Полевые методы исследования поверхностных и грунтовых вод

Размещено на http://www.allbest.ru/

Полевые методы исследования поверхностных и грунтовых вод

Отбор пробы воды является важной частью ее анализа, необходимым условием получения правильных результатов. Ошибки, возникающие из-за неправильного отбора проб, в дальнейшем исправить невозможно. Особую трудность вызывает отбор представительной пробы, состав которой соответствует составу анализируемого объекта. Реально отобранные для анализа пробы по составу в большей или меньшей степени отличаются от анализируемого объекта, что и является основной причиной погрешностей анализа. Условия, которые следует соблюдать при отборе проб, настолько разнообразны, что нельзя дать подробных рекомендаций для всех случаев в соответствии со всеми требованиями. В конкретных условиях следует руководствоваться целями исследования и общими принципами, регламентирующими отбор проб воды для анализов из различных водоисточников. минеральный химический вода

Основные принципы, которые необходимо соблюдать при отборе проб:

· место для отбора пробы воды должно соответствовать целям анализа,

· проба воды должна быть представительной пробой,

· отбор, хранение, транспортировка и работа с пробой должны проводиться так, чтобы не произошло изменений в содержании определяемых компонентов или в свойствах воды;

· объем пробы должен быть достаточным и должен соответствовать применяемой методике анализа.

Место для отбора пробы выбирают в соответствии с целями анализа и с учетом всех обстоятельств, которые могли бы оказать влияние на состав взятой пробы. Так, при отборе проб поверхностных и подземных вод необходимо внимательно обследовать все источники поступления воды в водоем, выявить возможные источники загрязнения водоема.



Место для отбора проб сточных вод выбирают только после подробного ознакомления с технологией производства, расположением цехов, системой канализации, назначением и работой отдельных элементов станции очистки и т.д.

В соответствии с целями анализа проводят разовый или серийный отбор проб. При разовом отборе пробу берут один раз в определенном месте и рассматривают результаты одного анализа. Этот способ применяется в редких случаях, когда результатов единичного анализа достаточно для суждения о качестве исследуемой воды (например, при постоянстве состава воды, как это наблюдается для глубинных грунтовых вод). В большинстве случаев состав воды изменяется в зависимости от места и времени отбора пробы, в этих случаях проводят серийный отбор проб. При анализе серии взятых проб определяется изменение содержания отдельных компонентов с учетом места, времени отбора или обоих этих факторов. Полученные результаты обрабатываются статистически. Типичным примером серийного отбора проб является зональный отбор. Пробы отбирают с различной глубины по выбранному створу водохранилища, озера, пруда и т.д. Другой распространенный тип серийного отбора проб - отбор через определенные промежутки времени, позволяющий следить за изменением качества воды во времени или же в зависимости от ее расхода. При этом можно получить сведения о сезонных или дневных изменениях качества воды.

Различают два основных вида проб: простую и смешанную. Простую пробу получают путем однократного отбора всего требуемого количества воды. Анализ простой пробы дает сведения о составе воды в данный момент в данном месте. Смешанную пробу получают, сливая простые пробы, взятые в одном и том же месте через определенные промежутки времени или отобранные одновременно в различных местах обследуемого объекта. Эта проба характеризует средний состав воды исследуемого объекта или средний состав за определенный период времени (за час, смену, день и т.д.), или, наконец, средний состав с учетом как места, так и времени. Смешанную пробу нельзя отбирать за период больше одних суток. При необходимости более длительного хранения пробу консервируют. Смешанную пробу нельзя использовать для определения тех компонентов и характеристик воды, которые легко изменяются со временем (растворенные газы, pH и т.д.). Эти определения проводят в каждой составляющей пробы отдельно.

Количество пробы, которое необходимо отобрать, зависит от числа определяемых компонентов. Чаще всего, это 1-2л воды. При отборе проб следует обращать внимание (фиксировать в протоколе) на сопровождавшие отбор проб гидрологические и климатические условия, такие как осадки и их обилие, паводки, застойность водоема и др.

В качестве сосудов для отбора и хранения проб обычно используют бутыли из химически стойкого стекла. Закрывают их резиновыми или стеклянными притертыми пробками. В специальных случаях используют полиэтиленовые бутыли или термосы. Посуда для отбора проб должна быть чистой. Чистота посуды обеспечивается предварительным мытьем ее горячей мыльной водой (стиральные порошки и хромовую смесь не использовать!), многократным споласкиванием чистой теплой водой. В дальнейшем для отбора проб желательно использовать одну и ту же посуду. Сосуды, предназначенные для отбора проб, предварительно тщательно моют, ополаскивают не менее трех раз отбираемой водой и закупоривают стеклянными или пластмассовыми пробками, прокипяченными в дистиллированной воде. Между пробкой и отобранной пробой в сосуде оставляют воздух объемом 5-10 мл. В общую посуду отбирают пробу на анализ только тех компонентов, которые имеют одинаковые условия консервации и хранения.

Влияние материала лабораторной посуды на состав пробы. Материалы, из которых изготовлена лабораторная посуда, могут быть не только источниками загрязнений, но и причиной уменьшения концентрации определяемых компонент в анализируемой пробе воды.

Стекло. Различные сорта стекла отличаются друг от друга по составу и химической стойкости. Стекло немного растворимо в воде, полученные растворы имеют слабую щелочную реакцию главным образом за счет содержания гидроксидов калия и натрия. Вода при 180С выщелачивает за 7 дней из лучших сортов стекла до 70 мг Na2O с 1 м2 поверхности, с повышением температуры эта величина существенно увеличивается. Наибольшей щелочностью характеризуются обычные сорта лабораторного стекла, меньшей щелочностью - стекло пирекс. В водные растворы в небольших количествах могут переходить химические элементы, входящие в состав стекла: кремний, бор, кальций, железо и др.

Химический состав стекла лабораторной посуды, %

Сорт SiO2 B2O3 Al2O3 Na2O K2O CaO MgO MnO ZnO As2O3

№23 68,6 2,5 3,89 9,7 6,1 8,4 0,8 - - -

пирекс 80,5 12,0 2,0 4,0 1,0 0,5 - - - -

кварцевое 99,91 - 0,01 0,04 0,03 - 0,01 - - -

Таким образом, растворимость стекла может быть причиной увеличения концентрации натрия, калия, кальция, железа и др. в анализируемой пробе. Согласно ГОСТ 9111-59, при кипячении в течение 3 часов с 2н. раствором гидроксида натрия даже в случае химически стойкого стекла допускается потеря 0,06 г стекла на каждые 100 см2 его поверхности.

Под действием воды происходит гидролиз силикатов с образованием коллоидной кремниевой кислоты, образующей на поверхности стекла плотную пленку, затрудняющую дальнейшее растворение стекла. Поэтому для уменьшения загрязнения проб вследствие растворения стекла рекомендуется обработка стеклянных сосудов водяным паром. Однако при этом следует учитывать, что кремниевая кислота может вести себя как ионит, т.е. обмениваться катионами и анионами с раствором, находящимся в сосуде. В этом случае говорят об адсорбции (поглощении) поверхностью стекла растворенных веществ. Установлено, что адсорбция на стекле зависит от сорта стекла, рН раствора, концентрации раствора. В большей степени происходит адсорбция катионов, меньше - адсорбция анионов. Для уменьшения (или предотвращения) адсорбции из разбавленных растворов на поверхности стеклянной посуды рекомендуется использовать посуду, изготовленную из более стойких сортов стекла (пирекс, кварцевое) или проводить специальную обработку поверхности стекла. Внутреннюю поверхность стекла можно покрыть тонким слоем парафина или лучше гидрофобизировать поверхность обработкой 3%-ным раствором метилтрихлорсилана CH3SiCl3 в четыреххлористом углероде с последующим нагреванием при 1200С в течение 1 часа.

Фторопласт-3 (полимер трифторхлорэтилена), тефлон (полимер тетрафторэтилена). Посуда из этих материалов отличается высокой химической стойкостью. Даже концентрированные кислоты и концентрированные растворы щелочей не влияют на эти материалы в широком интервале температур и длительном воздействии. В изделиях из фторопласта-3 можно выполнять операции при температурах до 1000С, из тефлона (фторопласта-4) - при температурах до 2500С. Химически стойкой является посуда из полиэтилена. Однако на поверхности фторопластов и полиэтилена сорбируются некоторые катионы в заметных количествах.

Таким образом, при отборе и хранении проб воды из различных водоисточников полезно выполнять следующие правила:

· выбирать посуду их химически стойких материалов,

· уменьшать поверхность соприкосновения раствора с материалом посуды, для чего использовать круглодонные колбы.

После отбора проб делается запись, в которой указывают вид и происхождение воды, точное место, день и час отбора, способ консервирования. Если анализ воды проводится не на месте отбора пробы или не в тот же день в лаборатории, то пробу консервируют. Необходимость консервирования обусловлена тем, что некоторые характеристики воды при хранении изменяются (температура, pH, содержание различных газов; некоторые вещества могут выпасть в осадок, другие, наоборот, раствориться и т.д.). В неконсервированной пробе могут также протекать различные биохимические процессы, вызванные деятельностью микроорганизмов или планктона. Для полного анализа воды следует отобрать пробу в несколько бутылей, в которые добавляют различные консервирующие вещества. В нормативных документах (ГОСТ, ИСО, МВИ и др.)определены правила и рекомендации, которые следует выполнять для получения репрезентативных проб из различного вида водоисточников.

Пробы из рек и водных потоков отбирают в следующих целях: мониторинг качества воды в бассейне реки, установление источников загрязнения, их влияния на водные экосистемы, определение влияния вод притоков на состояние исследуемого водного потока.



Качество воды в реках носит циклический характер, причем наблюдается суточная и сезонная цикличность. По этой причине ежедневные пробы следует отбирать в одно и то же время суток, а продолжительность сезонных исследований должна быть не менее года.

Пробы из озер,прудов отбирают с теми же целями, что и пробы воды из рек. Отбор проб из озер должен быть тщательно спланирован для получения информативных достоверных данных. Озера и пруды представляют собой, как правило, слабопроточные водоемы с малой скоростью перемещения различных слоев воды. Они могут иметь значительную неоднородность свойств воды как по горизонтальным, так и по вертикальным направлениям. В больших глубоких водоемах может появляться внутренняя циркуляция воды.

Пробы воды из водопроводных сетей проводят для определения качества воды, а также для определения источников загрязнения воды. Для получения представительной (репрезентативной) пробы следует соблюдать ряд правил:

· перед отбором пробы водопроводную воду спускают в течение 15 - 20 мин для того, чтобы «ушли» накопившиеся загрязнители;

· для отбора воды не используют концевые участки водопроводных сетей, а также участки с трубами малого диаметра (менее 1,2 см);

· для отбора проб используют участки водопровода с интенсивным перемешиванием потока (краны вблизи клапанов, изгибов труб);

· при отборе проб вода должна медленно течь в пробоотборную емкость до ее переполнения.

Анализ воды из различных водоисточников в полевых условиях.

1. Определение температуры воды. Температура является важной гидрологической характеристикой водоема, показателем возможного теплового загрязнения. Тепловое загрязнение опасно тем, что вызывает интенсификации процессов жизнедеятельности гидробионтов, изменяет скорости течения химических и биохимических реакций, протекающих в водоеме. В условиях теплового загрязнения изменяется количество растворенного кислорода и других газов атмосферы, изменяются условия перемешивания различных слоев воды.

Температура является наиболее значимым внешним фактором, который должен в первую очередь учитываться при использовании полевых методов для анализа природных вод. В нормативных документах не определены условия применения полевых методов, однако практика химического анализа позволяет в качестве таких условий принять следующие:

- температура анализируемой воды 15 - 25 0С;

- температура воздуха 5 - 30 0С;

Ограничения по температуре воды и воздуха не распространяются на условия отбора проб. Температура должна обязательно контролироваться во время выполнения анализа, так как она является фактором, способным повлиять на результат определения концентраций.

Температура воды измеряется непосредственно на водоеме калиброванным термометром с ценой деления шкалы 0,1 - 0,5 0С.

Измерение температуры поверхностных слоев воды. Температура воды измеряется непосредственно на водоеме калиброванным термометром с ценой деления шкалы 0,1 - 0,5 0С. Термометр опускают на глубину 15 - 20 см, следят за изменением показаний. Когда в течение нескольких минут показания термометра не изменяются, отмечают последнее значение, как температуру поверхностного слоя воды (не вынимая термометр из воды). Измерения повторяют несколько раз, определяют среднее значение температуры, рассчитывают погрешность определения.

Измерение температуры глубинных слоев воды. Термометр устанавливают в пробоотборнике, который погружают на выбранную глубину, открывают, заполняют водой. Пробоотборник выдерживают на выбранной глубине 5-10 мин (для установления теплового равновесия), после чего поднимают и, не вынимая термометр, определяют значение температуры. Следует использовать пробоотборники опрокидывающегося типа, заполняемые водой на требуемой глубине.

2. Определение органолептических показателей качества воды.

Органолептическая оценка дает много прямой и косвенной информации о составе воды и может быть проведена в полевых условиях быстро, без каких-либо аналитических приборов или сложных приспособлений. Проведение точных органолептических измерений регламентируется международными стандартами ИСО 6658, ИСО 8589 и др.,определяющими методы и правила проведения органолептической оценки качества воды, требования к квалификации дегустаторов.

Определение цветности воды (качественный визуальный метод, по ГОСТ 1030). Методика качественного определения основана на установлении цвета воды при толщине слоя 10 см. Исследуемую воду наливают в пробирку до высоты слоя 10 см. Вместо пробирки можно использовать мерный цилиндр. Стекло пробирки (или цилиндра) не должно иметь окраски. Пробирка (или цилиндр) должна быть достаточно освещена. Рассматривают воду сверху, на белом фоне. Отмечают цвет воды: слабо- желтова тая, светло- желтоватая, желтая, интенсивно желтая, коричневатая, красно-коричневатая, другая (указать цвет или оттенок).

Определение запаха воды. Запах воды описывается субъективно, по ощущениям аналитика. Для определения запаха воды плоскодонную коническую колбу объемом 250 500 мл заполняют исследуемой водой на 1/3 объема, закрывают пробкой. Далее вращательным движением руки взбалтывают содержимое колбы при закрытой пробке. Пробку открывают и сразу же определяют запах, осторожно вдыхая воздух (выполнять правила техники безопасности такие же, как при определении запаха химических веществ). Если запах не обнаруживается явно, не отчетливый, то определение повторяют, нагрев предварительно колбу с водой на водяной бане до 600С ( При нагревании пробка должна быть приоткрыта). Далее интенсивность запаха оценивается по пятибалльной шкале (интенсивность запаха: нет - 0 баллов, очень слабая - 1 балл, слабая - 2 балла, заметная - 3 балла, отчетливая - 4 балла, очень сильная - 5 баллов).

Интенсивность запаха можно определить количественно как степень разбавления анализируемой воды другой чистой водой без запаха. Пороговое число запаха N определяется из соотношения:

V1 - начальный объем пробы воды, взятой для определений ( с запахом),

V2 - конечный объем воды после разбавления пробы чистой водой до исчезновения запаха.

В качестве чистой воды без запаха можно использовать дистиллированную воду. Чистую воду можно получить в полевых условиях обработкой природной воды активированным углем с последующим фильтрованием ( на обработку 1 л воды минимальное количество угля 1 г).

Определение вкуса и привкуса воды. Оценку можно проводить только у питьевой воды при отсутствии подозрений на ее загрязненность!! При определении воду не проглатывать!!! При определении вкуса и привкуса анализируемую воду набирают в рот и задерживают 3-5 с, не проглатывая. После определения вкуса воду сплевывают. Характер и интенсивность вкуса и привкуса определяют по пятибалльной шкале (интенсивность вкуса и привкуса: нет - 0 баллов, очень слабая - 1 балл, слабая - 2 балла, заметная - 3 балла, отчетливая - 4 балла, очень сильная - 5 баллов).

Определение мутности (прозрачности) воды. Определение можно проводить в полевых условиях при помощи диска Секки. Диск Секки представляет собой металлический диск диаметра 200 мм с шестью отверстиями, каждое из которых имеет диаметр 55 мм. Отверстия расположены по кругу диаметра 120 мм. Диск покрыт белым пластиком или белой краской. Диск прикреплен к нерастягивающемуся шнуру (цепи). При определении мутности диск опускают в воду на такую глубину, чтобы диск был едва заметен (еще заметен), измеряют длину погруженного в воду шнура (цепи). Для значений менее 1 м результат приводят с точностью до 1 см, для больших значений - с точностью до 0,1 м.

Мутность можно определять визуально в пробирке с исследуемой водой, заполненной также, как при определении цвета воды. Отличие состоит в том, что слой воды рассматривают сверху на темном фоне. Определяют следующие характеристики мутности воды: мутность не заметна, слабо опалесцирующая, опалесцирующая, слабо мутная, мутная, очень мутная.

Прозрачность воды (определяется ее цветностью и мутностью). Прозрачность воды можно определять при помощи диска Секи. Другой удобный метод основан на обнаружении стандартного шрифта через слой воды.

Для определений используют стеклянный цилиндр с внутренним диаметром не менее 2,5 см и высотой не менее 30 см. Дно цилиндра прозрачно. Цилиндр снабжен светозащитным экраном (черная плотная бумага). На белый лист наносится метка - четкий черный шрифт (3,5 0,35 мм) или черный крест. Цилиндр размещают на высоте 4 см над листом с шрифтом (или другой меткой). В цилиндр наливают воду до тех пор, пока метка еще отчетливо видна. Измеряют линейкой максимальную высоту столба жидкости, при которой метка еще видна отчетливо. Это значение высоты (см) характеризует прозрачность воды.

3. Определение рН воды. В полевых условиях может быть использован визуально-колориметрический метод определения рН. Метод основан на сравнении цвета водного раствора (при добавлении 4-5 капель универсального индикатора) с контрольной цветовой шкалой, полученной на основе буферных растворов с определенным значением рН и тем же универсальны индикатором.

Состав буферных растворов для приготовления контрольной шкалы

рН	Объем 0,2 М раствора , мл	Объем 0,1 М раствора лимонной к-ты, мл	рН	Объем 0,2 М раствора , мл	Объем 0,1 М раствора лимонной к-ты, мл
4.0	38.5	61.5	6.0	63.1	36.9
4.2	41.4	58.6	6.2	66.1	33.9
4.4	44.1	55.9	6.4	69.2	30.8
4.5	45.4	54.6	6.6	72.7	27.3
4.6	46.7	53.3	6.8	77.2	22.8
4.8	49.3	50.7	7.0	82.3	17.7
5.0	51.5	48.5	7.2	86.9	13.1
5.2	53.6	46.4	7.4	90.8	9.2
5.4	55.7	44.3	7.6	93.6	6.4
5.6	58.0	42.0	7.8	95.7	4.3
5.8	60.4	39.6	8.0	97.2	2.8

Контрольная шкала готовится следующим образом: в пробирки отбирают по 5 мл буферных растворов, добавляют по 4-5 капель универсального индикатора. Если шкала готовится в лабораторных условиях, следует предварительно проверить рН буферных растворов при помощи рН-метра (иономера).

Для определения рН воды в полевых условиях в пробирку отбирают 5 мл анализируемой воды, пипеткой добавляют 4-5 капель (0,1 мл) раствора универсального индикатора, перемешивают. Окраску раствора сразу же сравнивают с контрольной шкалой, выбирая ближайший по характеру окраски образец шкалы. Окраска раствора наблюдается по методике, используемой при определении цвета воды. рН воды принимается равным рН буферного раствора с наиболее близкой окраской.

4. Определение щелочности и кислотности воды. Шелочность и кислотность воды экспериментально определяют методом кислотно-основного титрования.

Щелочность воды обусловлена присутствием в воде оснований - веществ или ионов, способных присоединять Н+. К основаниям, обусловливающим щелочность воды, относятся: растворимые сильные основания - щелочи, слабые основания (гидроксид аммония), соответствующие определению оснований анионы двух- и трехосновных кислот. Щелочность воды определяется количеством сильной кислоты (соляной) израсходованной на титрование определенной пробы воды. Различают общую щелочность и свободную щелочность.

Свободная щелочность обусловлена наличием в воде щелочей, например, . Для определения свободной щелочи пробу воды титруют 0,1 н. или 0,05 н. раствором соляной кислоты в присутствии фенолфталеина до значения рН 8,0-8,2 (интервал изменения окраски индикатора 8,2 - 10,0). Кривая титрования имеет вид:

Общая щелочность обусловлена наличием в воде как сильных растворимых оснований - щелочей (в достаточных концентрациях), так и слабых оснований (например, гидроксида аммония). Соли, образующиеся в результате взаимодействия соляной кислоты со слабыми основаниями, подвергаются гидролизу, в результате чего точка эквивалентности смещается в кислую область (рН в точке эквивалентности меньше 7). Как следствие, общая щелочность воды определяется титрованием в присутствии метилоранжа до значений рН 4,2-4,5. Кривая титрования имеет вид:



Кислотность воды обусловлена присутствием в воде оснований - веществ или ионов, способных взаимодействовать с гидроксид-ионом (сильные кислоты, слабые кислоты, катионы слабых оснований, в том числе органических аминов и др.). Кислотность воды определяется количеством щелочи KOH или NaOH, израсходованной на нейтрализацию раствора. Общая кислотность определяется при титровании до значений рН 8,2-8,4 в присутствии фенолфталеина в качестве индикатора. В этом интервале оттитровываются слабые кислоты , катионы слабых оснований (NH4+). Естественная кислотность природной воды обусловлена присутствием в воде органических кислот природного происхождения.

Определение некоторых компонент минерального состава

Минеральный состав воды отражает результат взаимодействия воды с почвобразующими минералами и породами, воздушной средой, а также результат протекания в воде различных химических, физико-химических и биологических процессов.

Карбонаты и гидрокарбонаты определяют природную щелочность воды. Определение карбонат- и гидрокарбонат-ионов основано на их реакции с сильной кислотой:

Определение карбонат-иона основано на реакциях:

Из-за гидролиза образующегося гидрокорбонат-иона точка эквивалентности сдвигается в щелочную область и титрование в целях определения карбонатов проводят в присутствии индикатора фенолфталеина. Таким методом возможно определить наличие карбонат-иона в водах, рН которых более 8,0-8,2.

Определение гидрокарбонат-иона основано на реакции:

Титрование проводят в присутствии метилоранжа (рН 4,1-4,5). Кроме того, следует учесть, что при титровании раствором кислоты исследуемой природной воды, содержащей свободные щелочи, может протекать реакция взаимодействия с кислотой гидроксид-ионов:

Таким образом, при титровании по фенолфталеину в реакции с кислотой участвуют ионы , а при титровании по метилоранжу - ионы (для щелочных вод). При анализе природных карбонатных вод на содержание карбонатов и гидрокарбонатов титрование можно проводить как последовательно в одной пробе, так и параллельно в разных пробах. Точность полученных результатов зависит от точности определения количества кислоты, расходуемой на титрование. Кривая титрования имеет несколько «ступеней».

Для работы в полевых условиях необходима склянка с меткой «10 мл», пипетка на 2 мл или 5 мл с резиновой грушей или медицинский шприц, растворы индикаторов, раствор соляной кислоты титрованный ( СЭКВ= 0,05 моль/л).

Выполнение определений:

· проводят предварительное определение наличия карбонат-ионов, для чего в склянку с 10 мл исследуемой воды добавляют пипеткой 3-4 капли раствора фенолфталеина; при отсутствии окрашивания или слабо-розовом окрашивании считают, что карбонат-ион в такой воде отсутствует;

· если окрашивание было отмечено, то набирают в склянку новую порцию воды в 10 мл, добавляют пипеткой 3-4 капли раствора фенолфталеина и титруют пробу при помощи медицинского шприца (или пипетки) раствором соляной кислоты до слабо-розовой окраски; отмечают объем раствора соляной кислоты, затраченный на титрование по фенолфталеину VФ;

· набирают в склянку новую порцию воды в 10 мл , добавляют пипеткой 3-4 капли раствора метилоранжа и титруют пробу при помощи медицинского шприца (или пипетки) раствором соляной кислоты до слабо-розовой окраски; отмечают объем раствора соляной кислоты, затраченный на титрование по метилоранжу VМО;

· рассчитывают массовые концентрации анионов (не солей) в мг/л рассчитывают по формулам:

VК и VГК - объемы раствора соляной кислоты, израсходованного на титрование карбоната

и гидрокарбоната, мл; СНСl - нормальность раствора кислоты; 60 и 61 - эвивалентные массы )массы моля эквивалента) карбонат- и гидрокарбонат-ионов, 1000 - коэффициент пересчета.

В исследуемой воде не обязательно присутствуют все ионы: . Соответственно объем кислоты, затраченный на взаимодействие с карбонат-ионом или гидрокарбонат-ионом рассчитывается по формулам, приведенным в таблице:

Соотношение между экспериментальными значениями VФ и VМО	Объем кислоты, затраченный на реакцию с определенным ионом
	Гидроксид-ионом VOH	Карбонат-ионом VK	Гидрокарбонат-ионом VГК
VФ =0	0	0	Весь объем ислоты, затраченный на титрование
2VФ VМО	0	2VФ	VМО -2 VФ
2VФ = VМО	0	VМО	0
2VФ VМО	2VФ - VМО	2( VМО - VФ )	0
VФ = VМО	VМО	0	0

На основании полученных результатов титрования можно рассчитать карбонатную жесткость ЖК и щелочность воды, щелочность воды:

· карбонатная жесткость , мг-экв/л

· свободная щелочность , мг-экв/л

· общая щелочность , мг-экв/л.

Сульфаты - распространенные компоненты природных вод. Определение сульфатов основано на реакции сульфат-ионов с катионами бария с образованием нерастворимой суспензии сульфата бария:

Один из простейших полевых методов определения сульфата основан на определении прозрачности столба воды, содержащего суспензию сульфата бария. Метод применим при концентрации сульфат-ионов не менее 30 мг/л. Анализ выполняют в прозрачной воде, при необходимости пробу фильтруют.

Для определений необходимо вначале приготовить простейший мутномер:

В каждое отверстие мутномера вставляют мутномерную пробирку с надетым на нее резиновым кольцом-фиксатором таким образом, чтобы нижняя ее часть была выдвинута в вырез мутномера на расстояние около 1 см (дно пробирки находится на расстоянии около 2 см от экрана).

Выполнение определений:

· поместить в отверстие мутномера 2 пробирки пустые;

· в одну пробирку налить 20-30 мл воды, добавить пипеткой 2 капли раствора соляной кислоты (20%) и 14-15 капель раствора нитрата бария (насыщенный), закрыть пробирку пробкой и встряхнуть, затем оставить пробирку с раствором на 5-7 минут для образования белой суспензии; по истечении этого времени при закрытой пробки вновь перемешать суспензию;

· пипеткой переносят суспензию во вторую пустую пробирку до тех пор, пока в первой пробирке не появится изображение точки на дне ( если суспензия окажется слишком концентрированной, определение повторяют при разбавлении анализируемой воды дистиллированной водой вдвое), измеряют высоту столба суспензии в первой пробирке;

· продолжают переносить суспензию во вторую пробирку до тех пор, пока в ней не скроется изображение точки, измеряют высоту столба суспензии во второй пробирке;

· находят среднее арифметическое из двух полученных значение высоты столба суспензии, по таблице определяют концентрацию сульфат-иона в мг/л:

Высота столба суспензии, мм	Концентрация сульфат-иона, мг/л	Высота столба суспензии, мм	Концентрация сульфат-иона, мг/л
100	33	65	50
95	35	60	53
90	38	55	56
85	40	50	59
80	42	45	64
75	45	40	72
70	47	-	-

Хлориды. Метод определения хлоридов основан на титровании воды раствором нитрата серебра, в результате чего образуется суспензия хлорида серебра:

Для определения точки эквивалентности используется хромат калия, который реагирует с избытком нитрата серебра с образованием оранжево-бурого осадка хромата серебра :

Титрование можно проводить в пределах рН 5,0-8,0.

Выполнение анализа:

· в склянку с меткой «10 мл» наливают 10 мл исследуемой воды, добавляют 3 капли раствора хромата калия, закрывают пробкой, встряхивают;

· открывают пробку и титруют содержимое склянки раствором нитрата серебра при перемешивании до появления бурой окраски, отмечают объем раствора нитрата серебра , затраченного на титрование;

· рассчитывают концентрацию хлорид-иона по формуле:

Определение биогенных элементов в природных водах

Биогенными элементами (биогенами) традиционно считаются элементы, входящие, в значительных количествах, в состав живых организмов. Круг элементов, относимых к биогенным, достаточно широк; это -- азот, фосфор, сера, железо, кальций, магний, калий и др. В эколого-аналитическом контроле к биогенам относят компоненты природных вод , которые: 1) являются продуктами жизнедеятельности различных организмов 2) являются «строительным материалом» для живых организмов. В первую очередь к ним относятся соединения азота (нитраты, нитриты, органические и неорганические аммонийные соединения), фосфора (ортофосфаты, полифосфаты, органические эфиры фосфорной кислоты и др.).

Нитраты обычно присутствуют в природной воде. Метод определения нитратов в полевых условиях основан на способности салициловой (орто-гидроксибензойной) кислоты в присутствии концентрированной серной кислоты вступать в реакцию нитрования с образованием нитросалициловой кислоты, которая в щелочной среде образует окрашенную в желтый цвет соль.

Определению мешает хлорид-анион при массовой, концентрации более 500 мг/л и соединения железа при массовой концентрации более 0,5 мг/л. От влияния соединений железа освобождаются, добавляя сегнетову соль (тартрат калия-натрия); при концентрации хлоридов более 500 мг/л анализируемую воду разбавляют и определение повторяют.

Выполнение анализа. Поместить с помощью пипетки 1,0 мл анализируемой воды в стаканчик для выпаривания. Если в воде содержатся соединения железа в концентрации свыше 0,5 мг/л, , в стаканчик следует внести также 0,1 г сегнетовой соли. Содержимое стаканчика выпарить досуха на кипящей водяной бане в течение 10-15 мин. Охладить стаканчик до комнатной температуры в течение 5-10 мин.

Далее добавить в стаканчик пипеткой-капельницей 4-5 капель раствора салициловой кислоты так, чтобы смочить весь сухой остаток. Добавить другой пипеткой 26-27 капель концентрированной серной кислоты (около 0,5 мл). Сухой остаток смешать с кислотой стеклянной палочкой и растереть его по дну и стенкам стаканчика. Не вынимая палочку из стаканчика, оставить его содержимое на 5 минут. После этого добавить пипеткой 3-4 мл дистиллированной воды таким образом, чтобы обмыть внутренние стенки стаканчика, далее добавить к содержимому стаканчика 4-5 мл 20% раствора гидроксида натрия. При наличии в воде нитрат-ионов раствор в стаканчике окрашивается в желтый цвет. Содержимое стаканчика количественно перенести в склянку с меткой «10 мл», дистиллированной водой довести объем раствора до 10 мл. Окраску раствора сравнить с приготовленной заранее контрольной шкалой (0 - 50 мг/л нитрат-иона). За результат анализа принять значение концентрации нитрат-ионов в мг/л того образца шкалы, который более всего соответствует окраске полученного раствора. Если окраска содержимого склянки для колориметрирования окажется интенсивнее крайнего образца (50 мг/л), анализируемую воду разбавляют в 5 раз дистиллированной водой и определение повторяют. При вычислении результатов учитывают степень разбавления пробы.

Нитриты. Нитрит-ионы являются промежуточными продуктами биологического разложения азотсодержащих органических соединений. Нитрифицирующие бактерии превращают аммонийные соединения в нитриты в аэробных условиях. Некоторые виды бактерий в процессе своей жизнедеятельности также могут восстанавливать нитраты до нитритов, однако это происходит уже в анаэробных условиях. Нитриты часто используются в промышленности как ингибиторы коррозии, в пищевой промышленности как консерванты. В поверхностных водах нитриты, как правило, отсутствуют. Поэтому наличие в анализируемой воде повышенного содержания нитритов свидетельствует о загрязнении воды.

Метод определения концентрации нитрит-иона основан на его реакции в кислой среде (в виде азотистой кислоты) с реактивом Грисса (смесью сульфаниловой кислоты и альфа-нафтиламина). При этом протекают реакции диазотирования и азосочетания, в результате которых образуется азосоединение (азокраситель), имеющее пурпурную окраску:

Концентрацию нитрит-анионов определяют визуально-колориметрическим методом, сравнивая окраску раствора с контрольной шкалой образцов окраски.

Выполнение анализа. Налить анализируемую воду в колориметрическую пробирку до метки «5 мл».Добавить около0,05 г реактива Грисса. Перемешать содержимое пробирки встряхиванием до растворения смеси. Оставить пробирку на 20 мин. для завершения реакции. Провести визуальное колориметрирование пробы. Окраску раствора в пробирке на белом фоне сравнить с контрольной шкалой образцов окраски. Контрольная шкала образцов окраски для определения нитрит-иона (0; 0,02; 0,10; 0,50; 1,0 мг/л) готовится перед анализом в лабораторных условиях.

Катионы аммония являются продуктом микробиологического разложения белков животного и растительного происхождения. По этой причине катионы аммония в небольших концентрациях обычно присутствуют в природных водах. Повышенное содержание аммонийного азота в поверхностных водах обычно является признаком хозяйственно-фекальных загрязнений. Определение концентрации катиона аммония основано на его реакции с реактивом Несслера с образованием окрашенного в щелочной среде в желтый цвет соединения :

Мешающее влияние железа устраняют добавлением к пробе сегнетовой соли. Концентрацию катионов аммония определяют, сравнивая окраску полученного раствора с контрольной шкалой, приготовленной заранее в лабораторных условиях Контрольная шкала образцов окраски для определения катиона аммония приготовлена для концентраций 0; 0,2; 0,7; 2,0; 3,0 мг/л . ПДК аммиака и ионов аммония в воде водоемов составляет 2,6 мг/л (или 2,0 мг/л по аммонийному азоту). Лимитирующий показатель вредности -- общесанитарный.

Выполнение анализа. Налить 5 мл анализируемой воды в колориметрическую пробирку. Добавить туда 0,1 г сегнетовой соли, влить 1 мл реактива Несслера, перемешать содержимое пробирки. Оставить смесь на 1-2 мин. До завершения реакции. После этого на белом фоне сравните окраску раствора с окраской контрольной шкалы, определить концентрацию анализируемого компонента по окраске ближайшего по цвету образца контрольной шкалы.

Фосфор в природных водах может присутствовать в разных химических формах: в виде ортофосфорной кислоты (Н3РО4) и ее анионов, в виде мета-, пиро- и полифосфатов, в виде фосфорорганических соединений (нуклеиновые кислоты, нуклеопротеиды, фосфолипиды и др.).Фосфор может содержаться и в нерастворенном состоянии, присутствуя в виде взвешенных в воде труднорастворимых фосфатов, включая природные минералы, белковые, органические фосфорсодержащие соединения, остатки умерших организмов и др. Фосфор в твердой фазе в природных водоемах обычно находится в донных отложениях, однако может встречаться в загрязненных природных водах.

Фосфаты в природных водах определяются по реакции с молибдатом аммония в кислой среде. Образующийся при этом комплекс (продукт желтого цвета), далее под действием хлорида олова (II) - восстановителя- превращается в синий краситель сложного состава -«молибденовую синь»:

Концентрацию ортофосфатов в анализируемой воде определяют по окраске пробы, сравнивая ее с окраской образцов по контрольной шкале. Контрольная шкала образцов окраски для концентраций ортофосфатов (0; 0,2; 1,0; 3,5; 7,0 мг/л). В реакцию с молибдатом аммония из всех присутствующих в воде фосфатов непосредственно вступают только ортофосфаты. Для перевода в ортофосфаты всех соединений фосфора проводят: а) кислотный гидролиз (в присутствии серной кислоты), б) минерализацию пробы, которая заключается в кипячении пробы с добавлением кислоты и сильного окислителя - персульфата калия или перекиси водорода.

Выполнение анализа (ортофосфаты, общий фосфор). Налить в склянку 20 мл отстоянной воды. Добавить к пробе 15 капель сульфаминовой кислоты (для связывания нитритов), 1 мл раствора молибдата аммония. Склянку закрыть пробкой, перемешать содержимое, оставить на 5-10 мин для завершения реакции. Далее добавить в склянку 2-3 капли раствора хлорида олова, закрыть пробкой, перемешать. При наличии в пробе ортофосфатов раствор окрасится в синий цвет.

При анализе фосфатов в гидролизованной пробе непосредственно определяются сумма ортофосфатов и полифосфатов; концентрация же полифосфатов рассчитывается как разность между результатами анализа гидролизованной и негидролизованной пробы. Гидролиз полифосфатов протекает в присутствии серной кислоты (20%) при кипячении пробы, а также при проведении минерализации, т.к. ее проводят в сильнокислой среде. Диапазон определяемых концентраций ортофосфатов в воде при визуально-колориметрическом определении -- от 0,2 до 7,0 мг/л. Определение визуально-колориметрическим методом возможно и при концентрации ортофосфатов более 7,0 мг/л после соответствующего разбавления пробы чистой водой.

При анализе загрязненных вод выполняются операции, позволяющие устранить мешающее влияние силикатов, соединений железа (III), сульфидов и сероводорода. При наличии сильнощелочной среды пробу необходимо нейтрализовать раствором серной кислоты до значений рН 4-8; если в анализируемой воде ожидается присутствие силикатов (более 50 мг/л) и соединений железа (III) (более1 мг/л), следует разбавить пробу перед анализом чистой водой. Влияние сульфидов и сероводорода устраняется добавлением в пробу нескольких капель перманганата калия (разбавленного раствора). Если в пробе возможно присутствие хроматов, следует изменить порядок прибавления растворов: первым прибавить раствор хлорида олова, затем сульфаминовую кислоту и только после этого - раствор молибдата аммония.

Для определения общего фосфора в фарфоровую чашку наливают 50 мл анализируемой воды, добавляют 0,5 г персульфата аммония и 1 мл серной кислоты (1:3). Пробу выпаривают досуха, подвергают термическому разложению (1600С, 6 часов), охлаждают до комнатной температуры. В чашку добавляют дистиллированную воду, раствор количественно переносят в мерную колбу. Отбирают аликвоту раствора 20 мл, определяют содержание ортофосфатов. Содержание общего фосфора определяют по градуировочному графику, построенному ранее для стандартных растворов.

Ионы металлов в природных водах. Наиболее опасно для гидробионтов загрязнение природных вод тяжелыми металлами (Cd, Pb, Zn, Cr, Ni, Co, Hg и др.). Тяжелые металлы в природных водах могут существовать в различных химических формах (виде растворимых солей, комплексных соединений , коллоидных частиц, осадков нерастворимых соединений) . Метод определения сумы тяжелых металлов в природных водах основан на групповой реакции катионов металлов (цинка, меди и свинца, а также некоторых других) с дитизоном, в результате которой образуются окрашенные в оранжево-красный цвет дитизонаты металлов. Реакцию проводят в слабощелочной среде благодаря чему определяются ионы металлов, находящиеся в воде в виде растворимых соединений. Металлы экстрагируют из воды органическим растворителем. Концентрацию суммы металлов определяют визуально-колориметрическим методом, сравнивая окраску раствора с контрольной шкалой образцов окраски.

Выполнение анализа. В делительную воронку налить 20 мл анализируемой воды. Прибавить в воронку 1 мл буферного раствора (рН=8) и 2 мл дитизона. Встряхивать воронку 20-30 мин, затем внести 2 капли раствора аммиака и снова встряхивать 20-30 с. Воронку оставить в вертикальном положении до полного разделения жидкости на два слоя - водный и органического растворителя. Далее нижний (органический) слой слить в пробирку. Окраску раствора в пробирке сравнить с контрольной шкалой, определить концентрацию сумы тяжелых металлов в пробе.

Железо всегда встречается практически во всех природных водах в различных химических формах, содержащих Fe2+ и Fe3+. При рН>3,5 железо (III) существует в водном растворе только в виде комплекса, постепенно переходящего в гидроксид. При рН>8 железо (II) тоже существует в виде аквакомплекса, легко окисляется до железа (III): Fe (II) ->Fe (III) ->FeO (ОН) хН2О. При анализе определяют суммарное содержание железа в воде во всех его формах, так называемого «общего железа».

Перевод железа в растворимую форму, пригодную для анализа, проводят, добавляя к пробе определенное количество сильной кислоты (азотной, соляной, серной) до рН 1-2. Метод определения железа в природных водах основан на способности катиона железа (II) в интервале рН 3-9 образовывать с орто-фенантролином комплексное оранжево-красное соединение. При наличии в воде железа (Ш), оно восстанавливается до железа (II) солянокислым гидроксиламином в нейтральной или слабокислой среде. Концентрацию железа в анализируемой воде определяют по окраске пробы, визуально сравнивая ее с окраской образцов на контрольной шкале.

Выполнение анализа. В склянку отобрать пробу воды объемом 10 мл. Определить рН воды, довести при необходимости рН до значения 4-5 , используя растворы гидроксида натрия (10%) или соляной кислоты (1:10). В склянку добавить 4-5 капель раствора солянокислого гидроксиламина (10%), содержимое перемешать. поочередно добавить 1,0 мл ацетатного буферного раствора и 0,5 мл раствора орто-фенантролина (0,1%). Раствор перемешать и оставить на 20 мин для развития окраски. Далее определите концентрацию железа общего, сравнивая цвет полученного анализируемого раствора с ближайшим по оттенку цветом образца контрольной шкалы

Консервирование и хранение проб воды

Анализы, проводимые в полевых условиях, не отличаются большой точностью. Результаты определений нельзя использовать для принятия управленческих и правовых решений. Как правило, при полевых исследованиях только отбирают пробы воды для дальнейших лабораторных исследований. Однако не все компоненты проб устойчивы, часть их в процессе переноса проб воды в лаборатории может быть безвозвратно потеряна вследствие испарения, окисления кислородом воздуха, биохимического окисления и др. Для предотвращения изменения состава анализируемых проб в процессе транспортировки и временного хранения в лаборатории применяют операции консервирования проб.

Универсальных консервирующих средств не существует, поэтому сразу отбирают несколько проб воды в разные емкости, в каждую из которых добавляют свой консервант, необходимый для сохранения определенных компонент пробы. В табл.1 приведены способы консервации, а также особенности отбора и хранения проб.

Таблица 1. Способы консервации, особенности отбора и хранения проб

Анализируемый показатель	Способ консервации и количество консерванта на 1 л воды	Максимальное время хранения пробы	Особенности отбора и хранения проб
Активный хлор	Не консервируют	Несколько минут	-
Аммиак и ионы аммония	Не консервируют	2 часа	-
	То же	1 сутки	Хранить при 4 0С
	2-4 мл хлороформа или 1 мл концентрированной H2SO4	1-2 суток	-
БПК	Не консервируют	3 часа	Отбирать только в стеклянные бутыли
	То же	1 сутки	Хранить при 4 0С
Вкус и привкус	Не консервируют	2 часа	Отбирать только в стеклянные бутыли
Водородный показатель (рН)	Не консервируют	При отборе пробы	-
	То же	6 часов	В бутыли не оставлять пузырьков воздуха
Гидрокарбонаты	Не консервируют	2 суток	-
Железо общее	Не консервируют	4 часа	-
	2-4 мл хлороформа или 3 мл конц. HCl или HNO3	2 суток
Жесткость воды	Не консервируют	2 суток	-
Запах	Не консервируют	2 часа	Отбирать только в стеклянные бутыли
Кальций	Не консервируют	2 суток	-
Карбонаты	Не консервируют	2 суток	-
Металлы тяжелые	Не консервируют	В день отбора	-
Металлы тяжелые	3 мл HCl или HNO3	3 суток
	То же	1 месяц	Хранить при 4 0С
Мутность	Не консервируют	2 часа	Перед анализом взболтать
Нефтепродукты	Не консервируют	В день отбора	Отбирать в стеклянные бутыли, для анализа используют весь объем пробы
	2-4 мл хлороформа	5 суток	-
	Экстракция на месте отбора	1 месяц	-
Никель	Не консервируют	В день отбора	-
	3 мл конц. HCl или HNO3	1 месяц	Хранить при 4 0С
Нитраты	Не консервируют	2 часа	-
	2-4 мл хлороформа	3 суток	Хранить при 4 0С
Нитриты	Не консервируют	2 часа	-
	2-4 мл хлороформа	3 суток	Хранить при 4 0С
ХПК	Не консервируют	4 часа	-
	10 мл H2SO4	1 сутки	Хранить при 4 0С
Окисляемость перманганатная	Не консервируют	4 часа	-
	50 мл раствора H2SO4 (1:3)	1 сутки	Хранить при 4 0С, при определении учитывать количество прибавленной кислоты
Пенистость	Не консервируют	В день отбора
Прозрачность	Не консервируют	4 часа
Растворенный кислород	Не консервируют	1 сутки
Сероводород	Не консервируют	1 сутки
Сульфаты	Не консервируют	7 суток	-
Сухой остаток	Не консервируют	В день отбора	-
Сухой остаток	2 мл хлороформа	1-2 суток	-
Фенолы	Не консервируют	В день отбора	Отбирать в стеклянные бутыли
	4 г NaOH	1-2 суток	Хранить при 4 0С
Фосфаты	Не консервируют	В день отбора	-
	2-4 мл хлороформа	1 сутки	-
Фториды	Не консервируют	7 суток	Отбирать в полиэтиленовую посуду
Хлориды	Не консервируют	7 суток	-
Цветность	Не консервируют	В день отбора пробы	-
	2-4 мл хлороформа	1-2 суток	-

Однако при добавлении к водным пробам их стабилизаторов всегда необходимо всесторонне учитывать их свойства и те осложнения, которые могут возникнуть при анализе из-за применения консервирующих добавок

Так при определении органолептических показателей пробы не консервируют, но ограничено время их хранения. Это обусловлено относительно быстро протекающим в пробе биохимическим окислением компонент, в результате чего изменяется вкус и привкус, запах воды, появляются нерастворимые компоненты, образующие осадок. Для определения других показателей качества воды время хранения проб, даже при условии консервирования, для большинства компонент составляет от нескольких часов до 1-2 суток. Несоблюдение требований по хранению проб приводит к изменению состава проб и, соответственно, несоответствию результатов анализа составу анализируемой природной воды.

Литература

1. Акимова Т.В. Экология. Человек-Экономика-Биота-Среда: Учебник для студентов вузов/ Т.А.Акимова, В.В.Хаскин; 2-е изд., перераб. и дополн.- М.:ЮНИТИ, 2009.- 556 с. Рекомендован Минобр. РФ в качестве учебника для студентов вузов.

2. Акимова Т.В. Экология. Природа-Человек-Техника.: Учебник для студентов техн. направл. и специал. вузов/ Т.А.Акимова, А.П.Кузьмин, В.В.Хаскин..- Под общ. ред. А.П.Кузьмина; Лауреат Всеросс. конкурса по созд. новых учебников по общим естественнонауч. дисципл. для студ. вузов. М.:ЮНИТИ-ДАНА, 2006.- 343 с. Рекомендован Минобр. РФ в качестве учебника для студентов вузов.

3. Бродский А.К. Общая экология: Учебник для студентов вузов. М.: Изд. Центр «Академия», 2006. - 256 с. Рекомендован Минобр. РФ в качестве учебника для бакалавров, магистров и студентов вузов.

4. Воронков Н.А. Экология: общая, социальная, прикладная. Учебник для студентов вузов. М.: Агар, 2006. - 424 с. Рекомендован Минобр. РФ в качестве учебника для студентов вузов.

5. Коробкин В.И. Экология: Учебник для студентов вузов/ В.И. Коробкин, Л.В.Передельский. -6-е изд., доп. И перераб.- Ростон н/Д: Феникс, 2007.- 575с. Лауреат Всеросс. конкурса по созд. новых учебников по общим естественнонауч. дисципл. для студ. вузов. Рекомендовано Минобр. РФ в качестве учебника для студентов вузов.

6. Николайкин Н.И., Николайкина Н.Е., Мелехова О.П. Экорлогия. 2-е изд.Учебник для вузов. М.: Дрофа, 2008. - 624 с. Рекомендован Минобр. РФ в качестве учебника для студентов технич. вузов.

7. Стадницкий Г.В., Родионов А.И. Экология: Уч. пособие для стут. химико-технол. и техн. сп. вузов./ Под ред. В.А.Соловьева, Ю.А.Кротова.- 4-е изд., испр. - СПб.: Химия, 2007. -238с. Рекомендован Минобр. РФ в качестве учебника для студентов вузов.

8. Одум Ю. Экология т.т. 1,2. Мир,2006.

9. Чернова Н.М. Общая экология: Учебник для студентов педагогических вузов/ Н.М.Чернова, А.М.Былова. - М.: Дрофа, 2008.-416 с. Допущено Минобр. РФ в качестве учебника для студентов высших педагогических учебных заведений.

10. Экология: Учебник для студентов высш. и сред. учеб. заведений, обуч. по техн. спец. и направлениям/Л.И.Цветкова, М.И.Алексеев, Ф.В.Карамзинов и др.; под общ. ред. Л.И.Цветковой. М.: АСБВ; СПб.: Химиздат, 2007.- 550 с.

11. Экология. Под ред. проф.В.В.Денисова. Ростов-н/Д.: ИКЦ «МарТ», 2006. - 768 с.

Размещено на Allbest.ru

...