khimie.ru

История анализа воздуха восходит к химикам-клас­сикам XVIII в. — Дж. Пристли, К. Шееле, Г. Кавендишу, Дж. Блэку, А. Л. Лавуазье. Однако классики занимались основными, природными компонентами воздуха; этот этап завершился в конце XIX в. открытием лордом Дж. Рэлеем инертных газов. Когда же мы говорим о необходимости контроля состава воздуха, имеем в виду не природные, а техногенные компоненты, т.е. примеси, попавшие в воздух из дымовых труб и прочих источников. Тщательный контроль требуется лишь для одного из природных компонентов — для углекислого газа, его содержание в атмосфере, кажется, действительно увеличивается. Для человека это отнюдь н полезно. Основные же объекты определения — это привнесенные челове ком вредные вещества (токсиканты): монооксид углерода, оксиды серы, азота, углеводороды и др. Как известно, ими загрязняют атмосферу промышленные предприятия, тепловые электростанции и автомобили. Сушествуют и природные источники этих веществ: действующие вулканы разломы в земной коре. Подчас им не уделяют должного внимания.

Необходимость контролировать чистоту воздуха стала очевидной с конца XIX в. Об этом, в частности, говорили английские законы, так называемые А1саli Асts (1864). Содержание неорганических токсикантов (HС1, NH₃, SO₂, оксидов азота и др) в воздухе стали более или менее регулярно определять начиная с 1920-х гг. Органические токсиканты тогда определяли лишь эпизодически. Основное внимание уделяли анализу воздуха на рабочих местах (например, во «вредных цехах» металлургических предприятий). Поскольку содержание токсичных неорганических компонентов в таком воздухе довольно высоко, для анализа можно было использовать сравнительно малочувствительные методы: фотометрический линейно-колористический. Последний метод основан на пропускании пробы исследуемого воздуха через прозрачную трубку, содержащую сорбент и окрашенный реагент. Примером может быть фотометрическое или линейно-колористическое определение SO₂ по реакции с фуксином. Точность получаемых результатов, как и селективность методик, оставляли желать лучшего. Санитарно-химическим анализом воздуха занимались врачи-гигиенисты, работавшие в многочисленных лабораториях Санэпиднадзора. Методическими центрами этой системы были отраслевые научно-исследовательские институты (НИИ), в частности в СССР — Научно-исследовательский институт гигиены им. Ф. Ф. Эрисмана (Москва). Более детально узнать о соответствующих химико-аналитических исследованиях можно, прочитав книгу Е. А. Перегуд и Е. В. Гернет «Химический анализ воздуха промышленных предприятий» (Л.: Химия, 1973).

Локальные экологические катастрофы в Бельгии в 1930 г., в Лондоне в 1952 г., а также неоднократные катастрофы в Лос-Анджелесе подтолкнули к тому, что было разработано множество методик для анализа воздуха жилой зоны. Содержание нормируемых токсикантов в воздухе жилой зоны, как правило, меньше, чем в воздухе на рабочих местах. Потребовались более чувствительные методики. Возможной альтернативой было использование проб большого объема (до 10 м³). Анализ заключался в пропускании пробы воздуха через жидкий поглотитель или сорбент. Завершающий этап анализа вели различными методами, например фотометрическим после поглощения жидким поглотителем или газохрома-тографическим после десорбции. Еще одним распространенным вариантам анализа было применение селективных и непрерывно работающих газоанализаторов, рассчитанных на определение лишь одного компонента и измеряющих различные характеристики воздуха — теплопроводность, оптические, электрохимические показатели и т.д. Один из самых известных примеров — анализаторы на метан для угольных шахт.

1960— 1970-е гг. в воздухе стали определять содержание множества нических веществ причем речь шла уже не об эпизодических исследованиях, не об определении единичного компонента (метана), а о серийных анализах, об определении целого ряда органических токсикантов, имеющих весьма низкие ПДК, на фоне других органических веществ. Например, начали определять индивидуальные ПАУ, обладающие свойствами сильных канцерогенов, на фоне больших количеств их сравнительно безопасных изомеров и гомологов. Возможность такого анализа была в принципе обеспечена созданием метода газожидкостной хроматографии (А. Мартин) еще в 1950-е гг., но реализовать ее удалось значительно позже. Недоставало особо чувствительных детекторов, ведь ПДК некоторых ПАУ в воздухе установлены на уровне 10^-9 г/м³ и ниже. Поэтому в СССР, во Франции и некоторых других странах основным способом определения ПАУ стал уникальный по своей чувствительности селективности люминесцентно-спектральный метод, используют эффект Шпольского. Соответствующие методики в СССР были разработаны ученицами Шпольского — Т. А. Теплицкой и А. Я. Хесиной, а также В. И. Вершининым.

Масс-спектрометрические и другие высокочувствительные и селективные детекторы для хроматографии были созданы в 1970-1980 гг. С этого времени хроматографические методы постепенно стали вьтеснять все ранее применявшиеся, и в настоящее время газожидкостная хроматография, несомненно, является главным методом анализа воздуха даже на содержание супертоксикантов. Много ценной информации по этому вопросу есть в книгах А. А. Родина и Ю. С. Другова.

Немалые усилия были потрачены на создание дистанционной лазерной спектроскопии. Имеются в виду оптические системы с лучом, проходящим через «открытый» воздух на расстояния до нескольких сотен метров. Такие системы желательны для контроля воздуха над предприятиями, вплоть до непрерывного наблюдения за заводскими выбросами, на аэродромах или городских улицах, особенно вдоль магистралей. При зондировании атмосферы лучом лазера аналитический сигнал формируется благодаря избирательному поглощению света теми или иными молекулами. Соответствующие приборы, так называемые лидары, могут быть размещены на борту самолета. С их помощью можно отыскивать источник выброса того или иного токсиканта, изучать динамику его превращений. Этот подход уже использован для контроля содержания SO₂, NO₂, СО, O₃. Для определения сероводорода был применен прибор, основанный на дифференциальной оптической абсорбционной спектроскопии в УФ области. Однако практическая реализация таких методов встречает ряд трудностей: помехи из-за рассеяния света в результате действия атмосферных факторов, присутствия «неожидаемых веществ»; кроме того, устройства нередко оказываются довольно сложными и дорогими. Точность результатов оказывается невысокой из-за проблемы градуировки приборов. Тем не менее, исследования и испытания продолжаются.

Конечно, разный воздух требует разных подходов, различных методов анализа. Содержание метана в воздухе над льдами Арктики и в угольнойной шахте Кузбасса резко различается, как и, скажем, концентрация SO₂ в воздухе Норильского комбината и в г. Сочи. Проблема не только необходимости использовать для этих случаев разные методики, но необходимости иметь разнообразное метрологическое обеспеченые поверочные газовые смеси. В СССР метрологией анализа газов много успешно занимался Всесоюзный научно-исследовательский институт (ВНИИ) метрологии им. Д. И. Менделеева.