Ртуть в атмосферных осадках г. Барнаула: сезонная и межгодовая вариабельность концентраций и потоков
|
Содержание
1 Ртуть как глобальный загрязнитель 10
1.1 Химия ртути 10
1.2 Цикл ртути 12
1.2.1 Глобальный ртутный цикл 13
1.2.2 Региональные и местные ртутные циклы 15
1.3 Источники поступления ртути 16
1.3.1 Природные источники 16
1.3.2 Антропогенные источники 17
1.4 Ртуть в атмосфере 23
1.5 Формы ртути в воздухе 24
1.6 Процессы, происходящие в атмосфере 25
1.6.1 Эмиссия 25
1.6.2 Отложение ртути 29
1.6.3 Повторные выбросы ртути в атмосферу 31
1.7 Мониторинг ртути в воздухе 32
1.7.1 Проект Глобальной системы наблюдения за ртутью (GMOS) 33
1.7.2 Азиатско-Тихоокеанская сеть мониторинга ртути (АРММС) 35
2 Методы и приборы определения ртути 36
2.1 Методические основы определения ртути 36
2.1.2 Метод атомно-флуоресцентной спектрометрии 38
2.2 Анализаторы ртути 38
2.2.1 Используемый в работе анализатор ртути Mercur Duo Plus 39
2.3 Техника безопасности 41
2.3.1 Меры предосторожности при работе с электроприборами 43
2.3.2 Правила безопасной эксплуатации баллонов и сосудов, работающих
под давлением 44
2.3.3 Правила работы с кислотами 46
2.3.4 Работа с ртутью и ее соединениями 47
3 Пробоподготовка и определение ртути в атмосферных осадках 51
3.1 Метод ИЗ ЕРА 1631 е 51
3.1.1 Краткое описание метода 52
3.2 Последовательность стадий при определении ртути в воде 53
3.2.2 Приготовление калибровочных стандартов 55
3.2.3 Подготовка проб атмосферных осадков к анализу 56
3.2.4 Приготовление реактивов 56
3.2.5 Загрязнение и помехи 57
3.3 Результаты анализа атмосферных осадков 60
3.3.1 Средние и средневзвешенные концентрации ртути в атмосферных
осадках г. Барнаула 61
3.3.2 Сезонные и годовые потоки влажного осаждения ртути 63
3.3.3 Аутлеты 67
3.4 Контроль качества 68
Заключение 71
Библиографический список 74
1 Ртуть как глобальный загрязнитель 10
1.1 Химия ртути 10
1.2 Цикл ртути 12
1.2.1 Глобальный ртутный цикл 13
1.2.2 Региональные и местные ртутные циклы 15
1.3 Источники поступления ртути 16
1.3.1 Природные источники 16
1.3.2 Антропогенные источники 17
1.4 Ртуть в атмосфере 23
1.5 Формы ртути в воздухе 24
1.6 Процессы, происходящие в атмосфере 25
1.6.1 Эмиссия 25
1.6.2 Отложение ртути 29
1.6.3 Повторные выбросы ртути в атмосферу 31
1.7 Мониторинг ртути в воздухе 32
1.7.1 Проект Глобальной системы наблюдения за ртутью (GMOS) 33
1.7.2 Азиатско-Тихоокеанская сеть мониторинга ртути (АРММС) 35
2 Методы и приборы определения ртути 36
2.1 Методические основы определения ртути 36
2.1.2 Метод атомно-флуоресцентной спектрометрии 38
2.2 Анализаторы ртути 38
2.2.1 Используемый в работе анализатор ртути Mercur Duo Plus 39
2.3 Техника безопасности 41
2.3.1 Меры предосторожности при работе с электроприборами 43
2.3.2 Правила безопасной эксплуатации баллонов и сосудов, работающих
под давлением 44
2.3.3 Правила работы с кислотами 46
2.3.4 Работа с ртутью и ее соединениями 47
3 Пробоподготовка и определение ртути в атмосферных осадках 51
3.1 Метод ИЗ ЕРА 1631 е 51
3.1.1 Краткое описание метода 52
3.2 Последовательность стадий при определении ртути в воде 53
3.2.2 Приготовление калибровочных стандартов 55
3.2.3 Подготовка проб атмосферных осадков к анализу 56
3.2.4 Приготовление реактивов 56
3.2.5 Загрязнение и помехи 57
3.3 Результаты анализа атмосферных осадков 60
3.3.1 Средние и средневзвешенные концентрации ртути в атмосферных
осадках г. Барнаула 61
3.3.2 Сезонные и годовые потоки влажного осаждения ртути 63
3.3.3 Аутлеты 67
3.4 Контроль качества 68
Заключение 71
Библиографический список 74
Соединения ртути являются высокотоксичными для всех живых организмов. После ряда экологических катастроф, таких, как Минаматская и Иранская, было принято решение о подписании двух очень важных конвенций: Минаматской и Стокгольмской, на основании которых разработана международная система контроля содержания органических и неорганических загрязнителе, в частности соединений ртути в окружающей среде [1]. К настоящему моменту Минаматскую конвенцию подписало 128 стран, в том числе и Россия (24 сентября 2014 г.). Документ предусматривает взаимный обмен знаниями и данными о наличии и перемещении ртути и ртутных соединений в окружающей среде, а также географически репрезентативного мониторинга уровней ртути и ртутных соединений в уязвимых группах населения и компонентах окружающей среды, включая биоту (Статья 19, пункт 1 Ь) [2].
Цель работы - оценить уровень содержания ртути в атмосферных осадках и потоков ее осаждения из атмосферы, изучить ее сезонную и межгодовую вариабельность.
Объект исследования - атмосферные осадки г. Барнаула.
Предмет исследования - средневзвешенные концентрации Нд и потоки ее влажного осаждения на подстилающую поверхность.
Задачи выпускной квалификационной работы
1. Определить концентрации ртути в атмосферных осадках в различные периоды года, выявить ее сезонные и межгодовые изменения.
2. Провести сравнение средних и средневзвешенных концентраций ртути, а также потоков ее осаждения с данными других исследований.
3. На основе корреляций концентраций ртути с количеством выпавших осадков выявить существование постоянных источников загрязнения ртути в г. Барнаул.
Работа выполнена в рамках госзадания ИВЭП СО РАН по проекту 0383- 2019-0002 «Климатические и экологические изменения и региональные особенности их проявления на территории Сибири по данным палеоархивов и атмосферных осадков», номер госрегистрации АААА-А17-117041210242
Данная работа была выполнена в ХАЦ ИВЭП СО РАН, г. Барнаул. Для изучения экологического состояния г. Барнаула сотрудниками ИВЭП СО РАН проводятся многолетние натурные наблюдения, включающие исследования различных компонентов водных экосистем, в том числе и атмосферных осадков.
Выражаю благодарность за идею работы и участие в ней сотрудникам ХАЦ ИВЭП СО РАН и членам экспедиционной команды за помощь в получении объектов исследования.
Апробация работы и публикации
Основные результаты работы были представлены:
- на VII региональной молодежной конференции «Мой выбор - наука!» секция «Химия окружающей среды» (Барнаул, 2020 г.),
- на VI региональной молодежной конференции «Мой выбор - наука!», секция «Химия окружающей среды» (Барнаул, 2019 г.),
- на V региональной молодежной конференции «Мой выбор - наука!»), секция «Химия окружающей среды» (Барнаул, 2018 г.),
- на XXIII Международной экологической студенческой конференции «Экология России и сопредельных территорий», секция «Экоаналитика и химический мониторинг окружающей среды» (Новосибирск, 2018 г.).
- на Всероссийской научной конференции «Ртуть и другие тяжелые металлы в окружающей среде» (Череповец,2018 г.),
- на XI Всероссийской научно-практической конференции студентов,
аспирантов и молодых ученых с международным участием «Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности» (Бийск, 2018 г.)
- на XII Всероссийской научно-практической конференции студентов,
аспирантов и молодых ученых с международным участием «Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности» (Бийск, 2019 г.)
- на XIII Всероссийской научно-практической конференции студентов,
аспирантов и молодых ученых с международным участием «Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности» (Бийск, 2020 г.)
Опубликованные статьи
1. Шоль Л.В., Эйрих С.С. Оценка потоков осаждения ртути по ее содержанию в атмосферных осадках (на основе внутригодового мониторинга индивидуальных событий дождя и снега) // Ртуть и другие тяжелые металлы в экосистемах. Современные методы исследования содержания тяжелых металлов в окружающей среде: Тезисы Всероссийской научной конференции и школы-семинара для молодых ученых, аспирантов и студентов, Череповец, 16-18 мая 2018 г.
2. Шоль Л.В. Мониторингсодержания ртути в атмосферных осадках
для оценки межгодовых и сезонных изменений уровня загрязнения атмосферы в черте промышленного центра ( на примере г. Барнаула) // Материалы 13 Международной экологической студенческой конференции "Экология России и сопредельных территорий". Новосибирск, 26 - 28 октября 2018 г.
3. Шоль Л.В., Эйрих С. С., Ильина Е. Г. Уровни содержания ртути в атмосферных осадках в черте крупного промышленного центра (на примере г. Барнаула) // Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности: материалы XI Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием, 23-25 мая 2018 года, г. Бийск.
4. Шоль Л.В., Эйрих С. С., Ильина Е. Г. Содержание ртути и ее сезонная динамика в атмосферных осадках г. Барнаула // Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности Материалы XII Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием. Барнаул. 2019.
5. Шоль Л.В., Эйрих С. С., Ильина Е. Г. Сезонные изменения средневзвешенных концентраций ртути в атмосферных осадках города Барнаула/ / «Труды молодых ученых»: сборник материалов. Барнаул, 2019.
Принята к публикации:
6. Шоль Л.В., Эйрих С. С., Ильина Е. Г., Ртуть в атмосферных осадках г. Барнаула: сезонная и межгодовая вариабельность концентраций и потоков // «Труды молодых ученых»: сборник материалов. Барнаул, 2020.
Цель работы - оценить уровень содержания ртути в атмосферных осадках и потоков ее осаждения из атмосферы, изучить ее сезонную и межгодовую вариабельность.
Объект исследования - атмосферные осадки г. Барнаула.
Предмет исследования - средневзвешенные концентрации Нд и потоки ее влажного осаждения на подстилающую поверхность.
Задачи выпускной квалификационной работы
1. Определить концентрации ртути в атмосферных осадках в различные периоды года, выявить ее сезонные и межгодовые изменения.
2. Провести сравнение средних и средневзвешенных концентраций ртути, а также потоков ее осаждения с данными других исследований.
3. На основе корреляций концентраций ртути с количеством выпавших осадков выявить существование постоянных источников загрязнения ртути в г. Барнаул.
Работа выполнена в рамках госзадания ИВЭП СО РАН по проекту 0383- 2019-0002 «Климатические и экологические изменения и региональные особенности их проявления на территории Сибири по данным палеоархивов и атмосферных осадков», номер госрегистрации АААА-А17-117041210242
Данная работа была выполнена в ХАЦ ИВЭП СО РАН, г. Барнаул. Для изучения экологического состояния г. Барнаула сотрудниками ИВЭП СО РАН проводятся многолетние натурные наблюдения, включающие исследования различных компонентов водных экосистем, в том числе и атмосферных осадков.
Выражаю благодарность за идею работы и участие в ней сотрудникам ХАЦ ИВЭП СО РАН и членам экспедиционной команды за помощь в получении объектов исследования.
Апробация работы и публикации
Основные результаты работы были представлены:
- на VII региональной молодежной конференции «Мой выбор - наука!» секция «Химия окружающей среды» (Барнаул, 2020 г.),
- на VI региональной молодежной конференции «Мой выбор - наука!», секция «Химия окружающей среды» (Барнаул, 2019 г.),
- на V региональной молодежной конференции «Мой выбор - наука!»), секция «Химия окружающей среды» (Барнаул, 2018 г.),
- на XXIII Международной экологической студенческой конференции «Экология России и сопредельных территорий», секция «Экоаналитика и химический мониторинг окружающей среды» (Новосибирск, 2018 г.).
- на Всероссийской научной конференции «Ртуть и другие тяжелые металлы в окружающей среде» (Череповец,2018 г.),
- на XI Всероссийской научно-практической конференции студентов,
аспирантов и молодых ученых с международным участием «Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности» (Бийск, 2018 г.)
- на XII Всероссийской научно-практической конференции студентов,
аспирантов и молодых ученых с международным участием «Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности» (Бийск, 2019 г.)
- на XIII Всероссийской научно-практической конференции студентов,
аспирантов и молодых ученых с международным участием «Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности» (Бийск, 2020 г.)
Опубликованные статьи
1. Шоль Л.В., Эйрих С.С. Оценка потоков осаждения ртути по ее содержанию в атмосферных осадках (на основе внутригодового мониторинга индивидуальных событий дождя и снега) // Ртуть и другие тяжелые металлы в экосистемах. Современные методы исследования содержания тяжелых металлов в окружающей среде: Тезисы Всероссийской научной конференции и школы-семинара для молодых ученых, аспирантов и студентов, Череповец, 16-18 мая 2018 г.
2. Шоль Л.В. Мониторингсодержания ртути в атмосферных осадках
для оценки межгодовых и сезонных изменений уровня загрязнения атмосферы в черте промышленного центра ( на примере г. Барнаула) // Материалы 13 Международной экологической студенческой конференции "Экология России и сопредельных территорий". Новосибирск, 26 - 28 октября 2018 г.
3. Шоль Л.В., Эйрих С. С., Ильина Е. Г. Уровни содержания ртути в атмосферных осадках в черте крупного промышленного центра (на примере г. Барнаула) // Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности: материалы XI Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием, 23-25 мая 2018 года, г. Бийск.
4. Шоль Л.В., Эйрих С. С., Ильина Е. Г. Содержание ртути и ее сезонная динамика в атмосферных осадках г. Барнаула // Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности Материалы XII Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием. Барнаул. 2019.
5. Шоль Л.В., Эйрих С. С., Ильина Е. Г. Сезонные изменения средневзвешенных концентраций ртути в атмосферных осадках города Барнаула/ / «Труды молодых ученых»: сборник материалов. Барнаул, 2019.
Принята к публикации:
6. Шоль Л.В., Эйрих С. С., Ильина Е. Г., Ртуть в атмосферных осадках г. Барнаула: сезонная и межгодовая вариабельность концентраций и потоков // «Труды молодых ученых»: сборник материалов. Барнаул, 2020.
Объектом исследования являлись атмосферные осадки г. Барнаула. Содержание ртути определяли на анализаторе ртути «Mercur Duo Plus», детекция проводилась атомно-флуоресцентным методом, предел обнаружения равен 0,4 нг/л.
Средние концентрации Hg в атмосферных осадках Барнаула (10,6 нг/л) сопоставимы с результатами Азиатско-Тихоокеанской сети мониторинга ртути (11.3±9.6 нг/л).
Анализ средневзвешенных концентраций ртути в атмосферных осадках, отобранных в различные сезоны показал, что наиболее широкий диапазон концентраций наблюдается у осадков в виде снега (3,7 - 14,6) нг/л, наименьший - у дождя (3,9 - 9,5) нг/л.
Суммарные межгодовые средневзвешенные концентрации меняются в диапазоне (от 6,6 до 13,0 нг/л), Наибольшими концентрациями ртути отличались 2016/17 - 2019 гг., минимальными - 2015/16 г. Среднегодовые концентрации и их доверительные интервалы представлены на графике. Но наиболее объективно уровень ртути и динамику межгодовых изменений отражают средневзвешенные концентрации, учитывающие вклад каждого события.
Сравнительный анализ средневзвешенных концентраций Hg атмосферных осадков г. Барнаула с другими регионами мира показал, что средневзвешенные величины для г. Барнаула и для других урбанизированных территорий мира находятся на близком уровне.
Сравнение сезонных (за 5 лет) потоков осаждения различных периодов и их вкладов в общий поток на подстилающую городскую поверхность показало, что поток ртути в теплый период (1,72 - 3,61 мкг/м2) преобладал над холодным (0,22- 2,49 мкг/м2). В переходные же периоды (дождь+снег) потоки существенно меньше (0,05 - 0,28 мкг/м2) и (0,03 - 0,07 мкг/м2).
Суммарные (годовые) потоки ртути складываются из их сезонных потоков. Годовые потоки осаждения менялись в диапазоне (от 2,3 до 5,1 мкг/м2), средняя величина за 5 лет составила 3,8 мкг/м2, что ниже потоков осаждения для урбанизированных территорий мира: Северная Америка - 9,5 мкг/м2, Европа - 6,8 мкг/м2 Китай - 12,6 мкг/м2, удаленные места Китая 2 - 7,2 мкг/м2. Сравнение средневзвешенных годовых концентраций и потоков демонстрирует сходную динамику.
В холодный период существует высокая положительная корреляция (0,87) с количеством выпавших осадков, что свидетельствует о существовании постоянных источников загрязнения в зимний период, прежде всего сжигание угля, являющегося вторым по величине источником поступления Нд в атмосферу. Так же в переходные периоды наблюдается высокая положительная корреляция для переходных периодов 0,98. В теплый период коэффициент корреляции составляет 0,24, что связано с большим многообразием источников поступления ртути в летний период.
Работа выполнена в рамках госзадания ИВЭП СО РАН по проекту 0383- 2019-0002 «Климатические и экологические изменения и региональные особенности их проявления на территории Сибири по данным палеоархивов и атмосферных осадков», номер госрегистрации АААА-А17-117041210242-1.
Таким образом, по проделанной работе можно сделать следующие выводы.
1. Наиболее широкий диапазон концентраций наблюдается у осадков в виде снега, наименьший - у дождя. Сравнение суммарных межгодовых средневзвешенных концентраций: минимальные концентрации ртути обнаружены в 2015/2016 г., максимальные - в 2018/19 г. Годовые потоки осаждения менялись в диапазоне (от 2,3 до 5,1 мкг/м2), средняя величина за 5 лет составила 3,8 мкг/м2.
2. Средние и средневзвешенные концентрации Нд в атмосферных
осадках Барнаула находятся на близком уровне с другими урбанизированными территориями мира. Годовые потоки осаждения ртути ниже, чем в других регионах.
3. В холодный период существует высокая положительная корреляция (0,87) с количеством выпавших осадков, что свидетельствует о существовании постоянных источников загрязнения в зимний период, прежде всего сжигание угля, являющегося вторым по величине источником поступления Нд в атмосферу. В теплый период коэффициент корреляции составляет 0,24 , что связано с большим многообразием источников поступления ртути в летний период
Средние концентрации Hg в атмосферных осадках Барнаула (10,6 нг/л) сопоставимы с результатами Азиатско-Тихоокеанской сети мониторинга ртути (11.3±9.6 нг/л).
Анализ средневзвешенных концентраций ртути в атмосферных осадках, отобранных в различные сезоны показал, что наиболее широкий диапазон концентраций наблюдается у осадков в виде снега (3,7 - 14,6) нг/л, наименьший - у дождя (3,9 - 9,5) нг/л.
Суммарные межгодовые средневзвешенные концентрации меняются в диапазоне (от 6,6 до 13,0 нг/л), Наибольшими концентрациями ртути отличались 2016/17 - 2019 гг., минимальными - 2015/16 г. Среднегодовые концентрации и их доверительные интервалы представлены на графике. Но наиболее объективно уровень ртути и динамику межгодовых изменений отражают средневзвешенные концентрации, учитывающие вклад каждого события.
Сравнительный анализ средневзвешенных концентраций Hg атмосферных осадков г. Барнаула с другими регионами мира показал, что средневзвешенные величины для г. Барнаула и для других урбанизированных территорий мира находятся на близком уровне.
Сравнение сезонных (за 5 лет) потоков осаждения различных периодов и их вкладов в общий поток на подстилающую городскую поверхность показало, что поток ртути в теплый период (1,72 - 3,61 мкг/м2) преобладал над холодным (0,22- 2,49 мкг/м2). В переходные же периоды (дождь+снег) потоки существенно меньше (0,05 - 0,28 мкг/м2) и (0,03 - 0,07 мкг/м2).
Суммарные (годовые) потоки ртути складываются из их сезонных потоков. Годовые потоки осаждения менялись в диапазоне (от 2,3 до 5,1 мкг/м2), средняя величина за 5 лет составила 3,8 мкг/м2, что ниже потоков осаждения для урбанизированных территорий мира: Северная Америка - 9,5 мкг/м2, Европа - 6,8 мкг/м2 Китай - 12,6 мкг/м2, удаленные места Китая 2 - 7,2 мкг/м2. Сравнение средневзвешенных годовых концентраций и потоков демонстрирует сходную динамику.
В холодный период существует высокая положительная корреляция (0,87) с количеством выпавших осадков, что свидетельствует о существовании постоянных источников загрязнения в зимний период, прежде всего сжигание угля, являющегося вторым по величине источником поступления Нд в атмосферу. Так же в переходные периоды наблюдается высокая положительная корреляция для переходных периодов 0,98. В теплый период коэффициент корреляции составляет 0,24, что связано с большим многообразием источников поступления ртути в летний период.
Работа выполнена в рамках госзадания ИВЭП СО РАН по проекту 0383- 2019-0002 «Климатические и экологические изменения и региональные особенности их проявления на территории Сибири по данным палеоархивов и атмосферных осадков», номер госрегистрации АААА-А17-117041210242-1.
Таким образом, по проделанной работе можно сделать следующие выводы.
1. Наиболее широкий диапазон концентраций наблюдается у осадков в виде снега, наименьший - у дождя. Сравнение суммарных межгодовых средневзвешенных концентраций: минимальные концентрации ртути обнаружены в 2015/2016 г., максимальные - в 2018/19 г. Годовые потоки осаждения менялись в диапазоне (от 2,3 до 5,1 мкг/м2), средняя величина за 5 лет составила 3,8 мкг/м2.
2. Средние и средневзвешенные концентрации Нд в атмосферных
осадках Барнаула находятся на близком уровне с другими урбанизированными территориями мира. Годовые потоки осаждения ртути ниже, чем в других регионах.
3. В холодный период существует высокая положительная корреляция (0,87) с количеством выпавших осадков, что свидетельствует о существовании постоянных источников загрязнения в зимний период, прежде всего сжигание угля, являющегося вторым по величине источником поступления Нд в атмосферу. В теплый период коэффициент корреляции составляет 0,24 , что связано с большим многообразием источников поступления ртути в летний период