В Красноярске лидирующим предприятием по объему промышленных выбросов является алюминиевый завод. Алюминий производится при помощи фтористого водорода, что неизбежно влечет за собой массовые выбросы фторидных соединений в атмосферу и дальнейшее их попадание в почву, растения, воду. Фтор — сильный токсичный элемент, который действует разрушающе практически на всё живое. Постоянный мониторинг прилегающей территории на содержание фторидов в почве становится необходимостью. Отбор проб производился с поверхностного слоя почвы при постепенном удалении от предприятия на северо-восток. Для определения концентрации фторид-иона применяется потенциометрический метод с фторселективным электродом. Результаты анализа показали превышение предельно-допустимой концентрации водорастворимого фтора в 14–16 раз на удалении до 1 км от предприятия, в 4–5 раз в пределах 2–10 км, и незначительно превышает допустимую концентрацию в пределах 20 км.
В данном исследовании важную роль играет стабильность направления ветра, т. к. промышленные выбросы предприятия попадают сначала в атмосферу, а затем в почву прилегающей территории. Произведен анализ изменения направления ветра за период 2009–2016 гг. Прослеживается резкое изменение установленной розы ветров для данной территории, а именно увеличение количества дней восточного ветра в 2016 году.
Ключевые слова: экологический мониторинг, фториды, потенциометрический метод, алюминиевый завод, почва, направление ветра
In the city of Krasnoyarsk the leading enterprise on volume basis of the production emissions is the aluminum plant. Aluminum is produced by means of fluorine hydride that inevitably involves mass emissions of fluoride connections in the atmosphere and their further hit in the soil, plants, water. Fluorine — the strong toxiferous element which affects destructively practically all alive. Continuous monitoring of the adjacent territory on the content of fluorides in the soil becomes a necessity. Sample drawing was made from the surface layer of the soil during gradual removal from the enterprise on the northeast. Fluoride ion is applied a potentiometric method with a ftorselektivny electrode to concentration definition. Results of the analysis showed excess of maximum-permissible concentration of water-soluble fluorine by 14–16 times on removal to 1 km from the enterprise, by 4–5 times within 2–10 km, and slightly exceeds admissible concentration within 20 km.
In this research an important role is played by stability of the direction of wind since the production emissions of the enterprise get at first to the atmosphere, and then to the soil of the adjacent territory. The analysis of a veering of wind during 2009–2016 is made. Jump of the established wind rose for this territory, namely increase in number of days of east wind in 2016 is traced.
Keywords: environmental monitoring, fluorides, potentiometric method, aluminum plant, soil, direction of wind
Введение. Среди городов Красноярского края по выбросам за счет технологических и других процессов лидирует г. Красноярск. На территории г. Красноярска уже более пяти десятилетий функционирует крупное промышленное предприятие — Красноярский алюминиевый завод (Красноярск РУСАЛ). Согласно официальным данным за 2015 год объем выбросов этого предприятия составил 60,5 тыс.т. [6].
Как известно, для получения алюминия используется метод электролиза, где требуются его галоидные соединения и прежде всего криолит, содержащий алюминий и фтор. Бокситы, богатые алюминием, растворяют в криолите, который, в связи с нехваткой природного материала, искусственно получают при помощи фтористого водорода. Основным вредными факторами алюминиевого производства являются фтор, его соли и фтористый водород. Фтористый водород — очень агрессивный и опасный реагент, однако в настоящее время ему нет замены во многих отраслях современной индустрии [3].
Опасность фтористого водорода была известна еще Г.Дэви (1778–1829 гг.): «…Жидкая фтористоводородная кислота немедленно разрушала стекло и все животные и растительные вещества. Она действует на все тела, содержащие окиси металлов. Я не знаю ни одного вещества, которое бы не растворялось в ней…» [3]. Фтор обладает необычайной реакционной способностью и образует соединения почти со всеми элементами, удержать фтор от реакции очень трудно.
Место для строительства столь опасного для окружающей среды и здоровья людей предприятия определялось исходя из розы ветров. Еще в прошлом веке было установлено, что преобладающий ветер для данной территории является юго-западный, и чуть реже западный. Поэтому предприятие географически вынесли за жилые районы в северо-восточном направлении, чтобы промышленные выбросы предприятия, попадающие в атмосферу, относило в сторону от городских районов. Соответственно мониторинг по количеству загрязняющих веществ ведется в северо-восточном направлении от предприятия. Однако проведенный анализ стабильности направления ветра по количеству дней в году показал, что в 2016 году участился восточный ветер и штиль, что отразилось на количестве водорастворимого фтора в поверхностном слое почвы.
Объекты иметоды. Выбросы в атмосферу, содержащие фторидные соединения, прямо влияют на экологическую обстановку прилегающей территории. Из атмосферы фтор попадает в почву. Всё это обуславливает необходимость постоянного контроля за загрязнением окружающей среды фтором и его соединениями и в первую очередь — выявление загрязненных территорий.
Существуют критерии для оценки степени загрязнения почвенного покрова водорастворимым фтором:
< 10 мг/кг — допустимое содержание;
10–30 мг/кг — критическое содержание;
> 30 мг/кг — недопустимое.
Установлено, что фоновое содержание водорастворимого фтора в условиях Красноярского края составляет 1,5 мг/кг почвы [1].
Исследуемый источник загрязнения расположен в северо-восточной части г. Красноярска. Согласно устоявшейся розе ветров для данной территории, основная масса выбросов в атмосферу относится юго-западным ветром далее на восток и северо-восток [1]. Поэтому для мониторинга выбраны пункты отбора проб (Рис. 1), постепенно удаляющиеся на северо-восток от предприятия (100 м, 500 м., 2 км, 5 км, 10 км, 20 км).
Рис. 1. Карта города Красноярска с указанием направления исследования
Отбор почвенных образцов производился интегрально в трехкратной повторности с поверхности почвы, т. к. известно, что в непахотных почвах фтор в основном концентрируется на самой поверхности почвы [1]. Тип почв характеризуется как чернозем, со слабой щелочной реакцией.
Наиболее простым и экспрессивным методом определения фтора в водной вытяжке из почвенных образцов является потенциометрический метод с применением ионоселективного электрода. Сущность метода заключается в измерении потенциала электродной системы, состоящей из измерительного фторселективного электрода, чувствительного к ионам фтора, и вспомогательного хлорсеребряного электрода. Величина электродного потенциала зависит от содержания ионов фтора в анализируемом растворе на фоне ацетатно-цитратного буферного раствора. Ионы Al3+ и Fe3+ оказывают мешающее действие на определение фторид-ионов, т. к. связывают ионы фтора в комплексные соединения. Поэтому в состав буфера для создания общей ионной силы добавлен цитрат натрия (Трилон Б), который вытесняет фторид-ионы из комплексов с металлами. Водная вытяжка приготовлена согласно методике [4,5].
Для определения фторид-ионов используется высокоомный pH-метр типа pH-340. Прибор показывает результат в мг/л раствора, который далее преобразуется в моль/л методом деления на атомарную массу элемента. Этот показатель используется для расчета содержания водорастворимых фторидов в почве по формуле:
|
X = |
CF * V * A |
(мг/кг), где |
|
B |
CF — концентрация фторид-ионов в водной вытяжке, моль/л;
V — объем воды, использованный для приготовления водной вытяжки, мл;
А — атомная масса фторид-иона, г/моль;
В — навеска почвы, г.
Анализ стабильности направления ветра проводился с помощью данных Gismeteo. Взяты данные за период с 2009 года по 2016 год включительно. Учитывалось количество дней в году каждого направления ветра, а также штиль.
Результаты. По полученным результатам (рис. 2) установлено, что основная масса водорастворимого фтора в северо-восточном направлении оседает в пределах до 1 км (138,2–152,6 мг/кг), на расстоянии до 10 км концентрация фторид-иона еще заходит за критическую отметку (35,9–48,3 мг/кг), а на расстоянии 20 км немного превышает допустимое значение (16,5 мг/кг), тогда как в ранних исследованиях территория, загрязненная фтором, протягивалась до 30–40 км и более в том же направлении [1]. Это может указывать как на принятые предприятием меры по уменьшению количества выбросов в атмосферу за последнее десятилетие, так и на метеорологические факторы.
Рис. 2 Концентрация водорастворимого фтора в почве, мг/кг
По официальным данным метеорологической службы в 2016 году участился штиль и восточный ветер, что тоже может послужить причиной уменьшения протяженности загрязнения в исследуемом направлении. Анализ данных за период 2009–2016 гг. показал, что в 2016 году количество дней восточного ветра в год удвоилось, что составило 63 дня. В 2009–2015 гг. это значение не превышало 35 дней. Также наблюдается участившийся штиль. За период 2009–2015 гг. среднее значение не превышает 45 дней в год. Тогда как в 2016 году ветер отсутствовал 65 дней (рис. 3–5). Такие погодные условия напрямую влияют на распространение промышленных выбросов по прилегающей территории.
Рис. 3. Преобладающее направление ветра в 2009 году.
Рис. 4. Преобладающее направление ветра в 2013 году.
Рис. 5. Преобладающее направление ветра в 2016 году.
Заключение. Анализ количества водорастворимого фтора в почве показал, что в пределах до 1 км от источника загрязнения значение концентрации фторид-иона превышает ПДК в 15 раз. На расстоянии до 10 км показатель превосходит критическую отметку (35,9–48,3 мг/кг). На расстоянии 20 км показания концентрации водорастворимого фтора незначительно превышают ПДК (16 мг/кг).
При анализе показаний направления ветра отмечается увеличение количества дней в год восточного ветра и штиля в 2016 году. За период 2009–2016 гг. преобладающим ветром остается юго-западный, и реже западный.
Литература:
- Танделов Ю. П. Загрязнение почв и растительного покрова фтором в Красноярском крае // Сборник статей под ред. П. С. Бугакова — Красноярск, 1996. — 5 с.
- Физико-химические методы мониторинга окружающей среды. Часть 2 // Учебно-методическое пособие — Казань, 2000. — 6 с.
- Популярная библиотека химических элементов // Издательство «Наука». Электронная версия — 2002.
- Санитарные нормы допустимых концентраций химических веществ в почве // СанПиН 42–128–4433–87.
- Кропачева Т. Н. Электрохимические методы анализа // Учебно-методическое пособие для лабораторных работ — Ижевск, 2016–14 с.
- Государственный доклад о состоянии и охране окружающей среды Красноярского края — Красноярск, 2015–176 с.
