Промышленная революция, открыв путь к экономическому процветанию, сопровождалась ростом факторов риска: в воздухе рабочих помещений накапливались токсичные вещества, не обнаруживаемые органами чувств. До проявления негативных последствий работники подвергались воздействию факторов, не обнаруживаемых на ранних стадиях. Ситуация изменилась с развитием газоаналитических технологий — впервые появилась возможность объективно измерять концентрацию вредных соединений. В этой статье рассмотрена эволюция методов контроля воздушной среды и их значение для формирования современной системы охраны труда.
Развитие методов определения вредных веществ
До появления измерительной техники контроль воздушной среды на производственных и опасных объектах носил качественный характер. В XVIII–XIX веках безопасность шахтёров во многом зависела от простейшего индикатора — пламени масляной лампы. Высота пламени служила своеобразным «датчиком» состава атмосферы: её уменьшение сигнализировало о снижении концентрации кислорода в воздухе. При этом рабочий зачастую оставался в опасной зоне до появления первых симптомов отравления — иных способов оперативно оценить обстановку не существовало [1]. В начале XX века в горнодобывающей промышленности Великобритании для обнаружения угарного газа стали использовать канареек. Как отмечал физиолог Джон Скотт Холдейн, ускоренный метаболизм птиц делал их особенно чувствительными к этому опасному веществу — реакция пернатых предшественников современных датчиков позволяла вовремя предупредить шахтёров об угрозе [2].
В 1873 году французский инженер Жюль Орса создал аппарат для объёмного анализа дымовых газов. Прибор последовательно пропускал пробу через поглотительные растворы, которые реагировали на компоненты воздушной смеси. Изменение объёма газа после каждой стадии фиксировалось в градуированной бюретке. Аппарат стал стандартом для контроля печей и котлов и заложил основы количественного подхода к промышленной диагностике. Работа Орса описана в трудах по истории аналитической химии и признаётся первым шагом к инструментальному газоанализу [3]. В начале 1900-х годов были запатентованы стеклянные индикаторные трубки для качественного обнаружения угарного газа (CO) в воздухе [4]. В основе изобретения — чувствительный материал «Гуламит», помещённый в прозрачную трубку и меняющий цвет в присутствии CO. Препарат «Гуламит» представляет собой пемзу, пропитанную раствором оксида йода J2O5 и серной кислотой H2SO4. Индикаторные трубки стали обязательным инструментом инженеров по охране труда. Они позволяли быстро оценить обстановку перед допуском в замкнутые объекты (колодцы, цистерны и технологические ёмкости). При этом метод имел ограничения - реагенты зависели от влажности воздуха и давали завышенные показания по причине перекрестных реакций.
Переход к приборному контролю произошёл в середине двадцатого века. Исследования горноспасательных служб привели к созданию термокаталитических сенсоров. В начале 1960-х годов английский учёный Алан Бейкер разработал пеллистор [5, 6], который представлял собой твердотельное устройство, состоящее из платиновой спирали, встроенной в шаровидную керамическую сердцевину. На поверхность капсулы наносился слой катализатора (обычно из благородных металлов, например палладия), который при нагревании способствовал экзотермическому окислению горючего газа. При контакте с газом температура керамической капсулы повышалась, что фиксировалось по увеличению сопротивления платиновой спирали. Со временем конструкция и материалы пеллисторов совершенствовались. Вместо жёсткой керамической сердцевины стали использовать смесь керамики и катализатора в виде суспензии, что увеличило площадь контакта с газом и повысило устойчивость к «отравлению» катализатора. В качестве керамической основы начали применять нанопористый алюмооксид (Al₂O₃) различной модификации, а катализаторные слои формировали из высокодисперсных плёнок Pt-Pd. Принцип термокаталитического детектирования описан в работах Института горного дела им. А. А. Скочинского, в котором с 1950‑х разрабатывались газоанализаторы для шахт [6].
Параллельно началась разработка электрохимических методов анализа, основанных на реакциях на электродах или процессах между электродами, протекающих в электрохимической ячейке [7]. Электрохимическая ячейка – система, состоящая как минимум из двух электродов, погруженных в раствор электролита (исследуемый раствор) [7]. Принцип работы электрохимических сенсоров основан на окислительно-восстановительной реакции целевого вещества на поверхности электрода в присутствии электролита. В работе Сейяма Тетсуро (Tetsuro Seiyama) в 1962 г. описан новый тип детектора газов на основе полупроводниковых тонких плёнок [8]. Авторы предложили использовать изменение электрического сопротивления полупроводниковых материалов при контакте с определёнными газами. Когда молекулы газа адсорбируются на поверхности полупроводника, они изменяют концентрацию носителей заряда, что приводит к изменению проводимости [8]. В качестве чувствительного элемента использовались тонкие плёнки оксидов металлов - оксид цинка (ZnO) и оксид олова (SnO2). В статье продемонстрирована чувствительность к водороду (H2), угарному газу (CO), метану (CH4) и кислороду (O2).
Формирование системы охраны труда
В СССР система промышленной гигиены активно развивалась с 1920‑х годов, но наиболее строгие нормативные требования сформировались в 1960–1980‑е годы.
- Нормативно‑правовую базу развития санитарно‑эпидемиологической службы страны сформировал декрет СНК РСФСР от 15 сентября 1922 года «О санитарных органах Республики» [9].
- 30 августа 1922 года были утверждены «Правила о мерах безопасности в производстве серной, азотной и соляной кислот». Эти нормативы положили начало экспериментальному этапу в гигиеническом нормировании среды обитания человека [9].
- В 1976 г. был введен ГОСТ 12.1.005‑76 «Воздух рабочей зоны. Общие санитарно‑гигиенические требования». Документ регламентировал установил предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны и регламентировал методы контроля [10].
- В 1976 г. был введен ГОСТ 12.1.007-76 «Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности» с разделением вредных веществ по степени опасности (1–4 класс) и требованиям к безопасности на предприятиях [11].
К концу 1980 года система стандартов безопасности труда насчитывала более 230 государственных и около 200 отраслевых стандартов [12]. Большинство из них включало новейшие на тот момент отечественные достижения в области безопасности труда. Безопасность стала неотъемлемой частью производства.
Цифровая трансформация и современные системы мониторинга
Конец двадцатого и начало двадцать первого века принесли радикальные изменения в архитектуру газоаналитических систем. Микроэлектроника, цифровая обработка сигналов и развитие материаловедения превратили отдельные приборы в узлы распределённых сетей. В настоящее время газоанализаторы для определения качественного и количественного состава газовых смесей применяются в промышленном и экологическом мониторинге, медицине и научных исследованиях. Газоанализаторы различаются по принципу действия, конструктивному исполнению и анализируемым компонентам. Классификация газоаналитического оборудования по физико-химическому принципу детектирования позволяет выбрать оптимальное решение для конкретной задачи.
Основные виды сенсоров по принципу действия
1. Электрохимические сенсоры
Газ диффундирует через гидрофобную мембрану к рабочему электроду, где происходит окислительно-восстановительная реакция. Возникающий электрический ток пропорционален концентрации целевого компонента.
2. Термокаталитические сенсоры
Газ окисляется на поверхности нагретой платиновой спирали, покрытой катализатором. Выделяемое тепло изменяет электрическое сопротивление спирали, что фиксируется мостовой схемой.
3. Фотоионизационные детекторы (PID)
Газ подвергается воздействию ультрафиолетового излучения. Молекулы с энергией ионизации ниже энергии фотона ионизируются, возникающий ионный ток регистрируется и пропорционален концентрации .
4. Инфракрасные сенсоры
Молекулы газа избирательно поглощают инфракрасное излучение. Измерение ослабления сигнала в измерительном канале относительно референтного позволяет рассчитать концентрацию газа.
5. Полупроводниковые сенсоры
Адсорбция газа на поверхности оксида металла изменяет концентрацию носителей заряда и, соответственно, электрическое сопротивление полупроводника.
В отдельных случаях применяются хемилюминесцентные и масс‑спектрометрические методы.
Заключение
История газоанализа наглядно демонстрирует связь технологического прогресса с повышением безопасности труда. По мере совершенствования измерительных приборов улучшались условия работы на опасных производственных объектах. Современные газоаналитические системы обеспечивают высокую точность измерений и высокую скорость оповещения при обнаружении предельно-допустимых концентраций газа. Безопасный труд сегодня — это технологически обеспеченный стандарт. Развитие делает производство более надёжным и эффективным.
Список источников
1. Wood, N. On Safety Lamps for Lighting Coal Mines. // Transactions of the North of England Institute of Mining and Mechanical Engineers. 1853. Vol. I. P. 301–322.
2. Sekhar K. The father of oxygen therapy. / Sekhar K., Rao S.C. // John Scott Haldane: The father of oxygen therapy. Indian J Anaesth. 2014. V. 58(3)
2. Губен-Вейль. Методы органической химии. Т. 2 : Методы анализа. // Москва. 1967. 1032 с.
3. Igor E. Preparation of ZnS‑Based Nanocomposites by Thermolysis of Zinc‑Containing Monomers in the Presence of Thiourea, Their Characterizations and LPG Sensing Applications // Journal of Inorganic and Organometallic Polymers and Materials. 2025
4. Yurchenko O. Co3O4-Based Materials as Potential Catalysts for Methane Detection in Catalytic Gas Sensors. / Yurchenko O, Diehle P, Altmann F, Schmitt K, Wöllenstein J. // Sensors (Basel). 2024. V. 24
5. Patent No. US4045177A. Catalytic gas detector / J. R. Smith, M. L. Johnson. // 1977.
6. Эренбург И. И. Исследование и разработка шахтных переносных автоматических метанопределителей на термокаталитическом принципе: Автореферат дис. на соискание ученой степени кандидата технических наук. // Ин-т горного дела им. А. А. Скочинского. Москва. 1970.17 с.
7. Дмитриевич И.Н. Физико-химические методы анализа. / Дмитриевич И.Н., Пругло Г.Ф., Фёдорова О.В., Комиссаренков А.А. // Ч.I. Электрохимические методы анализа: учебное пособие для студентов заочной формы обучения. 2014. 78 с.
8. Seiyama T. A New Detector for Gaseous Components Using Semiconductive Thin Films / Seiyama T., Kato A., Fujiishi K. and Nagatani M. // Analytical Chemistr. 1962. V. 34. P. 1502-1503.
9. Становление и развитие санитарно-эпидемиологической системы государственных специализированных учреждений 1922-1941 годы [Электронный ресурс] // Федеральная служба по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека (Роспотребнадзор) : официальный сайт. — URL: https://www.rospotrebnadzor.ru/region/history/do-vov.php (дата обращения: 01.05.2026).
10. Межгосударственный стандарт ГОСТ 12.1.005-76 «Воздух рабочей зоны. Общие санитарно-гигиенические требования».
11. Межгосударственный стандарт ГОСТ 12.1.007-76 «Система стандартов безопасности труда. Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности».
12. Гуменюк А. Охрана труда в СССР в 1953-1985 гг. (по материалам Нижнего Поволжья) // Известия Саратовского университета. 2015. Т. 15. В. 1. с. 106-114