Химические основы экологического контроля и мониторинга при уничтожении химического оружия Растегаев, Олег Юрьевич

Введение к работе

Актуальность проблемы. Обеспечение экологической безопасности является ключевой проблемой при уничтожении химического оружия. Аналоги в мировой практике отсутствуют, поэтому указанная задача выполнялась впервые, а для ее решения требовалось разработать научно обоснованные химические основы экологического контроля и мониторинга при уничтожении химического оружия.

Отличительной особенностью экологического обеспечения объектов по уничтожению химического оружия (УХО) является жесткие нормативные показатели по предельно допустимым уровням содержания ОВ и продуктов их деструкции в объектах окружающей среды, во многих случаях превосходящие возможности стандартных (используемых в Российской и зарубежной экоаналитике) методик определения. Более того, метрологические возможности лучших зарубежных приборов при использовании стандартных методов пробоотбора и пробоподготовки не обеспечивают надежного определения данного класса веществ в природных и техногенных объектах. К числу наиболее важных проблем относится высокая нестабильность данных веществ как в природной среде, так и в процессе пробоподготовки, что определяет необходимость разработки методологии исследования объектов окружающей среды в зонах потенциального воздействия объектов УХО. В данном случае предметом исследования является совокупность методов изучения трансформации и идентификации данных веществ, специальных методик химической модификации, концентрирования, а также использования системы химических дескрипторов (маркеров) для надежного определения этого класса соединений в природных и техногенных объектах.

Одной из ключевых задач данного подхода является обоснование ранжированного по средам и объектам перечня контролируемых соединений, критериев контроля и методической базы, обеспечивающих необходимую полноту информации о состоянии окружающей среды в зоне влияния объектов. Отсюда вытекают многие законодательно необходимые нормативные документы и регламенты (в частности паспорта опасных отходов и реакционных масс, программы и планы-графики аналитического контроля и др.), а также технологические аспекты экологически безопасной переработки реакционных масс и отходов, обеспечивающие соблюдение требуемого уровня безопасности при уничтожении химического оружия. Именно этот комплекс проблем, требующих разработки и апробации оригинальной методологии определяет актуальность диссертационной работы.

Целью работы являлась разработка химических основ экологического контроля и мониторинга при уничтожении химического оружия и их практическая реализация.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Разработка методологии оценки воздействия специфических загрязняющих веществ и соединений на окружающую среду при уничтожении ОВ. Создание системы экологического контроля и мониторинга объектов УХО.

- разработка методологических подходов к организации функционирования системы экологического контроля и мониторинга специфических химических загрязнителей в природных и технических объектах в районах расположения объектов УХО, ее научно обоснованных параметров: ранжированных перечней контролируемых веществ, периодичности контроля, методической и лабораторной базы, критериев и программ аналитического исследования состояния природных и технических объектов;

разработка и формирование унифицированной химико-аналитической базы, позволяющей проводить все виды экологического контроля и мониторинга объектов УХО;

разработка методологии оценки по научно обоснованным показателям химического загрязнения окружающей среды, а также идентификации реакционных масс и специфических отходов, образованных при уничтожении ОВ;

обоснование, разработка программ и исследование источников загрязнения и специальных технических объектов на объектах УХО с использованием разработанных принципов и методических подходов;

обоснование и разработка программ экологического (химико-аналитического) контроля и мониторинга в районе расположения объектов УХО с применением разработанной методологии, проведение оценки химического состояния окружающей среды по общим и комплексным показателям с использованием аналитических расчетных моделей и ГИС-технологий.

2. Разработка системы регламентации и технологий для обеспечения экологической безопасности технологических процессов переработки (детоксикации) опасных отходов и загрязненных специфическими веществами почв и почвогрунтов при уничтожении ОВ.

обеспечение экологической безопасности процесса переработки реакционных масс, образующихся при детоксикации люизита, путем разработки технологических процессов, обеспечивающих снижение концентрации опасных загрязнителей (в частности, соединений мышьяка) до экологически безопасного уровня;

исследование и модификация технологии для обеспечения экологической безопасности процесса переработки реакционных масс, образованных при детоксикации люизита, путем исключения образования токсичных отходов 1 и 2 классов опасности, разработка способов совместной очистки водных растворов от мышьяка и тяжелых металлов для обеспечения качества природных сред;

исследование процессов и разработка методов реагентной детоксикации отходов и почв, загрязненных мышьяком и его соединениями.

Работа выполнялась в соответствии с Федеральной целевой программой «Уничтожение запасов химического оружия в Российской Федерации» (государственные контракты №153/Ф от 14.11.2003г., №87 от 30.04.2004г., №ЦР/05/3013 от 05.04.05г, ЦР/06/2020/УЮ от 18.01.2006г., №ЦР/07/2033АУЮ/К от 17.04 2007г., №ЦР/08/3012/УЮ/К от 18.03 2008г., № 9412.1003200.15.739 от 11.06.2009 г., №10209.1003200.15.003/03 от 18.02.10, №10209.1003200.15.105 от 29.12.10, № ЦР/07/2089/УЮ/К от 04.07.2007 номер госрегистрации У89610), международным проектом ТАСИС «Создание системы экологического мониторинга при уничтожении химического оружия в Саратовской области» Tacis Programme (ENVRUS 9705 - 99-0269.00), Федеральной целевой программой «Отходы», проектом ТАСИС «Поддержка деятельности в области обращения с отходами в России», Комплексной программой по обращению с отходами на территории Саратовской области (Постановление Саратовской областной Думы от 17 ноября 2001 г. №592592).

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. 1. Разработаны химические основы экологического контроля и мониторинга при уничтожении химического оружия, включая научно обоснованные параметры СГЭКиМ объектов УХО - ранжированные по средам и объектам перечни контролируемых соединений, критерии контроля, методическую базу и программы мониторинга, обеспечивающие необходимую полноту информации о состоянии окружающей среды в зоне влияния объектов УХО.

   2. Разработана методология идентификации состава промышленных отходов и контроля технологического процесса уничтожения ОВ по «общим показателям», как процедура установления соответствия между расчетным технологическим валовым содержанием химического элемента и его экспериментально установленным фактическим значением, показаны преимущества разработанной методологии перед ранее применявшимся методом покомпонентного определения отходов.

   3. Изучен химический состав, определены уровни загрязнения, дана оценка химического состояния объектов экологического контроля и мониторинга при уничтожении ОВ.

   4. Для разработки методик экологического назначения исследованы и оптимизированы условия хроматографирования ОВ и их производных с использованием пульсирующего пламенно-фотометрического детектора (ППФД), разработан новый способ термодесорбции микроколичеств ОВ - газо-жидкостная термодесорбция, изучены процессы извлечения метилфосфоновой кислоты (МФК) и ее моноизобутилового эфира из природных объектов, предложены новые способы и органические реагенты для хемосорбции, дериватизации, десорбции и минерализации веществ (разработано 32 методики).

   5. Проведена экологическая паспортизация реакционных масс, полученных при этаноламинной детоксикации иприта, при этом методом хромато-масс-спектрометрии установлено, что в состав гетероциклических продуктов входят: 1,4-дитиан; 2-метил- 1,4-дитиан; 2-(тиоморфолин-4-ил)этанол; два изомерных 2-(2-метилтиоморфолин-4- ил)этанола, 2-(3-метилтио-морфолин-4-ил)этанол и шесть изомерных диметилпроизводных 2-(тиоморфолин-4-ил)этанола и соответствующие гидрохлориды аминов.

   6. Найдена новая реакция восстановления неорганических соединений мышьяка (V) и (III) в щелочной среде до элементного мышьяка диоксидом тиомочевины (ДТМ) и предложен вариант механизма реакции, по которому сульфоксилат-анион-радикал образуется при гомолитическом распаде депротонированной формы ДТМ.

   7. Для обеспечения экологической безопасности процесса переработки продуктов детоксикации люизита разработаны технологические схемы реагентного извлечения мышьяка в виде технически значимых продуктов с использованием новой реакции солей мышьяка с диоксидом тиомочевины.

   Практическая значимость. На примере объектов УХО показана применимость разработанных методических подходов к потенциально экологически опасным объектам в целом. С использованием положений, сформулированных в диссертации, разработаны:

   - пакет нормативных документов по проведению государственного экологического контроля и мониторинга объектов УХО: Национальный стандарт (ГОСТ), «Порядок государственного экологического контроля и мониторинга объекта УХО» (для 6 объектов УХО);

   методики определения ОВ и продуктов их деструкции для целей экологического контроля и мониторинга (32 МВИ), 3 учебных пособия;

   создано 8 экоаналитических лабораторий с использованием разработанной методологии, прошедших государственную аккредитацию;

   экологически эффективная технология переработки продуктов, образующихся при детоксикации люизита, - АНГ, РМ и католит отработанный - в технические продукты;

   способ гидрохимического получения элементного мышьяка из различных мышьяксодержащих продуктов в щелочной среде, обеспечивающий экологическую безопасность процесса путем предотвращения выделения летучих токсичных веществ, минимизации количества отходов и сточных вод;

   технология реагентной детоксикации отходов и почв, загрязненных тяжелыми металлами, для целей экологической реабилитации;

   способы реагентной ступенчатой очистки сточных вод от мышьяка и тяжелых металлов до нормируемых показателей.

   Результаты работы внедрены на следующих предприятиях: Региональные центры СГЭКиМ, объекты УХО в Саратовской, Кировской, Пензенской, Брянской, Курганской областях, Удмуртской Республике, лаборатории органов санитарно- эпидемиологического контроля (г.Саратов, г.Глазов), ОАО «Химпром» (г.Новочебоксарск), ОАО «Завод АИТ», ОАО «СПЗ», Саратовское отделение Приволжской ЖД, ОАО «Энгельсский капрон». Теоретические разработки и практические материалы вошли в четыре программы подготовки специалистов экологических служб учебно-исследовательского центра ФБУ ГосНИИЭНП.

   На защиту выносятся:

   методология экологического обеспечения природоохранной деятельности потенциально экологически опасных предприятий (технологический принцип, критерий информативности, модульный метод);

   методология идентификации состава отходов и оценки химического состояния окружающей среды по «общим показателям»;

   результаты определения состава и свойств объектов экологического контроля и мониторинга объектов УХО, в том числе с использованием разработанных методик;

   новые методики определения ОВ и продуктов их деструкции в объектах окружающей среды с применением физико-химических способов повышения чувствительности и точности определений (пульсирующий пламенно- фотометрический детектор (ППФД), газо-жидкостная термодесорбция, хемосорбенты, способы повышения степени десорбции и химических превращений);

   новая реакция восстановления соединений мышьяка (V) и (III) в щелочных средах формамидинсульфиновой кислотой (диоксидом тиомочевины) до элементного мышьяка;

   технологии переработки продуктов, образующихся при детоксикации люизита, технологии реагентной детоксикации и очистки загрязненных мышьяком и тяжелыми металлами отходов, почв, сточных вод для обеспечения экологической безопасности процессов уничтожения ОВ.

   Достоверность и обоснованность научных положений, методических и практических рекомендаций, обобщений результатов и выводов подтверждаются экспериментальными данными, полученными с применением комплекса современных взаимодополняющих методов исследования: высокоэффективных

   хроматографических методов (капиллярная ГХ с ППФД, ПФД, ЭЗД, ПИД; ВЭЖХ с диодно-матричным УФД и ФЛД; ИХ с ЭД), масс-спектрометрических методов (ГХ- МС, ИСП-МС), оптических методов (ИК-Фурье, ФМ, ПФ), капиллярного электрофореза, рентгенофлуоресцентного метода. При пробоподготовке применялись наряду с традиционными методами, высокоэффективные и производительные методы - микроволновая минерализация и экстракция, термодесорбция, концентрирование с использованием роторного испарителя, центрифугирование, сорбционное и ультрамикрофильтрование. Статистическая обработка результатов, расчеты рассеивания веществ, графическое представление проводились с применением стандартизированного программного обеспечения. Ряд данных проверялась в условиях внутри- и межлабораторного эксперимента.

   Личное участие автора выразилось в теоретическом обосновании методологии, в постановке и решении задач исследования, проведении ряда экспериментов, интерпретации экспериментальных результатов и выработке направлений их практического применения.

   Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях «Научно- технические аспекты обеспечения безопасности при уничтожении, хранении и транспортировке химического оружия» (Москва, Федеральное управление по безопасному хранению и уничтожению химического оружия, 2008, 2010гг.), на Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы региональной экологии в условиях устойчивого развития» (Киров, 2007), Всероссийской научно- практической конференции «Мониторинг природных экосистем в зонах защитных мероприятий объектов по уничтожению химического оружия» (Пенза, 2007), 2-4-й Всероссийских конференциях «Экологические проблемы промышленных городов» (Саратов, 2003, 2007, 2009), Всероссийской конференции «Аналитика России» (Москва, 2004), Всеукраинской конференции «Прикладная физическая химия» (Алушта, 2004), Всероссийской конференции с международным участием «Химическое разоружение-2009. «CHEMDET-2009» (Ижевск, ИПМ УрО РАН, 2009), Х Международной научно-практической конференции «Экология и ресурсо- и энергосберегающие технологии на предприятиях народного хозяйства» (Пенза, 2010) (31 доклад), а также на различных научно-практических семинарах и школах по проблемам уничтожения химического оружия, экологии и аналитической химии.

   Публикации. Основные положения и выводы диссертации изложены в 100 публикациях: 25 - из перечня ВАКа, включая 16 статей и 9 патентов, в 4 монографиях, 1 Национальном стандарте (ГОСТе), 32 утвержденных методиках выполнения измерений (МВИ).

   Объем и структура работы. Работа изложена на 376 страницах машинописного основного текста и на 43 страницах приложения, состоит из введения, 5 разделов, экспериментальной части, основных выводов, содержит 112 таблиц, 22 рисунка и приложение, библиография включает 284 источника.

   Похожие диссертации на Химические основы экологического контроля и мониторинга при уничтожении химического оружия

   Система биологичекого мониторинга вокруг объектов по уничтожению химического оружия : на примере терминала в пос. Горный Саратовской областиПеревозникова Татьяна Викторовна

   

   Система биологического мониторинга вокруг объектов по уничтожению химического оружия : на примере терминала в пос. Горный Саратовской областиПеревозникова Татьяна Викторовна

   

   Многоступенчатая система экологического мониторинга объекта по хранению и уничтожению химического оружияГабричидзе Тамази Георгиевич

   

   Эколого-эпидемиологическая оценка здоровья населения, проживающего в районе хранения и уничтожения химического оружияДорманчева Елена Ивановна

   

   Оценка загрязнения территорий в местах уничтожения химического оружия методом лихеноиндикацииВьюговский Андрей Александрович

   

   Коaмплексы почвенных актиномицетов в зоне действия объекта по уничтожению химического оружия "марадыковский"Товстик Евгения Владимировна

   Совершенствование системы экоаналитического контроля и мониторинга фенола и его производных в водных объектах в зоне влияния химических и нефтехимических предприятийМагасумова, Асия Талхиевна

   

   Создание и внедрение в практику экологического контроля и мониторинга судовых природоохранных комплексов Гуральник Дмитрий Леонтьевич

   

   Совершенствование методологии комплексной оценки загрязнения воздушного бассейна крупного города для обоснования мониторинга и системы контроляСидоренко Игорь Владимирович

   

   Технология регионального контроля природной среды по данным биологического и физико-химического мониторинга Булгаков Николай Гурьевич