Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы и средства измерения качества окружающей среды. Учебное пособие
.pdf
Методы определения загрязняющих веществ в водоемах
В зависимости от природы и уровня содержания компонента при мониторинге вод используют химические, физико-химические, физические и
биологические методы.
При определении содержания таких макрокомпонентов, как CI-,
SO
2-
, Ca++, Mg++, O2, HCO
4
-
используются различные химические титри-
3
метрические методы. Калий и натрий чаще всего определяют методами
фотометрии пламени. Химические методы используют также при определении жесткости воды, БПК, ХПК, перманганатной окисляемости.
С появлением ионселективных электродов в мониторинге вод широко стали использовать потенциометрические методы. Ионометрия используется для определения нитратов, хлоридов, сульфатов, фторидов, калия и
натрия.
Для определения микроэлементов и тяжелых металлов широко используют полярографические, атомно-абсорбционные, экстракционноспектрофотометрические, фотометрические и флуориметрические методы
Летучие загрязняющие вещества и многие органические соединения антропогенного происхождения в природных и сточных водах определяют
методами газовой, газожидкостной хроматографии, полярографии, фотометрии и спектрофотометрии.
Так как перечень загрязняющих веществ в водоемах постоянно пополняется и на живые организмы они воздействуют одновременно, для интегральной оценки эффектов совместного воздействия всех химических
факторов используют биологические методы – биоиндикацию и биотестирование [1].
Примеры расчета количественных показателей, измеренных
инструментально, при мониторинге водных объектов
Задание 1. Для определения хрома (VI) в сточной воде использовали
методику фотоколориметрического определения. Метод основан на фотометрировании комплекса хрома (VI) с дифенилкарбазидом. Молярный коэффициент поглощения продукта реакции хрома (VI) с дифенилкарбазидом равен 4,2 × 104 при длине волны 546 нм. Дифенилкарбазид реагирует с
хромом (VI) в кислой среде (рН=1) с образованием соединения фиолетового цвета.
51
Для определения хрома (VI) в сточной воде в мерных колбах вме-
С, моль/л
0,0001
0,0002
0,0004
0,0006
0,0008
А
0,02
0,041
0,085
0,13
0,167
СNi, мкг/100 мл
20
40
60
80 А 0,092
0,185
0,280
0,375
стимостью 100,00 мл приготовили стандартные растворы хрома, содержащие H2SO4 и дифенилкарбазид, и фотометрировали их относительно раствора сравнения, содержащего все реагенты, кроме Cr(VI). Получили следующие результаты:
В мерную колбу вместимостью 100,00 мл внесли 50 мл сточной воды,
серной кислоты, дифелилкарбазид, добавили воды до метки и измерили оптическую плотность в условиях построения градуировочного графика, получили Ах= 0,01. Рассчитать концентрацию Cr (VI) в сточной воде, мг/л.
Решение
1) по экспериментальным данным строим градуировочный график и по
нему находим концентрацию исследуемого раствора Сх=0,00005 моль/л.
Так как в анализируемую пробу внесли 50 мл сточной воды, то исходная
концентрация Cr(VI) равна:
С
= C · 100/50 = 0,00005 · 2 = 0,0001 моль/л;
Cr
2) вычисляем концентрацию Cr (VI) в сточной воде, мг/л:
Х = ССr · МСr · 1000 = 1·10-4 · 52 · 103 = 5,2 мг/л.
Задание 2. При фотометрическом определении никеля в сточной во-
де с диметилглиоксимом в мерных колбах вместимостью 100,00 мл приготовили стандартные растворы, фотометрировали в кюветах с l = 50 мм и
получили следующие данные:
В мерную колбу вместимостью 100,00 мл внесли 50,00 мл исследуемой воды, добавили все необходимые реагенты и дистиллированной воды
до метки. Оптическая плотность полученного раствора оказалась равна
Ах= 0,15. Рассчитать концентрацию никеля в сточной воде, мг/л.
52
Решение
1) по экспериментальным данным строим градуировочный график и по
нему находим концентрацию никеля в исследуемой пробе, мкг/100 мл:
Сх = 32 мкг/100 мл;
2) вычисляем концентрацию никеля в исследуемой сточной воде, мг/л:
Х = Сх · 1000 / (Vх · 1000) = Сх/Vх = 32/50 = 0,64 мг/л,
где Vх – объем сточной воды, взятой для анализа.
Задание 3. Для определения железа (III) в питьевой воде в трех мер-
ных колбах вместимостью 100,00 мл были приготовлены следующие растворы:
1) 50 мл исследуемой воды, все реагенты для получения сульфосалицилатного комплекса и дистиллированная вода до метки;
2) 50 мл исследуемой воды, 30 мкг железа (III), все реагенты для получения сульфосалицилатного комплекса и дистиллированная вода до метки;
3) все реагенты для получения сульфосалицилатного комплекса и дистиллированная вода до метки (нулевой раствор).
Два первых раствора фотометрировали относительно третьего и получили следующие результаты: Ах = 0,40; А
х + ст
= 0,50.
Вычислите концентрацию железа в питьевой воде, мг/л.
Решение
Вычислим концентрацию железа, добавленного со стандартным раствором, мкг/мл:
С
= m/V
ст
= 30 мкг/100 мл = 0,3 мкг/мл.
кол
Рассчитаем концентрацию железа в исследуемой пробе по формуле
Сх = Сст ·Ах / (А
– Ах) = 0,3 · 0,40 / (0,5 – 0,4) = 1,2 мкг/мл.
х+ст
С учетом того, что для анализа взяли 50 мл воды и разбавили в колбе
до 100,00 мл, концентрация железа в исследуемой воде будет равна:
Св = Сх · 100 / 50 = 2,4 мкг/мл, или 2,4 мг/л.
Задание 4. Молярный коэффициент поглощения комплекса железа
(III) с сульфосалициловой кислотой в щелочной среде ɛ = 5,8·103,
λ
= 420–430 нм. Предполагаемое содержание железа (III) в исследуемой
опт
воде 5,6 мг/л. Какой объем исследуемой воды нужно внести в мерную кол-
53
бу вместимостью 100,00 мл, чтобы измеряемая оптическая плотность исследуемого раствора в кювете с l = 50,0 мм равнялась Ах = 0,42?
Решение
1) Найдем концентрацию железа (III) в фотометрируемой пробе, моль/л
А = ɛ ·l ·С,
отсюда С = А / (ɛ · l)
Сф = 0,42 / (5,8 · 103 · 5,0) = 0,0145 · 10-3 = 1,45 · 10-5 моль/л;
2) выразим концентрацию железа, моль/л в исследуемой воде
Св = 5,6·10-3 / 56 = 1,0 · 10-4 моль/л;
3) найдем объем воды Vв, необходимый для анализа, мл:
Сф · Vф= Св · Vв,
Vв = Cф · Vф / Св = 1,45 · 10-5 · 100 / 1,0 · 10-4 = 1,45 · 10-3 / 1,0 · 10-4 = 14,5 мл.
Задание 5. При определении свободного диоксида углерода в воде на
титрование 200 мл воды было израсходовано 1,8 мл 0,01 М раствора КОН
в присутствии фенолфталеина. Вычислите содержание СО2 в анализируемой воде, мг/л.
Решение
В присутствии фенолфталеина титрование идет по реакции
H2CO3 + KOH↔ KHCO3 + H2O.
Концентрация СО2 в исследуемой воде, мг/л, будет равна:
С
= V
х
кон
·С
кон
·Э
· 1000 / Vв =
(СО2)
= 1,8 · 0,01 · 22 · 1000 / 200 = 1,98 мг/л.
Задание 6. Рассчитать, какой концентрации раствор тиосульфата натрия использовался для йодометрического определения кислорода в водоеме, если на титрование выделившегося йода в пробе воды объемом 200 мл
израсходовано 22 мл титранта, а содержание кислорода в воде составляло
6,0 мг/л.
Решение
С
= Vт · Ст ·Э
(О2)
отсюда Ст = Со ·Vв / Vт·Э
· 1000 / Vв ,
(О)
· 1000,
(о)
Ст = 6,0 · 200 / 22,0 · 8 · 1000 = 0,068 моль/л.
Э
= 8 г/моль,
(О2)
54
Задания для самостоятельного решения
V, мл
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
Е, мВ
450
436
405
350
250
230
225
V, мл
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,6
Е, мВ
420
400
350
310
290
280
260
Задание 1. В две мерные колбы вместимостью 100,00 мл внесли по
50 мл исследуемой питьевой воды. Во вторую колбу добавили 20 мкг меди
(II). В обе колбы добавили диэтилтиокарбомат натрия и другие реактивы и
дистиллированной воды до метки. Измерили оптические плотности растворов и получили следующие данные: Ах = 0,35, А
= 0,50. Вычислить
х+ст
концентрацию меди в исследуемой воде (Х, мг/л). Сравнить содержание
меди с нормой для питьевой воды.
Задание 2. Рассчитать концентрацию «активного» хлора в сточной
воде (мг/л), если при потенциометрическом титровании 200,00 мл воды
0,02 М раствором Na2S2O3 в системе платинового и хлоридсеребряного
электродов в присутствии КI и H2SO4 были получены следующие данные:
При титровании контрольной пробы получены следующие результаты:
Задание 3. При определении железа (III) в питьевой воде в две мер-
ные колбы вместимостью 100,00 мл внесли по 50 мл исследуемой воды.
В первую колбу дополнительно внесли 10 мл стандартного раствора
железа с концентрацией 10 мкг/мл Fe (III). После добавления соответствующих реактивов для получения окрашенного соединения растворы разбавили дистиллированной водой до метки, измерили оптические плотности на фотоколориметре и получили следующие данные: Ах = 0,35;
А
= 0,65. Вычислите концентрацию железа в воде, мг/л.
х + ст
Задание 4. Молярный коэффициент светопоглощения бериллия с бе-
риллоном III при λ = 526 нм составляет 1,92 × 104. При определении бериллия с бериллоном в сточной воде для анализа взяли 20,00 мл сточной
воды в колбу вместимостью 100,00 мл, добавили все реагенты для получения окрашенного раствора, разбавили дистиллированной водой до метки и
измерили оптическую плотность относительно нулевого раствора в кювете
55
с рабочей длиной l 50,00 мм. Получили значение Ах = 0,45. Вычислите
концентрацию Ве в сточной воде, мг/л.
Задание 5. Для определения алюминия в питьевой воде для анализа в
мерную колбу на 100,00 мл внесли 50 мл исследуемой воды, добавили эриохромцианин R, все вспомогательные реагенты, дистиллированной воды
до метки. Измерили оптическую плотность окрашенного раствора относительно нулевого раствора и получили Ах = 0,25. Вычислите концентрацию
алюминия в питьевой воде, если l = 5 см, έ
= 6,5 · 104.
опт
Задание 6. При определении кобальта в природной воде использовали 2-нитрозонафтол-1 (έ = 3,7·104, при λ = 365 нм). Предполагаемое содержание кобальта в воде составляет 0,9 мг/л. Сколько миллилитров исследуемой воды нужно взять в мерную колбу вместимостью 100,00 мл, чтобы
при фотометрировании в кювете с l = 5 см измеряемая оптическая плотность была равна Ах = 0,45?
Задание 7. Молярный коэффициент поглощения комплекса висмута
с тиомочевиной έ = 9,0·103, при λ = 470 нм. Предполагаемое содержание
висмута (III) в анализируемой сточной воде – 210 мг/л. Какой объем (мл)
анализируемой воды нужно взять в мерную колбу вместимостью 50,00 мл,
чтобы при фотометрировании в кювете с l = 5 см измеряемая оптическая
плотность равнялась Ах = 0,15?
Задание 8. Концентрация «активного» хлора в питьевой воде равна
0,25 мг/л. Сколько миллилитров 0,0504 М раствора тиосульфата натрия
будет израсходовано на титрование 500 милилитров исследуемой воды?
Задание 9. Для определения растворенного кислорода в воде наиболее часто используют йодометрический метод Винклера. Метод основан на
окислении растворенным в воде кислородом соли марганца (II) в щелочной среде до гидроксида марганца (IV); взаимодействии последнего с йодидом калия с выделением йода; титровании выделившегося йода раствором тиосульфата натрия:
MnSO4 + 2KOH = Mn(OH)2 + K2SO4 ,
2Mn(OH)2 + O2 + 2H2O = 2Mn(OH)4 ,
Mn(OH)4 + 2H2SO4 = Mn(SO4)2 + 4H2O ,
Mn(SO4)2 + 2KI = MnSO4 + K2SO4 + I2 ,
I2 + 2Na2S2O3 = 2NaI + Na2S4O6 .
56
Предполагаемая концентрация растворенного кислорода в исследуемой воде равна 6,8 мг/л. Какой должна быть концентрация тиосульфата
натрия для определения кислорода в воде методом Винклера, чтобы на
титрование 250 мл исследуемой воды было израсходовано 15,00 мл
титранта?
Задание 10. Предполагаемая концентрация растворенного кислорода
в исследуемой воде равна 5,0 мг/л. Какой объем воды необходимо взять
для определения кислорода методом Винклера, чтобы на титрование было
израсходовано 10,00 мл 0,05 М раствора тиосульфата натрия.
Контрольные вопросы
1. Как определяется молярный коэффициент светопоглощения в спектрометрических методах анализа?
2. Какая формула описывает закон Бугера-Ламберта Бера?
3. Как рассчитать оптическую плотность раствора?
4. В чем принцип действия спектроскопических методов анализа?
5. Какие инструментальные методы анализа существуют?
57
2. ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ (7-й СЕМЕСТР ОБУЧЕНИЯ)
Практическая работа №5.
Методы отбора проб почвы
Цель работы: изучить и проанализировать методы отбора проб почвы
на почвах разного назначения и для различных целей мониторинга.
Теоретическая часть
Общие требование к методам отбора и обработки проб почвы
Результаты любого анализа зависят от правильного отбора проб и
предварительной их обработки. ГОСТ Р 53123-2008 (ИСО 10381-5:2005)
«Качество почвы. Отбор проб. Часть 5. Руководство по изучению городских и промышленных участков на предмет загрязнения почвы» устанавливает основные принципы, которые необходимо соблюдать при составлении программ отбора проб.
Для контроля загрязнения почв сельскохозяйственных угодий образцы почвы отбирают с участка площадью 10х10 м; для контроля детских
садов, игровых площадок, выгребов, мусорных ящиков и др. – с участка
площадью 5×5 м. Для контроля санитарного состояния почвы в зоне влияния промышленного источника загрязнения размер площадки должен быть
равен 3-кратной величине санитарно-защитной зоны.
Контрольный участок выбирают с таким расчетом, чтобы он был заведомо незагрязненным и имел одинаковый природный состав с опытным.
При отсутствии на изучаемой территории видимых источников загрязнения необходим выделять контрольные участки с учетом рельефа.
Пробы отбирают ножом, шпателем или буром в 3–5 точках из одного
или нескольких горизонтов методом конверта или по диагонали.
Из каждого горизонта берут среднюю пробу массой не менее 1 кг.
Среднюю смешанную пробу составляют из нескольких десятков первоначальных проб. При локальном загрязнении почв места отбора проб размещают по концентрическим окружностям вокруг места загрязнения. Точечные пробы отбирают методом конверта, по диагонали или другим способом, исходя из того, чтобы каждая проба представляла собой часть почвы,
типичной для генетических горизонтов. При определении в почве поверхностно-распределяющихся веществ (нефти, нефтепродуктов, тяжелых металлов) точечные пробы отбирают послойно на глубине 0–5 см и 5–20 см
58
массой до 0,2 кг. При анализе загрязнения почвы легколетучими загрязнителями точечные пробы отбирают по всей глубине почвенного профиля и
помещают в стеклянные емкости, закрывающиеся герметично крышками.
Отбор проводят с учетом вертикальной структуры, неоднородности
покрова почвы, рельефа и климата местности, а также с учетом особенностей свойств загрязняющих веществ или организмов. Пробы отбирают с
условием, чтобы в каждом случае проба являлась типичной для данной
точки отбора. В точках, намеченных для взятия образцов, предварительно
удаляют остатки растительности.
Пробы, отобранные для проведения химического анализа, упаковывают в емкости из химически нейтрального материала. При проведении
анализа на содержание летучих соединений пробу следует помещать в
герметически закрываемый сосуд.
Образцы почв предварительно просушивают на воздухе при комнатной температуре. Хранение сырых образцов ведет к значительному изменению их свойств и состава. При необходимости хранения проб почвы более месяца применяют консервацию, почву пересыпают в кристаллизатор,
заливают 3%-м раствором формалина, приготовленном на изотоническом
0,85%-м растворе хлористого натрия, или 3%-м раствором соляной кислоты, а затем помещают в холодильник.
Определение нитратов, нитритов, поглощенного аммония, водорастворимых форм калия, фосфора желательно проводить в день взятия образцов при их естественной влажности. Влажную почву просеивают через
сито с диаметром отверстий 3 мм. Остальные определения проводят в воздушно-сухих образцах [1,11].
Методические основы организации мониторинга земель
Методическим принципом организации мониторинга земель должно
быть сочетание дистанционных и наземных методов слежения.
Показатели состояния земель в зависимости от временной их изменчивости и соответствующей периодичности измерений можно подразделить
на три группы.
Первая группа включает показатели ранней диагностики деградации
земель – показатели угнетения почвенной биоты по ферментативной активности, содержанию СО2 и азотфиксации, изменения окислительно-
59
восстановительных и щелочно-кислотных условий, плотности и пористости почв, степени минерализации почвенного раствора. Наблюдения за
этими показателями должны проводиться несколько раз в год.
Вторая группа показателей характеризует более устойчивые изменения свойств почв – количество и качество гумуса, содержание элементов
питания растений, тяжелых металлов, фтора, полициклических углеводородов, радионуклидов, степени агрегированности (структурности) почв,
эрозионных и дефляционных процессов, патогенных организмов.
Эти наблюдения должны проводиться с периодичностью 2–5 лет.
Третья группа включает показатели устойчивых и глубоких изменений
свойств почв – изменение запасов гумуса и азота в почве, соотношения
тонкодисперсных и более крупных фракций гранулометрического состава
почв, их химического состава, мощности почвенных горизонтов и других
устойчивых изменений свойств почв. Контроль за этими показателями может осуществляться через 5–10 лет.
В зонах чрезвычайных ситуаций (территории городов, где сосредоточено большое количество промышленных предприятий, их пригородные
зоны, территории, подвергнутые загрязнению промышленными выбросами
и бытовыми отходами, районы с интенсивно развитыми эрозионными и
дефляционными процессами и др.) необходима сплошная площадная аэроили космическая съемка масштаба 1:10 000 – 1:50 000 при выборочном
контроле на наземных пунктах наблюдения. Параллельно выбираются фоновые территории, которые испытывали наименьшие антропогенные нагрузки за последние 50 лет. При этом если для большинства показателей,
характеризующих степень деградации земель необходима весенняя или
осенняя аэрокосмосъемка, то для контроля за содержанием тяжелых металлов в почвах лучше использовать зимнюю.
Токсические вещества поступают в атмосферу с газопылевыми выбросами, затем выпадают на поверхность почвы, часто с атмосферными осадками. Направление и дальность переноса аэрозолей определяется многими
факторами: мощностью предприятий, высотой дымовых труб, химическим
составом и физическими свойствами загрязнителей (их плотностью, формой, гигроскопичностью), климатическими условиями, рельефом и т. д.
Основная масса техногенных выбросов загрязняющих веществ выпадает
на сравнительно небольшой площади, конфигурация которой определяется
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]