CC BY
0УДК 623.459.004.74 : 543/545
Технические основы системы химико-аналитического контроля на объектах уничтожения химического оружия
Доктор физико-математических наук, профессор, директор ФГУП ГНТЦ «Инверсия» Госстандарта России Б. С. Пункевич, доктор технических наук, профессор, заместитель директора ФГУП ГНТЦ «Инверсия» Госстандарта России В. П. Зубрилин, начальник отдела АО «Конгар» В. А. Колосов, заместитель начальника научно-исследовательского управления НТЦ ФУ БХУХО А. Б. Полков, кандидат технических наук, начальник отдела ФГУП ГНТЦ «Инверсия» Госстандарта России Е. М. Загребин, кандидат химических наук К. Н. Иванов, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник отдела ФГУП ГНТЦ «Инверсия» С. О. Памфилов
Обеспечение гарантированной безопасности работ по уничтожению химического оружия (ХО) требует создания высокоэффективной, надежной системы мониторинга рабочих параметров технологических процессов и состояния окружающей среды в районе размещения объектов уничтожения ХО [1, 2]. Основой системы мониторинга является химико-аналитический контроль для оценки соблюдения рабочего режима технологического процесса и показателей безопасности функционирования объекта.
Ввод в эксплуатацию в ближайшее время объектов уничтожения ХО требует правильной организации и введения в действие системы химико-аналитического контроля, адаптированной к конкретному объекту. Принципы функционирования отдельных звеньев этой системы обсуждались в специальных выпусках Российского химического журнала [3— 5]. В настоящей работе преследовались цели систематизации задач химико-аналитического контроля и обоснования концептуальных положений создания логической структуры системы химико-аналитического контроля на объектах уничтожения ХО.
Создание такой системы на каждом конкретном объекте требует комплексного учета большого числа различных факторов, в том числе типа уничтожаемого отравляющего вещества (ОВ), применяемых технологий, приборного обеспечения, расположения объекта, а также соответствующих показателей экосистемы. Вместе с тем, при разработке системы химико-аналитического контроля должны применяться единые методологические подходы, определяющие принципы
построения системы, объекты контроля и порядок функционирования.
Целью химико-аналитического контроля является постоянное получение оперативной информации о содержании отравляющих веществ и продуктов их детоксикации в контролируемых зонах, а также о динамике возможного изменения уровня их концентраций. Такая информация крайне необходима для контроля безопасности функционирования объекта уничтожения ХО, для оперативного принятия решения по предотвращению поступления отравляющего вещества и продуктов его детоксикации в окружающую среду при нарушении технологического процесса, а также для своевременного оповещения рабочего персонала объекта и населения в случае аварийных выбросов ОВ.
Объектами химико-аналитического контроля при проведении работ по уничтожению ХО являются:
— воздух в складских помещениях объектов хранения, в рабочей, промышленной и санитарно-защитной зонах объектов уничтожения ХО;
— вода сточная, дождевая, паводковая, водоемов селитебных мест;
— почва в промышленной и санитарно-защитной зонах;
— вентиляционные выбросы;
— поверхность технологического оборудования;
— средства индивидуальной защиты персонала;
— ОВ в боеприпасах и емкостях;
— реакционные массы и отходы производства.
Отметим, что до начала функционирования объекта уничтожения ХО предусматривается определение фоновых концентраций вредных веществ в различных средах (атмосферный воздух, вода, почва, растительность).
Основная задача контроля при ликвидации химического оружия заключается в количественном определении содержания ОВ и продуктов их детоксикации в пробах исследуемых объектов окружающей и техногенной среды и оценка их соответствия нормативным уровням. Полученные данные служат основанием для подтверждения факта уничтожения определенного количества и соответствующего типа ОВ, для обеспечения контроля за соблюдением технологического регламента процесса уничтожения ОВ и за безопасностью персонала, инспекционных групп Организации по запрещению химического оружия, населения и окружающей среды.
Все контролируемые показатели можно разделить на три основные группы.
Одну группу составляют показатели, по которым осуществляется контроль параметров технологического процесса детоксикации ОВ: качественный состав и масса ОВ в исходном сырье, поступающем на уничтожение (входной контроль); концентрация ОВ в реакционных смесях на стадиях, предусмотренных технологическим регламентом, в реакционных массах (продуктах), подлежащих утилизации (выходной контроль) и в отработанных дегазационных растворах.
В другую группу входят показатели производственной и экологической безопасности: концентрация ОВ и продуктов детоксикации в воздухе рабочей, промышленной и санитар-но-защитной зон, в потоках абгазов, в сточных, дождевых, паводковых водах и в воде водоемов селитебных мест, в почве промышленной и санитарно-защитной зон; плотность заражения поверхностей технологического оборудования и средств индивидуальной защиты.
К группе показателей, подлежащих международному инспекционному контролю в рамках Конвенции о запрещении разработки, производства, накопления и применения химического оружия и о его уничтожении [6], относятся такие показатели первой и второй групп, как масса ОВ, находящегося на объекте хранения химического оружия (инвентарный учет), масса и качественный состав ОВ в партии химического оружия, подаваемой на уничтожение (входной контроль), концентрация ОВ в воздухе рабочей и промышленной зон объекта, плотность заражения поверхностей
технологического оборудования и средств индивидуальной защиты.
Граничные значения показателей содержания отравляющих веществ и продуктов их детоксикации в контролируемых объектах должны быть строго нормированы:
— для группы параметров технологического процесса техническими условиями, технологическими регламентами;
— для группы показателей производственной и экологической безопасности национальными санитарно-гигиеническими нормативами, нормативными документами по охране окружающей среды;
— для группы показателей, подлежащих международному контролю, соглашениями по объекту.
Химико-аналитический контроль организуется в рабочей, промышленной и санитарно-защитной зонах объектов уничтожения ХО. Он должен осуществляться как в период проектного функционирования объектов, так и при возникновении запроектных ситуаций.
Контроль ОВ и продуктов детоксикации, относящихся к первому классу опасности, должен проводиться в непрерывном и периодическом режимах. В непрерывном режиме осуществляется контроль за появлением пороговых концентраций ОВ в рабочей зоне в случае возникновения аварийной ситуации (аварийный контроль), санитарно-гигиенический контроль условий труда рабочего персонала, контроль вентиляционных выбросов, сточных вод и воздуха по периметру промышленной зоны объекта. Периодически проводится количественное определение ОВ в воздухе в рабочей зоне, а также контроль в промышленной и санитар-но-защитной зонах путем отбора проб почвы, воды и воздуха с последующим их анализом в химической лаборатории.
Все перечисленные аналитические задачи четко разбиваются на три основные функциональные направления, в соответствии с которыми система химико-аналитического контроля может быть построена из трех структурных подсистем (см. схему):
— подсистемы контроля технологического процесса уничтожения ХО;
— подсистемы контроля рабочей и промышленной зон объекта уничтожения ХО;
— подсистемы контроля санитарно-защитной зоны.
Подсистема контроля за технологическим процессом
уничтожения ХО осуществляет слежение за соблюдением параметров технологического регламента и проверку пол-
Структурно-функциональная схема системы химико-аналитического контроля на объектах уничтожения ХО
ноты детоксикации ОВ. Она должна обеспечивать отбор и анализ проб ОВ из боеприпасов, определение возможных мест утечки ОВ в технологическом оборудовании, отбор и анализ проб реакционных масс в местах, предусмотренных технологическим регламентом. Техническими элементами этой подсистемы могут быть переносные комплекты контроля, оснащенные пробоотборными устройствами, течеискателями, а также стационарные технологические посты, позволяющие проводить отбор проб ОВ и реакционных масс на определенных стадиях технологического процесса для последующего их анализа в химико-аналитической лаборатории.
Подсистема контроля рабочей и промышленной зон объекта предназначена для проведения аналитических измерений с целью обеспечения безопасности рабочего персонала объекта и соблюдения санитарно-гигиенических нормативов. На данную систему возлагается большой круг задач, основными из которых являются:
— своевременное обнаружение опасных концентраций ОВ в рабочей зоне объекта, что достигается установкой в зоне стационарных постов, оборудованных автоматическими газосигнализаторами, способными за несколько секунд 120
подать сигнал опасности о пороговых концентрациях ОВ (аварийный контроль);
— контроль в воздухе рабочей и промышленной зон ОВ на уровне предельно допустимых концентраций — ПДКр.з. (санитарно-гигиенический контроль условий труда), что требует оснащения рабочей зоны стационарными постами, оборудованными газоанализаторами, способными непрерывно контролировать с чувствительностью не ниже 0,5 ПДКр.з. [7]. При подаче сигнала о превышении предельно допустимых концентраций ОВ проводится отбор проб воздуха пробоотборниками и последующий их количественный анализ в химико-аналитической лаборатории;
— контроль предельно допустимых выбросов ОВ и продуктов их детоксикации (ПДВ) с помощью газоанализаторов;
— определение уровней загрязнения поверхностей технологического оборудования и средств индивидуальной защиты. Соответствующий контроль проводится методом экспресс-анализа с использованием тест-наборов, а также посредством смывов с поверхностей технологического оборудования и последующим их анализом в химико-аналитической лаборатории;
— контроль сточных вод и абгазов, для чего на каждом воздуховоде после системы очистки, а также в коммуникациях сточных вод устанавливаются стационарные автоматические средства контроля ОВ.
Подсистема контроля санитарно-защитной зоны организуется в целях наблюдения и сбора информации о содержании ОВ и продуктов их детоксикации в воздухе, почве и воде на территории санитарно-защитной зоны и оценки безопасности функционирования объекта уничтожения ХО по отношению к населению и окружающей среде. Основная задача химико-аналитического контроля в этой зоне — периодический отбор проб воздуха, воды и почвы, консервирование и доставка их на анализ, сравнение результатов анализа с предельно допустимыми концентрациями в атмосферном воздухе, воде, почве (ПДКа.в., ПДКв., ПДКп.) с последующей выдачей рекомендаций по снижению (нормированию) выбросов (сбросов) загрязнителей. Эта подсистема включает стационарные посты контроля воздуха и мобильные средства отбора проб. Пробы должны отбираться не только по периметру промышленной зоны объекта, но и вдоль внешней границы санитарно-защитной зоны, в первую очередь, в направлении ближайших населенных пунктов.
Таким образом, основными техническими элементами системы химико-аналитического контроля на объектах уничтожения ХО являются аналитическая лаборатория, стационарные и подвижные посты контроля.
Одним из наиболее важных элементов в системе контроля является химико-аналитическая лаборатория. Она может функционировать как самостоятельное подразделение, предназначенное для обеспечения контроля в целом на объекте, либо входить отдельными функциональными подразделениями в каждую из подсистем (естественно, все эти подразделения целесообразно объединить под единым руководством).
На химико-аналитическую лабораторию возлагается выполнение следующих задач:
— качественный анализ ОВ, поступающего на уничтожение (входной контроль);
— количественный анализ ОВ и продуктов их детоксикации в пробах воздуха рабочей и промышленной зон объекта;
— качественный и количественный анализ продуктов метаболизма ОВ в пробах почвы и воды, отобранных в са-нитарно-защитной зоне;
— аналитический контроль чистоты поверхности технологического оборудования, средств индивидуальной защиты при проведении регламентных и профилактических работ;
— обеспечение безопасной деятельности международных инспекторов.
Приведем пример лаборатории, функционирующей как самостоятельная структура, решающая задачи по объекту в целом. В ее состав могут входить: отделение (лаборатория) обеспечения контроля технологического процесса, которое проводит физико-химические анализы проб ОВ, взятых из технологической линии, сорбентов воздухоотборных устройств, коммуникаций сточных вод; отделение (лаборатория) контроля окружающей среды, которое проводит анализы проб воздуха, воды и почвы, отобранных в промышленной и санитарно-защитной зоне; отделение стационарных автоматических средств, отвечающее за поддержание в рабочем состоянии соответствующих технических средств контроля (газосигнализаторов, газоанализаторов и т.п.), их обслуживание и градуировку; отделение мобильных автоматических средств контроля, предназначенное для отбора проб воздуха, воды и почвы, их консервирования и доставки на анализ.
Представленная структурная схема системы химико-аналитического контроля на объектах уничтожения химического оружия при адаптировании ее к конкретному объекту может быть конкретизирована и дополнена.
Успешное функционирование системы химико-аналитического контроля возможно при наличии соответствующих технических средств и методов контроля, а также подготовленных специалистов для их эксплуатации. Главным критерием выбора оптимального метода и средств измерений для определения каждого конкретного вещества должно служить условие максимального удовлетворения основным требованиям, предъявляемым к анализу высокотоксичных веществ, к которым помимо общих требований (надежность, экономичность, работоспособность в определенных температурных режимах, устойчивость к агрессивным воздействиям) относятся высокая чувствительность определения, быстродействие прибора, высокая специфичность, минимальное время подготовки к повторному анализу.
Для средств санитарно-гигиенического контроля ОВ чувствительность должна быть не ниже 0,5 ПДКр.з. (ПДУ, ПДВ), для приборов, используемых в аварийном контроле — не ниже 100 ПДКр.з., что количественно приближается к значениям опасных концентраций [7].
Что касается быстродействия измерений, то для средств санитарно-гигиенического контроля оно не должно превышать 10—15 минут, для средств аварийного контроля — нескольких секунд [7]. Последействие или готовность к повторному анализу не должно превышать времени быстродействия.
Количественная оценка специфичности определения, выражаемая отношением концентрации анализируемого вещества к концентрации мешающей примеси, для большинства сопутствующих примесей должна соответствовать величине порядка 10-3—10-4, т.е. прибор должен обеспечивать высокую специфичность определения и не давать ложных сигналов [3].
Согласно требованиям ГОСТа [8], время отбора пробы не должно превышать 15 минут. Приемлемая производительность пробоотборника воздуха должна составлять примерно 500 л/мин.
Технические средства контроля должны иметь время непрерывной работы не менее четырех часов (время продолжительности рабочей смены в особо опасных условиях), изготавливаться в пыле- и влагозащищенном, пожаро- и взрывобезо-пасном исполнении, обеспечивать возможность управления с автоматизированных рабочих мест, передавать постоянно или по запросу по каналу связи информацию об измеряемых количественных характеристиках.
Средства измерений параметров технологического процесса уничтожения ОВ должны обеспечивать безопасность при их эксплуатации в контакте с высокотоксичными средами.
Естественно, выбрать метод качественного и количественного химического анализа, который в полной мере удовлетворял бы всем этим жестким требованиям, в настоящее время не представляется возможным. Кроме того, для обеспечения достоверности идентификации отдельных проб веществ могут потребоваться два (и более) метода качественного и количественного анализа.
Вопросы методического и приборного обеспечения химико-аналитического контроля на объектах уничтожения ХО обсуждаются уже довольно длительное время. Анализ публикаций по этой проблеме [3—5, 9] позволяет сделать вывод о возможности и необходимости использования трех групп методов анализа, взаимодополняющих друг друга.
Химические методы анализа хорошо отработаны и дают надежные результаты, однако они имеют недостаточную чувствительность и трудоемки в исполнении. Биохимические методы характеризуются высокой чувствительностью и достаточной специфичностью по фосфорорганическим соединениям. Они используются для анализа наиболее токсичных ОВ. К сожалению, достоинства этих методов снижают малые сроки хранения и слабая термостабильность применяемых в этих методах ферментов. Физико-химические методы анализа (спектральный, электрохимический, ионизационный и др.) обеспечивают наибольшее быстродействие и обладают высокой информативностью (идентификация, количественное определение и установление структуры веществ). Они широко применяются в
автоматических газоанализаторах. Однако существенным недостатком этих методов является низкая специфичность. Анализ многокомпонентных систем практически осуществим лишь при условии разделения смесей веществ, например, с помощью хроматографии.
Хроматографические методы обеспечивают наиболее высокую специфичность и обладают достаточно высокой чувствительностью. Кроме того, они отличаются высоким быстродействием и возможностью автоматизации, что обеспечивает им лидирующее место в системе химико-аналитического контроля на объектах уничтожения ХО.
Среди наиболее надежных и достоверных методов, универсальных в отношении большинства органических соединений, можно выделить ЯМР-спектроскопию, ИК-спектроскопию и масс-спектрометрию. Для двух последних методов разработаны варианты сопряжения с газовыми и жидкостными хроматографами, причем хромато-масс-спектрометрические системы на порядок превосходят по чувствительности современные ИК-анализаторы. Поэтому именно хромато-масс-спектрометрия представляется наиболее перспективным методом для решения многих задач химико-аналитического контроля.
В качестве вспомогательных методов контроля емкостей и боеприпасов с ОВ могут применяться методы рентгеноскопии, ультразвуковой эхографии, нейтронно-активационного анализа.
Арсенал технических средств измерений, предназначаемых для химико-аналитического контроля на объектах уничтожения химического оружия, существенно дополняют пробоотборные устройства, контрольно-измерительные приборы, газосигнализаторы и газоанализаторы, течеискатели и тест-наборы, автоматические средства регистрации и записи аналитической информации и т.п. Полный перечень этих средств определяется для каждого конкретного объекта. При рассмотрении концептуальных положений создания системы химико-аналитического контроля на объектах уничтожения ХО представляется целесообразным провести классификацию этих средств по группам в зависимости от решаемых задач, назначения и сфер применения (табл. 1).
Типовое оборудование химико-аналитической лаборатории приведено в табл. 2.
Выбор конкретных средств аналитического контроля и базовой методологии проведения измерений из применяющихся в настоящее время в различных областях народного хозяйства является сложной задачей. Анализ современных отечественных средств и методов инструментального контроля показывает, что они не отвечают в полной мере международному уровню по ряду показателей.
Таблица 1
Технические средства контроля ОВ на объектах уничтожения химического оружия
Средства измерений Метод детектирования ОВ Зоны использования Назначение
Газосигнализаторы Химический, ионизационный, Рабочая и Контроль опасных (пороговых) концен-
спектрометрия, ионной промышленная зоны траций ОВ
подвижности
Газоанализаторы Биохимический, электрохими- Промышленная и Санитарно-гигиенический контроль
ческий, ионизационный, пла- санитарно-защитная воздуха. Непрерывный контроль венти-
менная спектрометрия, ион- зоны ляционных выбросов на уровне ПДВ
кластерная спектрометрия
Сигнализаторы ло- Ионизационный Рабочая зона, зона Оперативное обнаружение течей в ем-
кальной зараженно- хранения, маршруты костях и боеприпасах с ОВ, неисправ-
сти (течеискатели) транспортировки ОВ ностей технологического оборудования в аварийных ситуациях
Тестовые системы Химический, биохимический Зона хранения, рабо- Экспресс-анализ воздуха, поверхностей
(тест-наборы) чая зона технологического оборудования, средств индивидуальной защиты и водных растворов на наличие ОВ
Пробоотборные пе- Зона хранения, рабо- Периодический пробоотбор (ОВ, реак-
реносные комплекты чая и санитарно-защитная зоны ционных масс, воздуха, воды, почвы, смывов с поверхности технологического оборудования и средств индивидуальной защиты), консервирование, доставка в лабораторию для анализа
Приборы неразру- Рентгеноскопия, ультразвуко- Зона хранения, рабо- Контроль уровней заполнения и состоя-
шающего контроля вая эхография, нейтронно-активационный анализ чая зона ния боеприпасов и емкостей, оценка химической структуры наполнителей
Таблица 2
Основное стационарное оборудование химико-аналитической лаборатории
Тип измерительной Назначение Предел обнаруже-
аппаратуры ния, мг/м3 [8]
Газовые хроматографы Качественный и количественный анализ ОВ и продуктов -М0-4—М0-з
их детоксикации в пробах, расшифровка их структуры
Жидкостные хроматографы То же, а также определение лабильных нелетучих соединений 1 •10-з—1 •ю-2
Флюидные хроматографы То же, а также определение термолабильных соединений М0-3—1 •Ю-2
в реакционных массах
Ионные хроматографы Определение кислот, металлов, аминов, поверхностно- 1 • 10-2
активных веществ
Хромато-масс-спектрометры Качественный и количественный анализ ОВ всех классов М0-4—1 • 10-2
и продуктов их детоксикации, органических соединений
(мол. масса до 800 а.е.м)
Хромато-ИК-Фурье-спектрометры Качественный и количественный анализ ОВ всех классов, М0-4—1 • 10-2
органических и неорганических соединений в газовых,
жидких и твердых пробах
Атомно-абсорбционные спектрометры Элементный анализ проб (до 60 элементов) М0-4—1 • 10-2
Атомно-эмиссионные спектрометры Элементный анализ проб (до 70 элементов) М0-4—1 • 10-2
Вместе с тем есть все основания полагать о наличии реальной возможности создания в самое ближайшее время отечественных конкурентоспособных приборов (в основном газоанализаторов, газосигнализаторов, течеискателей и пробоот-борных устройств), отвечающих предъявляемым требованиям.
На основании проведенных в последнее десятилетие исследований под эгидой Организации по запрещению химического оружия рекомендовано использовать для аналитического обеспечения работ по уничтожению ХО стационарные компьютеризованные лабораторные комплексы, включающие системы хромато-масс-спектрометрического и спектрометрического анализа [9].
Одним из наиболее перспективных средств контроля за состоянием окружающей среды являются подвижные лаборатории, оборудованные необходимыми средствами для отбора проб и проведения анализов в полевых условиях. Следует отметить, что проведение анализов на местах существенно снижает затраты и позволяет значительно сократить время принятия решений в случае возникновения аварийных ситуаций.
Проблема приборного оснащения при разработке системы химико-аналитического контроля на объектах уничтожения ХО является одной из приоритетных, так как предполагает решение сложного комплекса научно-технических задач по созданию на базе имеющихся и разрабатываемых технических средств контроля строгой логической системы их надежного взаимодействия и функционирования, в полной мере удовлетворяющей требованиям по обеспечению безопасности рабочего персонала объектов, гражданского населения и окружающей среды.
Для надежного функционирования системы химико-аналитического контроля должна быть разработана и утверждена нормативно-методическая база, строго регламентирующая проведение отдельных стадий химического анализа (про-боотбор, консервирование и транспортировка проб, пробопод-готовка, выдача и обработка результатов анализа). Должен быть определен перечень особо вредных веществ и продуктов их разложения, подлежащих контролю, регламентированы предельно допустимые их концентрации в рабочей зоне, в атмосферном воздухе, в воде и почве, предельно допустимые уровни загрязнения технологического оборудования и средств индивидуальной защиты, а также предельно допустимые нормы выбросов и сбросов токсичных веществ. При этом важно подчеркнуть, что нормативы по выбросам токсичных веществ в окружающую среду должны быть установлены на научно обоснованном уровне. Необоснованно высокие нормативы на вы-
бросы и сбросы не только сделают работы более дорогостоящими и затяжными, но практически могут увеличить степень риска для обслуживающего персонала объекта и населения прилегающих районов.
* * *
Изложенные в статье вопросы не исчерпывают перечень задач, определяющих все аспекты создания и надежного функционирования системы химико-аналитического контроля, прежде всего потому, что данная система не является статичной и в процессе уничтожения ХО предполагается ее постоянное развитие и совершенствование.
В заключение следует подчеркнуть, что создание надежно работающей системы химико-аналитического контроля за безопасным и эффективным уничтожением химического оружия является сложной научной проблемой, связанной с проведением значительного объема исследований и оперативным решением целого комплекса организационно-технических задач, что требует четкой координации деятельности специалистов и руководителей всех ведомств, занимающихся проблемой уничтожения химического оружия.
ЛИТЕРАТУРА
1. «Об уничтожении химического оружия». Федеральный закон от 2 мая 1997 г. № 76-ФЗ.
2. «Уничтожение запасов химического оружия в Российской Федерации». Федеральная целевая программа. Постановление Правительства РФ от 5 июля 2001 г. № 510.
3. Яценко А.И, Никулин А.В. Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д. И. Менделеева), 1993, т. 37, № 3, с. 10—14.
4. Чеботарев О.В., Дружинин А.А. Там же, 1994, т. 38, № 2, с. 69—73.
5. Холстов В.И, Тарасевич Ю.В. Там же, 1995, т. 39, № 4, с. 65—73.
6. Конвенция о запрещении разработки, производства, накопления и применения химического оружия и его уничтожении. ОЗХО, 1996.
7. Концепция метрологического обеспечения уничтожения химического оружия и его бывших производств в Российской Федерации. М., Госстандарт России, 2001.
8. ГОСТ ССБТ 12.1.005-88. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны. М.: Изд-во стандартов, 1991.
9. Федеральные и региональные проблемы уничтожения химического оружия. Информационный сборник, вып. 2, М. ВИНИТИ, 2000.
