Определение содержания металлов в воде

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

Определение содержания металлов в воде

Введение

металл колориметрический химический родановый

Для определения загрязняющих веществ используют инструментальные методы современной аналитической химии, основанные на измерении различных физических свойств определяемых веществ или продуктов их химических превращений (аналитических реакций) с помощью физических и физико-химических приборов. Результат измерения, несущий химико-аналитическую информацию, часто называют аналитическим сигналом.

Металлы оказывают существенное влияние на развитие гидробионтов и функционирование водных экосистем, поскольку многие из них входят в состав биоактивных соединений: витаминов, ферментов, гормонов. В то же время некоторые из них обладают мутагенными и канцерогенными свойствами, что отрицательно сказывается на жизнедеятельности водных организмов. Исследование распределения металлов среди сосуществующих форм в природных и сточных водах требует глубокого понимания аналитиком объекта анализа, правильного выбора методов определения содержания металлов, адекватной интерпретации полученных результатов. Не менее важное значение при этом имеют такие этапы, как отбор проб, их хранение и транспортировка. Понятно, что наиболее достоверными являются результаты, полученные на месте отбора пробы. Но на практике это не всегда возможно.

1. Методы определения металлов. Классификация

Содержание металлов весовым методом определяется путем перевода пробы в раствор - за счет химического растворения в подходящем растворителе (воде, водных растворах кислот, реже щелочей) или сплавления с подходящим флюсом из числа щелочей, оксидов, солей с последующим выщелачиванием водой. После этого соединение искомого металла переводится в осадок добавлением раствора соответствующего реагента - соли или щелочи, осадок отделяется, высушивается или прокаливается до постоянного веса, и содержание металлов (металла) определяется взвешиванием на аналитических весах и пересчетом на исходное содержание в пробе. При квалифицированном применении метод дает наиболее точные значения содержания металлов, но требует больших затрат времени.

Для определения содержания металлов электрохимическими методами пробу также необходимо перевести в водный раствор. После этого содержание металлов определяется различными электрохимическими методами - полярографическим (вольтамперометрическим), потенциометрическим, кулонометрическим, кондуктометрическим и другими, а также сочетанием некоторых из перечисленных методов с титрованием. В основу определения содержания металлов указанными методами положен анализ вольт-амперных характеристик, потенциалов ион-селективных электродов, интегрального заряда, необходимого для осаждения искомого металла на электроде электрохимической ячейки (катоде), электропроводности раствора и др., а также электрохимический контроль реакций нейтрализации и др. в растворах.

Эта группа методов позволяет определять содержание различных металлов в широком диапазоне концентраций с удовлетворительной точностью, но трудоемкость указанных методов также довольно высока.

Достаточно разнообразна группа спектральных методов определения содержания металлов. В нее входят, в частности, различные методы определения содержания металлов из анализа характеристических спектров электромагнитного излучения атомов - атомный эмиссионный анализ, атомный абсорбционный анализ, спектрофотометрия, масс-спектрометрия, рентгеноспектральный анализ.

Содержание металлов в очень малых (примесных) концентрациях - чаще радиоактивных изотопов соответствующих элементов, но и не радиоактивных тоже - определяется рядом методов ядерной спектрометрии (бета-, гамма-спектрометрии, а также нейтронно-активационного анализа).

В некоторых случаях содержание металлов определяется комплекснымиметодами, сочетающими спектральные и электрохимические - например, спектрополяриметрией.

2. Колориметрическое определение иона окисного железа родановым методом по пленочной шкале

Предварительная обработка пробы воды

Металлы в воде могут быть в различных формах: в виде ионов, коллоидов и комплексных соединений с органическими и неорганическими веществами. Для разрушения органических веществ и перевода всех форм металлов в простую ионную форму необходима предварительная обработка проб исследуемой воды.

Разрушение органических веществ можно вести несколькими способами:

1. Способом мокрогоозоления с использованием смеси серной и азотной кислот.

2. Персульфатным способом.

При этом или вся проба обрабатывается, а затем на определение отдельных металлов отбираются аликвотные части раствора, или аликвотная часть пробы обрабатывается отдельно для каждого металла.

Способ мокрого озоления. 100 мл или более (до 500 мл) исследуемой воды помещают в коническую круглодонную колбу с оттянутым горлышком из термостойкого стекла емкостью (в зависимости от исследуемой пробы) 200, 500, или 1000 мл. в колбу осторожно приливают 2 мл концентрированной серной кислоты, 5 мл концентрированной азотной кислоты и кипятят, пока не появятся густые белые пары серного ангидрида в результате испарения воды и серной кислоты. После этого нагревание следует прекратить. При большом содержании в пробе воды труднорастворяемых органических веществ процесс озоления ведут до полного осветления жидкости в колбе. Если не удалось добиться осветления добавлением одной порции смеси кислот, добавляют еще 5 мл концентрированной азотной кислоты и нагревание повторяют до появления паров серного ангидрида. Затем раствор охлаждают до комнатной температуры, разбавляют бидистиллятом до 50 мл и снова нагревают до кипения для растворения труднорастворимых солей. Если после растворения солей раствор не осветлился и содержит осадок, его фильтруют через фильтр (белая лента) в чистую колбу (если в пробе воды присутствуют металлы, которые могут адсорбироваться на осадке, то его необходимо несколько раз промыть раствором соляной кислоты 1:1). Колбу ополаскивают два раза 5-10 мл бидистиллята, подкисленного соляной кислотой, и смывают остаток на фильтр. Фильтрат переносят в мерную колбу, доводят бидистиллятом в мерной колбе до метки и перемешивают. Разводят в зависимости от концентрации определяемого металла и чувствительности применяемого метода. Весь раствор ли аликвотные его части берут на определение металлов. При обработке проб кислотами, помимо разрушения органических веществ, устраняются и другие мешающие анализу вещества: цианиды, нитриты, персульфаты улетают, другая часть примесей окисляется.

Способ персульфатного окисления. 100 мл ил более исследуемой воды помещают в коническую колбу из термостойкого стекла, прибавляют 2-3 мл серной кислоты (1:3), около 1 г персульфата аммония и кипятят не менее 20 мин. Затем охлаждают, доводят до первоначального объема. Весь объем или аликвотную часть его берут на определение металлов.

При определении металлов: цинка, серебра, меди, кадмия, хрома, кобальта - необходимо пробу воды озолять.

Определение свинца и никеля лучше проводить без озоления, так как при этом частично теряется свинец и никель.

Принцип метода

Метод основан на взаимодействии в сильно кислой среде окисного железа и роданида с образованием окрашенного в красный цвет соединения по следующей схеме:

Fe3++SCN=[Fe(SCN)] 2+.

При дальнейшем повышении концентрации роданида происходит образование комплексов с большим количеством координированных групп, причем максимальное число их равно шести:

Fe3++6SCN=[Fe(SCN) 6] 3 -.

Интенсивность окраски зависит от концентрации железа. Кроме того, интенсивность окраски комплексов с различным количеством координированных роданид-ионов неодинакова; она тем больше, чем больше роданид-ионов содержится в комплексной группе, однако отдельные комплексные группы мало отличаются по своей устойчивости и поэтому ни при каких условиях железо не образует какого-либо одного роданидногокомплекса; наряду с одной формой всегда находится значительное количество других форм роданидных комплексов железа с иным количеством координированных ионов родана.

Поэтому очень важно, чтобы концентрация роданида была достаточно большой и строго одинаковой как в анализируемом, так и в стандартном растворе. В противном случае при одном и том же количестве железа окраска обоих растворов будет неодинакова, так как они будут содержать комплексы различного состава.

Необходимо, чтобы раствор был заметно подкислен, так увеличение рН приводит к гидролизу соли железа и образованию основных солей или гидроокиси.

Мешающие влияния. Определению мешает целый ряд металлов, например, медь, висмут, кобальт. Мешающее влияние высокого содержания органических веществ и трудноразлагаемых комплексов железа устраняется выпариванием пробы с азотной и серной кислотой. Для этого 50 мл пробы выпаривают с 1 мл концентрированной серной кислоты и 1 мл концентрированной азотной кислоты до появления густых белых паров серного ангидрида. Пробу разбавляют, доводя дистиллированной водой до 50 мл. в этих случаях рекомендуется проводить определение только общего содержания железа.

Ход определения. В одну из стандартных колориметрических пробирок наливают 5 мл исследуемой воды, прибавляют для подкисления полную стеклянную лопаточку кислого сернокислого калия (размер лопаточки должен быть таким, чтобы при ее заполнении вес реактива составлял около 0,1 г и 0,5 мл 10%-ного раствора роданистого калия или роданистого аммония). При наличии иона окисного железа окраска раствора будет от слабо-розовой до ярко-оранжевой.

Раствор взбалтывают до растворения кристаллов кислого сернокислого калия. В другую стандартную пробирку наливают до метки исследуемую воду без реактива. Вставляют пробирку в компаратор и колориметрируют, рассматривая пробирки сверху. Если окраска жидкости окажется интенсивнее самого яркого эталона, раствор колориметрируют, рассматривая содержимое пробирки сбоку. Полученный результат при этом утраивают. Для колориметрирования используется пленочная шкала эталонов. Определение окисного железа делается возможно быстрее по взятии пробы, чтобы предупредить окисление закисного железа до окисного.

В условиях прописи метода без разбавления можно определить от 0,05 до 15 мг/л железа.

3. Определение содержания ионов тяжелых металлов в воде методом инверсионнойвольтамперометрии (цинк, кадмий, свинец, медь)

Количественный химический анализ проб воды на содержание ионов токсичных элементов (Cu2+, Cd2+, Pb2+, Zn2+) основан на инверсионно-вольтамперомерическом (ИВ) методе определения массовых концентраций элементов в растворе подготовленной пробы. Метод ИВ-измерений основан на способности элементов электрохимическиосаждаться на индикаторном электроде из анализируемого раствора при задаваемом потенциале предельногодиффузионного тока, а затем растворяться в процессе анодной поляризации при определенном потенциале, характерном для каждого элемента. Процесс электроосаждения элементов на индикаторном электроде проходит при заданном потенциале электролиза в течение заданного времени электролиза. Электрорастворение элементов с поверхности электрода проводят в режиме меняющегося потенциала (линейном или другом) при заданной чувствительности прибора. Регистрируемаявольтамперограмма содержит аналитические сигналы (максимальные анодные токи) определяемых элементов. Аналитический сигнал элемента прямо пропорционально зависит от концентрации определяемого по методу добавок аттестованной смеси определяемых элементов.

Обработка результатов измерений

Расчет концентрации ионов металлов в анализируемой пробе выполняют по формуле либо с помощью программного обеспечения «Анализ»:

С = [(h-hx) * Cст *Vст * V0] / [(H-h) * (V0 + Vст) * V], где

С - концентрация ионов металла в пробе воды, мг/дм3; - высота пика определяемого металла до добавки стандартного раствора (мм); - высота пика определяемого металла в растворе «холодного» опыта (мм); - высота пика определяемого металла после добавки стандартного раствора (мм); ст - концентрация добавляемого стандартного раствора (мг/дм3); ст - объем добавленного стандартного раствора (см3); - объем раствора в полярографической ячейке (см3); - объем пробы исходной воды, введенной в полярографическую ячейку.

4. Химико-спектральное определение тяжелых металлов в природных водах

Среди инструментальных методов определения микроэлементов (тяжелых металлов) эмиссионнаяспектрография в ультрафиолетовой части спектра выделяется высокой чувствительностью, оцениваемой обычно в 10-8 -10-4% и возможностью производить определение значительного числа элементов

(до 40-50) в одной пробе. Указанная чувствительность спектрального анализа, недостаточная для непосредственного определения большинства тяжелых металлов в природных водах, может быть повышена путем использования различных методов концентрирования. Как один из наиболее эффективных методов концентрирования следует отметить экстракцию. Достоинства этого метода состоят в высокой чувствительности, возможности группового выделения микроингредиентов (это особенно ценно в сочетании со спектральным анализом) и в большей степени концентрирования порядка 103-104.

Эффективность экстракции микрограммовых количеств металлов сильно зависит от различных условий: присутствия маскирующих веществ, соотношения объемов водной и органической фаз и т.п., но в первую очередь от величины рН раствора.

5. Определение содержания металлов в сточных водах

Предварительная обработка пробы при определении металлов

Для определения металлов, присутствующих в воде, пробу надо предварительно, непосредственно после её отбора, профильтровать через мембранный фильтр и подкислить разбавленной (1:1) азотной кислотой до рН=2.

Для определения суммарного содержания металлов обычно достаточно подкислить пробу до рН=2, а потом профильтровать. Если присутствуют труднорастворимые в кислотах соединения, требуется более трудоемкая работа. Прямая потенциометрия находит применение при определении рН растворов, а также многих ионов с использованием ионоселективных электродов. В анализе природных вод и питьевой воды ионоселективные электроды применяют для определения кадмия, меди, свинца, серебра, щелочных металлов и т.д. применению этих электродов препятствует большое число мешающих влияний, поэтому в анализе сточных вод ими рекомендуется пользоваться с осторожностью, постоянно сверяя получаемые результаты с результатами других методов определения.

Полярографические методы анализа широко используют в химико - аналитических лабораториях предприятий цветной металлургии для определения меди, никеля, кобальта, цинка, висмута, кадмия, сурьмы, олова и других металлов в рудах, металлах, полупродуктах и отходах производств. В тех же лабораториях эти методы, естественно и для анализа производственных сточных вод. Для анализа других производственных процессов их применяют редко.

6. Прямое определение железа, кадмия, кальция, кобальта, магния, марганца, меди, свинца, серебра, хрома и никеля

Прямое определение перечисленных металлов возможно, когда концентрация их превышает 100 мкг/л. Если приходиться анализировать более разбавленные растворы, то во многих случаях достаточно упарит раствор после подкисления его азотной кислотой; но при анализе очень разбавленных растворов или при необходимости повысить чувствительность определения рекомендуется предварительно выделять металлы экстракцией. При анализе сточных вод часто требуется не концентрированные пробы, а её разбавление.

7. Определение алюминия, бария, бериллия, молибдена, ванадия с использованием пламени: ацетилен - оксид азота

Для определения такого типа в приборе должен быть специальный кран, поворотом которого можно быстро вводить в горелку попеременно то воздух, то оксид азота. Сначала получают ярко - желтое воздушно - ацетиленовое пламя, потом поворотом крана заменяют воздух на оксид азота - пламя должно стать розово - красным. Если этого не произойдет, регулируют приток горючего так, чтобы в пламени образовался красный конус.

Горелка для этих определений должна иметь щель длиной 5 см и быть устроена так, чтобы периодически можно было снимать с поверхности щели образовавшуюся угольную корку.

8. Определение металлов при очень низких концентрациях их в пробе

В большинстве случаев анализа сточных вод методы, оказываются достаточно чувствительными, однако изредка приходится определять металлы в чрезвычайно низких концентрациях. Тогда необходимо предварительное концентрирование анализируемого раствора. Это может быть сделано многими способами. Вот некоторые из них:

Предварительное упаривание раствора после подкисления его азотной кислотой - самый простой и чаще всего вполне эффективный способ. Так легко можно концентрировать в 10 - 20 раз и более. Затруднения возникают лишь при анализе вод, содержащих большие количества посторонних солей, которые могут выпасть в осадок при выпаривании. Возможно также выпадение кремнекислоты и силикатов.

Концентрирование экстракцией, в результате чего металлы превращают в их внутрикомплексные соединения, которые извлекаются органическим растворителем. Экстракт определяют и анализируют. Чаще всего так выделяют не один металл, агруппу металлов.

Последующая обработка полученного экстракта возможна различными способами:

А).непосредственное введение экстракта в пламя горелки после проведения однократной экстракции (при однократной экстракции извлечение неполное, но ошибка погашается тем, что стандартные растворы подвергаются также однократной экстракции в тех же условиях, увеличение концентрации относительно небольшое - в 10 - 15 раз);

Б).многократная экстракция, выпаривание растворителя досуха, растворение остатка в определенном количестве хлористоводородной кислоты и введение в горелку полученного раствора;

В).то же, но при прокаливании остатка;

Г).реэкстракция комплексных соединений из экстрагента в кислотный раствор и впрыскивание в горелку полученного водного раствора.

Концентрирование соосаждением. Когда приходится определять металлы, присутствующие в еще меньших концентрациях, целесообразно взамен экстракции применять соосаждение органическими коллекторами. Тогда можно брать для анализа очень большой объем сточной воды, что невозможно при экстрагировании, так как потредовалось бы слишком большое количество растворителя. Полученный осадок или озоляют и растворяют остаток в кислоте, или растворяют в небольшом количестве растворителя, в котором этот осадок растворим, и вводят в горелку полученный раствор.

9. Методы определения сосуществующих форм металлов в природных водах

Исследование распределения металлов среду сосуществующих форм в природных водах требует глубокого понимания аналитиком объекта анализа, правильного выбора методов детектирования, адекватнойинтерпритации полученных результатов. Не менее важное значение при этом имеют такие этапы, как отбор проб, их хранение и транспортировка.

Как правило, большинство аналитических методик, в том числе и арбитражных, позволяют определять только общее содержание металлов в воде, а не отдельные их формы. К факторам, усложняющим определение отдельных форм металлов, нужно также добавить низкие концентрации, определяемых металлов в поверхностных водах, наличие так называемого «фонового электролита» и разнообразных, в том числе молекулярных органических соединений природного происхождения. Таким образом, сложность прямого определения отдельных форм металлов в природных водах обусловлена как сложностью объекта исследований, так и большим разнообразием их соединений в воде, недостаточной чувствительностью и ограниченной избирательностью многих аналитических методов. На данном этапе эта проблема решается путем разработки и использования различных схем исследования, базирующихся на сочетании методов разделения отдельных форм металлов с методами определения их концентрации в полученных фракциях. В основе такого разделения могут быть положены различные свойства физико-химических форм металлов: размер, растворимость, сродство к твердой фазе или способность к комплексообразованию, заряд, гидрофобность и др.

10. Методы разделения

Мембранная фильтрация (МФ) и ультрафильтрация.

Для разделения комплексных соединений металлов с различной молекулярной массой используют метод мембранной ультрафильтрации, в ходе которой отфильтровываются макромолекулы определенного размера. Используют мембраны на основе целлюлозы, поливинилидефторида, полиакрилонитрила и полисульфона с размером пор 1 - 14 нм. Их основной характеристикой является способность задерживать молекулы определенного размера, выражением которой является номинальная отсекаемая молекулярная масса (НОММ). Величина НОММ означает, что 90% незаряженных молекул сферической формы данной молекулярной массы будут задержаны на фильтре. В ходе фракционирования органических веществ и их комплексов с металлами пробы природной воды последовательно пропускают через ультрафильтры с различной величиной.

Несмотря на относительную простоту метода, его применение не лишено недостатков. Так, вытянутые в длину незаряженные молекулы могут проникать через мембрану, НОММ которой меньше, чем молярная масса исследуемых веществ, в то время как молекулы, молекулярная масса которых ниже НОММ, но имеющие сферическую форму, могутею задерживаться.

Это явление может быть причиной не совсем корректной оценки молекулярной массы комплексов металлов с органическими веществами, например гумусовыми, форма макромолекул которых зависит от многих факторов и при определенных условиях может отличаться от сферической.

11. Диализ и электродиализ

Эти методы основаны на разной скорости диффузии веществ через мембрану под действием концентрационного градиента (диализ) или электрического ока (электродиализ). Таким способом отделяют «свободные» ионы металлов и их низкомолекулярные соединения от высокомолекулярных комплексных соединений, которые на способны диффузировать через мембрану.

К сожалению, разделение методом диализа достаточно продолжительное, поэтому существует опасность нарушения металлов. Электродиализ позволяет ускорить разделение. Однако результаты этого разделения могут быть вполне корректными из - за миграции к катоду низкомолекулярных катионных комплексов.

Список использованной литературы

1.  Ю.Ю Лурье аналитическая химия промышленных сточных вод. - М.: Химия, 1984 (дата обр. 08.05.15)

2.  Ресурсы сайта www.twi <http://www.twi>px.ru. (дата обр. 08.05.15)

3.  Ресурсы сайта www.studmed.ru (дата обр. 08.05.15)

4.  http://bibliofond.ru/view.aspx? id=699715#1 (дата обр. 08.05.15)

Размещено на Allbest.ru