Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Гидрохимический анализ: Учебное пособие

Голосов: 0

Учебное пособие к курсу "Аналитическая химия" для студентов 2 курса дневной формы обучения Химического института им. А.М. Бутлерова Казанского (Приволжского) федерального университета, специальность "Химия". Рассмотрены основные показатели качества вод - природных, водопроводных, сточных, а также методы анализа основных неорганических компонентов вод - катионов и анионов - и методы определения суммарных показателей качества вод.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
           КАЗАНСКИЙ (ПРИВОЛЖСКИЙ) ФЕДЕРАЛЬНЫЙ
                               УНИВЕРСИТЕТ
-------------------------------------------------------------------------------------
            Химический институт им.А.М.Бутлерова
                   Кафедра аналитической химии




                   ГИДРОХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ



          Е.Е.Стойкова, Э.П.Медянцева, Г.А.Евтюгин




                                Казань – 2010


Печатается по решению Научно-методического совета Химического института
 им.А.М.Бутлерова Казанского (Приволжского) федерального университета



       Рецензент: доктор химических наук, профессор Будников Г.К.


    Гидрохимический анализ / Е.Е. Стойкова, Э.П. Медянцева,
    Г.А. Евтюгин. - Казань, Казанский (Приволжский) федеральный
    университет, 2010. - 49 с.

    Учебное пособие к курсу "Аналитическая химия" для студентов 2
    курса дневной формы обучения Химического института им. А.М.
    Бутлерова, специальность "Химия". Рассмотрены основные
    показатели качества вод – природных, водопроводных, сточных,
    а также методы анализа основных неорганических компонентов
    вод – катионов и анионов - и методы определения суммарных
    показателей качества вод.




                                 - 2 -


                                                  Содержание


Отбор и консервация проб .....................................................................................4
Общая характеристика качества вод.....................................................................9
Общие и суммарные показатели качества вод.....................................................16
Минеральный состав ..............................................................................................31
         Анионный состав воды................................................................................32
         Катионный состав воды...............................................................................41
Методические указания к выполнению УИРС по анализу воды.......................46
Рекомендуемая литература ....................................................................................48




                                                       - 3 -


                     ОТБОР И КОНСЕРВАЦИЯ ПРОБ

      Отбор проб – операция, от правильного выполнения которой во многом
зависит точность получаемых результатов. Чаще всего на водоеме отбираются
так называемые разовые пробы. Однако при обследовании водоема может
возникнуть необходимость отбора серий периодических и регулярных проб – из
поверхностного, глубинного, придонного слоев вод и т.д. Пробы могут быть
отобраны также из подземных источников, водопровода и т.п. Усредненные
данные о составе вод дают смешанные пробы.
      В нормативных документах (ГОСТ Р 51592-2000: Вода. Общие
требования к отбору проб, ГОСТ 24481, ГОСТ 17.1.5.05, ИСО 5667-2 и др.)
определены основные правила и рекомендации, которые следует использовать
для получения репрезентативных проб. Различные виды водоемов
(водоисточников) обуславливают некоторые особенности отбора проб в каждом
случае.
      Пробы из рек и водных потоков. Для определения влияния места сброса
сточных вод и вод притоков, пробы отбирают выше по течению и в точке, где
произошло полное смешение вод. Следует иметь в виду, что загрязнения могут
быть неравномерно распространены по потоку реки, поэтому обычно пробы
отбирают в местах максимально бурного течения, где потоки хорошо
перемешиваются. Пробоотборники помещают вниз по течению потока,
располагая на нужной глубине.
      Пробы из природных и искусственных озер. Учитывая длительность
существования озер, на первый план выступает мониторинг качества воды в
течение длительного периода времени – нескольких лет, а также установление
последствий антропогенных загрязнений воды. Слабопроточные водоемы имеют
значительную неоднородность воды в горизонтальном направлении. Качество
воды в озерах часто сильно различается по глубине из-за термальной
стратификации, причиной которой могут быть фотосинтез в поверхностной зоне,
подогрев воды, воздействие донных отложений и др. В больших глубоких
водоемах может появляться также внутренняя циркуляция.
      Следует отметить, что качество воды в водоемах (как озерах, так и 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 1 года. Это особенно важно для определения качества воды в реках,
имеющих резко отличающиеся режимы – межень и паводок.
      Пробы влажных осадков (дождя и снега) чрезвычайно чувствительны к
загрязнениям, которые могут возникнуть в пробе при использовании
недостаточно чистой посуды, попадании инородных (не атмосферного
происхождения) частиц и др. Пробы влажных осадков не следует отбирать
вблизи источников значительных загрязнений атмосферы – например,
котельных или ТЭЦ, открытых складов материалов и удобрений, транспортных
узлов и др. В подобных случаях проба осадков будет испытывать значительное
влияние указанных локальных источников антропогенных загрязнений. Образцы
осадков собирают в специальные емкости, приготовленные из нейтральных


                                    - 4 -


материалов. Дождевая вода собирается при помощи воронки (диаметром не
менее 20 см) в мерный цилиндр (или непосредственно в ведро) и хранится в них
до анализа. Отбор проб снега обычно проводят, вырезая керны на всю глубину
(до земли), причем делать это целесообразно в конце периода обильных
снегопадов (в начале марта).
       Пробы грунтовых вод отбирают для определения их пригодности в
качестве источника питьевой воды, а также для технических или
сельскохозяйственных целей; для определения влияния на качество грунтовых
вод потенциально опасных хозяйственных объектов; при проведении
мониторинга загрязнителей грунтовых вод. Грунтовые воды изучают, отбирая
пробы из артезианских скважин, колодцев, родников. Качество воды в
различных водоносных горизонтах может значительно различаться, поэтому при
отборе пробы грунтовых вод следует оценить доступными способами глубину
горизонта, из которого отобрана проба, возможные градиенты подземных
потоков, информацию о составе подземных пород, через которые пролегает
горизонт. Поскольку в точке отбора пробы могут создаться концентрации
различных примесей, отличные от их концентраций в водоносном слое,
необходимо откачивать из скважины (или из родника, делая в нем углубление)
воду в количестве, достаточном для обновления воды в скважине, водопроводе,
углублении и т.п.
       Пробы воды из водопроводных сетей отбирают в целях определения
общего уровня качества водопроводной воды, поиска причин загрязнения
распределительной системы, контроля степени возможного загрязнения
питьевой воды продуктами коррозии и др. Для получения репрезентативных
проб при отборе воды из водопроводных сетей соблюдают следующие правила:
       – отбор проб проводят после спуска воды в течение 10–15 мин – времени,
обычно достаточного для обновления воды с накопившимися загрязнителями;
       – для отбора не используют концевые участки водопроводных сетей, а
также участки с трубами малого диаметра (менее 1.2 см);
       – для отбора используют, по возможности, участки с турбулентным
потоком – краны вблизи клапанов, изгибов;
       – при отборе проб вода должна медленно течь в пробоотборную емкость
до ее переполнения.
       Отбор проб с целью определения состава воды (но не качества!)
проводится также при изучении сточных вод, вод и пара котельных установок и
др. Подобные работы имеют, как правило, технологические цели, требуют от
персонала специальной подготовки и соблюдения дополнительных правил
безопасности.
       При отборе проб следует обращать внимание на сопровождавшие отбор
проб гидрологические и климатические условия, такие, как осадки и их обилие,
паводки, межень и застойность водоема и др.
       Пробы воды для анализа могут отбираться как непосредственно перед
анализом, так и заблаговременно. Для отбора проб специалисты используют
стандартные батометры либо бутыли вместимостью не менее 1 л,
открывающиеся и наполняющиеся на требуемой глубине.



                                   - 5 -


      Посуда для отбора проб должна быть чистой. Посуду, предназначенную
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. Отбор проб, не предназначенных
для анализа сразу же (т.е. отбираемых заблаговременно), производится в
герметично закрывающуюся стеклянную или пластмассовую (желательно
фторопластовую) посуду вместимостью не менее 1 л.
      Для получения достоверных результатов анализ воды следует выполнять
как можно быстрее. В воде протекают процессы окисления-восстановления,
сорбции,      седиментации,      биохимические        процессы,  вызванные
жизнедеятельностью микроорганизмов и др. В результате некоторые
компоненты могут окисляться или восстанавливаться: нитраты – до нитритов
или ионов аммония, сульфаты – до сульфитов; кислород может расходоваться на
окисление органических веществ и т.п. Соответственно могут изменяться и
органолептические свойства воды – запах, привкус, цвет, мутность.
Биохимические процессы можно замедлить, охладив воду до температуры 4–5
°С. Однако, даже владея полевыми методами анализа, не всегда можно
выполнить анализ сразу же после отбора пробы. В зависимости от
предполагаемой продолжительности хранения отобранных проб может
возникнуть необходимость в их консервации. Универсального консервирующего
средства не существует, поэтому пробы для анализа отбирают в несколько
бутылей. В каждой из них воду консервируют, добавляя соответствующие
химикаты в зависимости от определяемых компонентов.
      В табл. 1 приведены способы консервации, а также особенности отбора и
хранения проб. При анализе воды на некоторые показатели (например,
растворенный кислород, фенолы, нефтепродукты) к отбору проб предъявляются
особые требования. Так, при определении растворенного кислорода и
сероводорода важно исключить контакт пробы с атмосферным воздухом,
поэтому бутыли необходимо заполнять при помощи сифона – резиновой трубки,
опущенной до дна склянки, обеспечивая переливание воды через край при
переполнении склянки.
      Не допускается применять
      - серную кислоту для консервации проб, предназначенных для
определения кальция, стронция, бария, радия, свинца;
      - соляную кислоту для консервации проб, предназначенных для
определения серебра, таллия, свинца, висмута, ртути, сурьмы;
      - азотную кислоту для консервации проб, предназначенных для
определения оловоорганических соединений, нитратов и нитритов.




                                  - 6 -


                                                                              Таблица 1
      Способы консервации, особенности отбора и хранения проб
                      Способ консервации
                                             Максимальное
Анализируемый         и количество                             Особенности отбора и
                                             время хранения
показатель            консерванта на 1 л                       хранения проб
                                             пробы
                      воды
1. Активный хлор      Не консервируют        Несколько минут   –
                      Не консервируют        4 часа
2. Алюминий           3 мл конц. соляной
                                             2 сут.            –
                      кислоты (до рН 2)
                      Не консервируют        2 часа            –

3. Аммиак и ионы      То же                  1 сут.            Хранить при 4°С
аммония               2–4 мл хлороформа
                      или 1 мл конц. серной 1–2 сут.           –
                      кислоты
4. Биохимическое      Не консервируют        3 часа            В стеклянных бутылях
потребление
кислорода (БПК)       То же                  1 сут.            Хранить при 4°С
5. Взвешенные
                      Не консервируют        4 часа            Перед анализом взболтать
вещества
6. Вкус и привкус     Не консервируют        2 часа            В стеклянных бутылях
                      Не консервируют        При отборе пробы –
7. Водородный                                                  В бутыли не оставлять
показатель (рН)       То же                  6 часов           пузырьков воздуха,
                                                               предохранять от нагревания
8. Гидрокарбонаты     Не консервируют        2 сут.            –
                      Не консервируют        4 часа            –
9. Железо общее       3 мл конц. соляной
                                             2 сут.            –
                      кислоты (до рН 2)
10. Жесткость общая   Не консервируют        2 сут.            –
11. Запах (без                                                 Отбирать только в
                      Не консервируют        2 часа
нагревания)                                                    стеклянные бутыли
12. Кальций           Не консервируют        2 сут.            –
13. Карбонаты         Не консервируют        2 сут.            –
                      Не консервируют        В день отбора     –
14. Металлы тяжелые 3 мл азотной кислоты
(медь, свинец, цинк) (до рН 2)           3 сут.                –

                      То же                  1 мес.            Хранить при 4°С
15. Мутность          Не консервируют        2 часа            Перед анализом взболтать
                                                               Отбирать в стеклянные
                                                               бутыли, для анализа
                      Не консервируют        В день отбора
                                                               используют весь объем
16. Нефтепродукты                                              пробы
                      2–4 мл хлороформа      5 сут.            –
                      Экстракция на месте
                                             1 мес.            –
                      отбора



                                            - 7 -


                    Способ консервации
                                          Максимальное
Анализируемый       и количество                           Особенности отбора и
                                          время хранения
показатель          консерванта на 1 л                     хранения проб
                                          пробы
                    воды
                    Не консервируют       В день отбора    –
17. Никель          3 мл конц. азотной
                                          1 мес.           Хранить при 4°С
                    кислоты (до рН 2)
                    Не консервируют       2 часа           –
18. Нитраты
                    2–4 мл хлороформа     3 сут.           Хранить при 4°С
                    Не консервируют       2 часа           –
19. Нитриты
                    2–4 мл хлороформа     3 сут.           Хранить при 4°С
20. Окисляемость    Не консервируют       4 часа           –
бихроматная (ХПК)   10 мл серной кислоты 1 сут.            Хранить при 4°С
                    Не консервируют       4 часа           –
21. Окисляемость                                           Хранить при 4°С, при
перманганатная      50 мл раствора                         определении учитывать
                                         1 сут.
                    серной кислоты (1:3)                   количество прибавленной
                                                           кислоты
22. Пенистость      Не консервируют       В день отбора    –
23. ПАВ,            Не консервируют       В день отбора    Хранить при 4°С
анионоактивные      2–4 мл хлороформа     1–2 сут.         –
24. Прозрачность    Не консервируют       4 часа           –
                                                           Отбирать в кислородные
25. Растворенный
                    Не консервируют       1 сут.           склянки и фиксировать на
кислород
                                                           месте отбора
26. Сероводород                                            Фиксировать на месте
                    Не консервируют       1 сут.
(сульфиды)                                                 отбора
27. Сульфаты        Не консервируют       7 сут.           –
                    Не консервируют       В день отбора    –
28. Сухой остаток
                    2 мл хлороформа       1–2 сут.         –
                                                           Отбирать в стеклянные
                    Не консервируют       В день отбора
29. Фенолы                                                 бутыли
                    4 г гидроксида натрия 1–2 сут.         Хранить при 4°С
30. Фосфаты         Не консервируют       В день отбора    –
(полифосфаты, общий
фосфор)             2–4 мл хлороформа     1 сут.           –
                                                           Отбирать в
31. Фториды         Не консервируют       7 сут.
                                                           полиэтиленовую посуду
32. Хлориды         Не консервируют       7 сут.           –
                                                           Возможна адсорбция
                    Не консервируют       В день отбора
33. Хроматы                                                хроматов стенками бутыли
(суммарно)          3 мл азотной кислоты
                                         1–2 сут.          То же
                    (до рН 2)
                                          В день отбора
                    Не консервируют                        –
34. Цветность                             пробы
                    2–4 мл хлороформа     1–2 сут.         –


                                         - 8 -


      Консервация пробы не обеспечивает постоянства состава воды
неограниченно долго. Она лишь сохраняет на определенное время
соответствующий компонент в воде, что позволяет доставить пробы к месту
анализа. В протоколах отбора и анализа проб обязательно указываются даты
отбора и анализа проб.



                ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КАЧЕСТВА ВОД

      По нормативам качества, определяющим наличие и допустимые
концентрации примесей, различают воды: питьевая вода, природные воды
водоемов хозяйственно-питьевого, культурно-бытового и рыбохозяйственного
назначения и сточные воды (нормативно-очищенные, стоки неизвестного
происхождения, ливневые). Иногда выделяют также различные виды источников
водопотребления, например водопровод, колодцы, артезианские скважины,
подземные источники и поверхностные источники и др. Подобное выделение
проводится в тех случаях, когда необходимо учесть специфику источника либо
когда можно ожидать какие-либо характерные способы загрязнения воды, а
также пути распространения загрязнений.
      Нормативы качества воды различных источников – предельно-
допустимые концентрации (ПДК), ориентировочные допустимые уровни (ОДУ)
и ориентировочно-безопасные уровни воздействия (ОБУВ) – содержатся в
нормативно-технической      литературе,   составляющей     водно-санитарное
законодательство, к которым относятся и Государственные стандарты
(ГОСТы).
      Среди нормативов качества воды устанавливаются лимитирующие
показатели вредности – органолептические, санитарно-токсикологические или
обще-санитарные. Лимитирующий показатель вредности объединяет группу
нормативов для веществ, вредное воздействие которых на организм человека и
окружающую среду наиболее выражено именно в данном отношении. Так, к
органолептическим лимитирующим показателям относятся нормативы для тех
веществ, которые вызывают неудовлетворительную органолептическую оценку
(по вкусу, запаху, цвету, пенистости) при концентрациях, находящихся в
пределах допустимых значений. Например, ПДК для фенола, устанавливаемая
по наличию запаха, составляет 0.001 мг/л при условии хлорирования воды и 0.1
мг/л – в отсутствие хлорирования. К органолептическим лимитирующим
показателям относят также ПДК для имеющих окраску соединений хрома (VI) и
хрома (III), имеющих запах и характерный привкус керосина и хлорофоса,
образующего пену сульфолана и т.п. Лимитирующие общесанитарные
показатели устанавливаются в виде нормативов для относительно
малотоксичных и нетоксичных соединений – например, уксусной кислоты,
ацетона, дибутилфталата и т.п. Для остальных (основной массы) вредных
веществ установлены как лимитирующие санитарно-токсикологические
показатели вредности.



                                   - 9 -


                         Органолептические показатели

      Любое знакомство со свойствами воды начинается с определения
органолептических показателей, т.е. таких, для определения которых мы
пользуемся нашими органами чувств (зрением, обонянием, вкусом).
Органолептическая оценка дает как прямую, так и косвенную информацию о
составе воды и может быть проведена быстро и без каких-либо приборов. К
органолептическим       характеристикам     относятся  цветность,   мутность
(прозрачность), запах, вкус и привкус, пенистость.
      Органолептическая оценка качества воды – обязательная начальная
процедура санитарно-химического контроля воды. Международные стандарты
устанавливают специальные требования к дегустаторам (лицам, привлекаемым к
органолептической оценке) и методам проведения дегустации. Например,
установлено 3 квалификационных уровня дегустаторов: консультант,
квалификационный консультант и эксперт; для проведения органолептического
анализа выделяются специально оборудованные помещения и др. Перед
исследованием запаха или вкуса проводят предварительные испытания образца,
свободного от посторонних запаха или привкуса, и такой образец шифрованным
образом включается в серию анализируемых проб. При корректной оценке
органолептических показателей (т.е. с использованием таблиц, шкал, различных
критериев сопоставления) специалисты говорят об органолептических
измерениях.

      Цветность – естественное свойство природной воды, обусловленное
присутствием гуминовых веществ и комплексных соединений железа. Цветность
воды может определяться свойствами и структурой дна водоема, характером
водной растительности, прилегающих к водоему почв, наличием в водосборном
бассейне болот и торфяников и др. Удовлетворительная цветность воды
устраняет необходимость определения тех загрязнителей, ПДК которых
установлены по цветности (лимитирующий показатель – органолептический). К
таким загрязнителям относятся многие красители и соединения, образующие
интенсивно окрашенные растворы и имеющие высокий коэффициент
светопоглощения. Цветность воды определяют визуально или фотометрически
сравнением окраски пробы с окраской условной 1000-градусной шкалы
цветности воды, приготавливаемой из смеси бихромата калия K2Cr2O7 и
сульфата кобальта CоSO4. Для воды поверхностных водоемов этот показатель
допускается не более 20 градусов по шкале цветности. Если окраска воды не
соответствует природному тону, а также при интенсивной естественной окраске,
определяют высоту столба жидкости, при котором обнаруживается окраска, а
также качественно характеризуют цвет воды. Соответствующая высота столба
воды не должна превышать: для воды водоемов хозяйственно-питьевого
назначения – 20 см; культурно-бытового назначения – 10 см. Можно определять
цветность качественно, характеризуя цвет воды в пробирке высотой 10–12 см
(например, бесцветная, слабо-желтая, желтая, буроватая и т.д.).




                                   - 10 -



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика