Лаборатория оптической атомной спектрометрии Ресурсный

Лаборатория оптической атомной спектрометрии
Ресурсный образовательный центр по направлению Химия
Практический курс:
«Цифровой спектральный анализ»
Составители:
асс. Савинов С.С.,
инж. Титова А.Д.,
лаб. Зверьков Н.А.
Лабораторная работа
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В СТОЧНЫХ ВОДАХ
В настоящее время в большинстве развивающихся стран прогрессируют процессы
урбанизации. Относительно стабильный уровень жизни и рост благосостояния населения
способствует увеличению спроса на товары народного потребления, благоприятная
социальная среда и инвестиционная привлекательность урбанизированных территорий
приводят к увеличению нагрузки на объекты окружающей среды, в том числе на водные
объекты. Увеличение водопотребления напрямую связано с ростом объема образующихся
хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод, которые подвергаются очистке с
целью доведения качества воды до значений, соответствующих нормативным
показателям. Усугубляющаяся экологическая ситуация и, как следствие, возрастающие
требования к качеству очищаемых сточных вод диктуют необходимость интенсификации
работы действующих очистных сооружений.
На большинстве очистных сооружений России, включая все сооружения ГУП
«Водоканал Санкт-Петербурга», очистка канализационных сточных вод производится по
нескольким ступеням. Вначале осуществляется механическая очистка, т.е. удаление
крупного мусора (посредством прохождения сточной воды через решетки с прорезями
определенного размера) и песка (который осаждается под действием силы тяжести при
медленном движении вод по песколовкам). Затем в воду вводится коагулянт, при
воздействии которого происходит осаждение фосфатов и прочих малорастворимых
соединений (данный этап осуществляется в первичных отстойниках). После такого
осветления осуществляется ступень биологической очистки, в процессе которой под
действием микроорганизмов активного ила происходит изъятие из воды органических
соединений, азота, тяжелых металлов. Затем смесь воды и ила попадает во вторичном
отстойнике, где происходит ее разделение (так же под действием силы тяжести). На
заключительном этапе осуществляется обеззараживание сточной воды (с помощью
соединений хлора, либо под воздействием ультрафиолетового излучения). Очищенная
сточная вода в итоге поступает в естественные водоемы.
В случае промышленных сточных вод, концентрации загрязняющих веществ в
которых существенно больше, чем в канализационных, очистка обычно проходит в два
этапа. На первом осуществляется очистка сточных вод на локальных очистных
сооружениях предприятий. При этом схема может быть аналогична описанной выше, либо
она может быть модифицирована (в зависимости от характера стоков). На следующем
этапе предварительно очищенные сточные воды сбрасываются в канализацию, по которой
поступают на городские очистные сооружения для дальнейшей очистки.
1
Естественно, необходим тщательный контроль как каждого из этапов очистки, так и
выходящей из сооружений очищенной сточной воды (на которую разрабатываются
индивидуальные нормативы на предельно допустимые концентрации широкого спектра
веществ). При определении качества очистки сточных вод по химическим показателям
пробу можно отбирать как на выходе из очистных сооружений, так и после вторичных
отстойников (поскольку обеззараживание не сказывается на содержании определяемых
химических соединений). В последнем случае следует соблюдать меры предосторожности
при работе с пробой, поскольку в ней возможно содержание патогенных
микроорганизмов.
Вследствие того, что качество очистки сточных вод существенно зависит от качества
поступающей на очистные сооружения воды (которое подвержено постоянным
изменениям), при количественном химическом анализе берут смешанные пробы (т.е.
смесь проб, отобранных в различные промежутки времени, обычно в течение рабочего
дня). Существуют специальные документы, регламентирующие операции отбора проб.
Среди показателей, характеризующих качество очистки сточных вод, присутствует
содержание ряда элементов, прежде всего тяжелых металлов. Естественно, что в этом
случае предпочтительно использовать многоэлементные методы анализа. Вследствие
того, что ПДК на содержание данных элементов достаточно низки, аналитические методы
должны обладать соответствующей чувствительностью. Из всего арсенала возможных
методов в настоящее время для элементного анализа сточных вод наибольшее
распространение получил атомно-эмиссионный анализ с индуктивно-связанной плазмой.
Данный метод используется для этих целей в большинстве аналитических лабораторий
Санкт-Петербурга и лабораторий контролирующих органов.
Однако, вследствие того, что очищенные сточные воды могут содержать
взвешенные вещества, значимое количество растворенных органических веществ и
неорганических солей, перед проведением анализа необходима пробоподготовка. В случае
высокого качества очистки сточных вод может быть достаточно фильтрования пробы и ее
последующего разбавления. В противном случае необходимо прибегать к кислотной
минерализации проб.
2
Ход работы
1.
Получить от преподавателя (или лаборанта) исследуемую пробу, тщательно ее
перемешать.
2.
Надеть одноразовые перчатки (и не снимать их до окончания пробоподготовки).
3.
Профильтровать примерно 7 мл пробы через фильтр «белая лента» в чистый
химический стакан. Стаканчик с пробой подписать.
4.
В отдельную колбу налить деионизированную воду (используется в качестве
«холостой пробы»).
5.
Приготовить серию стандартных растворов для построения градуировки. Для этого
методом разбавления в 10 раз деионизированной водой в колбе на 10 мл приготовить
рабочие растворы с концентрацией элементов 10 мг/л; 1 мг/л; 100 мкг/л; 10 мкг/л; 1 мкг/л;
в качестве головного раствора использовать многоэлементный стандартный раствор
CertiPUR IV (Merck) с концентрацией 0,1 г/л. Колбу с рабочими раствороми подписать
маркером.
6.
Проверить настройки спектрального прибора согласно табл. 1
7.
Вставить капилляр пробоотборника спектрального прибора в «холостую пробу»,
зарегистрировать сигнал.
8.
Последовательно вставляя капилляр пробоотборника в калибровочные растворы
(начиная с раствора с минимальной концентрацией), зарегистрировать аналитический
сигнал для каждого из растворов.
9.
Построить градуировочные зависимости для определяемых элементов в
координатах логарифм интенсивности спектральной линии (за вычетом «холостого
опыта») – логарифм концентрации. В качестве аналитических линий использовать линии
из табл. 2.
10.
Вставить капилляр пробоотборника спектрального прибора в отфильтрованную
пробу, зарегистрировать аналитический сигнал.
11.
По построенным градуировочным зависимостям определить концентрации
элементов в анализируемой пробе, мг/л.
12.
Рассчитать среднеквадратичное отклонение и доверительный интервал (исходя из
нормального закона распределения).
13.
Оценить качество очистки анализируемого образца сточной воды и его
соответствие (или несоответствие) нормативам, представленным в табл. 3.
14.
Вымыть порошком всю используемую посуду (колбы, пипетки, пробирки,
стаканчики). Тщательно стереть с них все надписи, сделанные маркером. Трижды
ополоснуть посуду дистиллированной водой.
15.
По результатам работы написать отчет, который должен содержать:
• оптическую схему спектрального прибора (которую нужно найти самостоятельно)
с указанием выделяемого спектрального диапазона;
• градуировочные зависимости для определяемых элементов с указанием длин волн
используемых спектральных линий и параметров градуировочных прямых (оси на
графике должны быть подписаны, масштаб выверен; каждая зависимость на
отдельном графике);
• таблицу, в которой приведены исходные результаты количественного анализа (с
указанием сильно выпадающих значений) значений;
3
• конечные результаты количественного анализа (среднее геометрическое, верхняя и
нижняя границы доверительного интервала, число параллельных определений)
отдельно для каждого элемента;
• заключение о качестве очистки анализируемого образца сточной воды.
Таблица 1. Перечень настроек эмиссионного спектрометра с ICP
Plasma: 10.00
Direction: Axial
Position: Low
Ar Gas P(kPa): 450
Rotation Speed (r.p.m.):20
Setting: Low
CCD Temp(C): -15
Vacuum Level (Pa): 7,4
Spectro Temp (C): 38
Gas Flow
View
Safety
Peristaltic Pump
Instrument State
Таблица 2. Перечень аналитических линий, используемых в анализе
элемент
аналитическая линия, нм
Fe
283,204
Mn
257,610
Cu
213,598
Al
167,081
Zn
202,548
Ni
221,647
Pb
220,353
Таблица 3. Нормативные предельно допустимые концентрации элементов в
очищенной сточной воде
элемент
концентрация (мг/л) для сброса в
природный водоем
канализацию
Fe
0,1
3
Mn
0,01
1
Cu
0,001
0,5
Al
0,04
3
Zn
0,01
1
Ni
0,01
0,25
Pb
0,01
0,25
4