Патент на изобретение №2331876

(54) СПОСОБ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ ВОДНОЙ СРЕДЫ, ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ И АТМОСФЕРЫ ВДОЛЬ ТРАССЫ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ, УЛОЖЕННЫХ НА ДНЕ ВОДОЕМОВ, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области экологии и может быть использовано при проведении мониторинга морских и прибрежных участков магистральных газопроводов. Сущность: размещают устройства регистрации в природной среде на нескольких горизонтах. Регистрируют сигналы гидрофизических полей с последующим хемилюминесцентным, хроматографическим, ионоселективным, спектральным и радиометрическим анализом проб воды, грунта и воздуха. Дополнительно измеряют временные вариации горизонтальных и вертикальных компонент вектора гидрофизического и геофизического полей в контролируемом регионе в разнесенных пунктах. Регистрируют сигналы акустического импеданса донных слоев. Выполняют детектирования молекулярных спиновых взаимодействий протонов морской воды. При последующем анализе дополнительно определяют содержание синтетических поверхностно-активных веществ в водной среде путем атомно-абсорбционной спектрофотометрии, концентрации хлорофилла, микроорганизмов, фитопланктона, зоопланктона. Также предложено устройство для реализации способа. Технический результат: расширение функциональных возможностей экологического контроля и повышение его достоверности. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к экологии и может быть использовано при проведении мониторинга морских и прибрежных участков магистральных газопроводов.

Известен способ оценки качества вод и санитарного состояния водоемов, включающий отбор проб, определение в них численности гидробионтов и оценку по полученным показателям, в котором определяют численность инфузорий и коловраток, и при соотношении полученных величин, равном 0-0,15; 1,5-2,0; 2,0 и более, исследуемую воду или зону водоема оценивают как токсичную, олиготорофную и евтрофную [1]. Существенным недостатком данного способа является отсутствие достоверной регистрации ряда важных с точки зрения экологической обстановки параметров, в частности радиоактивности, содержания органических веществ, тяжелых металлов, кислотности, отравляющих веществ, а также невозможность количественного и качественного анализа и классификации загрязнений водной среды.

Известен также способ определения загрязненности донных отложений, предусматривающий экстрагирование исследуемого и чистого донных отложений водой, введение в экстракты пробы тест-организмов, регистрацию физиологического параметра тест-организмов, сравнение опытных и контрольных данных и суждение о чистоте или загрязненности исследуемого донного отложения по полученным данным, в котором для повышения точности и экспрессности определения экстракцию донных отложений проводят в течение не менее 50 мин при объемном соотношении отложений и воды не менее 1:8, в качестве тест-организмов используют клетки элодеи с временно неподвижной цитоплазмой, в качестве физиологического параметра после введения тест-организмов в пробы регистрируют момент восстановления движения цитоплазмы, при сравнении опытного и контрольного параметров устанавливают их соотношение, при значении этого соотношения, меньшем или равном 1, исследуемые донные отложения относят к чистым, при значении его большем 1, но меньшем или равном 3, донные отложения относят к слабо загрязненным, при значении отношения, большем 3, но меньшем 5, – к умеренно загрязненным, а при значении соотношения, равном или большем 5, – к сильно загрязненным [2].

Существенным недостатком данного способа является влияние на правильность анализа (идентификации) артефактов, так как при извлечении загрязняющих веществ из почвы (грунта) возможны следующие артефакты:

– внесение посторонних примесей растворителем-экстрагентом;

– неравномерное извлечение загрязнений различной природы;

– разложение целевых компонентов при термодесорбционном извлечении.

Наиболее характерными артефактами при экстракционном извлечении токсичных веществ из грунта (экстрагенты – вода или органические растворители) являются внесение в пробу примесей из растворителей или неравномерное извлечение из грунта соединений различных классов. В случае, когда эта “неравномерность” достигает 50-60% и более, искажаются не только результаты количественного определения загрязнений, но также и плохо экстрагирующие примеси могут “потеряться” на фоне существенно больших концентраций других компонентов, что приведет к существенному искажению идентификации загрязняющих почву веществ.

Применение данного способа также не обеспечивает достоверной регистрации полного спектра параметров, а также невозможен количественный и качественный анализ, в частности, при оценке и прогнозе динамики вредных воздействий на безопасность эксплуатации магистральных трубопроводов.

Известны также комплексы и устройства, обеспечивающие дискретный (периодический) отбор проб воды, например, с помощью батометров для последующего детального анализа воды [3, 4]. К недостаткам этих устройств следует отнести невозможность оперативного и непрерывного анализа в реальном масштабе времени, т.е. в режиме “on-line”.

Известны также устройства для экологического контроля загрязнений водной среды [5], посредством которых реализован способ, основанный на размещении в исследуемой среде датчиков, чувствительных к различным видам гидрофизических полей: солености, температуры, электропроводности, скорости звука в воде, освещенности, прозрачности водной среды и содержания в ней планктона. При этом датчики гидрофизических полей размещаются на кабель-тросе, по которому информация в двоично-десятичном коде передается на бортовой магнитный регистратор. Недостатки такие, как и у известных способов [1, 2].

Устранение выявленных недостатков позволяет обеспечить устройство для экологического контроля загрязнений водной среды [6], которое обеспечивает повышение достоверности контроля загрязнений, достигаемой за счет расширения функциональных возможностей в виде классификации загрязнений по их основным экологическим группам. Устройство содержит водозаборную линию с размещенными на ней датчиками различных гидрофизических полей, подключенную к водозаборным входам устройств хемилюминесцентного, хроматографического, ионоселективного, спектрального и радиометрического анализа, также подсоединенную своими электрическими выходами к спектрометру ионизирующих излучений и совокупности логических схем, позволяющих осуществить специальную группировку и обработку информации с последующей передачей ее на устройство документирования. При этом обработка информации и предварительный анализ осуществляются в реальном масштабе времени с помощью датчиков гидрофизических полей, размещенных на буксируемой линии, с одновременной подачей анализируемой воды к бортовой части системы с одного или нескольких горизонтов линии, а решение об отнесении зарегистрированной аномалии к той или иной группе загрязнений осуществляется специальной группировкой и обработкой сигналов с датчиков. Классификация загрязнений обеспечивается группировкой сигналов с датчиков с учетом их чувствительности к различным видам гидрофизических полей, связанных определенными зависимостями с группами загрязнений. В частности, объединяются сигналы с датчиков электропроводности и рН, на которые влияют изменения солевого, кислотного, щелочного состава воды.

Недостатком данного известного технического решения является необходимость размещения системы экологического контроля на исследовательском судне, что позволяет использовать его только при благоприятных погодных условиях. В противном случае регистрация гидрофизических полей будет отягощаться существенными погрешностями, обусловленными влиянием внешних условий. Кроме того, при существенной протяженности магистральных трубопроводов данное техническое решение не отвечает требованиям получения непрерывной, объективной и оперативной информации.

Одним из требований, предъявляемых к системам экологического мониторинга морских участков магистральных трубопроводов, особенно в аномальных зонах, является требование по обеспечению регулярных наблюдений, анализа, оценки и прогноза состояния компонентов природной среды в зоне воздействия на нее элементов магистрального трубопровода.

Известные способы и устройства по своим функциональным возможностям не решают данную задачу, так как в основу их функционирования заложен принцип контроля химического состава водной среды или грунта без связи с взаимодействием внешних условий и эксплуатационных характеристик объекта исследований, например магистрального трубопровода.

Кроме того, известные способы основаны на термоклинном анализе, где параметрами состояния морской воды являются давление, плотность, температура и соленость, что не позволяет с высокой степенью достоверности получить итоговые результаты, по которым судят о степени загрязненности, так как воды Мирового океана являются сложной гетерогенной системой. В ходе последующего анализа с использованием специальных алгоритмов классификации и группирования параметров загрязнения необходимо использовать набор спектральных анализаторов, работающих на разных физических принципах, а для идентификации загрязнений использовать эмпирические зависимости, что при сложном взаимосвязанном взаимодействии физических и химических характеристик природной среды в сочетании с воздействием на природную среду самого объекта исследования требует выполнения многочисленных вычислительных операций, что может приводить к появлению артефактов, снижающих степень достоверности идентификации, а также существенно увеличивает трудоемкость проводимых исследований.

Задачей предлагаемого технического решения является расширение функциональных возможностей способа экологического контроля загрязнений с повышением достоверности контроля за счет обеспечения регистрации и последующей комплексной обработки всего спектра сигналов, генерируемых компонентами природной среды при воздействии на них динамических характеристик объекта исследования.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе экологического контроля загрязнений водной среды, донных отложений и атмосферы вдоль трассы магистральных трубопроводов, уложенных на дне водоемов, заключающемся в размещении устройств регистрации в природной среде на нескольких горизонтах, регистрации сигналов гидрофизических полей, с последующим хемилюминесцентным, хроматографическим, ионоселективным, спектральным и радиометрическим анализом пробоотборов воды, грунта и воздуха путем специальной группировки и обработки информации с последующей передачей на устройства документирования, дополнительно измеряют временные вариации горизонтальных и вертикальных компонент вектора гидрофизического и геофизического полей в контролируемом регионе в разнесенных пунктах, выделяя вариацию, обусловленную вектором состояния исследуемого объекта, как искусственную акустическую аномалию в водной среде с регистрацией сигналов акустического импеданса донных слоев, выполняют детектирования молекулярных спиновых взаимодействий протонов морской воды, выявляют артефакты, обусловленные магнитогидродинамическим, биоэлектрическим и концентрационным эффектами, при последующем анализе дополнительно определяют содержание синтетических поверхностно-активных веществ в водной среде путем атомно-абсорбционной спектрофотометрии, концентрации хлорофилла, микроорганизмов, фитопланктона, зоопланктона, а устройство для экологического контроля загрязнений, содержащее водозаборную линию с размещенными на ней датчиками гидрофизических полей, подключенную к водозаборным входам устройств хемилюминесцентного, хроматографического, ионоселективного, спектрального, радиометрического, а также подсоединенную своими электрическими выходами к спектрометру ионизирующих излучений и совокупности логических схем, дополнительно подключено своими электрическими выходами к атомно-абсорбционному спектрофотометру, рентгено-флуоресцентному анализатору, на водозаборной линии, размещенной на носителе, дополнительно установлены фильтровальная установка с мембранными фильтрами для концентрирования хлорофилла, фильтровальная установка с воронкой Зейтца для отбора проб микроорганизмов, камера Ножотта для подсчета количества фитопланктона, камера Богрова для подсчета количества зоопланктона, центрифуга для определения содержания хлорофилла, геофон, гидрофон, датчик спектрометра протонного спинового эха и электроды, подключенные своими информационными выходами через совокупность соответствующих логических схем к входам блоков анализа хлорофилла, микроорганизмов, фитопланктона, зоопланктона, гидроакустических сигналов, спин-релаксационных параметров, артефактов соответственно, а носители устройств регистрации, размещенные на водной поверхности, снабжены воздухозаборным устройством, подключенным к воздухозаборным входам соответствующих блоков анализа загрязнений.

Сущность изобретения заключается в непрерывном анализе информации в реальном масштабе времени по измеренным параметрам не только водной среды, но и по измеренным параметрам всего спектра окружающей среды: атмосфера, грунт, биосфера в сочетании с измеренными параметрами объекта исследования. При этом при идентификации водной среды определяются спин-релаксационные параметры, с исключением артефактов, обусловленных магнитогидродинамическим, биоэлектрическим и концентрационным эффектами. В отличие от известных технических решений, предлагаемое техническое решение позволяет контролировать не только такие параметры, как электропроводность, температура, водородный показатель, радиоактивность, REDOX-потенциал, содержание кислорода, ионов тяжелых металлов, но и такие параметры, как физиологические (микроорганизмы, фитопланктон, зоопланктон), содержание поверхностно-активных веществ и газообразных веществ, в сочетании с динамическими параметрами исследуемого объекта, что существенно расширяет функциональные возможности способа, а последующая комплексная обработка избыточного спектра измеренных параметров позволяет повысить достоверность получения конечных результатов.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

Устройства регистрации размещаются в природной среде, а именно в атмосфере, воде и на грунте. В качестве носителей устройств регистрации используются суда, буи, установленные посредством якорей, автономные донные станции, дрейфующие автономные станции на разных горизонтах.

Устройства регистрации при использовании судов и буев размещаются на водозаборной линии и представляют собой датчики температуры, радиоактивности, электропроводности, солености, водородного показателя, содержания кислорода, ионов тяжелых металлов, физиологических параметров, датчики содержания поверхностно-активных и газообразных веществ, датчики гидроакустических сигналов. Посредством этих датчиков регистрируются сигналы в поверхностном водном слое и на границе атмосфера-вода.

На дрейфующих и донных станциях устанавливаются устройства регистрации, представляющие собой датчики температуры, солености, водородного показателя, содержания кислорода, ионов тяжелых металлов, содержания активных и газообразных веществ, датчики гидроакустических сигналов.

Дрейфующие станции размещаются на поверхности и в водном слое на глубинах 170-180 м, 500-600 м, 1000-1100 м от поверхности, что вызвано необходимостью регистрации естественного электрического поля по вертикали, которое характеризуется ярко выраженными скачками на данных глубинах, а донные станции соответственно на грунте.

Такое размещение станций с регистрирующей аппаратурой позволяет при анализе загрязнений уменьшить количество артефактов, приводящих к искажению результатов определения степени загрязнений и обусловленных магнитогидродинамическим эффектом, зависящим от изменения по вертикали структуры поля течений, биоэлектрическим эффектом на глубинах 15-20 м, а также концентрационным эффектом. Неучет этих факторов может отрицательно сказаться на последующей процедуре идентификации загрязнений.

Все станции снабжены гидроакустическими каналами связи, а дрейфующие станции на поверхности водной среды дополнительно снабжены и спутниковым каналом связи.

Реализация заявляемого способа поясняется чертежами.

Фиг.1. Размещение устройств регистрации в природной среде.

Носители устройств регистрации представляют собой судно 1, дрейфующие буи 2, размещенные на разных горизонтах, установленные посредством якорей 3, и донные станции 4. Носители устройств регистрации снабжены водозаборной линией с размещенными на ней датчиками температуры 5, 6, радиоактивности 7, электропроводности 8, рН 9, REDOX-потенциала 10, кислорода 11, содержат блок ионоселективных электродов 12, гидрофон 13, геофон 14, датчики ионов тяжелых металлов 15, датчики содержания активных и газообразных веществ 16, блок датчиков физиологических параметров 17, датчик спектрометра протонного спинового эха 18, электроды 19, мареограф 20, гидроакустическую антенну 21, спутниковую навигационную антенну 22, датчик атмосферного давления 23.

Мареограф 20 установлен на донных станциях 4, а спутниковая навигационная антенна 22 и датчик атмосферного давления 23 – на дрейфующих буях на водной поверхности.

В верхней части дрейфующего буя 2 располагаются: спутниковая навигационная антенна 22 для связи со спутниковой навигационной системой, измеряющей географические координаты, поверхностное волнение и вектор скорости, а также для передачи измеренных параметров на наземные диспетчерские станции через навигационные спутники системы ГЛОНАСС или GPS.

Верхняя часть корпуса дрейфующего буя 2 изготовлена из твердого пенопласта, что снижает массу верхней части дрейфующего буя 2. В центре верхнего основания дрейфующего буя 2 герметично установлена трубка, проходящая через пенопластовый корпус. В верхней части трубки, на специальной траверсе установлен датчик температуры воздуха 5, а в нижней части установлен датчик температуры воды 6.

Внутри корпуса расположено приборное шасси, на котором установлены платы с размещенными на них соответствующими спектрометрами, средствами обработки и документирования полученной посредством датчиков информации.

Архитектурная форма дрейфующего буя 2 определена исходя из требований, функционального назначения, заключающегося в возможности более точного определения параметров волнения, в частности высоты и периода волн, а также исходя из требования, заключающегося в надежной передаче по спутниковому радиоканалу измеренной информации при наличии качки.

В качестве датчика атмосферного давления 23 использован серийный датчик РТВ-10, который соединен с атмосферой тонкой эластичной трубкой, выходящей на траверсу.

В качестве датчика температуры 6 использован датчик ТСП-002-03, который может быть использован также для измерения температуры воды.

Фиг.2. Функциональная схема устройства.

Устройство содержит водозаборную линию с размещенными на ней датчиками температуры 5, 6, радиоактивности 7, электропроводности 8, рН 9, REDOX-потенциала 10, кислорода 11, блок ионоселективных электродов 12, гидрофон 13, геофон 14, датчики ионов тяжелых металлов 15, датчики содержания активных и газообразных веществ 16, блок датчиков физиологических параметров 17, датчик спектрометра протонного спинового эха 18, электроды 19, мареограф 20, гидроакустическую антенну 21, спутниковую навигационную антенну 22, датчик атмосферного давления 23, водозаборное устройство 24, соединенное с водозаборными входами устройств хемилюминесцентного 25, хроматографического 26, ионоселективного 27, спектрального 28, радиометрического 29 анализа, атомно-абсорбционный спектрофотометр 31, блок анализа хлорофилла 32, блок анализа микроорганизмов 33, блок анализа фитопланктона 34, блок анализа зоопланктона 35, блок обработки гидроакустических сигналов 36, блок обработки спин-релаксационных параметров 37, блок спектрометра ионизирующих излучений 38, устройство документирования 39, блок обмена информацией (контроллер) 40, блок логических схем 41, воздухозаборное устройство 42.

В качестве примера реализации датчиков 7, 8, 9, 10, 11, 12, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 37, 38, 39, 40, 41 можно использовать соответствующие блоки устройства-прототипа.

Аналогом датчика спектрометра протонного спинового эха 18 является зонд протонного спинового эха (Зверев С.Б. Новый метод исследования динамики вод океана. Владивосток. Труды Тихоокеанского океанологического института ДВО РАН, т.3, 1990, с.160-172), что позволяет исследовать физико-химические свойства морской воды на молекулярном уровне. При этом выполняется оценка функциональных зависимостей вязкости, плотности, сжимаемости, теплоемкости, электропроводности и растворяемости газов от внешних факторов (температуры, солености, гидроакустического давления), а также определяются данные о количестве парамагнитных соединений в морской воде, о характере взаимодействия растворенных в морской воде веществ с молекулами воды, что обеспечивает выполнение оценки влияния антропогенного фактора при эксплуатации магистральных трубопроводов в аномальных зонах, например в районах захоронения химического оружия, а также выявить зоны с аномальными значениями релаксационных параметров, связанных с глубинными гидротермами, разломами, вулканизмом, сбросами промышленных отходов, газовыделений химического происхождения по совокупности параметров спиновой релаксации, таких как скорость спин-решеточного взаимодействия, которая характеризует процесс установления термодинамического равновесия между спиновой подсистемой и решеткой, скорость спин-спиновой релаксации, которая характеризует сохранение спиновой памяти об условиях, в которых создавалась намагниченность, скорость спин-решеточной релаксации во вращающейся системе координат, которая характеризует процесс установления равновесий намагниченности вдоль высокочастотного поля.

Водозаборная линия включает также средства отбора проб воды, донных организмов и грунта и зоопланктона. Для отбора проб воды могут быть использованы, как в прототипе, водозаборные шланги или батометры, например типа ПЭ 1420, представляющий собой батометр с телескопическим устройством из образующих корпус секций. В сложенном состоянии он опускается на заданную глубину, обеспечивая свободное прохождение жидкости через пробоотборник. После этого по тросу направляется посыльный груз, выдвигающий секции. Образующаяся полость заполняется жидкостью. Затем вода сливается в емкость через отверстие дна, открывающееся при надавливании. Для извлечения донных организмов и грунта могут быть использованы портативные грейферы с телескопическим устройством и планктонные сети. Отобранные пробы подвергаются разделению и концентрированию посредством автоклавного модуля типа МКП-04.

Далее пробы подвергаются индентификации посредством хромато-масс-спектрометрии с Фурье-преобразованием сигнала и спектроскопии ядерного магнитного резонанса (см., например: Другов Ю.С., Зенкевич И.Г., Родин А.А. Газохромотографическая индентификация загрязнений воздуха, воды, почвы и биосред. М., Бином. Лаборатория знаний, 2005, с.708-710) посредством устройств 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34.

Одновременно с отбором проб выполняется регистрация естественного электрического поля посредством электродов 19 с целью исключения артефактов, обусловленных магнитогидродинамическим, биоэлектрическим и концентрационным эффектами при последующей индентификации загрязнений, а также регистрация сигналов по определению таких параметров, как температура воды и воздуха (датчики 5 и 6 соответственно), атмосферное давление (датчик 23), электропроводность (датчик 8), рН (датчик 9), REDOX-потенциала (датчик 10), кислорода (датчик 11), концентрация соли, кислоты, щелочи (датчик 12), скорость подводных течений (датчик 13), акустические поля (датчик 14), уровень прилива (датчик 20).

Блок датчиков физиологических параметров 17 представляет собой набор датчиков, включающих фильтровальную установку с мембранными фильтрами для концентрирования хлорофилла, фильтровальную установку с воронкой Зейтца для отбора проб микроорганизмов, камеру Ножотта для подсчета количества фитопланктона, камеру Богрова для подсчета количества зоопланктона, центрифугу для определения содержания хлорофилла.

Ввиду того что биомасса располагается на глубине не более 20 м от поверхности, то для контроля уровня моря введен мареограф 20. Контроль уровня моря также необходим при наличии нагонных волн, что характерно для условий Балтийского моря.

Информационные связи между носителями устройств регистрации 1, 2, 3, 4 осуществляются по гидроакустическому каналу посредством гидрофона 14 и гидроакустической антенны 21, представляющей собой вертикальную излучающую антенну, согласованную с первой модой волновода, что позволяет по сравнению с ненаправленным излучателем подавить реверберацию более чем на 20 дБ.

Конструкция гидроакустического модуля, включающего гидроакустическую антенну 21, гидрофон 14, представляет собой универсальный приемоизлучающий модуль, в котором приемное и излучающее устройства совмещены, что позволяет использовать антенну 21 для генерации связных, а не только зондирующих сигналов.

При использовании зондирующих сигналов с учетом того, что магистральные трубопроводы залегают на относительно небольших глубинах, принцип работы заключается в том, что посредством гидроакустической антенны 21 вертикального типа возбуждаются маломодовые импульсы подсветки, соответствующие слабозатухающим низкономерным модам мелководного моря.

Приемное устройство (гидрофон 14) регистрирует возникающие из-за дифракции импульсные сигналы других мод, разнесенных с излучаемыми модами по модовому спектру, при этом излученная мода не принимается, так как используется метод модовой тени. Полезные дифрагированные на акустические объекты, например трубопровод, модовые импульсы выделяются на фоне аддитивных шумов и реверберации с помощью методов согласованной со средой пространственной, частотной и временной фильтрации. Реализация этого принципа позволяет учесть особенности распространения акустических сигналов в мелком море, уменьшить их затухание и снизить уровень реверберации за счет минимизации взаимодействия акустического поля с неровным дном и с взволнованной или покрытой льдом поверхностью, а также обеспечить более однородную засветку акустического волновода по глубине.

При этом также измеряют временные вариации горизонтальных и вертикальных компонент вектора гидрофизического и геофизического полей, выделяют вариацию, обусловленную вектором состояния исследуемого объекта как искусственную акустическую аномалию в водной среде с регистрацией сигналов акустического импеданса донных слоев.

Носители устройств регистрации 1, 2 также снабжены спутниковой навигационной антенной 22, что обеспечивает информационную связь с береговыми диспетчерскими станциями по спутниковому каналу, а также позволяет определить такие параметры, как географические координаты носителей устройств регистрации 1, 2, высоту и вектор скорости поверхностных волн посредством непрерывного отслеживания горизонтального и вертикального перемещений носителя устройств регистрации 2. В качестве примера реализации организации информационных каналов и определения поименованных параметров можно привести патент РФ №2254600 (Бюл. №17 от 20.06.2005 г.).

Идентификацию загрязнений выполняют хемилюминесцентным, хроматографическим, ионоселективным, спектральным, радиометрическим, атомно-абсорбционным, рентгено-флуоресцентным, спино-релаксационным анализами.

Ввиду того что морская вода в сочетании с ингибиторами представляет собой смесь, то даже при использовании эффективных способов пробоподготовки для выделения необходимых соединений приходится анализировать смесь. Поэтому наиболее эффективны в данном случае гибридные методы анализа, основанные на предварительном разделении компонентов смесей токсичных химических соединений методами газовой, высокоэффективной жидкостной хроматографии, ионной или тонкослойной хроматографии с последующим определением (идентификацией) разделенных соединений с помощью масс-спектрометрии, инфракрасной спектрометрии, спектрометрии ядерно-магнитного резонанса или их комбинацией, например, с элементспецифическим атомно-эмиссионным детектором.

Особенно много информации несут в себе спектры резонанса на ядрах водорода (протонах) органических соединений. Из всех ядер водород оказывается самым удобным для наблюдения ядерного магнитного резонанса благодаря большой величине его магнитного момента. В ряде органических молекул ядра водорода прочно связаны с жестким скелетом углеродных атомов. Однако у многих молекул скелет не является жестким, и ядра водорода (например, атомов водорода) присоединены непрочно, так что в растворе может происходить обратимый протонный обмен. Этот эффект отражается на протонном спектре. Иными словами, в многоатомных молекулах ядра одинаковых, например, атомов водорода, занимающих химически не эквивалентные положения, различаются частотами спектров ядерного магнитного резонанса.

Исследуя методом ядерного магнитного резонанса протонный обмен, можно получить информацию о структуре молекул – из групп каких атомов она состоит и как они расположены по отношению друг к другу, а также можно определить количество водорода в молекуле соединения и количество дейтерия – “тяжелого водорода”, одного из двух стабильных изотопов этого элемента.

Еще большие возможности у комбинированного метода, сочетающего хроматографическое разделение с исследованием элюата методом ядерного магнитного резонанса. Предварительное разделение компонентов на хроматографической колонке позволяет получить с помощью ядерного магнитного резонанса информацию о структуре целевых компонентов, например, при определении загрязняющих веществ в воде или при исследовании токсичных загрязнений в грунте.

При сочетании методов выскоэффективной жидкостной хроматографии и ядерного магнитного резонанса при оснащении хроматографического блока детекторами (рефрактометром, кондуктометром) обеспечивается возможность проведения тонких структурных исследований, что повышает надежность идентификации компонентов сложных смесей реальных загрязнений окружающей среды. Особенно, когда необходимо точно идентифицировать компоненты очень сложных смесей неизвестного состава при определении степени опасности при эксплуатации газового трубопровода в зонах захоронения старых боеприпасов, взрывчатых и отравляющих веществ, в частности Северо-Европейского газопровода на акватории Балтийского моря.

Ввиду того что чаще всего это отравляющие вещества типа зарина, зомана и родственных им фосфорорганических веществ, то для газохроматографической идентификации и определения на уровне ppb люизита необходимо получить стабильные производные этих веществ путем детектирования их в системе газовая хроматография/масс-спектрометрия/инфракрасная спектрометрия с Фурье-преобразованием сигнала/спектроскопия ядерного магнитного резонанса с использованием атомно-эмиссионного детектора.

Ввиду того что достаточно надежную идентификацию загрязняющих веществ в сложных матрицах экологических проб с получением достоверных сведений о составе смесей, содержащих неорганические соединения, в том числе и металлорганические соединения наиболее токсичной формы металлов (соединения олова, свинца, ртути, селена, кадмия и др.), а также о составе смесей, содержащих парафиновые и ароматические углероды, галогенсодержащие углеводороды, альдегиды, спирты, фенолы, серу и азот, можно получить посредством мультидетекторной системы, включающей широкий набор детекторов, то окончательная идентификация осуществляется на диспетчерских станциях, а идентификация посредством устройств регистрации осуществляется в режиме “on-line”.

Диспетчерские станции оснащены мультидетекторными системами, включающими наборы селективных детекторов, интерфейс, накопитель, коллектор фракций, хроматографическую колонку, процессоры и спектрометры, системы пробоотбора, основанные на разных способах (жидкостная экстракция, твердофазная экстракция, продувка с последующим улавливанием примесей на сорбенте, стриппинг).

На диспетчерские станции информация со средств регистрации поступает в режиме запроса. При обнаружении сигналов, характеризующих наличие загрязнений, берутся дополнительные пробы посредством устройства регистрации, размещенном на носителе 1, формируются матрицы (вода, грунт, воздух, биосреды), анализируют матрицы гибридным методом, заключающимся в предварительном разделении компонентов смесей токсичных химических соединений методами газовой хроматографии, высокоэффективной жидкостной хроматографии, ионной или тонкослойной хроматографии с последующим определением (идентификацией) разделенных соединений с помощью масс-спектрометрии, инфракрасной спектрометрии с Фурье-преобразованием сигнала, спектрометрии ядерного магнитного резонанса или их комбинацией с элементспецифическим атомно-эмиссионным детектором с использованием индексов удерживания анализируемых соединений. При этом выполняют следующие операции:

– идентификацию по хроматографическим спектрам;

– групповую идентификацию и установление углеродного остова молекулы;

– измерение относительного отклика универсального и селективного детектора;

– регистрацию осколочных ионов и определение молекулярной массы;

– выявление функциональных групп, характерных структурных элементов;

– определение элементного состава молекул, вычисление брутто-формулы.

Окончательную идентификацию выполняют по совокупности всех данных, полученных с устройств регистрации, путем сравнения со стандартами. При этом обработка входной информации по зарегистрированным сигналам и параметрам включает статистическую обработку результатов измерений, вычислительные процедуры и многофакторный анализ массивов аналитических данных по компонентам природной среды. Обработка включает методики оценки состояния окружающей природной среды в зоне залегания трубопровода. Результатами обработки являются формуляры по экологическому состоянию морских участков трубопровода, по имеющимся загрязнениям, объектам и источникам загрязнений, графическое представление результатов обработки измерительной информации, картографическое представление экологического состояния морской среды.

Реализация заявляемого технического решения осуществляется на базе серийно выпускаемых датчиков и устройств, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа и устройства для его осуществления условию патентоспособности “промышленная применимость”.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №1789920.

2. Авторское свидетельство СССР №1789921.

3. Карпов Ю.А., Савостин А.П. Методы пробоотбора и пробоподготовки. М., Бином, 2003.

4. Батометры SBE 911 plus. М., Институт им. П.П. Ширшова. Оф.сайт: Peresypkin@.ocean.ru. 1997-2001.

5. Руководство по гидрологическим работам в океанах и морях. Л.: Гидрометеоиздат, 1977, с.181.

6. Патент РФ №2030747.

Формула изобретения

1. Способ экологического контроля загрязнений водной среды, донных отложений и атмосферы вдоль трассы магистральных трубопроводов, уложенных на дне водоемов, заключающийся в размещении устройств регистрации в природной среде на нескольких горизонтах, регистрации сигналов гидрофизических полей с последующим хемилюминесцентным, хроматографическим, ионоселективным, спектральным и радиометрическим анализом пробоотборов воды, грунта и воздуха, и обработкой информации с последующей передачей на устройства документирования, отличающийся тем, что дополнительно измеряют временные вариации горизонтальных и вертикальных компонент вектора гидрофизического и геофизического полей в контролируемом регионе в разнесенных пунктах, при этом возбуждают маломодовые импульсы подсветки, соответствующие слабозатухающим низкомерным модам мелководного моря, регистрируют возникающие из-за дифракции импульсные сигналы других мод, разнесенных с излучаемыми модами по модовому спектру, при этом излученная мода не принимается, а модовые импульсы выделяются на фоне аддитивных шумов и реверберации, регистрируют сигналы акустического импеданса донных слоев, выполняют детектирования молекулярных спиновых взаимодействий протонов морской воды, при последующем анализе дополнительно определяют содержание синтетических поверхностно-активных веществ в водной среде путем атомно-абсорбционной спектрофотометрии, концентрации хлорофилла, микроорганизмов, фитопланктона, зоопланктона.

2. Устройство для экологического контроля загрязнений, содержащее водозаборную линию с размещенными на ней датчиками гидрофизических полей, подключенную к водозаборным входам устройств хемилюминесцентного, хроматографического, ионоселективного, спектрального, радиометрического анализа, а также подсоединенную своими выходами к спектрометру ионизирующих излучений и совокупности логических схем, отличающееся тем, что в устройство введены атомно-абсорбционный спектрофотометр и рентгенофлуоресцентный анализатор, на водозаборной линии дополнительно установлены фильтровальная установка с мембранными фильтрами для концентрирования хлорофилла, фильтровальная установка с воронкой Зейтца для отбора проб микроорганизмов, камера Ножотта для подсчета количества фитопланктона, камера Богрова для подсчета количества зоопланктона, центрифуга для определения содержания хлорофилла, геофон, гидрофон, мареограф, датчик спектрометра протонного спинового эха и электроды, подключенные своими информационными выходами через совокупность соответствующих логических схем к входам блоков анализа хлорофилла, микроорганизмов, фитопланктона, зоопланктона, гидроакустических сигналов, спин-релаксационных параметров соответственно, а носители устройств регистрации, размещенные на водной поверхности, снабжены воздухозаборным устройством, подключенным к воздухозаборным входам соответствующих блоков анализа загрязнений.

РИСУНКИ