмосферу вследствие таких процессов (вулканические извержения, брызги морской воды, разлагающиеся растительные остатки, лесные пожары, пыльные бури). Остальные 90 % имеют антропогенную природу. Основными источниками таких загрязнителей являются: сжигание ископаемого топлива на электростанциях и в двигателях автомобилей, эрозия почв, добыча угля открытым способом, взрывные работы, хранение твердых отходов и прочее [1, 2, 3].

Химические вещества, источник которых находится на уровне земли, называют первичными загрязняющими веществами. Они быстро смешиваются с воздухом нижних слоев атмосферы, некоторые из них вступают в химические реакции с другими загрязнителями или с основными компонентами воздуха, образуя вторичные загрязняющие вещества. Вследствие чего наблюдаются такие явления, как кислотные дожди, фотохимический смог и образование озона в приземном слое атмосферы. Источником энергии для таких реакций обычно служит солнечная радиация. Вторичные загрязнители — фотохимические окислители и кислоты, содержащиеся в атмосфере — представляют главную опасность для здоровья человека и глобальных изменений окружающей среды.

Свердловская область — один из крупнейших промышленных центров нашей страны, и работа в таких отраслях как металлургия и горнодобывающая промышленность не могла не сказаться на состоянии окружающей среды. Именно на территории Свердловской области располагаются, к примеру, главные отравители воздуха свинцом и привносят в атмосферу до 68,7 % всех свинцовых выбросов России.

По оценкам Всероссийского научно-исследовательского геологического института имени Карпинского 9,5 процента от общей стоимости недр России приходится именно на нашу область. Помимо этого, Свердловская область входит в десятку регионов Российской Федерации по большинству социально-экономических показателей.

Екатеринбург — не просто «большой город». Это мегаполис. Город-миллионер. Но как бы красиво это ни звучало, высокий статус имеет свои негативные стороны. По данным за 2010 год степень загрязнения Екатеринбурга и Нижнего Тагила расценивается как очень высокая, Первоуральска и Краснотурьинска — высокая, а Каменск — Уральского — повышенная. За последние пять лет наметилась тенденция на увеличение уровня загрязнения окружающей среды.

С техническим прогрессом возросло количество антропогенных загрязнителей. Доля легковых автомобилей личного пользования увеличилась, но в то же время, средств на оптимизацию транспорта не хватает. Основным топливом по-прежнему являются нефтепродукты, в то время как необходимость перехода на другие источники энергии велика как никогда. Быть может однажды, нам удастся полностью или почти полностью избежать влияния производства на окружающую среду. Но до тех пор, мы можем лишь бороться с последствиями и стараться свести их минимуму.

В своей работе мы рассмотрели лишь одну из экологических бед Екатеринбурга и его окрестностей, а именно, загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами (Cu, Pb, Cd).

Загрязнение воздуха — острая экологическая проблема Свердловской области. Большая концентрация в воздухе тяжелых металлов (таких как медь, свинец, кадмий) оказывает крайне негативное воздействие на её жителей [4, 5]. Снежный покров впитывает в себя любые выбрасываемые в атмосферу вещества и поэтому является универсальным показателем уровня загрязнения окружающей среды. В период таянья все вредные вещества попадают из снега в почву и водоемы, тем самым нанося вред человеку. В связи с этим целесообразно осуществлять регулярную оценку содержания вредных веществ в воздухе и снежном покрове городов Свердловской области.Вработе мы рассмотрим снег как индикатор загрязнения воздуха. Снег позволит нам лучше изучить состояние атмосферы, т. к. в нем концентрируется значительная часть продуктов техногенеза.

Тема актуальна, так как регулярный мониторинг загрязненности воздушной атмосферы необходим для сохранения здоровья населения, охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов.

Цель проекта — определить содержание токсичных веществ (тяжелых металлов) в пробах снега, выявить источник загрязнения и предложить способы его устранения.

Задачи проекта:

– Отобрать пробы из различных точек Свердловской области.

– Провести качественный анализ проб снега и количественное определение содержания тяжелых металлов методом инверсионной вольтамперометрии.

– Подтвердить правильность результатов вольтамперометрического анализа сравнением с результатами независимого метода.

– Определить степень загрязнённости атмосферы (снега) Свердловской области.

– Выявить причины загрязнённости.

– Разработать меры по устранению загрязнённости атмосферы.

Практическая значимость проекта: оценка состояния загрязнения атмосферы, установка причин и источников загрязнения, разработка рекомендаций по улучшению состояния окружающей среды.

Объект исследования: снег.

Предмет исследования: содержание тяжелых металлов (медь, свинец, кадмий) и ионов вредных веществ в снежном покрове Екатеринбурга и его окрестностей.

1. Теоретическая часть
   1. Влияние тяжелых металлов на организм человека

К тяжелым металлам относят более сорока металлов периодической таблицы Д. И. Менделеева с атомной массой больше 50 атомных единиц, среди которых медь (Cu), свинец (Pb) и кадмий (Cd).

Медь

Наличие у меди активных центров окислительно-восстановительных ферментов делает ее одним из важнейших микроэлементов. Медь влияет на усвоение азота растениями и участвует в процессе фотосинтеза. Однако, слишком большие концентрации меди пагубно влияют на растительные и животные организмы. Поглощение больших количеств меди человеком может привести к болезни Вильсона. Избыток меди откладывается в мозговой ткани, коже, печени, поджелудочной железе и миокарде.

Чаще всего в природных водах встречаются соединения меди двухвалентной. Основным источником поступления меди в природные воды являются сточные воды предприятий химической, металлургической промышленности, шахтные воды, альдегидные реагенты, используемые для уничтожения водорослей. Медь может появляться в результате коррозии медных трубопроводов и других сооружений, используемых в системах водоснабжения.

Риски для здоровья человека от избытка меди гораздо ниже чем от ее недостатка. ПДК меди в воде водоемов санитарно-бытового водопользования составляет 0.1 мг/дм3, в воде рыбохозяйственных водоемов — 0.001 мг/дм3.

Кадмий

Кадмий и его соединения относятся к первому классу опасности. Он постепенно проникает в человеческий организм в течение долгого времени. Вдыхание воздуха при концентрации кадмия 5 мг/м3 в течение 8 часов может привести к летальному исходу. Одним из источников загрязнением кадмием являются удобрения. Также этот металл аккумулирует в себе табак. Его концентрация в сухих листьях табака в тысячи раз выше средних значений для наземных растений. Вследствие курения в воздух попадает колоссальное количество кадмия, оседающего не только в легких курильщиков, но и в легких некурящих людей. Повешенное содержание кадмия в регулярно употребляемой воде повышает кровяное давление и может привести к таким серьезным заболеваниям, как рак, нарушение функции почек, болезни легких и костей. ПДК кадмия водоемов санитарно-бытового водопользования составляет 0.001 мг/дм3, ПДК в воде рыбохозяйственных водоемов — 0.0005 мг/дм3

Свинец

Свинец — промышленный яд, занимающий первое место среди причин отравления на производстве. В организмы людей он проникает главным образом через органы дыхания и пищеварения, а выводится очень медленно, вследствие чего накапливается в костях, печени и почках. Загрязнение свинцом атмосферного воздуха, почвы и воды в окрестности промышленных объектов (заводов, фабрик), а также вблизи крупных автотрасс создает угрозу поражения свинцом населения, проживающего в близлежащих районах, и прежде всего детей, которые более чувствительны к воздействию тяжелых металлов.

Сатурнизм (отравление свинцом) — пример наиболее частого заболевания, обусловленного воздействием окружающей среды. В большинстве случаев речь идет о поглощении малых доз свинца и накопление их в организме, пока концентрация металла не достигнет критического уровня необходимого для токсического проявления. Острые отравления свинцом встречаются нечасто.

В первую очередь от свинца страдают кроветворная и нервная системы, почки, затем, желудочно-кишечный тракт. Анемия — один из основных признаков сатурнизма, она возникает в результате усиленного гемолиза.

ПДК свинца водоемов санитарно-бытового водопользования составляет 0.03 мг/дм3, ПДК свинца в воде рыбохозяйственных водоемов — 0.1 мг/дм3 [3].

Таким образом, тяжелые металлы — вредные вещества аккумулятивного действия, содержание которых в различных объектах окружающей среды необходимо постоянно контролировать [5, 6,7].

1.2 Загрязнения воздуха тяжелыми металлами.

Загрязненность снега является серьезной экологической проблемой. Снег, как губка, впитывает в себя практически любые выбрасываемые в атмосферу вещества. Поэтому по уровню загрязнения снежного покрова, мы можем судить и об уровне загрязнения воздуха.

В весенний период таянья снега все вредные вещества, содержащиеся в снеге, попадают в почву и водоёмы. В результате мы употребляем в пищу потенциально опасные продукты, выращенные на загрязненной почве. И пьём загрязненную воду, которая также оказывает значительное влияние на наше здоровье.

Загрязнение воздуха касается не только внешней среды. В значительной степени именно им обусловлены проблемы касающиеся здоровья и продолжительности жизни. Загрязнение воздуха имеет несколько вредоносных аспектов для живых организмов:

– аэрозольные частицы и ядовитые газы, попадающие в дыхательную систему человека и животных и в листья растений;

– повышенная кислотность атмосферных осадков, которая влияет на изменение химического состава почв и воды;

– химические реакции в атмосфере, приводящие к увеличению продолжительности облучения живых организмов солнечными лучами;

– изменение состава и температуры атмосферы и создание условий, неблагоприятных для выживания организмов.

Загрязнение воздуха — острая экологическая проблема Свердловской области. Большая концентрация в воздухе тяжелых металлов (таких как медь, свинец, кадмий) оказывает крайне негативное воздействие на её жителей. В городах Свердловской области измерения качества воздуха проводятся Свердловским центром по гидрометеорологии и мониторингу загрязнения окружающей среды с региональными функциями (ГУ «Свердловский ЦСМС-Р»). Сеть мониторинга включает 18 постов в 5-ти городах Свердловской области: Екатеринбурге, Нижнем Тагиле, Первоуральске, Каменск-Уральском, Краснотурьинске.

1.3 Методы анализа объектов окружающей среды

1.3.1 Методы анализа воздуха

Воздух — это высокоподвижная среда, которая переносит загрязняющие вещества на большие расстояния. Исследование воздушной среды является единственным способом контроля ее загрязнения.

В процессе анализа воздуха, помимо выявления в нем веществ вредных для человека (характерных для транспортного комплекса, промышленной сферы), таких как тяжелые металлы (медь, свинец, кадмий), определяется экологическое состояние объекта исследования, уровень его безопасности и экологического благополучия.

Анализ воздуха необходим для прогнозирования степени загрязнения и выполнения мероприятий по охране окружающей среды.

Можно выделить следующие методы исследования:

– микробиологический анализ воздуха;

– химический анализ воздуха.

Микробиологический анализ воздуха проводят, чтобы изучить условия воздушной среды и разработать ряд гигиенических мероприятий, направленных на создание благоприятных условий для предупреждения воздушно-капельных инфекций. В связи с этим исследование воздуха проводится по следующим показателям:

– анализ воздуха без видовой идентификации (общее микробное число, условно патогенные микроорганизмы, споры плесневых грибов).

– с видовой идентификацией. Помимо определения основных общих показателей выделяются некоторые виды.

– микробиологические исследования смывов с поверхностей конструкций и ограждений по общим и видовым показателям.

Химический анализ воздуха универсален. Он может применяться, ко всем потенциальным зонам загрязнения (атмосферный воздух, воздух рабочей зоны, закрытых помещений).

Химический анализ воздуха атмосферы и выбросов промышленных предприятий проводится с целью контроля степени его загрязненности антропогенными источниками негативного характера в рамках соблюдения законодательства РФ.

Воздух исследуют более чем по 200 показателям, в том числе:

– кислые газы

– спирты

– минеральные кислоты

– тяжелые металлы и пыль

– фосфорорганические соединения

– фторорганические соединения

– хлорорганические соединения

Определение кислотности талой воды

Пробы воды исследуются на водородный показатель и фториды с помощью потенциометрического анализа. Потенциометрический анализ — электрохимический метод исследования и анализа веществ, основанный на зависимости равновесного электродного потенциала от термодинамической активности компонентов электрохимической реакции.

1.3.2 Методы анализа воды на тяжелые металлы

Для анализа проб воды на содержание тяжелых металлов используются различные методы количественного анализа [4, 5, 6, 7], в том числе:

– титриметрия

– потенциометрия

– атомно-абсорбционная спектрофотометрия

– фотометрия

– атомно-эмиссионная спектрометрия

– вольтамперометрия и др.

Микроэлементы (токсичные тяжелые металлы), содержатся в воде в очень низких концентрациях от десятых долей мг в литре, до мкг. ПДК на них малы, что требует применения для их обнаружения высокочувствительных методов анализа.

Фотометрический анализ — основан на зависимости между концентрацией вещества в растворе и поглощением излучения. Фотометрический метод включает в себя измерения в видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра. С помощью фотометрического анализа исследуются пробы воды на: нитраты, нитриты, нефтепродукты, хром III-х валентный, формальдегиды и т. д.

Атомно-абсорбционная спектроскопия — это метод элементного анализа, основа которого измерение селективного поглощения оптического излучения определенной длины волны нейтральными атомами определяемого элемента. Это один из самых надежных, производительных и чувствительных физико-химических методов анализа жидких проб различного происхождения.

Атомно-эмиссионная спектроскопия с индуктивно-связанной плазмой — это высокочувствительный метод, основанный на измерении излучения, испускаемого элементами в пробе, помещенной в индуктивно-связанную плазму. Применяется для одновременного многоэлементного анализа в широком диапазоне концентраций. Этот метод широко используется как для анализа высоких концентраций, так и следовых содержаний.

Вышеперечисленные оптические методы анализа имеют довольно дорогостоящее оборудование. Альтернативой им является электрохимический метод — метод инверсионной вольтамперометрии, приборное обеспечение которого гораздо дешевле, чем оптических методов.

Метод инверсионной вольтмперометрии является одним из наиболее чувствительных методов анализа объектов окружающей среды, позволяющий определять содержание веществ на уровне десятых и сотых мкг/л. Метод прост, доступен, не требует высокой квалификации оператора. Измеряемым параметром в методе инверсионной вольтамперометрии является ток. Принцип инверсионной вольтамперометрии металлов заключается в электролитическом растворении металла, предварительно осажденного на индифферентном электроде [8–10].

Накопление определяемого вещества на поверхности электрода происходит при заданных условиях (потенциал накопления, время накопления). Обеспечение притока определяемого вещества к поверхности электрода осуществляется магнитной мешалкой. Четкость и достоверность вольтамперометрических измерений в первую очередь зависят от состояния поверхности рабочего электрода. Для сохранения работоспособности электрода его не следует оставлять на долгое время без какой-либо жидкости. Замена электрода проводится через каждые три дня.

Требования, предъявляемые к способам регенерации и материалам в инверсионной вольтамперометрии:

– Электрохимическая инертность в широкой области потенциалов;

– Высокое перенапряжение выделения водорода и кислорода;

– Низкий остаточный ток;

– Низкое омическое сопротивление;

– Возможность достаточно просто воспроизводить поверхность;

– Низкая стоимость.

За концентрирование определяемых веществ на поверхности электрода отвечают четыре основных типа процессов [9, 11]:

– Разряд-ионизация металлов на поверхности ртутного электрода.

– Окисление или восстановление ионов переменной валентности сопровождающиеся образованием малорастворимого соединения на электроде.

– Адсорбция; образование на поверхности электрода комплексных соединений с исследуемыми ионами.

– Электрохимическая или химическая реакция определяемых ионов с материалом рабочего электрода.

Для определения содержания тяжёлых металлов методом инверсионной вольтамперометрии используют электроды, представленные на рис.1.

Рис. 1. Типы электродов, используемые в методе инверсионной вольтамперометрии для определения тяжелых металлов. СУЭ — стеклоуглеродный электрод, ИГЭ –импрегнированный графитовый электрод, УПЭ — угольно-пастовый электрод, ТГЭ — толстопленочный графитсодержащий электрод

От состояния поверхности электрода зависит протекание электродных процессов, формирующих аналитический сигнал. Свойства поверхности электрода определяются природой материала, способом изготовления электрода и обработки (механической, химической, электрохимической) его поверхности. Поверхностное или объемное модифицирование электродов позволяет значительно расширить их области применения и снизить пределы обнаружения определяемых элементов [11–14].

Для эффективного определения тяжелых металлов разработаны новые типы электрохимических сенсоров на основе углеродсодержащих композиционных материалов по технологии трафаретной печати Новые сенсоры экологически безопасны, высокочувствительны, селективны, обеспечивают высокие метрологические характеристики результатов анализа и могут быть использованы с лабораторными анализаторами ИВА-5, выпускаемыми НПВП «ИВА» [15–16].

В результате электрохимического восстановления модификаторов на поверхности толстопленочных модифицированных графитсодержащих электродов (ТМГЭ), возникают микро и наночастицы металлов, находящиеся друг от друга на расстоянии, превышающем их размеры [17].

Рис. 2. Фотографии поверхности толстопленочного графитсодержащего электрода — ТГЭ (а) и ТГЭ/Hg₂Cl₂+нафион до (б) и после (с) ступенчатой поляризации при –0,8 В в течение 1 мин и –1,5 В в течение 3 мин. Использован электронный микроскоп TESLA BS 300

На рис. 2 представлены фотографии поверхности немодифицированного и модифицированного толстопленочного графитсодержащего электрода. Можно видеть, что на поверхности модифицированного электрода после его поляризации по определенной схеме образуется ультрамикроструктура металла-модификатора (Hg).

На основе электрохимических и микроскопических исследований установлено значительное увеличение электрохимической активности модифицированных электродов с уменьшением размера частиц металла-модификатора [16,17]. Толстопленочные модифицированные графитсодержащие электроды с ультрамикро- и наноструктурированной поверхностью (сенсоры) обладают очень высокой чувствительностью и селективностью измерений.

Таким образом, в результате проведенного обзора литературы мы узнали о проблеме загрязненности атмосферы, о пагубном влиянии загрязнения на человека и о различных способах анализа воздуха и воды. В связи с этим целью своей работы мы поставилиопределение содержания токсичных веществ (тяжелых металлов) в пробах снега, выявление источников загрязнения и предложение способов их устранения.

Ознакомившись при изучении литературы с несколькими методами анализа воды, для своих исследований мы выбрали наиболее чувствительный метод эколого-аналитического мониторинга объектов окружающей среды — метод инверсионной вольтамперометрии и оригинальный электрохимический сенсор с ультрамикроструктурированной поверхностью, разработанный учеными кафедры химии и инновационного научно-исследовательского центра сенсорных технологий Уральского государственного экономического университета. Привлекательность сенсора состоит в высокой чувствительности, селективности и стабильности во времени измерений, что обеспечивает надежность и достоверность анализа.

Для достижения поставленной в проекте цели нам необходимо было решить следующие задачи:

– отобрать пробы из различных точек Свердловской области;

– провести качественный анализ проб снега и количественное определение содержания тяжелых металлов методом инверсионной вольтамперометрии;

– подтвердить правильность результатов вольтамперометрического анализа сравнением с результатами независимого метода;

– определить степень загрязнённости атмосферы (снега) Свердловской области;

– выявить причины загрязнённости;

– разработать меры по устранению загрязнённости атмосферы.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
   1. Приборы иоборудование

рН-метр-милливольтметр рН-150 (в комплекте со стеклянным и хлорсеребряным электродами) — прибор для измерения водородного показателя, действие которого основано на измерении величины электродвижущей силы электродной системы, которая пропорциональна активности ионов водорода в растворе.

ИВА-5М — анализатор инверсионный вольтамперометрический по ТУ 4215–001–05828695–95 (ООО НПВП «ИВА» г. Екатеринбург) с компьютером в комплекте с электрохимической ячейкой и магнитной мешалкой.

Ячейка электрохимическая — стеклянный сосуд с исследуемым раствором, в который погружены 3 электрода: рабочий, вспомогательный и электрод сравнения. Электрод индикаторный (рабочий) — оригинальный электрохимический сенсор с ультрамикроструктурированной поверхностью. Вспомогательный электрод — стержень из стеклоуглерода диаметром 0,2–0,5 мм. Электрод сравнения — хлорсеребряный лабораторный насыщенный типа ЭВЛ-1М № по ГОСТ 17792.

Атомно-эмиссионный спектрометр с индуктивно-связанной плазмой производитель SPECTRO модель Genesis.

Аппарат для приготовления бидистиллированной воды (стеклянный) типа АСД-4 по ГОСТ 15150–69, ТУ 25–1173, 103–84.

Электрическая плитка бытовая с закрытой спиралью по ГОСТ 14919–83.

2.2. Реактивы ивспомогательные средства

– Кислота хлористоводородная по ГОСТ 14261–77, ос. ч плотностью 1,19 г/см³ и растворы С(НСl) = 6 моль/дм³, 0,5 моль/дм³, приготовленные на бидистиллированной воде.

– Кислота серная по ГОСТ 14262–78, ос. ч плотностью 1,83 г/см³.

– Кислота азотная по ГОСТ 11125–84, ос. ч плотностью1,40 г/см³.

– Хлорид калия по ТУ 6–09–3678 (3658) -74, ос. ч.

– Гидроксид калия по ГОСТ 4328–77, х.ч.

– Вода бидистиллированная по ТУ 6–09–2502–77.

– Фильтры обеззоленные (синяя лента), ТУ 6–09–1678–86.

– Универсальная индикаторная бумага.

– Государственные стандартные образцы (ГСО) состава водных растворов ионов кадмия, свинца и меди с погрешностью не более 1 % отн. при Р = 0,95 с концентрацией 1 мг/см³.

– Колбы мерные наливные стеклянные 2-го класса точности по ГОСТ 1770–74 вместимостью 500 см³, 200 см³, 100 см³ и 50см³ с притертыми пробками.

– Пипетки мерные лабораторные стеклянные 2-го класса точности по ГОСТ 29227–91-градуированные, вместимостью 10 см³, 5 см³ и 1см³.

– Дозаторы типа ПЛ-01–20, ПЛ-01–200, ПЛ-01–100 или другие с дискретностью установки доз 1,0 или 2,0 мкл.

– Воронки лабораторные.

2.3. Отбор проб иих подготовка кисследованию

Для определения количества накопленных вредных веществ целесообразно проводить отбор снежных проб в период, когда запас влаги максимален, перед началом таяния снега — ориентировочно в середине или в конце марта, в зависимости от температурных условий. Отобранная проба отображает среднюю концентрацию загрязнений на выбранном участке.

Для проведения исследования нами было выбрано несколько экспериментальных площадок для забора проб в разных районах Екатеринбурга и его окрестностях. Отбор проб осуществлялся в начале марта 2012 г.

2.3.1. Методика забора снега

Сначала осуществляется выбор экспериментальной площадки. Для чистоты эксперимента, мы постарались из каждой местности взять две пробы: чистого и грязного снега. Для уменьшения риска попадания в пробу посторонних веществ, забор материала производится пластиковым совком (любые металлические приборы по возможности следует исключить). Для одной пробы берется столб снега от поверхности до самой земли и помещается в чистый сосуд (ГОСТ 17.1.5.05–85. Охрана природы. Гидросфера. Общие требования к отбору проб поверхностных и морских вод, льда и атмосферных осадков. Осадки, выпадающие в виде дождя, росы, снега, града, изморози). В Приложении 1 и Приложении 2 приведены образцы отобранных проб: грязного и чистого снега соответственно.

2.3.2. Подготовка проб кисследованию

Нами была проведена тщательная подготовка к эксперименту. После забора пробы были помещены в специальную посуду, очищенную от веществ, способных исказить результаты исследования. Раствор щелочи (мы использовали КОН) удалил с посуды любые органические остатки, а кислота (H₂SO₄ конц.) растворила металлы. Промывать колбы, воронки, пипетки и др. следует только дистиллированной или бидистиллированной водой. Проверка чистоты посуды осуществлялась с помощью полосок универсального индикатора (среда должна быть нейтральной).

После того, как снег растаял, пробы профильтровали и разделили на две части. Первую часть пробы подвергли органолептическому анализу, который состоял в определении запаха, наличия углеводородной пленки, кислотности снеговой воды. В таблице 3 приведены результаты исследований.

Вторую часть пробы подкислили соляной кислотой (HCl) концентрации 6 моль/л из расчета 1 мл кислоты на 100 мл пробы.

2.4. Органолептический анализ проб

Органолептический анализ отфильтрованной талой воды заключался в определении запаха, определения наличия углеводородной пленки и кислотности снеговой воды и т. д.

Для определения запаха первую часть отфильтрованной пробы 250 мл, помещенную в колбу, накрывали стеклом и встряхивали. Открыв стекло, быстро определяли запах.

Для определения углеводородной пленки воду в колбе отстаивали в течение суток.

Внешний вид оценивали по цвету и мутности воды.

Для описания цвета воды используют обычные названия: бесцветная, белая, светло-желтая, светло-серая, серая и т. д. В качестве контроля используют цвет дистиллированной воды. Мутность воды — мера содержания в ней взвешенных частиц, различных по происхождению. Это могут быть частицы глины, ила.

Количественной характеристикой кислотности среды является водородный показатель рН. В природных условиях показатель кислотности меняется за счет присутствия различных газов, таких как SO₂, NH₃ и т. д. Кислотность снеговой талой воды определяли потенциометрическим методом, используя стеклянный электрод и рН — метр -милливольтметр рН-150.

2.5. Качественный анализ проб

Для определения химического состава вещества нередко используют качественный анализ, применяемый для обнаружения в образце определенных элементов, радикалов и соединений.

Нами было проведено несколько реакций для обнаружения в пробах хлорид-ионов, сульфит-ионов, нитрогруппы и других.

– Реакция обнаружения иона NH₄⁺. Ион NH₄⁺ можно определять по двум реакциям.

1.В пробирку наливаем один мл исследуемой воды, добавляем щелочь и нагреваем

пробирку над горелкой. Если в пробе содержится ион аммония, то при нагревании выделяется аммиак, который обнаруживается по запаху.

2.В пробирку наливаем один мл исследуемой воды, добавляем реактив Несслера.

Реактив Несслера должен образовать с ионом NH₄⁺ аморфный осадок красно-бурого цвета.

– Реакция обнаружения нитрат-иона NO₃^-.

В пробирку наливаем один мл исследуемой воды, добавляем 5 капель раствора дифениламина. На образовавшуюся дорожку из раствора дифениламина накапывают 2–3 капли раствора нитрата натрия. Дорожка должна окраситься в интенсивный синий цвет.

– Реакции обнаружения хлорид-иона Cl^-.

В пробирку наливаем один мл исследуемой воды, к ней добавляем AgNO₃ (если есть хлорид-ионы, то должен образоваться белый творожистый осадок хлорида серебра AgCl, который растворяется при добавлении NH₄OH).

– Реакция обнаружения сульфат-иона SO₄^2-.

В пробирку наливаем один мл исследуемой воды и добавляем BaCl₂. В присутствии сульфат-иона SO₄^2- образуется белый мелкокристаллический осадок сульфата бария (BaSO₄)., нерастворимый в HNO₃.

– Реакция обнаружения сульфит-иона SО₃^2-_.

В пробирку наливаем один мл исследуемой воды, добавляем перманганат калия

KMnO₄, затем H₂SO₄. Сульфит-ион (SО₃^2-) при реакции с перманганатом калия (KMnO₄) в кислой среде окисляется до сульфат-ионов (SO₄^2-), при этом розовый раствор перманганата калия обесцвечивается.

Отобранные пробы были проанализированы на присутствие иона NH₄⁺.

2.6. Количественное определение водорастворимой формы ионов тяжёлых металлов методом инверсионной вольтамперометрии

Количественное определение тяжелых металлов методом инверсионной вольтамперометрии проводили по ГОСТ Р 52180–2003 [18].

Перед определением содержания металлов природные воды подвергаются химической пробоподготовке. Для этого 100 см³ пробы помещают в термостойкий химический стакан, приливают 1 см³ концентрированной серной кислоты и 1 см³ концентрированной азотной кислоты. Упаривают пробу на плитке до остаточного объема 2–5 см³ и охлаждают. Полученный раствор количественно переносят в мерную колбу объемом 100 см³ и доводят объем раствора до метки на колбе бидистиллированной водой.

Количественное определение водорастворимой формы ионов меди, свинца и кадмия выполняют методом, основанным на концентрировании определяемого металла в виде амальгамы на поверхности графитсодержащего электрода в результате предварительного электролиза анализируемого раствора при потенциале предельного диффузионного тока с последующей регистрацией величины максимального анодного тока электрорастворения осадка.

В работе использовали рабочий электрод — толстопленочный модифицированный графитсодержащий электрод (ТМГЭ), предварительно модифицированный малым количеством нерастворимого соединения ртути. Перед использованием ТМГЭ модифицирующий слой на его поверхности восстанавливали электрохимически. При этом на поверхности электрода формируется тонкая плёнка ртути. В этом случае электроосаждение определяемого металла происходит на предварительно сформированную плёнку ртути. Величина аналитического сигнала, регистрируемого при электрорастворении осадка, прямопропорционально зависит от концентрации ионов определяемого металла в растворе в интервале 0,1–500 мкг/дм³ для Cd(II), 0,2–500 мкг/дм³для Pb (II) и 0,5–500 мкг/дм³ для Cu(II). Массовую концентрацию элемента в растворе определяют методом добавки аттестованного раствора ионов определяемого элемента.

В промытый бидистиллированной водой мерный стаканчик заливали десять миллилитров подкисленной пробы; время накопления — 30 секунд. После снятия вольтамперных кривых пробы вводили в ячейку добавку, чтобы сигнал на пробе с добавкой возрастал в 1,5–2 раза по сравнению с сигналом на пробе.

Накопление определяемого вещества на поверхности электрода происходит при заданных условиях (потенциал накопления концентрация фонового электролита, время накопления). Обеспечение притока определяемого вещества к поверхности электрода осуществляется магнитной мешалкой.

Правильность полученных результатов оценивали сравнением с данными метода атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В таблице 1 приведена нумерация отобранных проб и место отбора.

Таблица 1

Пробы снега

Место отбора снега	Номер пробы
г. Арамиль (клумба)	I
г. Арамиль (обочина дороги)	II
г. Екатеринбург (Шарташ)	III
г. Екатеринбург (Зеленая роща)	IV
г. Екатеринбург (территория УрГЭУ)	V
г. Каменск-Уральский (лес)	VI
Староуткинск (лес)	VII
Староуткинск (обочина дороги)	VIII
Новоалексеевка (лес)	IX
Новоалексеевка (обочина)	X
г. Асбест (обочина дороги)	XI
г. Асбест (около карьера)	XII
г. Асбест (город)	XIII
г. Асбест (около вокзала)	XIV
г. Асбест (лесной массив)	XV

3.1. Органолептический анализ снега

Внешний вид отобранных проб снега описан в таблице № 2.

Таблица 2

Внешний вид снега

Проба	Вид снега	Цвет снега	Влажность	Твёрдость
Новоалексеевка (лес)	Крупнозернистый	Белый	Сухой	Мягкий
Новоалексеевка (обочина)	Ледяная корка	Серый	Сухой	Твердый
Староуткинск (лес)	Мелкозернистый	Белый	Сухой	Мягкий
Староуткинск (обочина)	Ледяная корка	Серый	Сухой	Твердый
Каменск-Уральский (лес)	Мелкозернистый	Белый	Сухой	Мягкий
Арамиль (клумба)	Ледяная корка	Беловато-серый	Сухой	Твердый
Арамиль (обочина)	Ледяная корка	Серый	Сухой	Твердый
Продолжение таблицы 2
Екатерибург (Зелёная роща)	Мелкозернистый	Беловато-серый	Влажный	Мелкий
Екатеринбург, (Шарташ)	Мелкозернистый	Беловато-серый	Влажный	Мягкий
Екатеринбург (территория УрГЭУ)	Ледяная корка	Серый	Сухой	Твердый

Из таблицы 2 видно, что по внешнему виду снег, собранный у обочин, грязнее снега из леса. Наличие серого цвета объясняется близостью автотрасс.

Таблица 3

Органолептический анализ проб талого снега

№ пробы	Внешний вид (цвет имутность до фильтрации)	Наличие осадка	Внешний вид после фильтрации
I	Серо-жёлтый, прозрачный	Осадок серого цвета (пыль)	Прозрачный, бледно-желтый
II	Мутно-зеленый	Осадок серого цвета	Бледный, прозрачно-желтый.
III	Прозрачный	Осадок черного цвета	Прозрачный
IV	Мутный	Осадок серо-коричневого цвета.	Прозрачная. На дне и стенках сосуда образовались пузырьки газа.
V	Мутно-зеленый	Осадок зелено-коричневый	Мутно-зеленый
VI	Слегка мутный	Осадок в виде мелких черных частиц	Прозрачно-серый
VII	Прозрачный	Пыль	Прозрачная вода. На дне сосуда образовались пузырьки газа
VIII	Мутно-серый	Пыль	Бесцветная, прозрачная
IX	Прозрачный	Осадок — мелкий сор	Вода прозрачная. На дне и стенках сосуда пузырьки газа
X	Мутно-серый	Темный осадок (пыль, песок)	Слегка мутная
XI	Прозрачный	Осадок в виде мелких частиц	Прозрачная вода

Из таблицы 3 видно, что цвет проб талого снега, взятого у обочин и близ дорог, до фильтрации мутно-зелёный, мутно-серый. Это говорит о загрязнённости снега различными примесями (мелкий сор, пыль, песок). У проб, взятых из лесу, до и после фильтрации и подкисления цвет прозрачный.

3.2. Качественный анализ проб

Полученные результаты качественного анализа проб талого снега приведены в таблице 4.

Таблица 4

Качественный анализ проб снега

№ пробы	Присутствие иона NH4+	Присутствие нитрат-иона NO3-.	Присутствие хлорид-иона Cl-	Присутствие сульфит-иона SO32-	Присутствие сульфат-иона SО42-
I	-	-	-	+	-
II	-	-	-	-	-
III	-	-	-	-	-
IV	-	-	-	-	-
V	-	-	+	+	-
VI	-	-	-	-	-
VII	-	-	-	-	-
VIII	-	-	-	-	-
IX	+	-	-	-	-
X	-	-	-	-	-
«-» не обнаружено «+» присутствие

Из таблицы 4 видно, что во всех пробах снега отсутствуют нитрат- и сульфат-ионы. Ион NH₄⁺ обнаружился в пробе «Новоалексеевка (лес)», т. е. в пробе присутствует небольшое количество солей аммония, что может объясняться выбросом с Первоуральского завода «Хромпик».

В пробе «Вход в УРГЭУ» обнаружены хлорид-ионы Cl^-, что легко объяснить близким расположением оживленной автострады. В остальных пробах реакция на хлорид-ионы Cl^- не идёт.

Реакцию на наличие сульфит-иона SО₃^2- дали пробы «Арамиль (клумба)» и «Екатеринбург (территория УРГЭУ)». В остальных пробах реакция не протекает.

3.3. Измерение pH

В таблице 5 приведены показатели кислотности проб талого снега.

Таблица 5

Уровень pH в пробах снега

Номер пробы	pH
I	4,07
II	4,48
III	6,15
IV	6,60
V	7,88
VI	6,30
VII	7,02
VIII	6,95
IX	6,50
X	6,00

Из полученных результатов видно, что pH практически у всех проб в пределах допустимой нормы (нормой является 5,5–7,5). У проб I (г. Арамиль клумба) и проба II (г. Арамиль обочина) наличие таких значений pH объясняется расположением поблизости завода пластмасс.

3.4. Количественное определение водорастворимой формы тяжелых металлов (Cu, Pb, Cd) методом инверсионной вольтамперометрии

На рис. 2 и 3 приведены вольтамперные кривые, полученные при определении меди, свинца и кадмия в пробе № IX.

Рис. 2. Вольтамперограмма меди, зарегистрированная на пробе IX

Рис. 3. Вольтамперограмма свинца и кадмия, зарегистрированная на пробе IX

На рис.4 и 5 приведены вольтамперные кривые, полученные при определении меди, свинца и кадмия в пробе IV.

Рис. 4. Вольтамперограмма меди, зарегистрированная на пробе IV

Здесь сначала регистрировали фоновую кривую (красная линия), потом добавляли пробу 1 мл и затем добавку стандартного раствора меди, т. к. при анализе 10 мл пробы сигнал меди был нечетко выражен и плохо росли добавки. Таким способом были проанализированы также пробы IV и VI.

Рис. 5. Вольтамперограмма свинца и кадмия, зарегистрированная на пробе IV

Результаты количественного определения водорастворимой формы тяжелых металлов (Cu, Pb, Cd) методом инверсионной вольтамперометрии представлены в таблице № 6.

Таблица 6

Результаты анализа проб снега на содержание тяжелых металлов

№ пробы	Содержание меди (Cu), мкг/дм3	Содержание свинца (Pb), мкг/дм3	Содержание кадмия (Cd), мкг/дм3
I	11,0 ± 5,5	2,2 ± 1,0	0
II	9,1 ± 4,5	18,0 ± 8,1	0,22 ± 0,08
III	20,0 ± 10,0	20,0 ± 9,0	0
IV	12,0 ± 6,0	5,5 ± 2,5	0,14 ± 0,05
V	25,0 ± 12,5	5,0 ± 2,2	0
VI	80,0 ± 40,0	24,0 ± 10,8	0,21 ± 0,07
VII	28,4 ± 14,2	1,3 ± 0,6	0
VIII	18,0 ± 9,0	0,5 ± 0,2	0,010 ± 0,003
IX	10,0 ± 5,0	6,6 ± 3,0	0
X	18,0 ± 9,0	1,9 ± 0,8	0

Наиболее загрязненной тяжёлыми металлами оказалась проба, взятая в Каменск-Уральском лесу, что говорит о неблагоприятной экологической ситуации этого района. В Каменск-Уральске находится большое количество промышленных предприятий, которые и выбрасывают в атмосферу загрязняющие вещества. Это завод обработки цветных металлов и в 7–8 км Уральский алюминиевый завод. И хотя они находятся не рядом с лесом, где взята проба, но из-за неблагоприятной розы ветров токсичные вещества выпадают на лес.

Следующая по загрязнённости тяжелыми металлами идёт проба, взятая на территории УрГЭУ. Причину загрязнённости можно объяснить близостью автострады и тем, что Екатеринбург расположен на восточных склонах Среднего Урала. А это зона малых скоростей ветра, в которой наблюдаются застои воздуха.

Самые незагрязненные тяжёлыми металлами пробы, взяты в г. Арамиль (клумба) и Новоалексеевка (лес). Это объясняется далёким расположением от промышленных предприятий, а также наличием в этих зонах растительности.

В таблице № 7 представлены результаты определения содержания водорастворимой формы тяжелых металлов методом атомно-эмиссионной спектроскопии (АЭС) на приборе серии «Spectro» модель «Genesis» и методом инверсионной вольтамперометрии (ИВ)

Таблица 7

Анализ проб из Асбеста на содержание водорастворимой формы тяжелых металлов (Cu, Pb, Cd)

№ пробы	Содержание меди (Cu), мкг/ дм3		Содержание свинца (Pb), мкг/ дм3		Содержание кадмия (Cd), мкг/ дм3
	ИВ	АЭС	ИВ	АЭС	ИВ	АЭС
XI	1,5 ± 0,7	<5	8,0 ± 2,6	<10	1,0 ± 0,3	<5
XII	1,5 ± 0,7	<5	2,0 ± 0,9	<10	1,0 ± 0,3	<5
XIII	2,0 ± 1,0	<5	3,0 ± 1,3	<10	0,5 ± 0,1	<5
XIV	3,0 ± 1,5	<5	3,0 ± 1,3	<10	0	<5
XV	1,0 ± 0,5	<5	2,0 ± 0,9	<10	0	<5

Сравнение результатов в таблице 7, полученных разными методами, свидетельствует о хорошей сходимости значений содержания металлов. Разница между результатами, полученными при анализе проб снега методом инверсионной вольтамперометрии и атомно-эмиссионной спектроскопии, находится в пределах допустимых ошибок.

4. ВЫВОДЫ

– Для оценки экологической обстановки Свердловской области в качестве объекта исследования выбран снег как индикатор загрязнения воздуха, а в качествепредмета исследования — содержание тяжелых металлов (медь, свинец, кадмий) и ионов вредных веществ в снежном покрове Екатеринбурга и его окрестностей.

– Исследованы 15 проб снега, отобранных в разных городах области вблизи потенциальных источников загрязнения и на расстоянии от них.

– В работе использовали органолептический, качественный и количественный анализ проб снега. Для определения содержания растворимой формы тяжелых металлов (меди, свинца и кадмия) в снеге применяли простой и доступный метод инверсионной вольтамперометрии, а также высокочувствительный и селективный сенсор, разработанный по инновационным технологиям учеными кафедры химии и научно-исследовательского центра сенсорных технологий Уральского государственного экономического университета.

– Установлено, что рH практически во всех пробах снега находится в пределах нормы (6,5–7,5). Согласно органолептическому, качественному и количественному анализу в пробах снега, взятых в городах с развитой промышленностью, обнаружено наибольшее количество загрязняющих веществ и их содержание. Так, в пробе снега г. Каменск-Уральского найдено меди — 80 мкг/л, свинца-24 мкг/л, кадмия-0,21 мкг/л; г. Екатеринбурга — меди — 25 мкг/л, свинца-5 мкг/л, кадмия -0,14 мкг/л.

– Правильность полученных результатов подтверждена хорошей сходимостью с данными атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой.

– Показано, что источниками загрязнения снега (воздуха) является автомобильный транспорт и промышленные предприятия.

– Даны рекомендации по улучшению экологической обстановки Свердловской области.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Загрязнение воздуха — острая экологическая проблема Свердловской области. Наличие большого количества промышленных предприятий, транспорта, перемещение атмосферных масс через область требуют постоянного экологического мониторинга за состоянием атмосферного воздуха для сохранения здоровья населения, охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов. Поэтому актуальность темы выбранной работы очевидна.

Универсальным индикатором уровня загрязнения окружающей среды является снежный покров, который впитывает в себя любые выбрасываемые в атмосферу вещества.

В данной работе были отобраны пробы снега в разных городах Свердловской области вблизи источников загрязнения и в лесных массивах. Проведена органолептическая, качественная и количественная оценка проб снега. Установлено, что рH практически во всех пробах снега находится в пределах нормы (6,5–7,5).

Для определения содержания растворимой формы тяжелых металлов (меди, свинца и кадмия) в снеге применяли простой и доступный метод инверсионной вольтамперометрии, а также высокочувствительный и селективный сенсор, разработанный по инновационным технологиям учеными кафедры химии и научно-исследовательского центра сенсорных технологий Уральского государственного экономического университета. Большая степень загрязнения отмечена в пробах, собранных близи автомобильных трасс и в городах с развитой промышленностью: Каменск-Уральский (медь — 80 мкг/л, свинец — 24 мкг/л, кадмий — 0,21 мкг/л); Екатеринбург (медь — 25 мкг/л, свинец — 5 мкг/л). Пробы, отобранные в лесополосах, менее загрязнены тяжелыми металлами. Например, в пробе Екатеринбург (зеленая роща) найдено меди — 12 мкг/л, свинца — 5,5 мкг/л, кадмия — 0,14 мкг/л.

На основании полученных экспериментальных данных мы выяснили, что снег, действительно, является показателем чистоты воздуха. В работе установлено, что основными источниками загрязнения снега (воздуха) является автомобильный транспорт и промышленные предприятия, лес и лесопосадки существенно уменьшают содержание вредных веществ в снеге.

Таким образом, для улучшения экологической обстановки городов необходимо:

– располагать крупные промышленные предприятия, которые выбрасывают в атмосферу существенный объем загрязняющих веществ, на окраине города с учетом розы ветров;

– перевести автотранспорт на альтернативные виды топлива, влияние которых не столь губительно;

– проводить лесовосстановление, озеленения населенных пунктов;

– располагать крупные автотрассы вдали от жилых домов;

– оснастить промышленные предприятия новейшими очистительными сооружениями.

Литература:

1. Никитин А. Т. Экология, охрана природы, экологическая безoпacнocть. М.: изд-во MИHЭПУ, 2000–648 с.
2. Хотунцев Ю. Л. Экология и экологическая безопасность: Учебное пособие для студ. высш. пед. учеб. Заведений. — М: Издательский центр «Академия», 2002. — 480 с.
3. Миркин Б. М., Наумова Л. Г. Экология России. М.: 1995. 232 с.
4. Майстренко В. Н., Хамитов Р. З., Будников Г. К. Экологический мониторинг суперэкотоксикантов. М.: Химия, 1996. 320 с.
5. Майстренко В. Н., Хамитов Р. З., Будников Г. К. Эколого-аналитический мониторинг супертоксикантов — М: Химия, 1996. — 319 с.
6. Никаноров А. М., Жулидов А. В. Биомониторинг металлов в пресноводных экосистемах. СПб.: Гидрометеоиздат, 1991. 312 с.
7. Дмитриев М. Г., Казнина Н. И., Пинигина И. А. Санитарно-химический анализ загрязняющих веществ в окружающей среде. М.: Химия, 1989. 368 с.
8. Будников Г. К., Майстренко В. Н., Вяселев М. Р. Основы современного электрохимического анализа — М: Мир: Бином ЛЗ, 2003. — 592 с.
9. Брайнина Х. З., Нейман Е. Я., Слепушкин В. В. Инверсионные электроаналитические методы. М.: Химия. 1988. 240 с.
10. Брайнина Х. З. Электроанализ: от лабораторных к полевым вариантам / Журн. аналит. химии. 2001. Т. 56, № 4. С. 344–354.
11. Стожко Н. Ю. Варианты концентрирования и новые сенсоры в инверсионной вольтамперометрии / Журн. аналит. химии. 2005. Т. 60, № 6. С. 610–615.
12. Будников Г. К., Евтюгин Г. А., Майстренко В. Н. Модифицированные электроды для вольтамперометрии в химии, биологии и медицине. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний. 2009. 416 с.
13. Будников Г. К., Муринов Ю. И., Майстренко В. Н. Вольтамперометрия с модифицированными и ультрамикроэлектродами. М.: Наука. 1994. С. 76–107.
14. Стожко Н. Ю., Кольберг Н. А., Брайнина Х. З. Модифицированные углеродсодержащие электроды в инверсионной вольтамперометрии металлов. Часть 1. Стеклоуглеродные и угольно-пастовые электроды / Journal of Solid State Electrochemistry. Berlin: Springer, 2008. V. 12. P. 1185–1204.