Разработка методов обнаружения загрязнения воды агрессивными химическими веществами и соединениями урана

Язык труда и переводы:
УДК:
502
Дата публикации:
19 июля 2021, 21:53
Категория:
Б4. Промышленная и экологическая безопасность
Аннотация:
Рассмотрены существующие способы экспресс-обнаружения агрессивных химических веществ и соединений урана в воде. На основе всех проведенных анализов разработан новый метод экспресс-обнаружения и проведены эксперименты по определению чувствительности методов обнаружения загрязненности воды с помощью применения индикаторных рецептур в аэрозольных устройствах для продуктов щелочного, кислого, окислительного характера, производных диметилгидразина и аммиака, а также соединение урана.
Ключевые слова:
агрессивные химические вещества, аэрозольное устройство, тест-комплекты, экспресс-обнаружение, методы экспресс обнаружения, способы обнаружения агрессивных химических веществ, анализ обнаружения загрязненности воды
Основной текст труда

Проблемам загрязнения воды и обнаружению в воде агрессивных химических веществ в последнее время уделяется все больше внимания, так как участились аварии на различных химических и радиационно-опасных объектах, которые оказывают негативное влияние не только на людей, но и на окружающую среду.

При этом стоит отметить, что при смешении агрессивных химических веществ происходит выделение большого количества энергии, что может привести к крупномасштабным чрезвычайным ситуациям с такими же масштабными последствиями.

Загрязнение воды довольно актуально в современном мире, так как вода один из самых востребованных ресурсов на Земле, в связи с этим, рассматриваются способы экспресс-обнаружения наличия агрессивных химических веществ (АХВ) в воде. В настоящее время существует много источников загрязнения воды и своевременное их обнаружение поможет предпринять меры по ликвидации химически опасных веществ в кратчайшие сроки и с наименьшими потерями, в том числе финансовыми, а также избежать множество проблем в дальнейшем.

Цель настоящего исследования — разработать методы экспресс-обнаружения загрязнения воды АХВ и соединениями урана с применением индикаторных рецептур в аэрозольных устройствах.

В качестве АХВ рассмотрены следующие вещества:

  • щелочные — сильные (гидроокись калия, гидроокись натрия и другие) и слабые (гидроокись аммония и другие) основания;
  • кислые — сильные (серная, азотная, соляная и др.) и слабые (уксусная и др.) кислоты;
  • окислители — концентрированная и разбавленная азотная, концентрированная серная кислоты, перекись водорода и др.;
  • восстановители — производные диметилгидразина, в том числе несимметричный диметилгидразин, который являются основным компонентом реактивного топлива, аммиак, гидроксил аммония.

Необходимость проведения экспресс-идентификации всех этих четырех типов АХВ обусловлена тем, что розлив этих химических веществ может привести к получению химических ожогов работающего персонала, а смешение кислот со щелочами, окислителей с восстановителями может привести к взрывам и пожарам [1].

Порезультатам анализа были рассмотрены наиболее распространенные существующие способы обнаружения АХВ и соединений урана в воде, определено, что на данный момент рынок предлагает довольно широкий спектр инструментов и наборов для проведения подобных анализов.

Из них наиболее распространенные — экспресс-тесты и экспресс-наборы (также тест-комплекты), с помощью которых можно определить основные параметры:

  • жесткость;
  • кислотность, уровень содержания азотистых соединений (аммиак, аммоний, нитриты, нитраты);
  • уровень содержания марганца, хлора, фосфатов и др.

Экспресс анализ воды — это исследование, которое можно провести как в лаборатории, так и самостоятельно непосредственно на месте пробоотбора, при условии наличия необходимого набора для тестирования или оборудования за короткое время [2]. К экспресс-тестам можно отнести: индикаторные полоски, бумаги, фотометры, TDS-метры и др.

Недостатком индикаторных полосок и индикаторных бумаг является то, что обнаружение индикационного эффекта зависит от человеческого цветового восприятия, вследствие чего результат может быть ошибочным.

Данный способ для обнаружения АХВ с помощью индикаторных бумаг характеризуется однократностью использования, имеет ограниченный интервал рабочих температур и срок сохранения работоспособности во вскрытом состоянии, необходим непосредственный контакт с обследуемой пробой. При этом требуется также использовать дополнительные реактивы и принадлежности.

Экспресс-тесты невозможно рассматривать в качестве полноценной кандидатуры по развернутому исследованию, тем не менее они позволяют быстро определить общую картину или же узнать общие характеристики исследуемой воды без особых усилий непосредственно на месте пробоотбора, получить результаты тестирования можно в течение часа.

Экспресс-наборы — более развернутый вариант исследования. Они дают возможность как группового анализа, так и избирательного, по одному или нескольким параметрам. Тест-комплекты, которые могут определить от одного до нескольких параметров, считаются наиболее востребованными.

Тест-комплект — это контейнер с набором для анализа, в который входят готовые расходные материалы, оборудование, различные растворы (реагенты) или же химикаты в виде капсул, таблеток и документация. Тест-комплекты могут быть как групповые, так и по одному параметру.

Групповой анализ может определить один из важнейших параметров состояния воды:

  • щелочность;
  • общая жесткость;
  • содержание хлоридов;
  • железа, сульфитов (соли сернистой кислоты).

Такие наборы относятся к профессиональным тест-комплектам, в связи с чем их стоимость достаточно высокая.

Для обнаружения урана и его соединений существуют специальные приборы радиационной разведки, которые обнаруживают только изотоп радиоактивного урана с атомной массой 235 (235U).

Были проанализированы существующие тест-комплекты для обнаружения АХВ и соединений урана в воде. По результатам анализа было выявлено, что в России одним из ведущим производителем является компания «Крисмас+», которая занимается разработкой, производством и поставкой всего спектра средств химического контроля различных объектов окружающей среды. Поставки производятся не только в России, но и в странах ближнего зарубежья. В результате дальнейшее рассмотрение производилось по данной продукции [3].

Выявлено, что для определения 4-х типов агрессивных химических веществ в воде необходимо приобрести как минимум 4 комплекта.

Основные технические характеристики тест-комплектов приведены в таблице.

 Сводные данные по основным техническим характеристикам тест-комплектов

Название тест-комплектов для анализа воды

Назначение

Время анализа, мин

Рабочий интервал температур, °С 

Гарантийный срок годности, лет

Цена, руб.

Карбонаты, щелочность

Определение веществ щелочного характера

 

 

10

 

 

От 10 до 35

 

 

1

6900

Кислотность

Определение веществ кислого характера

6950

Нитраты

Определение веществ окислительного характера

7950

Окисляемость перманганатная

Определение веществ восстановительного характера

20

0,5

19 900

 

По основным техническим характеристикам было выявлено, что при использовании существующих средств определения загрязненности воды указанными типами АХВ общее время анализа для выявления всех четырех групп подобных веществ в воде составляет не менее 50 мин, а гарантийный срок годности реактивов не превысит года, при этом сумма приобретения составит более 40 000 рублей.

Вместе с тем существует патент на способ обнаружения урана и его соединений на поверхностях, который может быть использован на объектах ядерного энергетического цикла. Помимо этого предлагаемый способ позволяет обнаружить соединение урана за время в 2...3 мин, что позволит принять соответствующие меры защиты.

Изученный способ простой в использовании, так как для его реализации могут быть использованы стандартное оборудование и широко распространенные материалы и химические реактивы, а малое время обнаружения (т. е. промежуток времени от момента попадания индикаторной рецептуры на поверхность объекта до появления индикационного эффекта) позволит принять соответствующие меры защиты [4]. При этом данный способ никоим образом не рассматривает обнаружение соединений урана в воде.

По результатам всех проведенных анализов был разработан новый метод экспресс-обнаружения АХВ с помощью аэрозольных устройств для продуктов щелочного характера (АУ-2), кислого (АУ-3), окислительного характера (АУ-6), также для производных диметилгидразина и аммиака (восстановители, АУ-5) и соединение урана в воде (АУ-9/2).

Для этого было проведено более двадцати экспериментов с различными веществами и концентрациями. На рисунке представлен один из результатов по определению чувствительности метода обнаружения загрязненности воды при использовании аэрозольного устройства к продуктам щелочного характера.

 

 аб

Общий вид аэрозольного устройства АУ-2 для обнаружения агрессивных химических веществ щелочного характера (вид спереди и сзади) (а) и характер индикационного эффекта от агрессивных химических веществ щелочного характера (концентрация гидроксида натрия) (б) 

После проведения исследований было выявлено, что использование аэрозольных устройств позволяет непосредственно практически мгновенно определить наличие в воде продуктов указанных выше типов АХВ в установленных концентрациях. Для щелочей, кислот, восстановителей, соединение урана время обнаружения составит не более 30 с, а для окислителей в течение 3 мин.

В пробах воды после применения аэрозольного устройства будет наблюдаться характерный индикационный эффект (в соответствии с эталоном окраски, нанесенным на аэрозольное устройство).

При разработке метода была найдена минимальная концентрация раствора, при котором будет определяться наличие в воде АХВ и соединение урана с характерным индикационным эффектом.

Аэрозольные устройства с индикаторными рецептурами целесообразно использовать для обнаружения типа загрязненности воды различных водоисточников известным или неизвестным АХВ, а также соединениями урана.  

Разработанный метод с индикаторными рецептурами прост в использовании, так как для его реализации могут быть использованы стандартное оборудование и широко распространенные материалы и химические реактивы, имеет повышенную чувствительность обнаружения.

Также данный метод по гарантийному сроку хранения реактивов выигрывает у обычных тест-комплектов, срок службы составляет не менее 2-х лет, индикационный эффект сохраняется продолжительное время (более 120 мин). Следует добавить, что отсутствует необходимость дополнительных реактивов для проведения обнаружения.

Данный метод может успешно использоваться различными надзорными службами, а также нештатными аварийно-спасательными формированиями ОАО «РЖД» при ликвидации аварий.

Литература
  1. Пашинин В.А., Косырев П.Н., Посохов Н.Н. Портативная химическая экспресс-лаборатория модульного типа для индикации агрессивных химических веществ на поверхностях объектов // Технологии гражданской безопасности. 2019. Т. 16. № 2 (60). С. 16–20.
  2. Что такое экспресс-анализ воды и в каких случаях он подходит? О воде. URL: https://o-vode.net/vodosnabzhenie/analiz/vidy-i-metody/ekspress (дата обращения 17.12.2020).
  3. ЗАО «Крисмас+». Средства химического экспресс-контроля. СПб., 2021. URL: https://www.christmas-plus.ru/company (дата обращения 17.12.2020).
  4. Способ экспресс-обнаружения урана и его соединений / А.А. Агапов, Г.Г. Брагин, В.К. Вуколов и [др.]. Пат. на изобретение № 2367945 Российской Федерации, МПК G01N 31/22, дата подачи 06.03.2008, опубл. 20.09.2009. Бюл. № 26. С. 7. URL: https://patenton.ru/patent/RU2367945C1 (дата обращения 17.02.2021).
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.