Способ определения низких концентраций тяжелых металлов в воде

Изобретение относится К области исследования химического состава жидких сред, а именно К методам количественного микроанализа воды. Основными методами определения тяжелых металлов в воде являются Методы химического анализа, основанные на избирательном переводе даннь 1 х элементов в единообразную аналитическую форму (нерастворимый осадок) с последующим ее учетом титрометрическим, гравиметрическим либо фотометрическим методами 1, 2. Для повышения чувствительности применяется Целый ряд методов концентрирования определяемых соединений. Наиболее распространено вакуумное фильтрование 2, 3. Данные методы находят применение в большинстве стандартов определения качества воды и обеспечивают чувствительность на уровне 1 О 11 О 3 мг/л.В патентных источниках предлагаются методы, позволяющие упростить и удешевить определение тяжелых металлов в воде.В методе анализа воды 4 для этого использован источник света и фотоприемник,фиксирующий световое излучение, отраженное от взвешенных частиц в исследуемой воде в измерительной кювете, снабженной дополнительно микротурбиной и системой контроля наполнения кюветы. Аналогично, в приборе с множеством оптических каналов 5 производится оптическое измерение концентрированных компонентов - микрочастиц определяемых соединений, пропускаемых через пористую среду под градиентом давления. Концентрирование определяемых соединений осуществляется известными методами.В методе и приборе для проведения операций по концентрированию и/или разбавлению жидких материалов используется активная микропроточная система, включающая транспортные микроканалы и ячейки для активного перемешивания потоков жидкости и частиц 6. Такая система применяется в химических и биохимических анализах, осуществляемых стандартными методами. В методе химического анализа 7 концентрирование определяемых соединений производится из больших объемов жидкости (воды) путем их адсорбирования активированным углем, после десорбции осуществляется определение исследуемых веществ фотометрически.Известен метод определения низких концентраций ионов в растворах в присутствии значительных концентраций других ионов 8. Метод основан на концентрировании вь 1 бранных ионов тяжелых металлов из многокомпонентной водной среды (например, питьевая вода) путем образования специфических химических комплексов их осаждением на силикогелевой подложке посредством макроциклических реагентов (краун-эфиры, криптандь 1) группового действия, иммобилизованных на подложке. Концентрирование проводится в динамическом режиме. Далее осуществляется элюирование - вымывание определяемого иона специальной средой и определение иона известными физико-химическими методами. Этот метод принят в качестве прототипа настоящего изобретения.Недостатками прототипа являются высокая стоимость анализа, связанная с использованием дорогостоящих химических реактивов (краун-эфиры, среда для элюирования), его многооперационность, делающая анализ длительным и сложным, а также применение стадии элюирования, требующей затрат времени и приводящей к потерям определяемых элементов, что снижает точность определения.Задача изобретения исключение применения дорогостоящих реактивов, упрощение и ускорение процесса определения тяжелых металлов в водной среде.Поставленная задача решается переводом катионов металлов в нерастворимую форму,концентрировании осадка на пористой подложке с последующим учетом осадка, при этом используют пористую подложку из материала на основе целлюлозных волокон, осуществляют учет осадка путем измерения микродеформации подложки при воздействии на нее УФ-облучением в диапазоне 250-350 нм и определяют концентрацию тяжелого металла в воде по градуировочному графику в зависимости микродеформаций подложки от концентрации эталонных растворов.Сущность изобретения состоит в том, что учет сепарированного осадка определяемого тяжелого металла осуществляют по удлинению пористой подложки, возникающему приее УФ-облучении. Сепарация определяемого тяжелого металла проводится путем избирательного перевода ионов металла в нерастворимое состояние известными химическими методиками до их концентрирования, что позволяет отказаться от стадии элюирования катионов затем осуществляется концентрирование осадка вакуумным фильтрованием пробы на пористую подложку. В качестве подложки используют пористые либо волокнистые материалы, способные пропускать воду и отфильтровывать осадок. Для подложек используются материалы на основе природных целлюлозных волокон фильтровальная бумага,вата медицинская прессованная, фильтрующие ткани из хлопка или льноволокна. Определение концентрации элемента в исследуемой пробе осуществляют по градуировочному графику, предварительно построенному по стандартным растворам. График строится как зависимость микродеформаций подложек при их УФ-облучении от концентрации тяжелого металла в растворе.На фиг. 1 и 2 приведены градуировочнь 1 е графики, соответственно, для высоких, в пределах 1300 мкг/л, и низких, 01 мкг/л, концентраций. При определении концентрации тяжелого металла в пробе находят значение концентрации, соответствующее величине микродеформации, например, деформации А 1 4 мкм, фиг. 1, соответствует концентрация С 100 мкг/л, а деформации А 1 14 мкм, фиг. 2, соответствует концентрации 0,2 мкг/л. На фиг. 3 приведена блок-схема устройства для замера микродеформаций подложек при их УФ-облучении. Графики фиг. 1, 2 справедливы для определения в воде цинка, ртути, свинца, олова и меди, для других тяжелых металлов может потребоваться корректировка градуировочных графиков. Следует заметить, что в случаях, когда в исследуемой пробе воды возможно присутствие определяемого элемента в форме малорастворимых и нерастворимых солей (в природных водах в придонных слоях их содержание достигает 45-55 от общего), необходимо предварительно осуществить перевод тяжелого металла в катионы.Таким образом, ход определения тяжелых металлов предложенным методом осуществляется по следующей схемеперевод соединений тяжелых металлов в пробе в катионы доступными средствами(термическое воздействие, обработка азотной кислотой). Объем пробы должен быть достаточным для вакуумного фильтрования и составлять не менее 500 мл. В случае наличия в пробе легко различимых невооруженным глазом механических примесей (песок, мелкие камещки, водные организмы), а также примесей, вызывающих заметное ее помутнение, в особенности пленку на поверхности, необходимо предварительно ее отфильтроватьсепарация определяемого элемента в пробе осуществляется путем избирательного перевода катионов данного элемента в нерастворимую форму средствами аналитической химииконцентрирование полученного осадка проба, содержащая частицы нерастворимой соли определяемого элемента, подвергается вакуумному фильтрованию с помощью электромеханического, водоструйного или другого насоса, создающего градиент давления на пористой подложке. Подложка устанавливается в воронке, обеспечивающей равномерное распределение осадка по поверхности подложки (воронка Бюхнера или соответствующие аналоги в аппаратах Олихова, Зейтца). Подложка должна располагаться в воронке в строго горизонтальном положениипосле вакуумного фильтрования необходимо провести высущивание подложки, избегая ее обугливания либо деформирования в процессе сущки, доступными средствами (поток горячего воздуха, нагревание и др.)учет осадка осуществляется путем измерения линейных микродеформаций подложки при ее УФ-облучении. Микродеформации измеряют с чувствительностью не менее 1 мкм при воздействии на поверхность подложки УФ-облучения мощностью до 10 Вт/см 2, в диапазоне 250-350 нм. Предварительно строится градуировочный график зависимости величины микродеформаций подложки от концентрации эталонных растворов тяжелого ме ВУ 7014 С 12005.06.30талла в мг/л или мкг/л. Величина микродеформации подложки находится из следующего соотношения1 уф - длина образца подложки при его УФ-облученииПодложку с учить 1 ваемь 1 м осадком тяжелого металла облучают УФ-светом, измеряют удлинение А 1 и по градуировочному графику определяют концентрацию тяжелого металла в воде.Отбор проб производили по ГОСТ 24481-80 и ГОСТ 18963-73 в чистую посуду с широким горлышком, объем пробы составлял 500 мл. Перед проведением анализа осуществляли перевод свинца в катионы добавлением 2-3 капель 0,01 Н азотной кислоты при интенсивном встряхивании 4 О 6 О с.Селективный перевод катионов свинца в осадок осуществляли химически при добавлении хромата калия по реакцииЗатем осуществляли вакуумное фильтрование пробы. В качестве подложки использована бумага фильтровальная лабораторная ГОСТ 12026-76. Для этого в штатив химический устанавливали воронку Бюхнера, герметически соединенную с колбой Бунзена, в воронку помещали вырезанный по ее диаметру образец подложки. Фильтрование осуществляли при разрежении 0,2 атм.Высушивание образца подложки осуществляли потоком горячего воздуха при г 5060 С.Замер микродеформаций подложки осуществляли измерением изменения длины образца при помощи индуктивного датчика перемещений, подвижный сердечник которого жестко соединяли с одним концом образца, а второй конец подложки закрепляли неподвижно. Увеличение и уменьшение длины образцов при включении и выключении УФ-облучения фиксировали электронным записывающим прибором КСП-4 с пределом 0-10 шу. Мощность падающего УФизлучения составляла 2,0 Вт/см 2, диапазон волн 250-350 нм. На фиг. 3 приведена блок-схема устройства для замера микродеформаций подложек при их УФ-облучении, где 1 - источник УФ-излучения, 2 - неподвижный зажим образца, 3 - образец, 4 - подвижный зажим образца, 5 индуктивный датчик микроперемещений, 6 - электронное записывающее устройство.По предварительно приготовленным эталонным растворам строили градуировочный график зависимости величины деформации подложки при ее УФ-облучении от концентрации свинца, по графику устанавливали концентрацию свинца в исследуемой пробе.По сравнению эталонных растворов с холостыми пробами (пробами, содержащими все необходимые реактивы, т.е. азотную кислоту и хромат калия, но не содержащими свинца) установили чувствительность данного способа по свинцу - 0,02 мкг/л.Предложенный способ определения свинца обладает рядом преимуществ по сравнению с прототипом и другими известными методиками.По сравнению с прототипом достигнуто уменьшение количества операций за счет отказа от стадии элюирования, что сокращает длительность анализа на 75 , а также предупреждает его от возможных потерь на данной стадии. Достигнуто также удешевление метода стоимость краун-эфиров (на примере дибензо 1,8-краун 6) составляет 2-2,5 доллара США за 1 г, в то время как для анализа по предлагаемому методу необходима только азотная кислота и хромат калия.По сравнению с методом определения свинца по ГОСТ 18293-72 достигнуто увеличение чувствительности в 2,5 раза, достигнуто значительное удешевление способа за счет стоимости реактивов и оборудования (в гостированной методике необходимо 20 реакти 4вов на приготовление 16 видов растворов, 13 наименований химической посуды И др.). Методика по ГОСТ 18293-72 требует предварительной экстракции свинца дитизоном, реакция с плюмбоном требует отстаивания пробы не менее 30 мин. При использовании предложенного метода достигнуто сокращение длительности анализа на 75 .По сравнению с физическими методами исследования, например ААС и ПЭС, предлагаемый метод обладает значительно более низкой стоимостью.В чистую посуду с широким горлышком набирали пробы объемом 500 мл, перевод ртути в единообразное состояние осуществлялся 0,01 Н азотной кислотой.Перевод катионов Н 32 в нерастворимую форму проводили добавлением иодид-ионов,либо ЫН 4 ОНДалее осуществляли вакуумное фильтрование пробы на фильтрующей подложке, ее высушивание и измерение микродеформаций при УФ-облучении по методике, описанной в примере 1. Чувствительность данного способа по ртути - 0,02 мкг/л.Предложенный метод обладает рядом преимуществ по сравнению с известными методиками.По сравнению с прототипом достигнуто значительное удешевление (отказ от макроциклических реагентов), ускорение и упрощение метода аналогично, как в примере 1.В настоящее время на определение ртути нет тестированных химических методик, а применение физических методов (ААС, полярография) является дорогостоящим.Предлагаемый метод может быть широко использован для контроля качества воды при экспресс-анализе и мониторинге.Перевод катионов цинка в осадки проводили реакцией с Н 25 либо сульфид-ионами в уксуснокислой средеДалее проводили вакуумное фильтрование пробы на подложке, ее высушивание и измерение микродеформаций при УФ-облучении, как в примере 1. Чувствительность способа по определению цинка составила 0,02 мкг/л.По сравнению с прототипом при определении цинка достигнуто упрощение, ускорение и удешевление процесса, как в примере 1.По сравнению с дитизоновым калориметрическим методом определения цинка по ГОСТ 18293-72 достигнуто увеличение чувствительности в 25 раз, уменьшение количества используемых реактивов в 4 раза, значительное упрощение и ускорение метода (на 5070 ) за счет сокращения количества операций.По сравнению с физическими методами исследования данный способ значительно дешевле.Проба объемом 500 мл. Перевод в катионы 0,01 Н азотной кислотой. Для осаждения применяли окислительно-восстановительнь 1 е реакции с В 1 С 13, В 1(1 ТО 3)2, НСЬ, солями висмута, ртути