Мониторинг содержания ультрадисперсных аэрозолей в воздухе горнопромышленного региона

Полный текст

Современные исследования показывают, что в условиях стремительного развития нанотехнологий наноструктурные материалы являются не только основным прорывом в области высоких технологий, но и одной из причин загрязнения окружающей среды [1]. Известно, что природные выбросы аэрозолей, например, в результате вулканической деятельности и лесных пожаров всегда влияли на среду обитания человека. Однако уравновешиваясь общим круговоротом веществ в природе, они не вызывали глубоких экологических изменений. Значительно больший вред окружающей среде наносят промышленные аэрозоли, образующиеся в результате человеческой деятельности. Согласно классификации, выдвинутой автором работы [2], к наночастицам относятся ультрадисперсные аэрозоли, размер которых находится в диапазоне 0,001-0,01 мкм. В настоящее время в России отсутствует стандарт, устанавливающий предельно допустимые концентрации таких наноаэрозолей в воздушной среде. Однако в связи с увеличивающимся вниманием мировой научной общественности к возможным рискам для здоровья, возникающим при воздействии аэрозолей с частицами, размеры которых лежат в нанодиапазоне, в 2012 году был разработан ГОСТ Р 54597-2011, целью его стало предоставление пользователям необходимой исходной информации о наноаэрозолях до того, как будут разработаны и внедрены предельно допускаемые уровни воздействия и эталоны [3]. До настоящего времени в нашей стране отсутствуют современные методические руководства и стандарты, применимые для оценки и снижения рисков для здоровья населения в горнодобывающих и других промышленных регионах. Основная характеристика аэрозолей на данный момент - массовая концентрация частиц, связанная с характерным фракционным составом, соответствующим различным областям осаждения в респираторной системе. Причем, многие токсикологические исследования свидетельствуют, что некоторые ультрамелкие вдыхаемые нерастворимые частицы могут быть более токсичными, чем более крупные аналогичного состава [4-12]. Это дает основание полагать, что воздействие, связанное с вдыханием мелких твердых частиц, образующихся в результате деятельности промышленных предприятий, будет токсичным, в отличие от вдыхания крупных растворимых частиц, например, аэрозолей на берегу моря. Таким образом, доля нерастворимых наночастиц, осажденных при вдыхании в альвеолярной и трахеобронхиальной областях дыхательных путей человека, больше по сравнению с вдыхаемыми частицами большего диаметра [3]. После осаждения наночастицы также могут оставаться в легких дольше, чем более крупные частицы, из-за сложности самоочищения организма от них и более сильного взаимодействия с тканями и органами. Например, результаты исследований легких у мелких грызунов показали уменьшение способности в фагоцитозе (поглощении) и очистке от наночастиц макрофагами по сравнению с тонкодисперсными частицами той же самой массы [13]. Исследованиями показано, что некоторые типы наночастиц (например, диоксида титана, углерода) легче проникают через барьерный слой эпителиальной клетки и входят в интерстициальную ткань легких или кровоток. Попав в кровь, наночастицы могут перемещаться с ней и осаждаться в других органах. Результаты исследований организма человека показали быстрое перемещение наночастиц по большому кругу кровообращения [3]. В последние годы появились методики оценки нового показателя, характеризующего степень воздействия наночастиц на организм человека. (Lung-deposited surface area LDSA). Так, при оценке влияния деятельности международного аэропорта Лос-Анжелеса на качество воздуха, наряду с определением размера и концентрации наночастиц, авторы работы [14] установили закономерности изменения показателя, определяющего площадь осаждения наноаэрозолей в легких (LDSA) по мере удаления от аэропорта. Ввиду важности определения наночастиц в воздухе, в ряде зарубежных стран проводятся мероприятия по мониторингу концентрации ультрадисперсных аэрозолей. Исследования [15], показали связь концентрации нанодисперсных частиц с плотностью размещения ресторанов быстрого питания в городе. Было установлено, что концентрации возле ресторанов были в 1,61 раза выше, чем на контрольном участке без таких источников, и в 1,22 раза выше по сравнению со всеми измерениями, проводимыми между ресторанами. Одной из главных причин образования наноразмерных частиц является деятельность горнопромышленного производства [2]. Было установлено, что частицы, крупностью, находящейся в нанодиапозоне, образуются в составе общей массы пылевых выбросов данного производства [16]. Авторами работ [16; 17] определены основные источники техногенной пыли и наночастиц при освоении земных недр, к которым относятся: стволы шахт и рудников, штольни и другие вентиляционные выработки подземных горных предприятий, карьеры, обогатительные и агломерационные фабрики, сортировочные и погрузочные пункты, породные и рудные отвалы, хвостохранилища, угольные и рудные склады, а также в процессе перевозки больших масс раздробленной горной и рудной массы до мест их складирования, использования или первичной переработки. Ввиду отсутствия достоверных данных о предельно допустимой концентрации наночастиц в атмосфере горнопромышленных регионов и прилегающих зонах урбанизации, основные показатели, характеризующие степень загрязнения воздуха наноаэрозолями, могут быть выявлены путем сопоставимой оценки. Для этого разработана методика содержания ультрадисперсных аэрозолей в районах интенсивной разработки месторождений полезных ископаемых. При выборе объектов исследований было принято во внимание: · наличие горно-перерабатывающего производства, функционирующего в регионе не менее 50 лет. Причем, недра в регионе осваиваются как открытым, так и подземным способами. Объем добычи руд составляет не менее 1 млн т/г. Добываемые руды перерабатываются на обогатительной фабрике, также расположенной в исследуемом регионе; · наличие вблизи производства зоны урбанизации с населением не менее 10 тыс. человек; · за «эталонные» регионы для сравнительной оценки выбраны урбанизированные территории, характеризующиеся отсутствием горнопромышленных предприятий описанного масштаба - г. Москва и г. Долгопрудный Московской области. Методикой предусмотрено для проведения исследований использование оборудования Лаборатории экологически сбалансированного освоения недр ИПКОН РАН [18]: 1. миниатюрный диффузионный классификатор DISCmini, предназначенный для измерения количества и среднего размера наночастиц в воздухе, а также определения площади поверхности, занимаемой осажденными наночастицами в альвеолярной области дыхательных путей (рис. 1). Принцип действия прибора заключается в измерении значения токов в процессе отбора заряженных частиц на двух отдельных этапах: ступени диффузии (iD) и стадии фильтрации (iF). На базе преобразования этих значений определяется размер частиц (который пропорционален отношению iF/iD) и числовая концентрация (которая пропорциональна iF + iD); 2. анемометр цифровой ATT-1033 - для измерения скорости воздушного потока; 3. прибор экологического контроля DT-9881М, которым измеряются температура и влажность окружающей среды и концентрация пылевых частиц в диапазоне 0,3-10 мкм. Последние два прибора использованы для оценки корреляции данных о содержании наночастиц с характеристиками окружающей среды. Согласно разработанной методике, проведение измерений выполнено в пяти условных точках (рис. 2). Точка № 1 расположена на расстоянии 150 м в юго-за- падном направлении от скипового ствола шахты. Согласно исследованиям [16] подземные рудники служат источниками наночастиц, образующихся в ходе таких геотехнологических процессов, как бурение, отбойка, доставка, выпуск и транспортировка руд и пород. Рис. 1. Переносной диффузионный классификатор DISCmini Лаборатории ЭКОН ИПКОН РАН [Fig. 1. Portable diffusion classifier DISCmini Laboratories ECON IPCON RAS] Рис. 2. Карта района проведения измерений [Fig. 2. Map of the measuring area] Оценка образования ультра дисперсных аэрозолей в ходе открытого способа разработки месторождения проведена в точке № 2 в 500 м к западу от внешней границы карьера. Для выявления закономерностей распределения наночастиц по мере удаления от источника, проведены измерения на расстоянии 2 и 2,5 км от борта карьера по направлению к городу (точки № 3 и № 4). Анализ возможного негативного влияния ультрадисперсных частиц на организм человека в прилегающей урбанизированной зоне выполнен путем измерения в центре города, где расположена точка № 5. Для проведения исследований выбран теплый период 2017 года, характеризующийся стабильными условиями окружающей среды: температура 17-26 °С, средняя скорость ветра - не более 4 м/с, относительная влажность - до 80%. Установлено, что наибольшая средняя концентрация наночастицв воздухе составляет 27590,51 см-3 на промплощадке подземного рудника (т. № 1, рис. 2) и территории между ней и карьером (таблица). Наименьшая концентрация установлена на территории промышленного города, которая составляет 15622,35 см-3. Соответственно распределяются показатели LDSA - максимальный в точке № 1, минимальный в точке № 5. Таблица Сравнительная оценка результатов мониторинга содержания ультрадисперсных аэрозолей в воздухе горнодобывающего и Московского регионов Показатель, ед. измерения Исследуемые регионы Зона промышленной урбанизации г. Москва г. Долгопрудный Точки отбора 1 2 3 4 5 Средняя по городу Средняя по городу Средняя концентрация наночастиц, см-3 27590,51 21201,79 24738,44 20439,71 15622,35 11993,13 12465,9 LDSA 62,38 48,991 50,037 49,58 44,801 30,3645 24,8055 Средняя концентрация пылевых частиц d = 0,3 мкм, мкг/м3 83668,68 103182,8 82763,43 294944,1 87494,79 27491,285 17497,45 Comparative evaluation of the results of monitoring the content of ultradisperse aerosols in the air of the mining and the Moscow regions Table Indicator, units of measure Investigated regions Industrial urbanization area Moscow Dolgoprudnyy Sampling points 1 2 3 4 5 Urban average Urban average Average concentrarion of nanoparticles, cm-3 27590,51 21201,79 24738,44 20439,71 15622,35 11993,13 12465,9 LDSA 62,38 48,991 50,037 49,58 44,801 30,3645 24,8055 Average concentrarion of dust particles d = 0,3 m i c r o m e t e r s , microgram/m3 83668,68 103182,8 82763,43 294944,1 87494,79 27491,285 17497,45 По результатам измерений средняя концентрация ультрадисперсных частиц в Москве составила 11 993,13, что в 1,3 раза меньше, чем в городе, расположенном в горнопромышленном регионе и в 2,3 раза меньше, чем на промплощадке рудника. В Московской области средняя концентрация таких частиц в 1,25 раз меньше, чем в промышленном городе, в 2,2 меньше, чем в зоне непосредственного функционирования горного предприятия. Полученные результаты мониторинга позволяют однозначно судить о негативном влиянии горнопромышленных регионов на состояние окружающей среды в части поступления ультрадисперсных аэрозолей в воздух. Вместе с тем, ареал распространения наночастиц носит локальный характер с формированием зон повышенных концентраций непосредственно в зонах ведения горных работ. В настоящее время проводятся аналогичные исследования в других горнопромышленных центрах России - на Южном Урале, Кузбассе. Целью проводимого мониторинга является не просто констатация факта загрязнения окружающей среды. Деятельность лаборатории ЭКОН ИПКОН РАН [18] направлена на разработку инновационных технологий экологически сбалансированного освоения рудных месторождений. В ходе таких исследований создаются геотехнологии, позволяющие вывести человека из зон ведения горных работ, характеризующихся потенциальной промышленной и экологической опасностью. Это достигается роботизацией технологических процессов с одновременным сокращением операционных функций человека в технологических процессах горного производства. При этом повышаются интеллектуальные функции персонала, выполняемые в комфортных и благоприятных условиях.

Об авторах

Дмитрий Николаевич Радченко

Институт проблем комплексного освоения недр им. академика Н.В. Мельникова Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: mining_expert@mail.com

кандидат технических наук, старший научный сотрудник ИПКОН РАН, доцент департамента геологии, горного и нафтегазового дела инженерной академии Российского университета дружбы народов

Крюковский тупик, 4, Москва, Россия, 111020

Луиза Абду-Самадовна Гаджиева

Институт проблем комплексного освоения недр им. академика Н.В. Мельникова Российской академии наук; Российский университет дружбы народов

Email: gadzhilu@gmail.com

студентка департамента геологии, горного и нафтегазового дела инженерной академии Российского университета дружбы народов, лаборант ИПКОН РАН

Крюковский тупик, 4, Москва, Россия, 111020; ул. Орджоникидзе, 3, Москва, Россия, 115419

Вячеслав Витальевич Гавриленко

Институт проблем комплексного освоения недр им. академика Н.В. Мельникова Российской академии наук

Email: sla-77@yandex.ru

научный сотрудник ИПКОН РАН

Крюковский тупик, 4, Москва, Россия, 111020

Список литературы