Материал: Определение содержания примесей металлов в сточных водах атомно-абсорбционным методом

Определение содержания примесей металлов в сточных водах атомно-абсорбционным методом

Содержание

Введение

. Выбор и обоснование способа производства

. Методика выполнения атомно-абсорбционного анализа

.1 Устройство атомно-абсорбционного спектрометра

.2 Описание составных частей спектрометра. Оптическая схема

.3 Блок монохроматора

.4 Атомизатор

.5 Газовый блок

. Порядок проведения исследования

. Порядок установки спектрометра

Заключение

Приложения

Литература

Введение

В последние годы в России наблюдается некоторый рост промышленного производства, который, с одной стороны, приводит к оживлению производства, но, с другой сдерживается его высокой экологической опасностью. Уменьшению экологической опасности промышленности должны служить очистные сооружения предприятий.

В современных условиях охрана окружающей среды стала одним из решающих факторов, определяющих дальнейшее развитие человечества. Жидкие отходы производства обычно представляют собой мало-концентрированные многокомпонентные органоминеральные смеси и относятся к особо сложной для очистки группе сточных вод.

Любой водоем или водный источник связан с окружающей его внешней средой. На него оказывают влияние условия формирования поверхностного или подземного водного стока, разнообразные природные явления, индустрия, промышленное и коммунальное строительство, транспорт, хозяйственная и бытовая деятельность человека. Последствием этих влияний является привнесение в водную среду новых, несвойственных ей веществ - загрязнителей, ухудшающих качество воды. Загрязнения, поступающие в водную среду, классифицируют по-разному, в зависимости от подходов, критериев и задач. Так, обычно выделяют химическое, физическое и биологические загрязнения. Химическое загрязнение представляет собой изменение естественных химических свойств воды за счет увеличения содержания в ней вредных примесей (минеральные соли, кислоты, щелочи, глинистые частицы).

Основными неорганическими (минеральными) загрязнителями пресных и морских вод являются разнообразные химические соединения, токсичные для обитателей водной среды. Это соединения мышьяка, свинца, кадмия, ртути, хрома, меди, фтора. Большинство из них попадает в воду в результате человеческой деятельности. Тяжелые металлы поглощаются фитопланктоном, а затем передаются по пищевой цепи более высокоорганизованным организмам. Тяжелые металлы (ртуть, свинец, кадмий, цинк, медь, мышьяк) относятся к числу распространенных и весьма токсичных загрязняющих веществ. Они широко применяются в металлургическом, химическом производстве, поэтому, несмотря на очистные мероприятия, содержание соединения тяжелых металлов в промышленных сточных водах довольно высокое. Большие массы этих соединений поступают в океан через атмосферу. Для морских биоценозов наиболее опасными являются ртуть, свинец и кадмий. Свинец - типичный рассеянный элемент, содержащийся во всех компонентах окружающей среды: в горных породах, почвах, природных водах, атмосфере, живых организмах. Наконец, свинец активно рассеивается в окружающую среду в процессе хозяйственной деятельности человека. Это выбросы с промышленными стоками, с дымом и пылью промышленных предприятий, с выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания. Миграционный поток свинца с континента в океан идет не только с речными стоками, но и через атмосферу. С континентальной пылью океан получает 20-30 т. свинца в год.

Высокие нормы удельного водопотребления и большие объемы сбросов в водоемы есть результат несовершенства технологических процессов и схем, на которых построено промышленное производство. Большое количество отходов при современных методах промышленного производства не является неизбежным, оно может быть сокращено путем создания новых, более современных технологических методов. Важнейшей составной частью перестройки технологических процессов на безотходный режим является сокращение водопотребления, направленное, в конечном счете, на создание производства без сброса сточных вод в водоемы.

Значительное сокращение расходов воды может быть достигнуто за счет усовершенствования охлаждения оборудования, в первую очередь прокатного. Одним из перспективных способов в химической промышленности, обеспечивающих сокращение потребления воды и количества сточных вод, является каскадная промывка металла после травления. При этом способе тракт промывки разделяют на 3-4 отсека. Свежую или нейтрализованную оборотную воду подают в последний по ходу металла отсек и далее перекачивают из отсека навстречу движущемуся металлу; в результате расход промывных вод сокращается в 4-5 раз.

При рассмотрении вопроса о составе сточных вод одним из важных понятий является концентрация загрязнений, т.е. количество загрязнений, приходящееся на единицу объема воды и исчисляемое обычно в мг/дм³ или г/м³. Это количество зависит от нормы потребления: чем эта норма больше, тем меньше концентрация загрязнений.

Количество примесей в сточных водах может быть различно и зависит от характера их образования. Концентрацию загрязнений определяют химическими анализами (взвешенные вещества, сухой остаток, азот аммонийный, азот нитритный, азот нитратный, рН, нефтепродукты и др.), производят определение цинка, хрома, меди, алюминия, фенолов и других химических элементов.

Надежные данные в этом случае могут быть получены при использовании современных методов аналитической химии, позволяющих определить содержание тяжелых металлов на уровне фоновых концентраций.

Стоит отметить, что успехи в развитии методов анализа позволили решить такие глобальные проблемы, как обнаружение основных источников загрязнения. При этом тяжелые металлы были классифицированы как одни из важнейших объектов анализа. Для осуществления такой работы химики-аналитики должны иметь разработанные методики. Поскольку содержание металлов может колебаться в широких пределах, то и методы их определения должны обеспечивать решение поставленной задачи. В результате усилий ученых-аналитиков многих стран были разработаны методы, позволяющие определять тяжелые металлы на уровне фемтограммов (10-15 г) или в присутствии в анализируемом объеме пробы одного (!) атома, например никеля в живой клетке.

1. Выбор и обоснование способа производства

Раньше определяли лишь валовое содержание тяжелого металла в воде и устанавливали распределение между взвешенной и растворенной формами. О качестве вод, загрязненных металлами, судили на основе сопоставления данных по их валовому содержанию с величинами ПДК. Сейчас такая оценка считается неполной и необоснованной, так как биологическое действие металла определяется его состоянием в водах, а это, как правило, комплексы с различными компонентами.

В 1955 г. Австралийский ученый А. Уолш предложил простой и практически легко осуществимый способ количественного определения содержания элементов в растворах, распыляемых в пламя ацетилен-воздух, по поглощению излучения атомных линий от специальных селективных ламп.

Это кажущееся сейчас простым решение, которое лежит в основе аналитического метода атомно-абсорбционной спектрометрии, предопределило дальнейшее стремительное развитие метода.

Атомно-абсорбционный анализ достаточно близок к методам традиционной «мокрой» химии, поскольку определение содержания элементов чаще всего ведется из растворов, что предусматривает во многих случаях предварительную химическую подготовку проб. Однако, в отличие от большинства химических методов, атомно-абсорбционная спектрометрия имеет очень высокую селективность. Поэтому практически редко требуется отделение сопутствующих элементов, так как их присутствие обычно не вызывает заметной систематической погрешности определений.

По производительности работы и скорости выполнения анализов больших партий однотипных проб атомно-абсорбционная спектрометрия в пламенном варианте, как правило, превосходит такие как классические химические методы, как гравиметрический, титриметрический, спектрофотометрический, электрохимические и др. Возможно определение многих элементов из одного и того же анализируемого раствора. Использование автоматов для подачи пробы (автоматических дозаторов) значительно упрощает и ускоряет выполнение массовых анализов. В современных приборах атомно-абсорбционного анализа полностью автоматизирован процесс измерений и выдачи результатов непосредственно в единицах концентрации элементов в реальной пробе. Метод позволяет определять сейчас около 70 элементов.

В самом начале развития метод рассматривали как специфический для определения только малых концентраций элементов. Но, как показано теперь многочисленными примерами, метод атомно-абсорбционного анализа в пламенном варианте позволяет надежно и достаточно точно определять большие концентрации элементов в пробах нестандартного состава.

Современная техника атомно-абсорбционного анализа, реализуя гибкость метода, позволяет устанавливать содержание элементов в широком интервале концентраций:

·  в пламени - от десятитысячных долей процента до десятков массовых процентов;

·  в электротермических атомизаторах нижняя граница определяемых массовых долей для многих элементов составляет 10^-6 -10^-4% мас., верхняя - до диапазона пламенных определений.

По воспроизводимости определений метод атомно-абсорбционного анализа не уступает большинству классических аналитических химических методов, за исключением гравиметрического и кулонометрического; относительное стандартное отклонение единичного определения в пламенном варианте метода обычно не превышает 0.005-0.03 и 0.02-0.15 при электротермической атомизации.

Наиболее распространен в практике пламенный вариант метода атомно-абсорбционного анализа, использующий простую, дешевую аппаратуру и обеспечивающий самые быстрые и высокоточные измерения.

Недостатками пламенного варианта являются низкая эффективность использования пробы при большом ее расходе, неудовлетворительные пределы обнаружения многих элементов, фактическая невозможность определения элементов в порошкообразных и компактных твердых пробах.

Большая часть этих недостатков отсутствует в электротермических атомизаторах, позволивших понизить пределы обнаружения большинства элементов по сравнению с пламенным вариантом практически на два порядка.

Однако длительность аналитических операций при электротермической атомизации существенно больше (в десятки раз), чем при пламенной. Одним из наиболее существенных недостатков используемого способа реализации метода атомно-абсорбционного анализа является необходимость последовательного определения отдельных элементов.

Серьезным ограничением метода атомно-абсорбционного анализа является необходимость иметь на каждый элемент отдельный источник линейчатого излучения. Но и в этом направлении за последние годы достигнуты серьезные успехи. Многолетние исследования аналитиков многих стран по изучению возможности создания атомно-абсорбционных приборов без использования селективных источников света привели к созданию конкурентоспособного прибора, в котором применены оригинальная оптическая схема и источник со сплошным спектром, позволяющие определять все традиционные для метода атомно-абсорбционного анализа элементы.

Таким образом, атомно-абсорбционный анализ дает возможность проводить универсальными приемами с высокой производительностью, правильностью и воспроизводимостью массовое определение широкого круга элементов в большом диапазоне концентраций. Использование электротермической атомизации позволяет понизить на 1-2 порядка пределы обнаружения элементов по сравнению с пламенем, сохраняя достаточно высокую воспроизводимость результатов анализа. Решающим фактором, определяющим правильность и воспроизводимость результатов атомно-абсорбционного анализа, является стабильность свойств поглощающего слоя атомных паров.

Основные принципы атомно-абсорбционной спектрометрии:

Атомно-абсорбционный анализ - метод аналитической химии, основанный на селективном поглощении электромагнитного излучения определенной длины волны свободными от всех молекулярных связей нейтральными атомами определяемого элемента. Для реализации метода атомно-абсорбционного анализа в наиболее распространенной схеме измерений необходимо иметь:

селективный источник света изучаемого элемента (СИС);

атомизатор (Ат) для перевода данного элемента из реальной пробы в атомарную форму;

спектральный прибор (СП) для выделения аналитической линии этого элемента;

электронную систему (ЭС) для детектирования, усиления и обработки аналитического сигнала поглощения.

Определение содержания элемента в пробе проводят с использованием градуировочного графика, так как метод атомно-абсорбционного анализа является относительным (сравнительным).

2. Методика выполнения атомно-абсорбционного анализа

Атомно-абсорбционный анализ (атомно-абсорбц. спектрометрия), метод количественного элементного анализа по атомным спектрам поглощения (абсорбции). Через слой атомных паров пробы, получаемых с помощью атомизатора, пропускают излучение в диапазоне 190-850 нм. В результате поглощения квантов света атомы переходят в возбужденные энергетические состояния. Этим переходам в атомных спектрах соответствуют резонансные линии, характерные для данного элемента. Согласно закону Бугера-Ламберта-Бера, мерой концентрации элемента служит оптическая плотность A = lg(I0/I), где I0 и I-интенсивности излучения от источника соответственно до и после прохождения через поглощающий слой.

Рис. 1. Принципиальная схема пламенного атомно-абсорбционного спектрометра: 1-источник излучения; 2-пламя; 3-монохрома гор; 4-фотоумножитель; 5-регистрирующий или показывающий прибор.

Приборы для атомно-абсорбционного анализа - атомно-абсорбционные спектрометры - прецизионные высокоавтоматизированные устройства, обеспечивающие воспроизводимость условий измерений, автоматическое введение проб и регистрацию результатов измерения. В некоторые модели встроены микро ЭВМ. В качестве примера на рис.1 приведена схема одного из спектрометров. Источником линейчатого излучения в спектрометрах чаще всего служат одноэлементные лампы с полым катодом, заполняемые неоном.

2.1 Устройство атомно-абсорбционного спектрометра

Конструктивно спектрометр выполнен в металлическом корпусе по блочной схеме на массивном основании.

Рис. 2. Схема спектрометра атомно-абсорбционного «Квант-2»

Каркас спектрометра собран на литой металлической плите - основании, имеющей четыре опоры для установки прибора в устойчивом горизонтальном положении. В центральной части расположен атомизатор с газовыми магистралями и узлом поджига, столик для проб, защитный кожух, а также дверца с тонированным стеклом. Щиток и стекло предназначены для защиты оператора от воздействия ультрафиолетового излучения пламени и снижения влияния окружающих воздушных потоков на стабильность факела горелки атомизатора.

В правой части прибора находится блок спектральных ламп, в котором расположена турель на 6 позиций, держатель дейтериевой лампы и элементы оптической схемы. Блок спектральных ламп закрыт крышкой, положение крышки в открытом состоянии фиксируется газовым лифтом. Под блоком спектральных ламп находится газовый блок. Блок спереди закрыт панелью. Подключение газовых магистралей осуществляется к штуцерам панели на задней крышке газового блока в соответствии с выполненными обозначениями.

В левой части прибора находится блок монохроматора, элементы оптической схемы, датчик пламени и фотоприёмник. Блок закрыт крышкой.

Под блоком монохроматора расположен электронный блок, закрытый панелью, на которой расположена кнопка включения прибора. На задней крышке блока расположены: вывод заземления прибора, разъём подключения силового кабеля, разъёмы подключения дополнительных устройств, разъём гидрозатвора и разъём подключения интерфейсного кабеля.