Новый методический подход в потенциометрическом анализе природной воды
Метод потенциометрического анализа концентрации ионов в водных растворах, основанный на определении скорости изменения величины электродного потенциала после контролируемого изменения концентрации аналита. Конструкция полуавтоматического иономера.
| Рубрика | Экология и охрана природы |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 02.12.2018 |
| Размер файла | 453,9 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Новый методический подход в потенциометрическом анализе природной воды
Селезенев Р.В., Кантор Г.Я.,
Ашихмина Т.Я.
Аннотация
Предложен метод потенциометрического анализа концентрации ионов в водных растворах, основанный на определении скорости изменения величины электродного потенциала после контролируемого изменения концентрации аналита, а также конструкция полуавтоматического иономера, реализующего данный метод. Описанный подход позволяет значительно сократить время потенциометрического измерения, а также уменьшить систематическую погрешность метода за счет учета матрицы пробы. Созданный прибор позволяет в полуавтоматическом режиме измерять концентрации ионов по такому методическому подходу.
Ключевые слова: потенциометрия, ион-селективные электроды, метод добавок, метод разбавлений.
Введение
Традиционный подход в потенциометрическом измерении концентраций ионов в природной воде сводится к калибровке ион-селективного электрода (ИСЭ) внешними стандартными растворами с последующим измерением электродного потенциала в анализируемом растворе и нахождением концентрации иона по калибровочной кривой. Однако такой подход отличается рядом недостатков, самые важные из которых - наличие неизвестной систематической погрешности из-за присутствия в пробе посторонних ионов (матрицы) и длительный выход ИСЭ на равновесное состояние.
Систематическую погрешность нельзя уменьшить, увеличив количество измерений, однако известным способом является метод добавок, который, в частности, широко применяется при потенциометрическом определении концентрации ионов ион-селективными электродами [1]. Метод добавок существует во множестве вариантов, в том числе и в сочетании с последующим разбавлением, что позволяет существенно уменьшить погрешность потенциометрического анализа. Его суть заключается в градуировке ион-селективного электрода растворами, содержащими матрицу пробы. К исходной пробе производят точную добавку определяемого иона таким образом, чтобы исходная концентрация увеличилась примерно в 1.2-1.4 раза (k = 1.2-1.4), а затем из пробы с добавкой готовят несколько разбавлений (не меньше 2) с кратностью разбавлений k (n+1), где n - порядковый номер разбавленного раствора. Растворы анализируют по очереди, начиная с самого разбавленного.
В работе авторов [2] подробно рассмотрено применение метода добавок-разбавлений при потенциометрическом определении нитрат-ионов в природной воде. Было показано, что данный метод можно реализовать двумя принципиально разными подходами, а расчет искомой концентрации вести двумя способами: численными методами (метод наименьших квадратов) и по формуле (с квадратичной поправкой или без нее).
Еще одним недостатком потенциометрического анализа является его низкая экспрессность. Установление равновесного потенциала занимает, в зависимости от электрода, от 2 до 10 минут. Однако известно, что скорость выхода электрода на равновесное состояние зависит от концентрации ионов в растворе [3]. Отсюда следует, что измеряя изменение величины потенциала во времени можно определить концентрацию ионов, не дожидаясь установления равновесия. Это позволило бы значительно сократить время потенциометрического анализа.
потенциометрический анализ концентрация ион водный раствор
Экспериментальная часть
В эксперименте использовался аммоний-селективный электрод производства фирмы ЭЛИС. Электродный потенциал снимался относительно хлорсеребряного электрода сравнения, заполненного 3М хлоридом калия, pH-метром-иономером Эксперт-001. Для приготовления растворов использовался нитрат аммония квалификации "х. ч.".
Для определения электродных характеристик аммоний-селективного электрода по кривым изменения величины потенциала во времени готовились калибровочные растворы нитрата аммония с концентрациями 10-1, 10-2, 10-3, 10-4 и 10-5 М. Непосредственно перед экспериментом аммоний-селективный электрод отмывался в деионизованной воде с помощью магнитной мешалки.
Результаты и их обсуждение
Ион-селективный электрод вместе с электродом сравнения опускался в исследуемый раствор с наименьшей из пяти концентраций ионов аммония и с помощью компьютерной программы Эксперт-001 записывали изменение величины потенциала. Кривые изменения величины электродного потенциала приведены на рис.1:
Рис.1. Кривые изменения электродного потенциала в стандартных растворах
Кинетическая кривая может быть описана следующей формулой:
,
где E - равновесное значение электродной разности потенциалов, ф1 и ф2 - постоянные времени двух релаксационных процессов, a и b - коэффициенты, характеризующие интенсивность процессов, t0 - время начала второго процесса (при t < t0, последнее слагаемое полагалось равным нулю).
Для подбора коэффициентов и аддитивной константы по методу наименьших квадратов использовалась надстройка "Поиск решения" программного пакета Microsoft Excel.
Далее была построена зависимость сумм аддитивных констант двух экспонент от логарифма концентрации ионов аммония в растворе (рис.2).
Перед разработкой конструкции прибора, реализующего в полуавтоматическом режиме измерение концентраций данным методом, были проведены эксперименты с электрохимической ячейкой малого объема (1 мл) без вынимания электродов из раствора при измерениях. Схематичное изображение ячейки представлено на рис.3.
Рис.2. Зависимость рассчитанного электродного потенциала от отрицательного логарифма концентрации ионов аммония в растворе
Рис.3. Схема экспериментальной электрохимической ячейки (а - вид сверху, б - вид сбоку); 1 - корпус ячейки, 2 - ион-селективный электрод, 3 - электрод сравнения
Рис.4. Зависимость электродного потенциала от отрицательного логарифма концентрации ионов аммония в растворе
Ячейка сконструирована таким образом, чтобы максимально снизить мешающее действие мигрирующих из электрода сравнения ионов калия на значение электродного потенциала ИСЭ. А малый объем позволял вытеснять растворы один за другим без вынимания электродов из раствора. Результаты калибровки по стандартным растворам нитрата аммония приведены на рис.4.
Для реализации метода добавки-разбавлений и увеличения экспрессности с помощью использования кинетических характеристик ИСЭ нами предложена следующая конструкция прибора (см. рис.5).
Рис.5. Схема авторского прибора
Конструкция прибора состоит из шаговых двигателей (2), управляемых программируемыми контроллерами (1). К валам двигателей при помощи муфт (3) крепятся ходовые винты (4), соединенные с поршнями (6), перемещающимися внутри цилиндров (5). Емкости (12) наполняются растворами: анализируемой пробой (12а), стандартным образцом (12б) и деионизованной водой (12в). При помощи трехходового крана (9) выбирается раствор для заполнения шприца, а при помощи пятиходового крана (8) специальной конструкции задается направление растворов из емкостей в шприцы, либо из шприцев в смеситель (10), из которого уже разбавленная проба или проба с добавкой поступают в электрохимическую ячейку (11). Ячейка содержит отверстия для ион-селективного электрода (11а), электрода сравнения (11б) и отверстие для слива (11в).
Задавая разную скорость шаговых двигателей у каждого насоса при помощи персонального компьютера или аппаратного контроллера, можно регулировать скорость потока каждого раствора по отдельности и тем самым устанавливать требуемую концентрацию или коэффициент разбавления раствора на выходе. Направив поток в электрохимическую ячейку небольшого объема (1-3 мл) с ион-селективным электродом и электродом сравнения, можно не вынимая электрод из раствора, измерять кинетику изменения величины электродного потенциала. Кроме того, движение потока раствора не позволяет электролиту из электрода сравнения доходить до мембраны ион-селективного электрода, что исключает мешающее действие электролита на нее.
Электроды подключаются к милливольтметру, соединенному с компьютером через интерфейс RS-232. При помощи программы-самописца записывается временной ряд значений электродного потенциала. Полученные кривые подвергаются математической обработке и экстраполируются до равновесного значения потенциала, что сокращает время анализа.
Выводы
Предложен метод потенциометрического анализа концентрации ионов в водных растворах, основанный на определении скорости изменения величины электродного потенциала после контролируемого изменения концентрации аналита, который позволяет экспрессно измерять значение концентрации анализируемого иона с уменьшением величины систематической погрешности метода. Данный метод может применятся в практике производственного эко-аналитического контроля и экологического мониторинга.
Литература
1. Камман К. Работа с ионселективными электродами. М.: Мир. 1980.285с.
2. Селезенев Р.В., Кантор Г.Я. Теоретическая и прикладная экология. 2013. №2. C.45-49.
3. Морф В. Принципы работы ионоселективных электродов и мембранный транспорт. М.: Мир. 1985.280с.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Описание территории и особенностей климата Онего-Северодвинского бассейна. Оценка степени антропогенной трансформации речного стока в теплый период в пределах этого ареала путем анализа концентрации ионов натрия. Изменение концентрации натрия по годам.
курсовая работа [157,1 K], добавлен 09.02.2016Определение качественного состава микроорганизмов водных экосистем. Бактерии группы кишечной палочки. Грамположительные неспорообразующие кокки. Метод мембранных фильтров. Дрожжевые и плесневые грибы. Санитарно-вирусологический контроль водных объектов.
контрольная работа [40,1 K], добавлен 15.02.2016Методы определения концентрации ионов водорода, грубодисперсных сухих и прокаленных примесей в сточных водах. Описание приборов для очищения через мембранные фильтры, кварцевые или фарфоровые тигли. Кинетика выпадения и всплывания суспендированных частиц.
реферат [117,4 K], добавлен 30.07.2010Назначение и основные принципы реализации кондуктометрических методов анализа. Разновидности используемых методов и особенности их применения. Примеры использования кондуктометрии в анализе объектов окружающей среды и необходимое для этого оборудование.
курсовая работа [86,1 K], добавлен 07.01.2010Круговорот воды в природе, поверхностные и грунтовые воды. Проблемы водоснабжения, загрязнение водных ресурсов. Методические разработки: "Водные ресурсы планеты", "Исследование качества воды", "Определение качества воды методами химического анализа".
дипломная работа [105,2 K], добавлен 06.10.2009Изменения физических, химических и биологических свойств воды в водоемах в связи со сбрасыванием в них отходов. Загрязнение водных ресурсов, описание их источников. Чем опасны различные виды загрязнений водных ресурсов. Примеры экологических катастроф.
доклад [19,9 K], добавлен 08.12.2010Основные понятия и определения. Нормирование качества воздуха. Нормирование качества воды. Нормирование качества почвы. Предельно допустимые концентрации вредных веществ в продуктах питания. Классы опасности химических соединений.
реферат [24,2 K], добавлен 07.02.2004Атомно-адсорбционная спектрометрия и ее применение в различных областях народного хозяйства. Преимущества и недостатки методов, применяемое оборудование. Примеры использования метода в анализе почв. Измерение массовой концентрации металлов в пробах воды.
курсовая работа [261,0 K], добавлен 07.01.2010Методы расчета величины максимальной концентрации вредного вещества у земной поверхности, прилегающей к промышленному предприятию. Определение размеров нефтеловушки, используемой в качестве первой ступени очистки воды в оборотной системе водоснабжения.
задача [54,4 K], добавлен 22.02.2010Проблема изменения климата Земли как один из главных вопросов выживания человечества. Сущность и предпосылки глобального потепления, направления и перспективы разрешения связанных с ним проблем. Причины роста концентрации углекислого газа в атмосфере.
презентация [864,3 K], добавлен 06.04.2014Максимальные концентрации загрязняющих веществ в очищаемых водах. Результаты анализов хозбытовой и промышленной воды после очистки эйхорнией. Химический состав растительной массы. Процесс извлечения ингредиентов из сточных вод с помощью эйхорнии.
презентация [75,0 K], добавлен 16.12.2009Комплексная характеристика бассейна р. Ждановка и стадиона Петровский. Интегральные показатели оценки экологического состояния водных объектов. Индекс оценки трофического состояния водоёма. Нормативы допустимого воздействия. Расчет фоновой концентрации.
реферат [2,2 M], добавлен 24.12.2013Исследование целей и задач проведения всемирного дня воды и водных ресурсов. Привлечение внимания всего человечества к вопросам освоения и сбережения водных ресурсов. Физические свойства и интересные факты о воде. Проблема дефицита пресной воды в мире.
презентация [4,1 M], добавлен 07.04.2014Установление зависимости уровня концентрации, создаваемой выбросами предприятий, от местоположения источника выбросов. Разработка атмосферных мероприятий по снижению уровня концентрации и контрольных расчетов, подтверждающих достаточность мероприятия.
контрольная работа [56,0 K], добавлен 28.06.2011Расчет максимальной приземной концентрации, расстояния, на котором достигается максимальная приземная концентрация загрязняющих веществ, приземной концентрации загрязняющих веществ на различных расстояниях от источника. Предельно допустимые выбросы.
контрольная работа [72,3 K], добавлен 23.05.2012Химическое, биологическое и физические загрязнения водных ресурсов. Проникновение загрязняющих веществ в круговорот воды. Основные методы и принципы очистки воды, контроль ее качества. Необходимость защиты водных ресурсов от истощения и загрязнения.
курсовая работа [455,3 K], добавлен 18.10.2014Причины деградации природных вод. Рациональное использование и охрана водных ресурсов как составная часть охраны окружающей природной среды. Необходимость оснащения жилых зданий и зданий социально-бытового назначения общедомовыми приборами учета воды.
презентация [10,1 M], добавлен 23.11.2015Состояние качества воды в водных объектах. Источники и пути загрязнения поверхностных и подземных вод. Требования к качеству воды. Самоочищение природных вод. Общие сведения об охране водных объектов. Водное законодательство, водоохранные программы.
курсовая работа [2,6 M], добавлен 01.11.2014Характеристика сточной воды предприятия и условия сброса очищенной воды. Предельно допустимые концентрации веществ, входящих в состав сточных вод. Выбор технологической схемы очистки. Анализ эффективности очистки сточных вод по технологической схеме.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 12.11.2011Основные виды и масштабы негативного воздействия человека и промышленности на природную среду. Техногенная ситуация в России. Оценка качества природной среды: санитарно-гигиенические нормативы, предельные концентрации вредных веществ и уровня радиации.
реферат [28,3 K], добавлен 25.10.2011
