Массообменные процессы

тепломассообменные сорбционные экстракционные электродиффузионные

процессы процессы процессы процессы

-зонная плавка *абсорбция *экстрагирование электрофорез

-кристаллизация *адсорбция из твердых

-сушка *десорбция веществ

-сублимация(возгонка) *ионный *экстрагирование

-дистилляция обмен из жидкостей

-растворение (жидкостная

-увлажнение экстракция)

-набухание

Мембранные процессы

-ультрофильтрация, *электроосмофильтрация

микрофильтрация *разделение на жидких

-диализ мембранах

-электродиализ *экстракция через

-обратный осмос мембрану

-электроосмос *испарение через

-термоосмос мембрану

*мембранное

газоразделение

ЛЕКЦИЯ № 5

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ МЕТОДОВ ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Роль окружающей среды

Химический анализ экологических систем проблема исключительно важная и сложная для всех, кто так или иначе связан с разработкой и применением аналитических методов. Сами экологические системы чрезвычайно сложны, а потому их анализ требует глубокого, до тонкостей, понимания методик и уместного их применения. Антропогенные загрязнения оказывают вредное влияние на природный биогеохимический цикл. Когда мы говорим о воздействии загрязняющих веществ, следует различать как прямое действие на здоровье человека, так и определенное долгосрочное воздействие на окружающую среду. Для сравнения рассмотрим три примера: мышьяк в питьевой воде, продукты питания, полученные из обработанных сточными водами растений, и кислотные дожди. В первом случае совершенно ясно, что предельно допустимые концентрации могут быть легко установлены. Не столь просто это сделать во втором и очень трудно - в третьем. В двух последних случаях сразу возникает много вопросов- какого рода измерения необходимо выполнить, как они должны быть истолкованы, насколько реально долгосрочное влияние, каким аспектом проблемы руководствоваться для достижения наибольшей эффективности. Из этого перечисления следует, что наше представление об окружающей среде должно быть общесистемным и что оно нуждается в тончайших методах химического анализа.

Под анализом окружающей среды мы понимаем всестороннее исследование окружающей системы, ее составных частей, их внешних и внутренних соотношений, а также их взаимодействие с соседним окружением. Поэтому понятие “химический анализ окружающей среды” гораздо сложнее, чем то, что мы подразумеваем под термином ”аналитическая химия”. Оно включает:

1. идентификацию химических веществ;

2. определение концентраций или активностей;

3. исследование реакций или процессов.

Так, ядерные методы химического анализа окружающей среды применяется к научному направлению, в котором используются радиоактивные материалы и (или) ядерные реакции, применение которых способствует решению задач химического анализа.

Ранее и особенно в последние годы для химического анализа окружающей среды использовалось большое число аналитических методов. Трудно дать их строгую классификацию из-за неоднозначности в терминологии и быстрого развития инструментальных методов.

Методы “мокрой химиии” обычно включают простые процедуры и оборудование. Их главные недостатки заключаются в неадекватности

чувствительности для большинства методик и их продолжительности. Такими примерами являются титрометрические и гравиметрические определения.

Электрохимические методы основаны на измерении потенциала (потенциометрия) или тока (вольтамперометрия). Наглядным примером потенциометрии является применение ионселективных электродов для определения различных ионов: F^-, Cl^-, Br^-, J^-, NO₃^-, CN^-, SCN^-, S^2-, Cd²⁺, Cu²⁺, Pb²⁺, Ag⁺, Ca²⁺, K⁺. Преимуществом методик является удобство и скорость определения. К недостаткам следует отнести 1)сложности, связанные с калибровкой, 2) учетом взаимного влияния и 3) солевого эффекта, а также ограниченную применимость. Кроме того, в данном случае величина измеренного сигнала пропорциональна логарифму активности, поэтому небольшие ошибки при измерении напряжения приведут к относительно большим ошибкам в рассчитываемых величинах. Для образцов с высокой ионной силой (например, рассолы, вода морей, океанов) следует учитывать соотношение между активностью и концентрацией. Кроме того, чувствительный датчик (сенсор) измеряет только свободные ионы, а не их комплексы.

К вольтамперометрическим методам относят дифференциально-импульсную полярографию, вольтамперометрию с быстрой линейной разверткой потенциала и анодную инверсионную вольтамперометрию.

Классическая полярография (с постоянным током) редко обладает чувствительностью, необходимой для анализа образцов окружающей среды. Самые последние варианты метода, такие как дифференциально-импульсный и непрерывной разверткой потенциала, отличаются в ряде случаев повышенной чувствительностью. Инверсионная вольтампераметрия используется для определения в воде некоторых металлов (Cu, Pb, Zn, Cd) при концентрациях < мкг/мл. Электроды для вольтамперометрии, покрытые мембраной, например Ag (катод)/Pb (анод), обычно используются для определения кислорода.

Хроматография, представляющая собой группу методов, используемых для разделения, может сочетаться с соответствующими детекторами или измерительными приборами. Классическим примером является применение газовой хроматографии для идентификации органических веществ-детекторы работают по принципу измерения теплопроводности или по принципу электронного захвата, ионизации в пламени и масс-спектрометрии. Основное преимущество газовой хроматографии в случае анализа объектов окружающей среды заключается в возможности разделения огромного количества различных органических веществ в смесях разных видов, а также широкая доступность чувствительных детекторов. Из недостатков следует отметить высокую стоимость оборудования к выполнению самих методик, т.е. для практической реализации требуются специальное оснащение лаборатории и высококвалифицированные операторы.

В жидкостной хроматографии при высоком давлении (ЖХВД) используется подвижная жидкая фаза и колонка с очень мелкими твердыми частицами в качестве стационарной фазы (неподвижной). Применение высоких давлений требуется для достижения необходимых скоростей потока; высокая степень разрешения достигается только в отдельных благоприятных случаях. Основное преимущество ЖХВД состоит в том, что образцы анализируются в жидкой фазе и не требуется их перевод в газовую фазу. К сожалению, обычно используют детекторы (основанные на использовании показателя преломления, УФ-поглащения, флуоресценции), как правило, не столь чувствительные, как детекторы, применяемые в газовой хроматографии.

Масс-спектрометрия иногда используется в сочетании с газовой хроматографией для определения органических веществ. Она позволяет получить как качественную (идентификация), так и количественную информацию. В распоряжении исследователей имеются компьютеризованные банки данных, содержащие информацию о большом количестве соединений.

В некоторых случаях для элементного анализа следовых количеств используют масс-спектрометрию с искровым источником ионов. Но применение этого метода ограничено из-за дороговизны обородувания и необходимости специального оборудования, специального оснащения и высококвалифицированного персонала.