Экологический мониторинг

Тема: Концентрирование и разделение в анализе объектов окружающей среды

1. Особенности природных сред как объектов анализа. 2. Роль стадий концентрирования и разделения при анализе объектов ОС. 3. Количественные характеристики концентрирования и разделения. 4. Методы разделения и концентрирования: а) Упаривание; б) Перегонка с паром и совместная дистилляция; в) Сублимация; г) Жидкостная экстракция; д) Осаждение и соосаждение; е) Разделение с помощью мембран; ж) Электрофорез, изотахорез; з) Хроматографические методы.

1. Особенности природных сред как объектов анализа

1. Переменчивость качественного и количественного состава

Сложность определения загрязнений в объектах ОС обусловлена прежде всего тем, что благодаря росту числа продуктов промышленного синтеза, применения химикатов в различных областях, развитию энергетики и транспорта в экологическую нишу человечества поступает каждый год нарастающая лавина новых соединений, и среди них немало опасных веществ, чьи токсикологические характеристики часто неизвестны. В анализируемых пробах помимо нормируемых веществ – загрязнителей присутствуют в значительных количествах фоновые вещества, ассортимент которых меняется от объекта к объекту и едва ли может быть предсказан. Сложность анализа природных сред в значительной мере обусловлена отсутствием априорных сведений о качественном и хотя бы ориентировочном количественном составе основных компонентов анализируемых объектов. Согласно данных ВОЗ в настоящее время в промышленности используются до 500 тыс. химических соединений и веществ, из которых более 40 тыс. являются вредными для здоровья человека и около 12 тыс. токсичными. Например, только в России в почву вносятся почти 200 различных пестицидов, для большинства из которых не установлен ПДК в почве.

2. Многофазность, гетерогенность

В сферу эколого-аналитического контроля входят следующие объекты: воды – питьевые, пресные поверхностные, атмосферные осадки (дождь, снег), подземные морские, сточные; воздух – атмосферный, природных заповедников (фон), городов и промышленных зон, рабочей зоны; почвы и донные отложения, отходы (жидкие, газообразные, твердые); пищевые продукты, корма, растительные и животные ткани. В перечень объектов контроля при необходимости могут быть включены и др. объекты, представляющие потенциальную опасность для ОС (полупродукты и готовая продукция химической, нефтехимической, микробиологической и др. отраслей промышленности).

3. Химические, фотохимические и биохимические процессы

При контроле объектов окружающей среды необходимо учитывать возможные химические, фотохимические и биохимические превращения изучаемых веществ. Например, попадая в атмосферу, загрязняющие вещества не только рассеиваются, захватываются дождями, попадают в почву, но и подвергаются химическим превращениям под влиянием света, температуры или реагируют с другими веществами. Под действием: 1) энергии светового излучения возможен разрыв связей в молекулах, что дает начало ценным реакциям, например:

2) окислительные процессы катализируются суспензированием в воздухе частицами. Так, на поверхности аэрозолей протекают реакции

3) вредные вещества выделяются и при гидролизе первичных загрязнителей, например:

4 ) многие ароматические соединения, находящиеся в пленке, в морской воде превращаются в ядовитые вещества, обладающие канцерогенными свойствами. Так под действием некоторых морских растений из ароматических углеводородов нефти образуются конденсированные полициклические соединения ряда бенз(а)пирена, накапливающиеся в морских водорослях и травах.

5 ) многие микробы, живущие в донных отложениях рек и озер, способны химически изменять неорганические или органические соединения металлов, усиливая их миграцию в ОС и вредное воздействие на нее. Так, микроорганизмы превращают ртуть, попавшую в воду с отходами, в метилртуть, а затем в диметилртуть. Это сильнейшие яды, которые в отличие от неорганических соединений ртути более прочно удерживаются тканями животных и человека и очень медленно выводятся из организма. Диметилртуть летуча и после отмирания микробов или др. организмов поступает не только в воду, но и в воздух, получая возможность дальнейших химических превращений и миграций в атмосфере.

Пиометилированию под действием бактерий подвергаются и др. металлы – кадмий, селен, свинец, олово, талий, теллур, золото. В воздухе под действием Уфоблучения металлорганические соединения распадаются на органические и неорганические производные, которые выпадают опять на землю с атмосферными дождями – оловянными, таллиевыми, ртутными и др. (По подсчетам, ежегодно с дождями выпадает 100 тыс. т ртути, т.е. в 15-20 раз больше, чем добывается).

4. Низкие концентрации

Трудность определения загрязнений окружающей среды обусловлена еще и тем, что соединения находятся в очень малых количествах. Интервал нормируемых значений концентраций веществ – загрязнителей – 10^-4 – 10^-7 – 10^-10 мг/дм³ поэтому рациональный путь решения аналитических задач в этих случаях – концентрирования.

5. Многокомпонентность

Объекты окружающей среды, как правило, многокомпонентные: включают неорганические компоненты, органические вещества природного, техногенного происхождения имеют смешанный состав (металлорганические соединения) комплексы металлов с органическими лигандами, белками, ДНК и др. Органические компоненты являются серьезной помехой в ряде методов определения веществ, поэтому аналитические задачи решаются путем применения методов разделения. В сточных водах перечень контролируемых загрязняющих веществ специфичен для каждой отрасли промышленности и насчитывает, как правило 15-50 компонентов, в то время как с учетом взаимодействия и превращений в процессе биологической очистки в СВ одновременно присутствуют сотни химических соединений [31].

6. Многообразие форм существования загрязняющих веществ

Загрязняющие вещества могут присутствовать в природных средах в различных формах, например: ртуть присутствует в природных средах в виде металлической ртути, неорганических и органических соединений. В атмосфере Hg преобладает в основном в первых двух формах. Cd подобно цинку встречается в виде двухвалентного иона Cd²⁺. Молибден, как правило встречается в виде Мо(VI)

SO₂; SO₃; H₂SO₄; MeSO₄.

7. Два типа загрязняющих веществ: первичные и вторичные

Загрязняющие вещества, поступая в ПС, могут непосредственно оказывать на нее вредное воздействие – в этом случае говорят о первичном загрязнении, либо, реагируя с др. веществами, давать новые соединения – вторичные загрязнения, неблагоприятное влияние которых может быть намного значительнее.

Загрязнение вторичное – образование (синтез) опасных загрязнителей в ходе физико-химических процессов, идущих непосредственно в среде. Отдельные реагенты такого взаимодействия м.б. не опасными. Так из нетоксичных составляющих в некоторых местах образуется ядовитый газ – фосген, а фреоны, химически инертные у поверхности Земли, вступают в стратосфере в фотохимические реакции, давая ион хлора, служащий катализатором при разрушении озонового экрана планеты.

(Хлорфторуглероды перемещаются вверх, за озонный слой, там УФ-излучение разрушает эти соединения, высвобождая атомы хлора Cl. Свободные атомы хлора затем вступают в реакцию с озоном:

Cl + O₃ = ClO + O₂

Cl О+ O = Cl + O₂

О + O₃ = 2O₂

8. Распределение веществ между средами

В современных условиях часто приходится сталкиваться не только с локализованными источниками загрязнений, но и с протяженными источниками, при этом природные среды неравномерно загрязнены в масштабах области, региона. В таких случаях оценка воздействия загрязнений на популяции и экосистемы и пробоотбор должен проводится с учетом непрерывного перераспределения загрязняющего вещества в результате трансформации, миграции из одной среды в другую, с учетом особенностей распределения загрязняющего вещества в каждой из сред.

Необходимо учитывать: пути распространения, возможного накопления ингредиента, характер его воздействия с биотической и абиотической составляющими биосферы, соотношения между концентрациями загрязнений различных сред и возможными скоростями поступления этого ингредиента из различных сред в организмы животных и человека.

Т.о. если в какой-либо среде концентрация вредного вещества ниже предельно допустимой, то это означает, что при том же количества вещества в др. среде его концентрация не будет выше ПДК.

Подход, связанный с определением лимитирующей среды. Задача заключается в определении конечного распределения загрязняющих веществ между различными средами и определении критической среды, откуда поступление их в организмы человека, животных и растений сопровождается наибольшим вредным эффектом.