Содержание к диссертации
Введение
1. Основные характеристики ракетно-космической техники космодрома «плесецк», определяющие интенсивность воздействий на окружающую среду 8
1.1. Общая характеристика космодрома «Плесецк» 8
1.1.1. История развития космодрома «Плесецк» и его значимость для освоения околоземного космического пространства 9
1.1.2. Характеристика климатических и ландшафтных условий в районе расположения космодрома «Плесецк» 11
1.2. Характеристика ракет-носителей 13
1.3. Характеристика компонентов ракетного топлива 16
1.3.1. Горючее жидких ракетных топлив -. 17
1.3.2. Окислители жидких ракетных топлив 21
1.4. Общая характеристика районов падения отделяющихся частей ракет носителей, расположенных на территории Архангельской области 24
1.4.1. Район падения отделяющихся частей ракет-носителей «Койда» 26
1.4.2. Район падения отделяющихся частей ракет-носителей «Мосеево»... 29
2. Экологические последствия эксплуатации ракетно-космической техники 33
2.1. Экологическое воздействие на окружающую среду в процессе предстартовой подготовки и при пуске ракет-носителей 34
2.2. Химическое загрязнение почв и растительности при пуске ракет-носителей и падении отделяющихся частей ракет-носителей в районы падения 37
2.3. Химическое загрязнение воздуха при пуске ракет-носителей и падении отделяющихся частей ракет-носителей в районы падения 42
2.4. Химическое загрязнение водных экосистем при пуске ракет-носителей и падении отделяющихся частей ракет-носителей в районы падения 43
2.5. Последствия аварийных ситуаций при эксплуатации ракетно-космической техники 45
2.6. Проведение экологического мониторинга химического воздействия РКД на объекты окружающей природной среды в районах стартовых комплексов космодрома «Плесецк» и в районах падения ОЧРН 48
2.7. Выводы. Цель и задачи исследования 51
3. Методическая часть 53
3.1. Методика отбора проб компоентов природной среды на территории районов падения ОЧРН 53
3.2. Методика отбора проб компонентов природной среды на территории стартовых комплексов космодрома «Плесецк» 65
3.3. Методы контроля концентрации компонентов ракетного топлива в воздушной среде 69
3.4. Характеристика лабораторных методов химического анализа используемых для определения содержания токсичных КРТ в объектах окружающей среды 72
4. Результаты исследований 82
4.1. Сравнительный анализ лабораторных методов определения токсичных КРТ в объектах окружающей природной среды 82
4.2. Оценка влияния химического воздействия ракетно-космической деятельности на экологическое состояние объектов окружающей среды 83
4.2.1. Оценка экологического состояния объектов окружающей среды в зоне действия космодрома «Плесецк» 83
4.2.2. Оценка экологического состояния объектов окружающей среды в районах падения ОЧРН 86
4.3. Предложения по совершенствованию системы экологического мониторинга химического воздействия РКД на объекты окружающей среды 96
5. Выводы 98
Список литературы 100
- Окислители жидких ракетных топлив
- Химическое загрязнение почв и растительности при пуске ракет-носителей и падении отделяющихся частей ракет-носителей в районы падения
- Методика отбора проб компоентов природной среды на территории районов падения ОЧРН
- Оценка экологического состояния объектов окружающей среды в зоне действия космодрома «Плесецк»
Введение к работе
Актуальность исследований.
Космическая деятельность государства – важнейший фактор обеспечения национальной безопасности, а так же технологического, военно-политического и социально-экономического развития страны. В соответствии с Законом Российской Федерации «О космической деятельности» она относится к одному из главных приоритетов государственной политики и обеспечивает выполнение важных экономических, научно-технических и оборонных задач России.
Космодром «Плесецк» является самым северным и одним из самых эксплуатируемых космодромов в мире, который осуществляет ракетно-космическую деятельность (РКД) на территории Архангельской области.
Ныне космодром «Плесецк» является крупнейшим космодромом России, который эффективно испытывает перспективные ракеты космического назначения и космические аппараты и осуществляет пуски ракет военного, социально-экономического и научного назначения, а также – пуски по программам международного сотрудничества. На протяжении последних 50-ти лет с момента образования космодрома произведено более 1500 пусков ракет-носителей (РН) и выведено на орбиту около 2000 космических аппаратов.
По мере появления все более современных и перспективных ракет космического назначения, увеличения частоты пусков (в 70-80 гг. XX века с космодрома «Плесецк» производилось до 40% мировых космических запусков), накопления опыта эксплуатации ракетно-космической техники (РКТ) постепенно пришло понимание, что такая техника существенно влияет на окружающую среду. В данный момент считается, что на Европейском Севере РФ ракетно-космическая техника – это один из важных (хотя, безусловно, и не единственный) источников антропогенного воздействия на экосистемы.
В связи с этим возникла необходимость проведения экологических исследований в области воздействия РКТ космодрома «Плесецк» на природную среду, которые могли бы дать объективную информацию о масштабах и интенсивности этого воздействия. Одним из факторов такого воздействия является попадание в объекты окружающей среды компонентов ракетного топлива при пусках ракет-носителей и при падении отделяющихся частей РН в отведенные для этого районы падения.
Ключевым направлением исследования по оценке факторов воздействия ракетно-космической деятельности на окружающую природную среду является изучение содержания и трансформации токсичных компонентов ракетного топлива (КРТ), в частности несимметричного 1,1-диметилгидразина (НДМГ) и продуктов его разложения, в объектах окружающей природной среды.
Следовательно, актуальной научной задачей является оценка химического воздействия РКД на экологическое состояние объектов окружающей среды с использованием высокоэффективных методов определения токсичных компонентов ракетного топлива в экосистемах, характерных для Европейского Севера РФ, что предусматривает создание эффективной системы аналитического контроля и экологического мониторинга, основанных на современных аналитических методах и системах контроля состояния объектов окружающей среды.
Объект исследований – стартовые комплексы космодрома «Плесецк» и районы падения отделяющихся частей ракет-носителей (ОЧРН) Архангельской области «Койда» и «Мосеево».
Цель исследований – оценка влияния химического воздействия ракетно-космической деятельности на экологическое состояние объектов окружающей среды с использованием современных высокоэффективных методов определения токсичных компонентов ракетного топлива в экосистемах, характерных для Европейского Севера РФ
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
1) На основе анализа существующих методов определения токсичных КРТ предложить наиболее эффективные, экспрессные и информативные методы эколого-аналитического контроля загрязнения окружающей среды территорий подверженных влиянию химического воздействия РКД;
2) Оценка экологического состояния объектов окружающей среды в зоне действия космодрома «Плесецк» и районов падения ОЧРН Архангельской области;
3) Разработка предложений по совершенствованию системы экологического мониторинга химического воздействия РКД на объекты окружающей среды.
Научная новизна результатов исследований.
Выполнен сравнительный анализ химического воздействия пусков РН легкого класса на объекты окружающей среды стартовых комплексов космодрома «Плесецк».
Выполнен сравнительный анализ, определены и обоснованы наиболее информативные физико-химические методы эколого-аналитического контроля в зоне влияния космодрома «Плесецк».
Впервые с применением современных высокоэффективных методов анализа выполнены комплексные исследования по химическому воздействию ракетно-космической деятельности на экологическое состояние объектов окружающей природной среды районов падения ОЧРН, расположенных на территории Европейского Севера РФ. Показано распределение НДМГ и продуктов его разложения в глубинных слоях торфяно-болотной почвы, а также горизонтальное распространение токсичных компонентов ракетного топлива в экосистемах мест падения ОЧРН во времени.
Практическое значение результатов исследований.
Осуществлена оценка экологического состояния объектов окружающей природной среды в зоне действия космодрома «Плесецк» и районов падения ОЧРН Архангельской области. Выработаны предложения по совершенствованию системы экологического мониторинга химического воздействия РКД на объекты окружающей природной среды применительно к заболоченным территориям Европейского Севера РФ.
Реализация результатов исследований.
Применяемые методы в эколого-аналитической оценке состояния объектов окружающей природной среды районов падения ОЧРН Архангельской области успешно применяются Северным (Арктическим) федеральным университетом (Аналитическим центром) при выполнении работ в рамках федеральной целевой программы «Развитие российских космодромов» на 2006 – 2015 г.г. при выполнении экологического мониторинга районов падения ОЧРН Северо-запада РФ.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Применение ионной хроматографии с амперометрическим детектированием как высокоэффективного аналитического метода эколого-аналитического контроля, который используется в экспериментальных исследованиях по оценке химического воздействия РКД в районах падения ОЧРН Архангельской области.
2. Оценка химического загрязнения объектов окружающей природной среды стартовых комплексов космодрома «Плесецк» при пусках РН легкого класса.
3. Оценка воздействия токсичных компонентов ракетного топлива на экологическое состояние природных вод, растительности и торфяно-болотной почвы районов падения ОЧРН Архангельской области «Койда» и «Мосеево» по результатам экспериментальных исследований, проведенных на основе обследования территорий и данных химического анализа, проведенного в лабораторных условиях.
4. Предложения по совершенствованию системы экологического мониторинга химического воздействия РКД на объекты окружающей природной среды.
Обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций. Научные положения диссертационной работы, выводы и рекомендации являются результатом натурных и лабораторных исследований, проведенных с применением химических и современных физико-химических методов анализа с использованием поверенной и калиброванной аппаратуры. Для получения экспериментальных результатов использованы стандартные методы исследований и аттестованные методики анализа.
Апробация работы и публикации. Материалы исследования представлены и обсуждены на международных, всероссийских и региональных конференциях, в том числе на: ежегодных научно-практических конференциях научных и инженерно-технических работников космодрома «Плесецк» (Мирный, 2007 – 2010), II Международном форуме «Аналитика и Аналитики» (Воронеж, 2008), научно-практической конференции «Экологические и медико-социальные аспекты использования районов падения отделяющихся частей ракет» (Архангельск, 2008), заседании Всероссийской школы молодых ученых «Сверхкритические флюидные технологии в решении экологических проблем» (Архангельск, 2010), Международном симпозиуме «Экология арктических и приарктических территорий» (Архангельск, 2010), II Международной конференции «Актуальные проблемы биоэкологии» (Москва, 2010).
По материалам диссертационной работы опубликовано 10 научных работ, в том числе – 3 статьи в научных журналах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и списка литературы, включающего 136 библиографических ссылок, из них 18 из зарубежных источников. Содержание работы изложено на 114 страницах машинописного текста, содержит 30 рисунков и 21 таблиц.
Личный вклад автора. Автором сформулированы цели и задачи исследований, теоретически обоснованы пути их реализации, получены и интерпретированы экспериментальные результаты.
Окислители жидких ракетных топлив
Зима (начало ноября - конец апреля) - умеренно - холодная, с пасмурной погодой (14,6 - 20,3 дней в месяц). Температура воздуха большей частью колеблется от - 9С до -15С, нередки морозы до минус 25 - 30С.
Лето (середина июня - август) умеренно-прохладное, с неустойчивой погодой. Температура воздуха 11-14 С, в отдельные дни до 25 - 33 С. Осадки выпадают часто (9-12 дней в месяц) в виде ливневых дождей. Продолжительность светлого времени суток около 20 часов.
Весна (май - середина июня) характерна пасмурной прохладной погодой (среднее число пасмурных дней по общей облачности 34,3, средняя температура воздуха 6,65 С). Осадки выпадают преимущественно в виде мокрого снега. В мае продолжительность дня — 19 часов, в конце месяца устанавливаются "белые ночи", которые держатся до середины июля. Осень (сентябрь - октябрь) холоднее весны (средняя температура воздуха 8,9 С), с пасмурной и дождливой погодой (среднее число пасмурных дней по общей облачности 19,9). Осадки в сентябре выпадают в виде длительных моросящих дождей (20-21 день в месяц). Почвы. Почвы на территории РП характеризуются кислой реакцией, преобладанием восстановительных процессов и низкой минерализацией почвенно-грунтовых вод. Из факторов почвообразования на севере один находится в максимуме - это вода. Все почвы Мезенского края несут в себе признаки, обусловленные этим фактором. Преобладают почвы подзолистого типа, представленные подтипами глеево-подзолистых, типичных подзолистых почв, болотно-подзолистые и болотные почвы, часто встречаются дерново-карбонатные и дерново-глеевые, реже пойменные аллювиальные [48]. Глеево-подзолистые почвы, у которых непосредственно под лесной подстилкой развивается оглееныи горизонт, встречаются под еловыми лесами в наиболее дренированных местах. Гидрологическая характеристика водных объектов. Гидрологическая сеть РП представлена рекой Койда с притоками, а также реками Ниша, Поча и Грязнуха. Река Койда протекает по территории РП с юга на север , доступная для плавания на моторных лодках. Ширина от 15 до 50 м в верхнем и среднем течениях, глубина - 0,3 28 м, скорость 0,2 - 0,8 м/с, дно песчаное, илистое. Остальные реки небольшие, шириной до 20 м, глубиной до 1,0 м. Реки, широко разливаясь, образуют вместе с озерами обширные зоны затопления, недоступные для машин обычной проходизмости [48, 50]. На территории РП много озер площадью 0,5 - 4,0 кв. км и глубиной от 0,5 до 6,0 м. Дно озер торфяно-илистое, вязкое, реже - песчано-илистое. Берега торфяные; (высотой до 3 м), местами низкие (0,5 - 1,5 м), заболоченные. По всей территории РП распространены моховые грядово-мочажиниые болота (высота гряд 0,1-1,0 м, ширина 1-3 м, длина 20-150 м). Мочажины (топкие понижения между грядами) сильно затрудняют передвижения по болотам. Растительность. У болотных окраин лес редкий, низкорослый, угнетенный -кочковатые сосняки высотой 6 - 8 м. Массивы болот безлесны, лишь гряды покрыты тонкоствольным редколесьем. На площадях, расположенных по левобережью Кулоя (восточная часть РП), растет сосновый лес. По долинам небольших рек: лес преимущественно смешанный (ель, береза). Лесотундровая растительность (в полосе, переходной от леса к тундре) представлена редким низкорослым лесом из березы с примесью ивы. Тундровый растительный покров представлен кустарниками (багульник, голубика, брусника, морошка и т.д.), лишайниками, а также зелеными мхами и влаголюбивыми травами [48,51]. Расположен на территории Мезенской равнины Архангельской области. Площадь района составляет 223,3 тыс. га (рисунок 1.8). Территория РП «Мосеево» используется для падения 1 ступеней РН «Циклон-3» и боковых блоков РН «Союз-У», а с 2004 года для падения ББ РН «Союз-2» [49]. Постоянное население в РП отсутствует. Временное население представлено жителями близлежащих населенных пунктов, занятыми сенокосом, рыбным и охотничьим промыслом. На территории РП ведется заготовка сена, лов рыбы, находятся делянки леспромхозов. Ближайшие к РП населенные пункты расположены по берегам реки Пеза, это поселки Усть-Няфта, Бычье и Мосеево - на расстоянии порядка 30-40 км от РП; по берегам реки Мезень - поселки Целегора, Черсова, Погорелец, Березник, Козьмогородское, Жердь - на расстоянии порядка 15-30 км от РП, населением до 600 человек [49, 50]. Территория РП представляет плоскую, сильно заболоченную местность, которая сложена ледниковыми отложениями различного типа. Для территории РП характерно обилие ветвящихся болотистых ложбин. Характеристика климата. Район находится в зоне достаточного увлажнения. Годовое количество осадков составляет около 430 мм, причем 60 % выпадает в теплый период года. Средняя годовая температура воздуха составляет минус 1,4 С. Абсолютная годовая амплитуда, т. е. разность между абсолютными максимумом (32 С) и минимумом (- 54 С) составляет 86. Среднегодовая скорость ветра составляет 3,5 м/сек, при этом зимой и осенью преобладают южные и юго-западные ветры, а летом и весной -северные и северо-западные [49]. Зима (ноябрь - середина апреля) холодная, с пасмурной ветреной погодой. Температура воздуха составляет большую часть суток от -Юдо -15 С, днем -5 -10 С. С конца ноября по март нередки морозы до - 25 - 30 С. Устойчивый снежный покров образуется в начале ноября и удерживается 190 - 200 дней. К концу зимы толщина снега равна 50 - 60см. Весна (середина апреля - середина июня) затяжная, с пасмурной погодой. В начале сезона нередки морозы ночью до - 8, а заморозки случаются до середины июня. Интенсивное таяние снега начинается с середины мая, полностью снег сходит в первой половине июня. Лето (середина июня - август) отличается прохладной дождливой погодой. В июле и августе случаются жаркие дни (25 - 30 С), ночью 7-9 С. Осень (сентябрь-октябрь) холодная и дождливая. В сентябре случаются отдельные теплые дни с температурой до 15-20 С, по ночам возможны морозы до - 3 - 5 С, в октябре морозы регулярны. Осадки выпадают в виде моросящих продолжительных (по 2-3 дня подряд) дождей. В октябре начинаются снегопады. Часты туманы (4-5 дней в месяц). Почвы. Почвы на территории РП, так же как и в РП «Койда» характеризуются кислой реакцией, с большим количеством воды. Преобладают почвы подзолистого типа, представленные подтипами глеево-подзолистых, типичных подзолистых почв [49]. Болотно-подзолистые и болотные почвы, часто встречаются дерново-карбонатные и дерново-глеевые, реже пойменные аллювиальные.
Химическое загрязнение почв и растительности при пуске ракет-носителей и падении отделяющихся частей ракет-носителей в районы падения
Попадая в почву, НДМГ воздействует на биохимические процессы почвы, представляя угрозу отрицательного воздействия на различные компоненты экосистемы вследствие повторного вовлечения в биохимический круговорот. При этом происходит изменение численности микроорганизмов различных физиологических групп, вытеснение группы бактерий, способных расти на дефицитных по азоту субстратах[37, 57]. При достаточно высоком уровне загрязнения почвы поллютантом наблюдается деградация клеток микроорганизмов и ингибирование их жизнедеятельности. В умеренных дозах НДМГ оказывает стимулирующее воздействие на микробиоту почвенно-растительной системы [57]. В проведенных ранее экспериментальных исследованиях [37] отмечено, что действие НДМГ в концентрации 100 мг/кг вызывает угнетение самоочищающей способности почвы и снижение интенсивности ее дыхания.
В литературных источниках отмечено, что после пролива токсичных КРТ, снижение концентрации НДМГ в почве происходит неравномерно. Наиболее резко снижается концентрация НДМГ впервые 5 дней, что свидетельствует как о прочном поглощении поллютанта элементами почвы, так и о наличии процессов разложения НДМГ на продукты его окисления, концентрации которых в первые сутки после пролива увеличиваются в 2 раза [32, 46].
НДМГ и продукты его трансформации, благодаря своей высокой растворимости и стабильности в почве и растениях, обладают выраженной способностью мигрировать по профилю почвы [40]. Поглощение почвой НДМГ происходит по ионообменному механизму: чем выше катионообменная емкость почвы, тем больше степень поглощения НДМГ [40]. С физико-химической точки зрения миграционная способность поллютантов представляет собой непрерывный ряд повторяющихся процессов сорбции, обусловлена типом почвы, поглотительной способностью почвы, водным режимом, количеством КРТ, поступившим на поверхность [58-61]. При этом характер и форма миграции, определяется внутренними (свойства и характер соединений, их реакционная способность) и внешними (величина рН, температура, влажность, наличие органического вещества и т.д.) факторами [62].
Условия для стабильности и миграции НДМГ в ландшафтах зависят от сезона года. Наиболее благоприятным климатическим периодом для миграции НДМГ является весенний период (период снеготаяния и половодья), а для стабильности — зимний период, т. к НДМГ способен длительное время сохраняться в снежном покрове, а во время снеготаяния мигрировать вместе с талыми водами [40, 63].
При изучении распространения НДМГ в почвенном покрове, большое значение уделяется связи НДМГ с гуминовыми веществами органической части почвы.
Гуминовые вещества почвы - это сложные смеси устойчивых к биодеструкции высокомолекулярных темноокрашенных органических соединений природного происхождения, которые образуются при разложении растительных и животных остатков под действием микроорганизмов и абиотических факторов среды [64]. В качестве обобщающего названия, обозначающего гуминовые вещества, применяют термин «гумусовые кислоты». Гумусовые кислоты являются наиболее реакционноспособными и подвижными компонентами гуминовых веществ, активно участвующих в химических процессах в экосистемах [65, 66]. На рисунке 2.4 представлена примерная модель структурного фрагмента гумусовых кислот почв:
В состав гумусовых кислот помимо органической части входит и неорганическая часть, которая состоит из зольных элементов (преимущественно, ионов металлов, оксидов кремния и алюминия) и гигроскопической влаги, содержание которой достигает 10%. Суммарное содержание углерода в гумусовых кислотах варьирует от 50 до 60%, кислорода от 30 до 40%, а серы и азота обычно не превышает 5% [64, 68]. Можно считать, что химическое поведение гумусовых кислот определяется кислородсодержащими функциональными группами, которые представлены, главным образом, карбоксильными и гидроксильными группами [67]. В работе [67] отмечено, что экотоксиканты связываясь в комплексы, со временем снижают свою токсичность, поэтому в этом отношении гумусовые кислоты выступают как своего рода природные детоксиканты.
При проливе НДМГ на поверхность почвы лучшей фильтрационной способностью обладает песок, а глинистые почвы препятствуют миграции токсичных КРТ вглубь. Однако, несмотря на высокие сорбционные свойства, глина и суглинок не могут полностью задерживать вертикальную миграцию по профилю токсичные КРТ в глубинные слои [69, 70]. Например, в литературных источниках [40] отмечено, что глинистые почвы сорбируют 76-90% НДМГ, а песок лишь 2-46%. Или при проливе несимметричного диметилгидразина в количестве 12 кг на глину он способен мигрировать на глубину 180 см за 14 месяцев [32].
Растительность - основной источник энергии для экосистемы, первичное звено всех цепей питания. Через нее из окружающей среды в экосистему поступают жизненно важные питательные вещества. Как биотический компонент любой экосистемы растительность не только чувствительна к нарушениям окружающей среды, но и наиболее наглядно отражает изменения экологической обстановки территории в результате антропогенного воздействия [5, 57].
Так как НДМГ является азотосодержащим соединением, он активно поглощается растениями. При этом поглощение растениями происходит двумя путями: воздушным и транслокационным [40]. НДМГ имеет выраженную щелочную реакцию (рН = 12), поэтому при его проливе на растительный покров возможны щелочные ожоги. Пораженная 1.1-диметилгидразином растительность изменяет окраску и приобретает цвет «вареной зелени» и, высыхая, становится коричневой. Проникая в листья и стебли, НДМГ способен в них сохраняться длительное время [32, 71]. Накопление поллютанта может сказываться на приросте и продуктивности отдельных видов растений [72]. Присутствие данного компонента ракетного топлива в растениях может объясняться образованием прочных химических связей с компонентами растительных тканей. Аналогично накоплению НДМГ в почвах может происходить его накопление в растениях по ионообменному механизму [32, 71]. В литературных источниках [72] отмечено, что проведенные экспериментальные исследования растений, которые были выращены на загрязненных НДМГ участках, показали, что анализ содержания в них поллютанта выявил особенности межвидового его накопления. Так содержание НДМГ в люцерне не меняется в течение 4 месяцев вегетации, а тимофеевка в течение вегетации поллютант накапливает [72]. Однако через 2 месяца межвидовые различия в концентрации становятся недостоверными. Так же отмечено, что НДМГ с концентрацией 1 мг/кг почвы вызывает стимулирующее действие на рост и продуктивность сельскохозяйственных растений на начальных этапах их роста[37].
Методика отбора проб компоентов природной среды на территории районов падения ОЧРН
Как при аварийном проливе токсичных КРТ, так и при пуске РН, когда образуется клуб продуктов сгорания КРТ, компоненты топлива в связи с высокой летучестью и испаряемостью, обладая высокой стабильностью, попадая в атмосферу воздуха, остаются в неизменном состоянии достаточно длительное время. При наличии влаги в атмосфере воздуха возможен гидролиз окислителя тетраоксида азота до азотной и азотистой кислоты и частичное разложение НДМГ с образованием продуктов его разложения. Процесс гидролиза и разложения КРТ проходит во времени, в связи с чем в первую очередь необходимо использовать экспресс-анализы на определение КРТ, позволяющие в течение короткого времени получить необходимую информацию об уровнях заражения окружающей среды [34]. Контроль проводят после нейтрализации КРТ (в случае аварийного пролива КРТ) и непосредственно после пуска РН на наличие КРТ в воздушной среде, превышающих ПДК.
На пусковых площадках, на которых проводятся пуски РН «Космос-ЗМ», «Рокот», «Циклон-3», где используется топливная пара НДМГ+ азотный окислитель (тетраоксид азота или азотная кислота, в зависимости от того каким окислителем заправлена РН), при экспрессном химико-аналитическом контроле воздушной среды используется войсковой прибор химической разведки (ВПХР). В воздушной среде экспресс-анализы проводят только на определение (и установление концентраций) НДМГ и азотный окислитель. Чтобы не подвергнуться поражению парами токсичных КРТ, работа с прибором проводится в специальной защитной одежде и противогазе.
Войсковой прибор химической разведки (ВПХР) [101]. Предназначен для определения в воздухе, на местности, в сыпучих материалах токсичных КРТ (НДМГ + азотный окислитель), а также различных отравляющих веществ. На рисунке 3.6 показан ВПХР и его составные части. Устройство ВПХР. Прибор состоит из корпуса с крышкой и размещенных в них: ручного насоса, насадки к насосу, бумажных кассет с индикаторными трубками, защитных колпачков, противодымных фильтров, электрофонаря, грелки с патронами. Кроме того, в комплект прибора входит лопатка для взятия проб и плечевой ремень с тесьмой. Масса прибора — 2,3 кг. Индикаторные трубки предназначены для определения токсичных КРТ а также отравляющих веществ и представляют собой герметично запаянные стеклянные трубки, внутри которых помещен зерненный сорбент. Индикаторные трубки маркированы цветными кольцами и уложены в бумажные кассеты по 10 шт. На лицевой стороне кассеты дан цветной эталон окраски зерненного сорбента (индикаторного порошка) и указан порядок работы с трубками. Измерение концентрации анализируемого вещества индикаторной трубкой в газовых средах основано на изменении окраски индикаторного порошка при прокачивании ручным поршневым насосом через индикаторную трубку анализируемого газа (при наличии в анализируемом воздухе паров контролируемого вещества какой-либо концентрации). Тем самым основа данного экспресс-метода составляет химико-аналитическая реакция, протекающая при взаимодействии индикаторного порошка с парами контролируемого компонента ракетного топлива, вследствие чего происходит изменение его окраски. По изменению окраски индикаторного порошка судят о наличии КРТ и их примерной концентрации, сравнивая цвет индикаторного порошка с окраской, изображенной на цветной шкале (размещенной на кассетной этикетке). Чем больше величина концентрации паров контролируемого вещества, тем быстрее изменяется окраска наполнителя индикаторной трубки [101, 102]. На рисунке 3.7 показан внешний вид индикаторных трубок, используемых для определения НДМГ (обозначение на этикетке - «гептил») и азотных окислителей (обозначение на этикетке - «АК»), а в таблице 3.3 представлена их характеристика. Для определения содержания в воздухе паров азотного окислителя и гептила, порядок пользования индикаторными трубками ИТ-2Т, ИТ-Г1 заключается в следующем [34]: - вскрывается индикаторная трубка с обеих сторон; - вставляется немаркированным концом в поршневой насос ВПХР, делается 10 качаний насосом при определении концентрации паров азотного окислителя или 50 качаний насосом при определении паров гептила; - сравнивается окраска наполнителя индикаторной трубки с эталоном окраски на этикетке упаковки индикаторных трубок и устанавливается примерная концентрация паров анализируемого компонента ракетного топлива. 3.4. Характеристика лабораторных методов химического анализа используемых для определения содержания токсичных КРТ в объектах окружающей среды Изучение поведения одного из самых токсичных компонентов ракетного топлива - несимметричного диметилгидразина (НДМГ) и продуктов его разложения в окружающей природной среде - напрямую связано с использованием надежных методик химического анализа[5]. Существующие методы определения НДМГ можно условно разделить на две группы: Методы первой группы - методы с предварительной дериватизацией, которая основана на аналитической реакции превращения НДМГ в другое анализируемое соединение, обладающее определенными свойствами, для получения аналитического сигнала и установления концентраций. Методы второй группы — это прямые методы. В этом случае соединения определяют без предварительных манипуляций. В основе прямых методов определения НДМГ лежит способность к его окислению [5].
Оценка экологического состояния объектов окружающей среды в зоне действия космодрома «Плесецк»
Полученные данные показывают, что максимум концентрации в эпицентрах падения ОЧРН меняется в зависимости от заболоченности почвы: чем большее количество влаги наблюдается в месте падения, тем больше концентрация НДМГ и продуктов его разложения в поверхностных слоях почвы. Однако, сравнивая концентрации по абсолютным значениям, можно сделать вывод о длительном (в течении одного года) сохранении остаточных концентраций НДМГ и продуктов его разложения в условиях арктического климата и торфяно-болотных почв (учитывая, что данная воронка от падения ОЧРН образовалась в 2000 - 2001 г.г).
Применение методик отбора проб для исследования химического загрязнения районов падения ОЧРН позволило оценить загрязненность территории несимметричным диметилгидразином и продуктами его трансформации и сделать вывод о слабом распространении поллютантов в горизонтальном направлении.
НДМГ и продукты его разложения локализованы на небольших площадках непосредственно на местах падения ОЧРН в диаметре не более 10 - 50 м от места падения. Поэтому можно сказать, что загрязнение токсичными компонентами ракетного топлива районов падения ОЧРН носит локальный характер.
Предложения по совершенствованию системы экологического мониторинга химического воздействия РКД на объекты окружающей среды 1. В районах стартовых комплексов космодрома «Плесецк» для установления фактической зоны экологического воздействия пусков РН легкого класса необходимо проводить отбор проб объектов окружающей природной среды на большем количестве участков после пусков РН, а так же проводить фоновые исследования состояния объектов окружающей природной среды до пусков РН, для чего необходимо обновить методическое обеспечение экологического мониторинга объектов окружающей среды на территории стартовых комплексов космодрома «Плесецк». Для объективной оценки химического воздействия РКД на объекты окружающей среды в районах стартовых комплексов космодрома, химико-аналитическому центра космодрома «Плесецк» необходимо использовать современный высокоэффективный метод ионной хроматографии. В основу которого должно входить: - для анализа проб почвы и растительности — отгонка с паром анализируемого компонента в раствор соляной кислоты с последующим анализом отгона; - для анализа проб воды - прямой ввод пробы в хроматограф, без отгонки. 1. Дана характеристика физико-химических методов анализа (ионной хроматографии, хромато-масс-спектрометрии и спектрофотометрии) для контроля содержания токсичных компонентов ракетного топлива в природных водах, почвенном покрове и растительности. Показано, что на основании сравнения информативности, точности, экономичности и экспрессности лабораторных методов анализа, применяемых в различных экспериментальных исследованиях по оценке химического воздействия поллютантов на объекты окружающей природной среды, предусмотрена необходимость включения метода ионной хроматографии с амперометрическим детектированием в основу исследований при проведении эколого-аналитического контроля и экологического мониторинга химического воздействия РКД. 2. Показано, что химическое загрязнение объектов окружающей среды компонентами ракетного топлива районов падения носит точечный характер. Распространение токсичных компонентов ракетного топлива локализовано непосредственно в местах падения ОЧРН, на небольших территориях (в радиусе не более 10-50 м от эпицентра места падения). В пробах почвы, растительности и природной воды, отобранных с фоновых участков районов падения, а так же в пробах картофеля и рыбы предоставленными местными жителями с населенных пунктов расположенных в непосредственной близости от районов падения ОЧРН, компоненты ракетных топлив не обнаружены. Уровень химического воздействия на состояние окружающей природной среды стартовых комплексов космодрома при пусках РН легкого класса и в местах падения ОЧРН РП «Койда» и «Мосеево» является незначительным и локальным. 3. В районах падения ОЧРН изучена миграция НДМГ и продуктов его разложения: метилгидразин и гидразин по вертикальному профилю в глубинные слои почвенного покрова (до 1 м). По результатам химического анализа отобранных проб почвы в местах падения ОЧРН (воронки от падения ОЧРН образовались: в РП «Мосеево» - 2000-2001г. г, в РП «Койда» — 20D4 г.) установлено, что максимальное аккумулирование поллютантов в местах падения наблюдается на глубине 40 - 70 см от поверхности. При этом максимальная глубина проникновения НДМГ в эпицентре падения ОЧРЫ может достигать 1 м и носить локальный характер. 4. В результате изучения содержания НДМГ в почвах и изменения его концентрации во времени, установлено, что в условиях арктического климата, содержание НДМГ в глеевых горизонтах торфяно-болотных почв в эпицентрах мест падения ОЧРН сохраняется длительное время (не менее 8 лет с момента падения ОЧРН в местах падения РП «Мосеево» и не менее 3 лет в месте падения РП «Койда»). При этом по вертикальному профилю почвы происходит незначительное изменение абсолютных значений концентраций поллютанта в течение года. 5. На основании результатов физико-химических методов анализа проб объектов окружающей среды, разработаны предложения по совершенствованию системы экологического мониторинга химического воздействия РКД на объекты окружающей природной среды, которые заключаются в необходимости: обновления методического обеспечения экологического мониторинга объектов окружающей среды на территории стартовых комплексов космодрома «Плесецк»; - использования химико-аналитическим центром космодрома «Плесецк» современного высокоэффективного метода ионной хроматографии для проведения исследований по изучению химического воздействия РКД на объекты ОПС.
Похожие диссертации на Эколого-аналитическая оценка воздействия ракетно-космической деятельности на объекты окружающей среды в районах Европейского Севера Российской Федерации
