VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Оценка состояния атмосферного воздуха городов Мурманской области

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Ярков М.А. 1

---

1МБОУ «СОШ №266 ЗАТО Александровск Мурманской области»

Филон М.В. 1

---

1МБОУ «СОШ №266 ЗАТО Александровск Мурманской области»

Работа в формате PDF

0.9 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

На данный момент вопрос экологии достаточно актуален. Наш земной шар «перенасыщен» различными вредными веществами, которые оказывают неблагоприятное воздействие на здоровье и состояние населения. Экологический баланс очень важен в век, когда стремительно развиваются технологии, идёт разработка нано-объектов, альтернативных видов топлива, синтетических и искусственных материалов.

Заинтересовавшись сохранностью земных ресурсов, я решил рассмотреть данную тему с позиции радиационной гигиены и радиационной безопасности, так как думал, что это актуально здесь, в районе Крайнего Севера. Проанализировав данные радиационно-гигиенической паспортизации предприятий и учреждений, радиационно-гигиенический мониторинг и мониторинг за дозами облучения персонала и населения Мурманской области из «Доклада о состоянии и об охране окружающей среды Мурманской области» за последние десять лет, пришёл к выводу, что радиационная обстановка не претерпела существенных изменений и остается удовлетворительной, относится к числу приоритетных направлений деятельности Правительства Мурманской области.

Также в рамках данного вопроса донорами техпомощи (содействия) для Мурманской области являются Германия, Норвегия, Франция, Великообритания, Финляндия, Италия.

Поэтому свою работу я решил рассмотреть в аспекте другой проблемы, а именно состояния атмосферного воздуха.

Актуальность: мы живём в районе Крайнего Севера, крае с особыми климатическими условия. Имеем территориальную близость к Норвегии и Финляндии. На территории Мурманской области функционирует около 170 предприятий, которые ежегодно выбрасывают в атмосферный воздух вредные вещества.

Экологически чистая внешняя среда наряду с другими факторами является важной предпосылкой сохранения и укрепления здоровья и развития людей. Здоровье - ценное достояние человека. В нем важнейший залог радости жизни, трудоспособности, успеха.

С каждым годом возрастает техногенное влияние на окружающую среду, меняется состав выбрасываемых веществ, уровень их токсичности. 

Цель работы: дать оценку состояния атмосферного воздуха городов Мурманской области: Мончегорска, Мурманска и Никеля.

Гипотеза: уровень загрязненияатмосферного воздухагородов Мурманской области: Мончегорска, Мурманска и Никеля в пределах допустимых концентраций.

Новизна исследования: анализ, сравнение и обобщение данных с 2008 по 2017 гг. состояния атмосферного воздуха городов Мурманской области: Мончегорска, Мурманска и Никеля на наличие вредных примесей, их концентрации. Моделирование очистки газов от диоксида серы в лабораторных условиях, в частности, применение кремния диоксида коллоидного (полисорба).

Практическая значимость: данная работа может быть использована на уроках географии, химии, биологии и экологии, а также в курсе обществознания (региональный компонент).

Объект исследования: атмосферный воздух городов Мурманской области: Мончегорск, Мурманска и Никеля. Предмет исследования: уровень загрязнения газами.

Данные города выбраны по таким критериям:

1. Мончегорск впечатляет наличием техногенной пустоши -результат влияния выбросов комбината «Североникель». Огромная площадь сопок занята обожжёнными скалами и скудной растительностью.

2. Мурманск выбран как административный центр Мурманской области.

3. Никель - горно-металлургический комбинат «Печенганикель» и территориальная близость к скандинавским странам – Норвегии и Финляндии. 

Методы исследования: эмпирические– сравнительный анализ, синтез; теоретические – изучение и обобщение.

Задачи:

Изучить и проанализировать литературу о состоянии атмосферного воздуха Мурманской области.

Рассмотреть критерии санитарно-гигиенической оценки состояния воздуха.

Изучить и проанализировать атмосферный воздух городов Мурманской области: Мончегорска, Мурманска и Никеля за 10 лет на наличие вредных примесей и степени загрязнения.

Отметить примеси тех веществ, концентрации которых превышены, по ним построить сравнительные гистограммы по годам.

Провести моделирование очистки газов от диоксида серы в лабораторных условиях.

Проанализировать результаты, сделать выводы.

Основная часть

Глава 1. Теоретическая часть

Состояние атмосферного воздуха Мурманской области

Атмосферный воздух – один из важнейших факторов среды обитания человека, характеризующих санитарно-эпидемиологическое благополучие населения. Чистый воздух представляет собой смесь газов.

Основными источниками загрязнения атмосферного воздуха на территории Мурманской области являются предприятия черной и цветной металлургии от стационарных источников, автотранспорт, предприятия теплоэнергетики, производство минеральных удобрений и предприятия жилищно-коммунального хозяйства.

Основными загрязняющими веществами воздушного бассейна являются: сернистый ангидрид, на долю которого приходится 73,1%, твердые вещества – 12,1%, окись углерода – 8,3%, двуокись азота – 5,0%, никель – 0,34%, медь – 0,25%.

Зоны наибольшего загрязнения атмосферного воздуха от источников загрязнения расположены в городах цветной металлургии: г. Заполярный, городское поселение п. Никель, п. Печенга, г. Мончегорск, г. Кандалакша; чёрной металлургии: гг. Оленегорск, Ковдор, а также в г. Мурманске за счет предприятий теплоэнергетики, автотранспорта.

Контроль качества атмосферного воздуха на территории Мурманской области осуществляется Федеральной службой по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет), «ЦЛАТИ по Мурманской области», ФГУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Мурманской области», лабораториями промышленных организаций на стационарных и маршрутных постах.

Газовые и аэрозольные примеси, выбрасываемые антропогенными источниками, в атмосфере подвергаются существенным изменениям под влиянием метеорологических условий. Примеси уносятся ветром далеко от места появления, вымываются осадками, поглощаются в облаках и туманах, оседают под влиянием нисходящих движений воздуха.

Критерии санитарно-гигиенической оценки состояния воздуха

Оценка уровня загрязнения атмосферы выражается через концентрацию примеси путем сравнения ее с гигиеническими нормативами.

Наиболее распространенными в настоящее время критериями оценки качества природных сред – атмосферного воздуха и вод суши – являются предельно-допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в названных средах. Нормативы ПДК различных веществ, утвержденные Минздравом России, едины для всего государства. В России установлены ПДК для более 600 различных атмосферных примесей (ГН 2.1.6.1338-03).

Предельно-допустимые концентрации веществ, определяемых в атмосферном воздухе на территории Мурманской области, приведены ниже в таблице. Во второй графе таблицы приведены классы опасности веществ: 1 – чрезвычайно опасные, 2 – высокоопасные, 3 – умеренно опасные, 4 – малоопасные(Приложение 1. Таблица 1).

Степень загрязнения атмосферного воздуха оценивается посредством безмерной величины, называемой индексом загрязнения атмосферы (ИЗА), учитывающей несколько примесей. ИЗА рассчитывается по пяти ингредиентам, вносящим наибольший вклад в загрязнение атмосферы города. При этом учитывается относительное превышение среднесуточной предельно допустимой концентрации и класс опасности каждой из пяти приоритетных примесей.

В соответствии с существующими методами оценки уровень загрязнения считается: низким, если ИЗА ниже 5, повышенным при ИЗА от 5 до 6, высоким при ИЗА от 7 до 13, очень высоким при ИЗА больше 13.

Уровень загрязнения считается средним по городам страны, если 5< ИЗА5.

Глава 2. Практическая часть

Практическая часть нашей работы делится на несколько этапов:

Сбор данных из докладов о состоянии и об охране окружающей среды Мурманской области за 10 лет по городам Мурманской области: Мончегорск, Мурманск, Никель.

Внесение показателей загрязнения атмосферного воздуха в сравнительные таблицы по наличию примесей и степени загрязнения. Построение гистограмм по тем примесям, чьи показатели превышают допустимые пределы. Анализ.

Моделирование очистки газов от диоксида серы в лабораторных условиях

Итоговый анализ.

Качество воздуха определяется по данным нескольких тысяч измерений в год. На

стационарных постах контроля атмосферного воздуха было отобрано и проанализировано порядка 80 тыс. проб на содержание загрязняющих веществ (взвешенные вещества, оксид углерода, диоксид серы, диоксид азота, фенол, фтористый водород, твердые фториды, бенз(а)пирен, металлы) по государственной программе отбора проб 3—4 раза в сутки.

Основные источники выбросов загрязняющих веществ в воздушный бассейн городов и промышленных центров являются: г. Мончегорск – Кольская ГМК (ОАО «Комбинат Североникель»), Мурманск – ОАО «Мурманская ТЭЦ», ГОУТП «ТЭКОС», Никель – горно-металлургический комбинат «Печенганикель».

Основными веществами, контролируемыми на территории Мурманской области Управлением Роспотребнадзора по Мурманской области в 2008—2017 гг., являлись окислы азота, углерода оксид, пыль, серы диоксид, фенол, формальдегид, свинец, ртуть, бенз(а)пирен.

При обобщении информации о состоянии загрязнения атмосферного воздуха учитываются метеорологические условия, определяющие перенос и рассеивание вредных веществ в атмосфере. В значительной степени рассеиванию загрязняющих веществ в атмосферном воздухе Мурманской области способствует активная циклональная деятельность с умеренными и сильными ветрами. По многолетним климатическим данным максимальное количество дней с неблагоприятными метеорологическими условиями (НМУ), способствующими накоплению вредных примесей в атмосфере приходится, как правило, на холодное время года: январь, февраль, март, ноябрь, декабрь.

Результаты разбивали по 5 лет, так как отчеты с 2008 г. по 2012 г. (Приложение 1) были в виде конкретных числовых характеристик, а с 2012 г по 2018 г редкие числовые показатели с описательной характеристикой.

2.1. Мончегорск. С 2008-2011 гг. основными загрязняющими компонентом являются формальдегиды и бенз(а)пирены. Концентрация диоксида серы была превышена в 2012 году (повышенный уровень загрязнения определяется содержанием ИЗО(5)=5 СИ=3,2 и НП=0,2). С 2015 г. по 2017 г. наблюдались среднегодовые концентрации формальдегида выше санитарной нормы (Приложение 2, 3).

Среднегодовые концентрации формальдегида в атмосферном воздухе

г. Мончегорска за период 2013-2017 гг., мг/м3

2.2. Мурманск. В 2008, 2009 гг примеси были в пределах нормы, а 2010 по 2012 гг. наблюдалось превышение бенз(а)пирена, а также в 2012 г. фенола (Приложение 4, 5).

С 2013 по 2018 г в докладах отмечается, что наблюдается увеличение содержания суммы углеводородов в центре города и появления резкого специфического запаха, который, в первую очередь, является следствием пропарки цистерн с топочным мазутом низкого качества на предприятиях теплоэнергетического комплекса (ОАО «Мурманская ТЭЦ», ГОУТП «ТЭКОС»); максимальная концентрация углеводородов в атмосферном воздухе г. Мурманска - 7,3 мг/м3. (ПДК - не установлена).

2.3. Никель. С 2008 по 2012 гг. в п.г.т. Никель наблюдался повышенный уровень загрязнения диоксида серы (Приложение 6). По данным наблюдений за период с 2013-2017 гг. среднегодовая концентрация диоксида серы в Никеле выше санитарной нормы. Однако плановые проверки КГМК Росприроднадзором в 2010 и в 2014 годах не выявили превышения ПДК по выбросам диоксида серы. В 2017 г. среднегодовые концентрации диоксида серы в атмосферном воздухе п.г.т. Никель снизились до 1.2 ПДК.

Среднегодовые концентрации диоксида серы в атмосферном воздухе

г. Заполярного и п.г.т. Никель за период с 2013-2017 гг., мг/м3

Опасность SO₂  заключается в участием формирования кислотных дождей при попадании в атмосферу. Вследствие фотохимической реакции диоксид может окисляться до триоксида. 2SO₂ + O₂ -> 2SO₃

Оба эти оксида при взаимодействии с атмосферной влагой будут давать кислоты:

SO₂ + H₂O -> H₂SO₃ SO₃ + H₂O -> H₂SO₄.

Во время грозы может образовываться озон, который в свою очередь способен доокисливать сернистую кислоту до серной: H₂SO₃ + O₃ -> H₂SO₄ + O₂

Кислотные дожди приводят к изменению pH рек и водоемов, а также почвенной влаги, что может нанести тяжелый вред соответствующим экосистемам. 

Превышение показателей по опасным для здоровья примесям идет, возможно, в результате превышения предельно допустимых выбросов, тыс. т.

Чем опасны указанные выше вещества? Негативным воздействием на организм (Приложение № 7).

2.4. Моделирование очистки газов от диоксида серы в лабораторных условиях

Проанализировав атмосферный воздух городов Мурманской области: Мончегорска, Мурманска и Никеля, мы выявили превышение содержания следующих веществ: формальдегида, бенз(а)пирена, фенола, углеводоров и диоксида серы. Решили смоделировать в лабораторных условиях очистку газов от диоксида серы различными методами. Для этого использовали прибор для получения газов.

Абсорбционный метод. В качестве абсорбента использовали активированный уголь и полисорб. Для проведения опыта взяли 500 мг активированного угля (состав на 500 мг: уголь активированный – 0,5 г, вспомогательные вещества: крахмал картофельный – 0,108 г и сахароза (сахар) – 0,032 г), измельчили в фарфоровой чашке, поместили, для удобства использования, в кристаллизатор, и разбавили 8 мл воды.

Вторым веществом для проведения абсорбционного метода был выбран полисорб, так как это неорганический, полифункциональный сорбент на основе высокодисперсного кремнезема с размером частиц 0,09 мм. Взяли 1 г данного препарата и разбавили 8 мл воды.

Известковый метод. Для данного метода использовали карбонат кальция CaCO3 (1 г вещества разбавили 8 мл воды).

Далее, в вытяжном шкафу, используя прибор для получения газов, мы получили диоксид серы из сульфита натрия и серной кислоты.

Na2SO3 + H2SO4 = Na2SO4 + H2SO3 H2SO3 = H2O + SO2↑.

Получение диоксида серы проверили обесцвечиваем раствора перманганата калия - качественной реакций (Приложение 8. Фото 1).

Причем, для опытов использовали сначала свежеразбавленную серную кислоту концентрацией 20%, а затем концентрацией 50%. В первом случае раствор перманганата калия изменил окраску на ярко-красный цвет, но не обесцветился (Приложение 8. Фото 2). Для проведения всех опытов далее использовали 50% раствор серной кислоты. В качестве фильтра использовали ватные диски из 100% хлопка с «эффектом прошивки». Фильтры помещали в заранее приготовленный соответствующие растворы и далее в прибор для получения газов (стык пробирки и газоотводной трубки). Толщина фильтра – 1 мм, диаметр – 7 мм.

Абсорбционный метод. Активированный уголь и полисорб. Наблюдали активное взаимодействие сульфита натрия и серной кислоты, но обесцвечивание раствора не происходило (Приложение 9). В опытах, где фильтром служил активированный уголь, сильно ощущался неприятный запах диоксида серы, с фильтром-полисорбом он ощущался намного меньше.

Известковый метод. Карбонат кальция. Наблюдали активное взаимодействие сульфита натрия и серной кислоты, раствор немного изменил цвет, но полного обесцвечивания раствора не происходило. Запах диоксида серы был, но не такой резкий, как при проведении опытов с фильтром-активированным углем.

Далее, для чистоты эксперименты, мы проделали опыт, где в качестве фильтра служил ватный диск, смоченный дистиллированной водой, толщиной 1 мм, диаметром 7 мм. При реакции сульфита натрия с серной кислотой, раствор перманганата калия частично изменил цвет до ярко-красного. Запах диоксида серы ощущался.

Заключение

Жизнь каждого человека тесно связана с экологией, хотя зачастую к этому вопросу мы относимся не сознательно. Атмосферный воздух, его химический состав, оказывает огромное влияние на жизнедеятельность всего живого на земле. Важно следить за показательными характеристиками воздуха. Необходимо повышать уровень экологической грамотности, модернизировать предприятия, уменьшать выбросы вредных примесей в атмосферу. Как отмечает международная организация BELLONA в Российской Федерации в настоящий момент законодательно закреплено использование принципа применения НДТ (наилучших доступных технологий). Но на данный момент отмечаются ещё достаточно высокие показатели по некоторым вредным примесям, и, к сожалению, не наблюдается активной положительной динамики.

Таким образом, гипотеза, что уровень загрязненияатмосферного воздухагородов Мурманской области: Мончегорска, Мурманска и Никеля в пределах допустимых концентраций, не подтвердилась. По некоторым примесям концентрации выше. Мончегорск в основном по содержанию формальдегида, Мурманск – бенз(а)пирена и фенола, а в последние годы – повышенное содержание углеводородов в центре города. Никель – содержанием диоксида серы.

При моделирование очистки газов от диоксида серы в лабораторных условиях использовали абсорбционный и известковый методы. Лучшие показатели очистки от диоксида серы наблюдались при известковом методе с применением кремния диоксида коллоидного (полисорба).

Перспективы данной работы

При написании исследовательской работы, я удостоверился, что важна экологическая осознанность, понимание последствий воздействия вредных веществ. В дальнейшей работе по раскрытию данной темы возможны следующие направления:

Изучить видовой состав растений Мурманской области наиболее стойкий к загазованности и задымленности воздуха, а также исследовать их очищающие свойства.

Рассмотреть фильтры для предприятий, в частности нанокатализаторы промышленного и экологического назначения профессора А.А. Викарчука (Тольяттинский государственный университет, НОЦ «Физическое материаловедение и нанотехнологии»). Опыт других стран в данном вопросе.

Список использованных источников и литературы:

Акатов А.А., Захлебный А.Н., Коряковский Ю.С. Под редакцией члена-корр. РАН Грачева В.А. Экологическое образование и адекватное понимание радиационной безопасности (краткое учебное пособие для всех). – М.: АНО «Информационный центр атомной отрасли», 2013. – 32 с.

Доклад объединения Bellona. 2014 Промышленное загрязнение территорий российской части Баренцева региона.

Доклад о состоянии и об охране окружающей среды Мурманской области в 2012 году. – Мурманск: Индивидуальный предприниматель Щербаков Максим Леонидович, 2013, - 152 с., ил. – 8 с.

Министерство природных ресурсов и экологии Российской Федерации Росгидромет Федеральное государственное бюджетное учреждение «Приволжское управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды» Оренбургский центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. Филиал ФГБУ «Приволжское УГМС». Обзор состояния и загрязнения окружающей среды Оренбургской области 2015 год Оренбург.

Росгидромет Федеральное государственное бюджетное учреждение «Центральное управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды» (ФГБУ «Центральное УГМС»). Бюллетень загрязнения окружающей среды московского региона 2015 год Москва, 2016.

Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет). Федеральное государственное бюджетное учреждение «Главная геофизическая обсерватория им. А.И.Воейкова». Ежегодник состояния загрязнения атмосферы в городах на территории России за 2011 г. Санкт- Петербург, 2012.

Источники из интернета:

http://oil-filters.ru/gas_sweetening/

https://studopedia.org/

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%BE%D0%B7%D0%B4%D1%83%D1%85

http://www.kolgimet.ru/monitoring-zagrjaznenija-okruzhajushchei-sredy/sostojanie-i-zagrjaznenie-atmosfernogo-vozdukha/?no_cache=1

Материал из статистического ежегодника:

https://gov-murman.ru/region/environmentstate/

Приложение 1

Таблица 1

Предельно-допустимые концентрации (ПДК) определяемых загрязняющих веществ

* - класс опасности и ПДК изменены в соответствии с постановлением Главного государственного санитарного врача РФ от 07.04.2014 г. №27 г. Москва «О внесении изменения №10 в ГН 2.1.6.1338-03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест».

**- ПДК среднесуточная изменена в соответствии с постановлением Главного государственного санитарного врача РФ от 12.01.2015 №3. Москва «О внесении изменения в ГН 2.1.6.1338-03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест».

С учетом значений ПДК рассчитываются следующие характеристики:

- наибольшая повторяемость, НП, %, превышения ПДКм.р.: наибольшая повторяемость превышения ПДК любым загрязняющим веществом в воздухе города;

- стандартный индекс, СИ: наибольшая измеренная в городе максимально разовая концентрация любого загрязняющего вещества, деленная на ПДКм.р. – стандартный индекс (СИ) или наибольший единичный индекс загрязнения.

Приложение 2