5.3.2. Анализ водорастворимой фракции снегового покрова
Регламентирующий документ: Вода питьевая. Определение содержания элементов методами атомной спектрометрии. ГОСТ Р 51309-99
Пробоподготовка: фильтрование пробы воды через мембранный фильтр 0,45 мкм, разбавление при необходимости. Введение в анализируемую пробу внутреннего стандарта Sc(NO3)3 на уровне 0,5 мг/л и азотной кислоты на уровне 0,35 М
Аппаратура и материалы: ИСП-АЭС спектрометр iCAP 6000 (IntertechCorporation, USA); многоэлементные аттестованные смеси производства ООО НПП «Скат» (Россия, Новосибирск); нитрат скандия, о.с.ч.; кислота азотная, о.с.ч.
Сбор и обработка данных : с помощью персонального компьютера с операционной системой «Windows® 2000/XP», на котором установлена соответствующая программа сбора и обработки данных.
Параметры спектрометра выбираются как оптимально-компромиссные для одновременного определения широкого круга элементов (Al, Ca, Cd, Cu, Fe, K, Na, Mg, Mn, Pb, Zn, V, Ni, Sn, As, Cr и др.). Значения соответствующих величин приведены в таблице (Табл.5). Аналитические линии определяемых элементов приведены в таблице 6. Выбор аналитических линий может изменяться в зависимости от состава пробы.
Таблица 7
Инструментальные параметры работы ИСП-АЭС спектрометра
Мощность
|
1150 Вт
|
Охлаждающий поток
|
12 л/мин
|
Вспомогательный поток
|
0,5 л/мин
|
Распылительный поток
|
0,7 л/мин
|
элемент
|
аналитическая линия
λ, нм
|
элемент
|
аналитическая линия
λ, нм
|
Al
|
396,152
|
Na
|
589,592
|
Ва
|
233,527
|
Mg
|
279,079
|
Ca
|
317,933
|
Mn
|
257,610
|
Cd
|
228,802
|
Pb
|
220,353
|
Cu
|
324,754
|
Si
|
212,412
|
Fe
|
259,940
|
Zn
|
206,200
|
V
|
310,230
|
Cr
|
283,563
|
Таблица 8
Аналитические линии определяемых элементов (как пример)
Приготовление градуировочных растворов: из аттестованных смесей, содержащих определяемые элементы в зависимости от задачи исследования, путем разбавления аликвотных частей аттестованных смесей водой с одновременным введением в их состав нитрата скандия в качестве внутреннего стандарта на уровне 0, 5 мг/л и азотной кислоты на уровне 0,35 М.
Инструментальный анализ: ввод в плазму спектрометра градуировочных растворов и пробы в соответствии с выбранным режимом и инструкцией по эксплуатации прибора. Обработка результатов измерений с помощью программного обеспечения спектрометра.
Через все стадии аналитической процедуры обязательно проводят контрольный опыт, чтобы учесть возможные загрязнения определяемыми компонентами в процессе пробоподготовки и анализа.
5.3.3. Анализ взвешенной фракции снегового покрова
Аппаратура и материалы: ИСП-АЭС спектрометр iCAP 6000 (Inter-techCorp., USA); микроволновая печь Mars-5 (CEM Corp., USA), автоклавы HP-500 из материала PFA (поли-тетрафтор-алкоксиэтилен) объемом 50 мл; многоэлементные аттестованные смеси производства ООО НПП «Скат» (Россия, Новосибирск); нитрат скандия, о.с.ч.; кислота азотная, о.с.ч.; кислота соляная, о.с.ч.; кислота фтористоводородная, о.с.ч.
Пробоподготовка: взвешенную часть снегового покрова, отобранную на фильтр (мембранный или бумажный), вместе с фильтром помещают в автоклав HP-500. Далее проводят поэтапное микроволновое (МВ) разложение взвеси аэрозоля вместе с материалом фильтра: на первом этапе используют в качестве реагента концентрированную азотную кислоту (из расчета 5 мл на 100 мг взвеси), которая, с одной стороны, обеспечивает окисление органической матрицы пробы, а с другой - выщелачивание микроэлементов из полностью или частично нерастворимой матрицы. После завершения первого этапа МВ разложения раствор отделяют от осадка путем декантации, а остаток подвергают МВ разложению в присутствии плавиковой кислоты (не менее 7 мл) для полного растворения кремниевой основы. Каждый этап включает 3 последовательных стадии микроволновой обработки. Всю процедуру пробоподготовки проводят также и с чистым фильтром, чтобы учесть возможный привнос микроэлементов в анализируемую пробу в процессе ее подготовки к анализу. Режим микроволнового разложения для первого и второго этапов представлен в табл. 7.
Таблица 9.
Режим микроволнового разложения проб
взвешенной части снегового покрова
Стадия
|
Мощность
|
Время выхода на режим, мин
|
Pmax,psi
|
Tmax,
0C
|
Продолжительность, мин
|
I
|
1600W 53%
|
10
|
120
|
100
|
30
|
II
|
1600W 53%
|
10
|
150
|
150
|
30
|
III
|
1600W 53%
|
10
|
200
|
180
|
30
|
После охлаждения полученного раствора, содержимое автоклава количественно переносят в колбу объемом 50 мл и доводят до метки дистиллированной водой. Коэффициент концентрирования микро- и макроэлементов для пробы снега весом 1 кг при таком разбавлении составляет 1000/50 (20). В процессе проведения анализа для ряда элементов (кальция, кремния, алюминия, железа и др.) может потребоваться разбавление, которое подбирают опытным путем.
Все последующие операции по приготовлению градуировочных растворов, оптимизации параметров спектрометра аналогичны таковым для определения микро- и макроэлементов в водорастворимой фракции. Расчет концентрации микро- и макроэлементов в пробе снегового покрова ведут с учетом всего объема отобранной для анализа пробы, подвергшейся процедуре фильтрования.
6. Методы численной интерпретации полевых и химико-аналитических исследований загрязнения окружающей среды
Для эффективного решения задач оценивания полей концентрации примеси и параметров источников по данным наблюдений весьма полезно использование свойств решений полуэмпирического уравнения турбулентной диффузии. Это позволяет разрабатывать эффективные методы численного решения обратных задач переноса и управления выбросами примеси в приземном и пограничном слоях атмосферы. Использование этих свойств даёт возможность существенно уменьшить объёмы необходимой экспериментальной информации и проводить более целенаправленно планирование систем наблюдений.
6.1. Базовое уравнение переноса и диффузии примеси в атмосфере. Свойства решений
При описании процессов диффузии примеси в турбулентной атмосфере можно выделить средние значения концентрации примеси и пульсационные отклонения от них наряду со средними величинами и флуктуациями скоростей движения воздуха. Это дает возможность с помощью обычных приемов осреднения перейти от уравнения диффузии от мгновенных концентраций к уравнению турбулентной диффузии для средних значений концентраций. В достаточно общем виде изменения средних значений концентрации  описываются уравнением:
 (1)
Здесь оси  и  расположены в горизонтальной плоскости, ось z по вертикали,  - время,  - составляющие средней скорости перемещения примеси вдоль осей  ;  - горизонтальные и вертикальная составляющие турбулентного обмена,  - коэффициент, определяющий изменения концентрации за счет превращения примеси;  - функция, описывающая положение и мощность источников в цилиндрической области  .
Дополним уравнение (1) следующими граничными и начальными условиями
 , (2)
где  - боковая граница,  и  - нижнее и верхнее основание области .
Принцип суперпозиции. При решении сложной задачи естественно стремиться свести её к решению более простых задач. Если положить
 (3)
то решение задачи (1)-(3) можно представить в виде
 (4)
где  - мощность выброса  - го источника,  - есть решения уравнений
с дополнительными условиями вида (2).
В дальнейшем это важное свойство будет неоднократно использоваться.
Степенные профили. При решении многих конкретных задач уравнение (1) может быть существенно упрощено. Так рассмотрение установившихся процессов загрязнения позволяет положить  . Если ориентировать ось по направлению среднего движения в горизонтальной плоскости, то  . В случае однородной подстилающей поверхности при наличии ветра диффузией по оси можно пренебречь. Далее для  наземная концентрация в случае лёгкой примеси ( т.е.  ) записывается в виде
 (5)
Соотношение (5) можно также представить в следующем виде 
где 
Аналогично для линейного источника
В случае же тяжелой примеси ( ) наземная концентрация определяется формулой
 (6)
В этом случае максимум наземной концентрации  достигается на расстоянии  .
Узкий факел. Согласно экспериментальным данным вероятность  отклонений средних за период  направлений ветра на угол  от среднего за период  направления ветра подчиняется закону Гаусса, т.е.
где  - дисперсия за период времени .
Поскольку обычно угловые размеры факела невелики  , то можно показать, что
 
где 
Тогда, например, в случае легкой примеси 
 (7)
Замечание. Приведенные аналитические представления показывают, что зависимость решений от параметров носит существенно нелинейный характер и их влияние, как правило, проявляется в агрегированном виде. При отсутствии возможности представления решений уравнений переноса в аналитической форме необходимо проведение дополнительных исследований начально-краевых задач по агрегированию исходных параметров в соответствующие комплексы, что позволит в ряде случаев существенно снизить число неизвестных величин и повысить устойчивость решений обратных задач. |
