CC BY
56
УДК 004.9: 625.768.6: 658.567.1
Приоров Г.Г., Глушко А.Н., Воронин А.В., Бессарабов А.М.
ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ХИМИЧЕСКИХ ПРОТИВОГОЛОЛЕДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПО ОСНОВНЫМ КОМПОНЕНТАМ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Приоров Георгий Германович, аспирант, ФГУП «ИРЕА», Москва, Россия;
Глушко Андрей Николаевич, к.т.н., первый заместитель директора, ФГУП «ИРЕА», Москва, Россия; Воронин Алексей Васильевич, практикант, ПАО Научный центр «Малотоннажная химия», Москва, Россия; Бессарабов Аркадий Маркович, д.т.н., профессор, заместитель директора по науке, e-mail: bessarabov@nc-mtc.ru; ПАО Научный центр «Малотоннажная химия», Москва, Россия 107564, Москва, ул. Краснобогатырская, д. 42
На базе концепции CALS разработана система экологического мониторинга химических противогололедных материалов по основным компонентам окружающей среды (снежный покров и водные объекты, почвенный покров, зеленые насаждения, атмосферный воздух). Для каждой экологической составляющей в архитектуру системы введены важнейшие индикаторы качества с соответствующими методами анализа и приборами.
Ключевые слова: компьютерный менеджмент качества, CALS, противогололедные материалы, экологический мониторинг.
ECOLOGICAL MONITORING OF CHEMICAL DEICING MATERIALS ON THE MAJOR ENVIRONMENTAL COMPONENTS
Priorov G.G., Glushko A.N., Voronin A.V. *, Bessarabov A.M.* FGUP "IREA", Moscow, Russia R&D Centre "Fine Chemicals", Moscow, Russia
The system of ecological monitoring of chemical deicing materials on the major components of environment (snow cover and water bodies, soil cover, green plantings, atmospheric air) was developed on the basis of the CALS-concept. For each environmental component the most important quality indicators with the corresponding methods of analysis and instrumentation were introduced into architecture of the system.
Keywords: computer quality management, CALS, deicing materials, environmental monitoring.
Для эффективной эксплуатации муниципальной автодорожной инфраструктуры были разработана система компьютерного менеджмента качества (КМК-система) химических противогололедных материалов (ПГМ) [1]. Разработка проводилась по информационному стандарту ISO-10303 STEP на основе наиболее перспективной системы компьютерной поддержки: CALS-технологии (Continuous Acquisition and Life-cycle Support -непрерывная информационная поддержка жизненного цикла изделия или продукта) [2].
Применение химических материалов для зимнего содержания дорог всегда сопровождается определенными неизбежными экологическими последствиями, связанными с попаданием в окружающую среду большого количества химических веществ [3]. Показано, что нет абсолютно безвредных способов содержания дорог в зимнее время в чистом виде. Для снижения негативных последствий проводится экологический мониторинг состояния объектов окружающей среды, который позволяет оценить воздействие применяемых ПГМ по 4-м важнейшим экологическим кластерам: почвенный покров, водные объекты, зеленые насаждения и атмосферный воздух.
На основе концепции CALS была разработана информационная система оценки экологического воздействия ПГМ на окружающую среду. В качестве
категорий верхнего уровня (рис. 1) были выбраны вышеприведенные объекты окружающей среды: снежный покров и водные объекты (категория № 1); почвенный покров (№ 2); зеленые насаждения (№ 3) и атмосферный воздух (№ 4) [4]. Необходимо отдельно рассматривать воздействие на окружающую среду большого объема основных компонентов ПГМ и сопутствующих им наиболее потенциально опасных примесей. Для этого на втором уровне разработанной системы рассматриваются основные группы химических ПГМ: хлориды, ацетаты, карбамиды и нитраты. На рисунке представлен элемент CALS-проекта для подкатегории № 1.1. «Хлориды». В рассматриваемой подкатегории, в свою очередь, выделено 3 подкатегории 2-го уровня, представляющие собой наименования химических веществ - основных компонентов ПГМ: Хлориды кальция, магния и натрия. Для каждого соединения в систему занесены 6 индикаторов качества, характеризующих степень воздействия противогололедных материалов на выбранный объект окружающей среды (рис. 1): массовая доля растворимых солей (подкатегория № 1), массовая доля нерастворимых в воде веществ (№ 2), водородный показатель (№ 3), удельная эффективная активность естественных
радионуклидов (№ 4), массовая доля примесей (№ 5) и коррозионная активность на металл (№ 6).
Экология ПГМ ■
®айл Сра&кэ £ид Настройки I
е~ ia а ъ @ й1 й
н
Навигатор
Е)'1Э Категории
Ё ОЙЬЕКТЫ йкружЛЮи^сн Среды
^1] Ь СнЕЗКМЫИ покрав Н БСДКЫЕ О&ЪЕКТЫ
в м ИИАН-ШЯ
Е1- й Хлориды кальция ■ 1. Массовая доля растворимых солей (оснс
Ш- 2. Массовая деллнерастворимыхв водева
ЧГ ^ 3. ВсДОрОДНЫИ ПОЕЛ1ДТЕЛЬ
+] УдЕльная эффЕ>ттавн&я вкпгемость естё'
+ Щ 5. Мэссовэя дсллгримесиг Л - й ^ Коррозионная экгивносгь нэ металл ■ Хлориды магния
(Й] Хлориды натрия
0 1.2.Ацетагты
4] 1.3. Карбамиды
Й 14, Нитрзты [£]-■(( Почвенный го кров
3. Зелен ы е н асажден шя
Ш Атмосферный
Г[УТОВС
ГЦ $рог ■ üiloii Rrwjfr-
■I.'.I- Р^кичргллн Hf Лрпсмптр 'JKI+Л С.прыкл
Т| / 217 [ 75-а. | -•■ | | ' Комментарии Общий доступ
нчК:к1>гЛ
I. АГул^рСп н^ннЛи СнСгГмЛ ГПин ГгкркЛ-чиндС» нЛ 'i№i uvg)»iij№BdiiU!i С^шАш^й Ф«а«]?<11Ш11
С^ннтйрные ■■PrbtFH.il-сЧ^ ВОРЯН И Г НЛП* ВШКХНв нормативы
2.1.3- ö»« л о от и eii« ■■ и и наи^пвпиых не с г, салшта| >н йл охрана водоемов
ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМЫЕ КОНЦЕНТРАЦИИ (НДК> ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ В ПОДЕ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ХОЗЯЙСТВЕННО.ПИТЬЕВОГО И КУЛЬТУРНО-БЫТОВОГО ВОДОПОЛЬЗОВАНИЯ
ГН
Мнн и]№в РОССин
1ГТ лн П цмеюдцми rix' .П. - Wilcrtj?i>fl WilTii
Шь I
C--U1 SKifl.D«:-a Фстеэт <£рвгк да&ъид 2?:!н>
и: 2,1.jS.55S!-9'5 «Гигиенически* требомяия к качеству воды»
х
Ш
Показатели К.л.1 шиг^ы Hapftiatfakhi (пре-^рлкмп дппуситтьтр ТТ)№»Я1«№ f&lVG
кощсшрйшш (1ДДК}, HC 6oJ№ ьрсдасос НЕ опасности
ОСий.ш.им.ы-сы.ы ПЙКШНйЛН
БодородныЯ: единицы Рн Si ¡0 -
н ял]>г:мппи>гкир ПРИ^ГТЯЯ
&адннВ (Cd, Г.умэс-Чр«с.> мгУл 0,001 2
Медь (Си. суммарно} htf^Jl 1.0 3
Мкшьлк (А?. «fii 0,05 С л 2
Фторнди CF )
а [ЕГ э ш < Стр. 3_Рад* 3
1
Рис.1. CALS-проект «Экологическое воздействие ПГМ». «Снег, водные объекты». «Хлориды»: а - гигиенические нормативы 2.1.5.689-98; б - таблица ПДК для воды
Для каждого показателя в систему занесены все необходимые исследователю сведения о методе определения, используемом приборе и виде выходной документации [5]. Определение массовой доли растворимых солей (подкатегория № 1) ведут титриметрическим методом, для которого в системе приведено несколько наименований используемых для этого цифровых бюреток различных марок (BRAND Titrette, BT-50 Stuart Scientific и др.). На рисунке 1 в качестве примера представлен элемент CALS-проекта для подкатегории «Хлориды». Показано, что основным источником поступления хлоридов являются воды хозфекальной канализации, так как именно там утилизируется основная масса снега, содержащего компоненты ПГМ. Современная система очистки не позволяет очищать воду от ионов хлора. Все поступающие хлориды с противогололедными материалами после очистки воды от других загрязнений попадают в р. Москву.
Массовая доля нерастворимых в воде веществ (подкатегория № 2) определяется гравиметрически. Навеску ПГМ фильтруют через обеззоленный фильтр «синяя лента» (предварительно высушенный в сушильном шкафу при температуре 60-70°С до постоянной массы). Осадок на фильтре промывают горячей водой до отрицательной реакции на хлорид-ион, а затем фильтр с осадком подвергается термообработке в сушильном шкафу. В КМК-системе представлено несколько вариантов сушильных шкафов различных фирм-производителей (Ulab, Umega, Экрос) для выбора
сушильного устройства с различными габаритами, максимальной температурой и режимом сушки.
В КМК-системе определению водородного показателя (подкатегория № 3) поставлен в соответствие потенциометрический метод с использованием в качестве аналитического оборудования рН-метра. Метод основан на потенциометрическом измерении разницы потенциалов стеклянного электрода и электрода сравнения, погруженных в водный раствор ПГМ.
Определение удельной эффективной активности естественных радионуклидов (подкатегория № 4) -методом радиометрии. Рассматриваемый метод основан на измерении излучений, испускаемых радиоактивными элементами. В CALS-проекты занесены данные по различным рН-метрам и радиометрам отечественного и зарубежного производства. Радиометры предназначены для измерения объемной и удельной активности гамма-излучающих радионуклидов в воде, продуктах питания, кормах почве, промышленном сырье и других объектах.
Наибольший интерес для нас представляет аналитический мониторинг, связанный с определением и занесением в КМК-систему примесных компонентов химических ПГМ. Для этого в подкатегории № 5 «Массовая доля примесей» выделено 3 подкатегории четвертого уровня, объединенных по способу определения рассматриваемых примесей (рис. 2).
Рис.2. CALS-проект «Экологическое воздействие ПГМ». «Хлориды кальция» - «Примеси фтора»: а - иономер-кондуктометр «Анион 4155»; б - график зависимости электродного потенциала
Примеси кадмия, ртути, молибдена, мышьяка, свинца и селена определяют методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (метод основан на использовании для ионизации элементов индукционной плазмы факельной конфигурации; для регистрации ионов определяемых элементов используют масс-спектрометр квадрупольного типа); примеси кобальта, никеля, меди, хрома и цинка - методом атомно-эмисионной спектрометрии (метод основан на использовании в качестве источника возбуждения спектров индукционной плазмы факельной конфигурации; для регистрации спектра используются многоканальные фотоэлектрические системы), а примесь фтора - методом потенциометрии. Как и в ранее рассмотренных подкатегориях для каждого метода в системе представлен весь ассортимент российских и зарубежных приборов (рис. 2-а) различных фирм-разработчиков и виды выходной документации (рис. 2-б).
Проведен комплекс системных исследований [6] и разработана система экологического мониторинга влияния ПГМ на следующие компоненты окружающей среды: снежный покров, водные объекты и грунтовые воды; почвенный покров; зеленые насаждения; атмосферный воздух. Для рассматриваемых экологических компонент введена типовая структура противогололедных материалов, для каждого из которых в архитектуру системы введены 6 важнейших индикаторов качества, характеризующих степень воздействия конкретного ПГМ на выбранный объект окружающей среды. По всем индикаторам качества в систему введены соответствующие методы анализа и аналитическое оборудование.
Работа проводилась при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) по проекту № 16-07-00823 «Теоретические основы разработки и внедрения
автоматизированных CALS-систем управления жизненным циклом научных исследований в химической промышленности».
Список литературы
1. Глушко А.Н., Бессарабов А.М., Степанова Т.И. Разработка CALS-технологии компьютерного менеджмента качества химических противогололедных материалов и дорожных пропиток на основе методов системного анализа // Наукоемкие технологии. 2013. Т. 14. № 3. С. 74-80.
2. CALS-based computer-aided support in the chemical industry / Bessarabov A. [et al.]. Chemical Engineering Transactions. 2016. V. 52. P. 97-102.
3. Королев В.А., Соколов В.Н., Самарин Е.Н. Оценка эколого-геологических последствий применения противогололедных реагентов в г. Москве // Инженерная геология. 2009. № 1. С. 34-43.
4. Компьютерный экологический мониторинг химических противогололедных реагентов / Бессарабов А.М. [и др.]. Вестник Казанского технологического университета. 2013. Т. 16, № 20. С. 280-283.
5. Применение современных аналитических методов для оценки экологического влияния противогололедных реагентов на объекты окружающей среды / Булатицкий К.К. [и др.]. Российский химический журнал. 2014. Т. 58, № 1. С. 65-72.
6. Contribution of applied chemistry to maintaining Russian highway infrastructure in winter / Glushko A.N. [et al.]. Russian Journal of General Chemistry. 2015. V. 85, № 10. P. 2449-2457.
