СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПРЕСНОВОДНОЙ СРЕДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2012 года по МПК G01N27/06 G01R27/26 

Изобретения относятся к методам контроля загрязнения окружающей среды, предназначены для обнаружения и классификации типа загрязнения пресноводной среды. Могут быть использованы при экологическом мониторинге, в системах приготовления водных растворов и в технологических процессах с их участием.

Известен способ интегральной экспресс-оценки загрязнения окружающей среды [Патент РФ 2359036, 2009], включающий инкубацию водорастворимых поллютантов с биологической тест-системой и количественную их оценку по вызываемому ими 50%-ному снижению величины максимальной люминолзависимой хемилюминесценции по сравнению с контролем, причем в качестве тест-системы используют комплексный полиферментный препарат из корня хрена, обладающий оксидазно-пероксидазной активностью, в комбинации с сульфгидрильным реагентом, который берут в конечной концентрации не менее 0,1 мкг/мл и не более 100 мкг/мл.

Для реализации этого способа требуется квалифицированный персонал, а применение специфичных расходных материалов затрудняет непрерывный одновременный контроль водного объекта в нескольких точках.

Известен способ определения техногенного загрязнения почв и донных осадков металлами [Патент РФ 2110068, 2009], включающий измерение магнитной восприимчивости почв и донных осадков на фоновом и исследуемом участках, оценку степени загрязнения по соотношениям

- умеренное загрязнение,

- сильное загрязнение,

где χ_изм - магнитная восприимчивость на исследуемом участке; χ_фон - магнитная восприимчивость на фоновом участке. Однако этот способ способен выявлять только ферромагнитные вещества и нечувствителен к диа- и парамагнитным материалам, в том числе органическим веществам, солям, кислотам, щелочам.

Наиболее близким к предлагаемому решению является устройство [Патент СССР 1837217, 1990] и соответствующий ему способ контроля загрязнений пресноводной среды, включающий измерение температуры, рН; окислительно-восстановительного потенциала Redox; электропроводности; среднего уровня радиоактивности; содержания ионов (Ni, Cr, Cu и др.), кислорода О₂, классификацию загрязнений по трем группам («тяжелые металлы», «соли, кислоты, щелочи», «органика») на основе анализа комбинации измеренных показателей, отбор проб для дальнейшего лабораторного анализа, передачу информации об объекте контроля, полученной с нескольких точек на единую приемную систему.

Однако такой способ не позволяет определять виды органических веществ, а соответствующее устройство требует регулярной (1-10 раз в месяц) замены чувствительных элементов датчиков, что снижает эксплуатационную надежность, экономичность и затрудняет непрерывный контроль за состоянием пресноводной среды.

Задачей изобретений является повышение информативности обнаружения загрязнений пресноводной среды за счет классификации видов органических веществ, а также повышение надежности и экономичности соответствующего устройства за счет замены ряда датчиков контролируемых характеристик пресноводной среды.

Поставленная задача достигается тем, что в способе обнаружения и классификации загрязнения пресноводной среды, включающем измерение температуры, классификацию загрязнений по группам на основе анализа комбинации измеренных показателей, отбор проб для дальнейшего лабораторного анализа, передачу информации об объекте контроля, полученной с нескольких точек на единую приемную систему, независимо измеряют составляющие , σ_x комплексной диэлектрической проницаемости среды, судят о факте загрязнения пресноводной среды по отклонениям приведенных к температуре Т₀ значений ε'(Т₀) и σ(Т₀) от фоновых , σ_фон, проводят классификацию загрязнения пресноводной среды по следующим соотношениям:

σ>σ_фон - электролиты,

при σ≈σ_фон - неполярные и слабополярные органические соединения,

при σ≈σ_фон - полярные органические соединения,

частотная дисперсия ε', σ - суспензии, пленки, коллоиды.

Другое отличие состоит в том, что снимают типовые температурные диэлектрические характеристики контролируемой пресноводной среды ε'(T) и σ(T), усреднением приведенных к температуре Т₀ значений ε'(Т₀) и σ(Т₀) за превышающий единичное измерение Δt₀ промежуток времени Δt определяют фоновые характеристики , σ_фон.

Третье отличие заключается в том, что в качестве температуры Т₀ используют среднегодовую температуру контролируемой пресноводной среды, а промежуток времени Δt определяют как (10⁴…10⁸)·Δt₀.

Для реализации способа в устройство для обнаружения и классификации загрязнения пресноводной среды, содержащее датчики температуры t°С и удельной проводимости σ, блок отбора проб и передатчик, дополнительно введены датчик вещественной составляющей диэлектрической проницаемости ε', блоки задания фоновых значений составляющих комплексной диэлектрической проницаемости , σ_фон, блок анализа, причем выходы датчиков t°С, σ, ε', , σ_фон подключены ко входам блока анализа, первый выход которого подключен ко входу передатчика, а второй выход - ко входу блока отбора проб.

Способ обнаружения и классификации загрязнения пресноводной среды и устройство для его осуществления поясняются фигурами 1-5.

На фигуре 1 приведена функциональная схема устройства для обнаружения и классификации загрязнения пресноводной среды. Она содержит датчики: вещественной составляющей диэлектрической проницаемости ε' 1, удельной проводимости σ 2, блоки задания фоновых значений составляющих комплексной диэлектрической проницаемости 3, σ_фон 4, датчик температуры t°С 5, подключенные ко входам блока анализа 6, первый выход которого подключен ко входу передатчика 7, а второй выход - ко входу блока отбора проб 8.

На фигурах 2…4 приведены концентрационные зависимости составляющих диэлектрической проницаемости ε', σ для водных растворов соли NaCl, этилового спирта С₂Н₅ОН, аминоуксусной кислоты (глицина) C₂H₅NO₂.

На фигуре 5 приведены частотные зависимости составляющих диэлектрической проницаемости для водных эмульсий трансформаторного масла.

Воздействие загрязнения на диэлектрическую проницаемость ε' и удельную проводимость σ природной пресноводной среды может быть отнесено к одной из четырех групп:

1. Электролиты (соли, кислоты, основания) изменяют концентрацию ионов в воде, что на частотах ниже 100 МГц приводит к возрастанию удельной проводимости σ среды.

2. Неполярные и слабополярные растворители снижают диэлектрическую проницаемость ε', мало влияя на удельную проводимость σ вплоть до оптических частот.

3. Полярные диэлектрики увеличивают диэлектрическую проницаемость. При этом изменения удельной проводимости и диэлектрической проницаемости могут быть разнородными уже на звуковых частотах, что позволяет по данным низкочастотной диэлектрической спектроскопии определять класс загрязнения.

4. Нерастворимые и слаборастворимые вещества приводят в основном к образованию пленок и эмульсий, имеющих четко выраженные дисперсионные области частотных диэлектрических характеристик.

Классификацию загрязнения проводят сравнением приведенных диэлектрических характеристик контролируемой пресноводной среды с фоновыми, непрерывно флуктуирующими в некоторых диапазонах σ_фон, по естественным причинам (изменение климатических условий, процессы в живой природе) по следующим соотношениям:

σ>σ_фон - электролиты (соли),

при σ≈σ_фон - неполярные и слабополярные загрязнения (щелочи, органические вещества (спирты)),

- полярные загрязнения (кислоты, органические вещества (аминокислоты), соединения водорода),

дисперсия ε', σ , σ(f)≠σ_фон(f) - нерастворимые и слаборастворимые загрязнения (нефтепродукты, тяжелые металлы) (f - рабочая частота).

Для приведения значений ε', σ к температуре Т₀ предварительно снимают типовые температурные зависимости диэлектрических характеристик контролируемого объекта, и усреднением приведенных к температуре Т₀ значений ε'(Т₀) и σ(Т₀) за превышающий единичное измерение Δt₀ промежуток времени Δt определяют фоновые характеристики , σ_фон.

Кроме того, при организации круглогодичного непрерывного экологического мониторинга в качестве температуры Т₀ используют среднегодовую температуру контролируемой пресноводной среды, а промежуток времени Δt определяют как (10⁴…10⁸)·Δt₀.

Устройство работает следующим образом: при появлении в пресноводной среде загрязняющего вещества диэлектрические характеристики последней вызывают изменения показаний датчиков ε' 1 и σ 2. Используя показания датчика температуры t°С 5, блок анализа 6 приводит значения показаний датчиков 1 и 2 к температуре Т₀, и сравнивает их с фоновыми значениями, получаемыми с блоков 3, σ_фон 4. Затем информация о состоянии пресноводной среды с блока анализа 6 поступает на передатчик 7, который отправляет ее на единую приемную систему. В случае обнаружения загрязнения по управляющему сигналу с блока анализа 6 включается блок отбора проб 8.

Ниже приведены примеры применения способа и реализующего его устройства в лабораторных условиях.

Пример 1. В течение месяца измеряли типовые температурные диэлектрические характеристики водных образцов и определили области фоновых значений ; σ_фон=(0,9…1,1)·10^-4 См/см при температуре Т₀=23°С. В качестве датчиков σ, ε', , σ_фон использовался разработанный авторами измеритель параметров диссипативных CG-двухполюсников, работающий на частоте 8 МГц [Патент РФ 2314544]. Затем повторно отбирали пробу, вносили загрязняющие вещества: соль NaCl, этиловый спирт С₂Н₅ОН, аминоуксусную кислоту (глицин) C₂H₅NO₂ и определяли диэлектрические характеристики, приведенные к температуре Т₀. На фиг.2-4 приведены концентрационные зависимости составляющих диэлектрической проницаемости для водных растворов указанных веществ при температуре Т₀. Значения ε', σ вне областей , σ_фон позволяют судить о введении загрязняющих веществ трех типов (электролиты, неполярные и полярные вещества). По графику, фиг.2, возможно зафиксировать превышение предельно допустимой концентрации (ПДК) для хлоридов.

Пример 2. Снимали частотные зависимости вещественной составляющей диэлектрической проницаемости ε'(f) дистиллированной воды в диапазоне частот f=10⁶…10⁷ Гц при температуре Т₀=23°С до и после внесения в образец загрязняющего вещества - трансформаторного масла, фигура 5. В качестве датчиков σ, ε' использовался разработанный авторами широкополосный характериограф составляющих адмитанса. Возникновение коллоидной системы «вода-масло» приводит к появлению области частотной дисперсии ε'.

С помощью предлагаемого способа и устройства повышается информативность обнаружения и классификации загрязнений пресноводной среды за счет выделения в общем классе органических веществ подклассов спиртов, аминокислот и нефтепродуктов и классификации загрязнений по характеру воздействия на составляющие ε', σ, а также в повышении эксплуатационной надежности и экономичности устройства за счет замены дорогостоящих, требующих частой замены (1-10 раз в месяц) селективных датчиков ионов Ni, Cr, Cu и др., кислорода О₂, радиоактивности, рН, Redox на недорогие, более долговечные (замена 1-2 раза в 10 лет при условии периодической очистки) емкостные преобразователи составляющих комплексной диэлектрической проницаемости ε', σ.

Изобретение может быть использовано при экологическом мониторинге, в системах приготовления водных растворов и в технологических процессах с их участием. Способ обнаружения и классификации загрязнения пресноводной среды включает измерение температуры, классификацию загрязнений по группам на основе анализа комбинации измеренных показателей, отбор проб для дальнейшего лабораторного анализа, передачу информации об объекте контроля, полученной с нескольких точек на единую приемную систему. Измеряют составляющие , σ_x комплексной диэлектрической проницаемости среды, судят о факте загрязнения пресноводной среды по отклонениям приведенных к температуре Т₀ значений при σ≈σ_фон от фоновых , σ_фон, проводят классификацию загрязнения пресноводной среды по следующим соотношениям: σ>σ_фон - электролиты, при σ≈σ_фон - неполярные и слабополярные органические соединения, при σ≈σ_фон - полярные органические соединения, частотная дисперсия ε', σ - суспензии, пленки, коллоиды. Снимают типовые температурные диэлектрические характеристики контролируемой пресноводной среды ε'(T) и σ(T), усреднением приведенных к температуре Т₀ значений е'(Т₀) и σ(Т₀) за превышающий единичное измерение Δt₀ промежуток времени Δt определяют фоновые характеристики , σ_фон. В качестве температуры Т₀ используют фоновые характеристики , σ_фон. В качестве температуры Т₀ используют среднегодовую температуру контролируемой пресноводной среды, а промежуток времени Δt определяют как (10⁴…10⁸)·Δt₀. Для реализации способа согласно изобретению предложено устройство для обнаружения и классификации загрязнения пресноводной среды. Изобретение направлено на повышение информативности обнаружения загрязнений пресноводной среды за счет классификации видов органических веществ, а также на повышение надежности и экономичности соответствующего устройства за счет замены ряда датчиков контролируемых характеристик пресноводной среды. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил., 2 пр.

1. Способ обнаружения и классификации загрязнения пресноводной среды, включающий измерение температуры, классификацию загрязнений по группам на основе анализа комбинации измеренных показателей, отбор проб для дальнейшего лабораторного анализа, передачу информации об объекте контроля, полученной с нескольких точек на единую приемную систему, отличающийся тем, что независимо измеряют составляющие , σ_x комплексной диэлектрической проницаемости среды, судят о факте загрязнения пресноводной среды по отклонениям приведенных к температуре Т₀ значений ε'(Т₀) и σ(Т₀) от фоновых , σ_фон, проводят классификацию загрязнения пресноводной среды по следующим соотношениям:
σ>σ_фон - электролиты,
при σ≈σ_фон - неполярные и слабополярные органические соединения,
при σ≈σ_фон - полярные органические соединения, частотная дисперсия ε', σ - суспензии, пленки, коллоиды.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что снимают типовые температурные диэлектрические характеристики контролируемой пресноводной среды ε'(T) и σ(T), усреднением приведенных к температуре Т₀ значений ε'(T₀) и σ(T₀) за превышающий единичное измерение Δt₀ промежуток времени Δf определяют фоновые характеристики , σ_фон.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве температуры Т₀ используют среднегодовую температуру контролируемой пресноводной среды, а промежуток времени Δt определяют как (10⁴…10⁸)·Δt₀.

4. Устройство для обнаружения и классификации загрязнения пресноводной среды, содержащее датчики температуры t°C и удельной проводимости σ, блок отбора проб и передатчик, отличающееся тем, что в него дополнительно введены датчик вещественной составляющей диэлектрической проницаемости ε', блоки задания фоновых значений составляющих комплексной диэлектрической проницаемости , σ_фон, блок анализа, причем выходы датчиков t°C, σ, ε', , σ_фон подключены ко входам блока анализа, первый выход которого подключен ко входу передатчика, а второй выход - ко входу блока отбора проб.