В статье проведен анализ загрязнения атмосферного воздуха и его воздействия на окружающую среду. С помощью метода корреляционно-регрессионного анализа определяется величина корреляционной зависимости между уровнями вредных выделений в атмосферный воздух и их воздействия на смертность человека на территориях РК, а также показано, что загрязнение атмосферного воздуха влияет на здоровье человека.
Популяционные риски загрязнения атмосферного воздуха в целом и атмосферного воздуха регионов Республики Казахстан и результаты, полученные методом корреляционно-регрессионного анализа, используются в экологических проектах, результатах определения рисков в области экологической безопасности, при подготовке документов в области промышленной безопасности и охраны окружающей среды.
Ключевые слова: атмосферный воздух, загрязнение, загрязняющие вещества, корреляционно-регрессионный анализ, коэффициент Фехнера, диоксид титана, фотокаталитический бетон.
Одним из важнейших факторов, определяющих влияние внешнего мира на живые объекты, является состояние окружающей среды. Научно-технический прогресс, развитие промышленности и транспорта вызывают более интенсивное использование природных ресурсов Земли, что в сочетании с ростом населения и непрерывной урбанизацией приводит к увеличению нагрузки на окружающую среду и, прежде всего, к загрязнению атмосферы.
Одна из самых важных проблем в защите окружающей среды — защита атмосферного воздуха от чрезмерного загрязнения. Следовательно, развитие новых технологических процессов должно быть сбалансировано разработкой технологий и оборудования, исключающих выбросы в атмосферу или ограничивающих их до допустимого уровня [1]. Поэтому одним из таких рассматриваемых вопросов является загрязнение атмосферного воздуха в регионах Республики Казахстан.
Атмосферный воздух является одной из основных сред обитания человека, и от его качества зависит здоровье человеческого организма, уровень физического развития, репродуктивные возможности, восприимчивость к болезням и продолжительность жизни.
Из-за загрязнения воздуха у человека могут возникнуть следующие заболевания: бронхиальная астма; хроническая обструктивная болезнь легких (ХОБЛ); злокачественные новообразования; заболевание коронарных артерий; заболевания кожного покрова; заболевания желудка [2].
К крупнейшим загрязнителям атмосферного воздуха в Республике Казахстан относятся предприятия теплоэнергетики (электроэнергетика), цветной металлургии (горно-металлургический сектор), черной металлургии, нефтегазового комплекса (добыча нефти) (рис.1).
Рис. 1. Отрасли загрязнения атмосферного воздуха в Казахстане по анализу 2019 года
С помощью коэффициента корреляции по данным информационно-аналитической системы Национального бюро статистики Агентства Республики Казахстан по стратегическому планированию и реформам установлена связь между двумя статистическими данными (объемом выбросов (тонн) загрязняющих веществ в атмосферный воздух и количеством смертности (человек) от загрязнения воздуха в каждом регионе за январь-июнь 2019 года) [3].
Рис. 2. Зависимость загрязнения атмосферного воздуха на территории РК от количества смертей
Определение взаимосвязи вредных веществ, выделяемых в атмосферный воздух, и количества погибших людей проводилось с использованием стандартного приложения MSExcel.
Рис. 3. Коэффициенты корреляции объемов выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух и количества умерших
Диаграмма на рис. 3 показывает очень высокую прямую связь между двумя значениями, то есть близко к 1: Павлодарская, Карагандинская, Атырауская области. У них высокая степень вредных выбросов. Высокая обратная связь: Туркестанская, Кызылординская, Южно-Казахстанская области.
Коэффициент Фехнера основан на оценке степени соответствия направлений отклонения. Этим определяется зависимость между выбросом вредных веществ в атмосферный воздух регионов РК и гибелью людей. Он был рассчитан следующим образом:
Kʄ =
где: n a -количество совпадений признаков отклонения от среднего;
n b -количество несоответствий. [4]
Коэффициент Фехнера может принимать значения от -1 до +1. K ʄ = 1 указывает на наличие прямой связи, а K ʄ = -1 указывает на наличие обратной связи.
Другими словами, значение коэффициента Фехнера указывает на наличие умеренной прямой связи между выбросом вредных веществ в атмосферный воздух и гибелью людей [5].
Для проведения исследования по обеспечению экологической безопасности рассматривается самоочищающий бетон. Технология, основанная на способности диоксида титана разрушать углеродные связи в молекуле при воздействии солнечного света, называемая «фотокатализатором», была разработана итальянским химиком Луиджи Кассаром (Luigi Cassar). Он создал инновационный цемент, который нейтрализует загрязняющие вещества, не вредит и улучшает качество окружающего воздуха (рис. 4). После нейтрализации вредных веществ их просто промывают дождевой водой [6].
Рис. 4. Модель здания из цемента для очистки смога
Были проведены работы по созданию фотокаталитического бетона в экспериментальных условиях, т. е. в каком количестве необходимо добавить катализатор, в соответствии с табл.1 и в какой пропорции производить их количество.
Таблица 1
Состав фотокаталитического бетона
|
Компонент |
Образец 1 |
Образец 2 |
Образец 3 |
Образец 4 |
|
Портландцемент М-400, кг |
3 |
3 |
3 |
3 |
|
Песок мк = 2–2,5 кг |
7 |
7 |
7 |
7 |
|
Щебень, кг |
2.5 |
2.5 |
2.5 |
2.5 |
|
Вода, л |
2 |
2 |
2 |
2 |
|
Диоксид титана, кг |
0 |
0.3625 |
0.725 |
1.45 |
Состав фотокаталитического бетона был создан путем введения в состав обычного бетона диоксида титана в виде порошка [7].
Экологическая эффективность материала обусловлена тем, что на поверхности бетона происходят поверхностные реакции фотокаталитического окисления, что позволяет удалять загрязняющие вещества из атмосферного воздуха. На рис. 5 показан процесс изготовления бетона.
Рис. 5. Процесс изготовления бетона
Согласно количеству TiO 2 , из четыре различных бетонных масс было изготовлено четыре фотокаталитических бетона. Каждый бетон высыхал 3 дня. Каждый образец брали на микрофотографию и с его помощью можно было определить, как диоксид титана TiO 2 покрывает бетонную поверхность. Анализ микроструктуры проводился методом растровой электронной микроскопии [8].
Микрофотография образца из образца 1 подтверждает однородность структуры мелкозернистого бетона, то есть на поверхности бетона нет катализатора (рис. 6. А).
Для образца 2 было показано, что диоксид титана TiO 2 не полностью покрывает бетонную поверхность и имеет открытые участки (рис. 6. Б).
Наиболее равномерное распределение диоксида титана TiO 2 по бетонной поверхности наблюдалось в образце 3 (рис. 6. В). То есть установлено, что при 5 % массе бетона TiO 2 наблюдается наиболее равномерное распределение диоксида титана по бетонной поверхности.
Для образца 4 наблюдалась избыточная концентрация частиц диоксида титана TiO 2 на поверхности бетона (рис. 6. Г).
Рис. 6. А) Микроструктура образца 1, Б) Микроструктура образца 2, В) Микроструктура образца 3, Г) Микроструктура образца 4
Каждый образец помещали в стеклянную емкость, и в нее вводили дым. Визуально было рассмотрено, как образцы поглощают дым [9]. Каждый фотокаталитический бетон для катализа выдерживался 6 часов под солнечными лучами (рис. 7).
Рис. 7. а) Образец 1, б) Образец 2, б) Образец 3, в) Образец 4 в ходе практики
В заключении, в данной статье проанализированы вопросы загрязнения атмосферного воздуха, связанные с каждой территорией Республики Казахстан.
Прежде всего была изучена классификация загрязнения атмосферного воздуха, материалы, связанные с образованием загрязнения, а также влияние загрязнения атмосферного воздуха на организм человека и окружающую среду.
Проведен анализ состояния атмосферного воздуха регионов Республики Казахстан, методом корреляционно-регрессионного исследования.
С помощью корреляционно-регрессионного анализа было рассчитано загрязнение атмосферного воздуха каждой территории Республики Казахстан. Связь между двумя значениями также была определена с помощью корреляционного коэффициента Фехнера. Кроме того, были рассчитаны популяционные риски загрязнения воздуха.
Разработано инновационное предложение по очистке атмосферного воздуха в регионах с высоким уровнем загрязнения и смертности в Республике Казахстан. К нему относится очищающий атмосферный воздух фотокаталитический бетон. Проведены исследования состава фотокаталитического бетона и его применение в снижении загрязнения атмосферного воздуха. В ходе исследования были разработаны образцы фотокаталитического бетона и проведен анализ его микроструктуры. Лучшим показателем был третий образец, когда 5 % массы бетона составлял диоксид титана.
Строительство зданий и дорог фотокаталитическим бетоном даст снижение загрязнения атмосферного воздуха и отсутствие риска для здоровья человека, что является одним из важных вопросов экологической безопасности в Республике Казахстан.
Литература:
1 Игнатьева Л. П., Чирцова М. В., Потапова М. О. Гигиена атмосферного воздуха. — Иркутск ИГМУ, 2015. — 79 с.
2 Abigail R. Lara, MD, University of Colorado, статья «Заболевания, связанные с загрязнением воздуха», Справочник MDS. Март. 2018.
3 Талдау — Информационно аналитическая система Комитета по Статистике РК [Электронный ресурс]. — Режим доступа: taldau.stat.gov.kz
4 Коэффициент Фехнера онлайн [Электронный ресурс]. — Режим доступа: math.semestr.ru
5 Д. У. Кенесары, З. Адильгирейулы, Н. А. Акжолова, Oценка рисков здоровью населения от химического загрязнения атмосферного воздуха в населенных пунктах Республики Казахстан
6 TX Active Cement — Lehigh Hanson, Inc. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: heidelbergmaterials.us
7 Gordana T. Ć., Рhotocatalytic concrete — environment friendly material, 2017
8 Электрон. Дан. — Режим доступа: https://betonpedia.ru/fotokataliticheskiy-beton
9 Фрайнт М. А., Разработка фотокаталитического бетона для очистки атмосферного воздуха и обоснование экологической безопасности строительных конструкций на его основе: диссертация... кандидата Технических наук: 05.23.19 / Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет. — Москва, 2016. -105 с.
