Информационные методы управления качеством окружающей среды

Физико-химические методы анализа загрязняющих веществ, используемые в экомониторинге

Касаясь классификации  методов анализа загрязнителей, необходимо отметить ее некоторую условность и возможную спорность. При этом специалистам, проводящим анализы, необходимо знать масштабы определений, условно  принятых в аналитической химии (макро-, микро-, ультамикро-, субмикроанализы), размерности определяемых параметров, а также основные характеристики применяемых методов: специфичность, чувствительность, точность, возможность автоматизации, производительность, доступность и др.

 Ниже представлены  физико-химические принципы основных  применяемых методов анализа.

 Гравиметрия  (весовой анализ) основывается на  выделении (осаждении) и последующем  взвешивании труднорастворимого соединения определяемого элемента. Например, Fe+3 осаждается из раствора гидроксидом аммония, осадок отфильтровывается на бензольном фильтре, прокаливается в муфельной печи до оксида железа, который после охлаждения (до постоянного веса) взвешивается:

 Осаждение  должно осуществляется таким  образом, чтобы другие элементы  полностью оставались в растворе, что можно достигнуть подбором  селективного осадителя или переводом примесей в неосаждаемые формы.

 Титрование (титриметрический анализ) основывается на постепенном добавлении к анализируемому раствору (титрование) некоторого реагента до достижения точки эквивалентности, которая определяется с помощью индикаторов или приборов. Например, для определения концентрации кислоты к исследуемому раствору прибавляют раствор щелочи до достижения раствором рН =7, что фиксируется с помощью специального индикатора (который меняет свою окраску при рН » 7) или физического прибора рН-метра.

 Таким же  способом определяют концентрацию  окислителя (его титруют восстановителем), ионов тяжелых металлов (их титруют  специальным комплексообразователем) и т.п. Во всех случаях используют  соответствующие индикаторы или  приборы, позволяющие определить  точку эквивалентности.

 Расчет  концентрации анализируемого вещества  в любом варианте ведется на  основании уравнения (закон эквивалентности):

где N1 и N2 –  нормальность титровального (известна) и анализируемого растворов, V1 и V2 –  их объемы. Если необходимо выразить концентрацию исследуемого раствора С2 в миллиграмм-эквивалентах, то формула приобретет вид:

 Если следует  выразить найденный результат  в весовой форме, то в вышеуказанную  формулу вводят грамм-эквивалент  вещества Э:

 Электрохимические  методы анализа основаны на  измерении электрических параметров  электрических явлений, возникающих  в анализируемом растворе. Основным  элементом приборов в электрохимическом  анализе является электрохимическая  ячейка (например, два электрода).

 

 Электрохимические  методы классифицируются в зависимости  от типа электрохимических явлений,  измеряемых в ходе анализа:

 а) методы  без наложения постороннего потенциала. В этом случае измеряют разность  потенциалов, возникающую между  электродами и анализируемым  раствором. Такую группу методов  называют потенциометрическими  методами анализа;

 б) методы  с наложением постороннего потенциала. В этом случае измеряют различные  электрические характеристики:

- электрическую  проводимость растворов (кондуктометрия);

- количество  электричества, прошедшего через  раствор (кулонометрия);

- зависимость  величины силы от приложенного  потенциала (вольто-амперометрия).

 В методах  группы (а) электрохимической ячейкой  является гальванический элемент,  в котором из-за протекания  окислительно-восстановительной реакции  возникает электрический ток.  В ячейке в контакте с анализируемым  раствором находятся 2 электрода  (индикаторный, потенциал которого  зависит от концентрации анализируемого  вещества, и электрод сравнения  – электрод с постоянным потенциалом).

 В методах  группы (б) применяют электролитическую  ячейку, названную так потому, что  в электродах ячейки под действием  пониженного потенциала проходит  электролиз (окислительно-восстановительная  реакция).

 Оптические  методы анализа основаны на  измерении эффектов взаимодействия  веществ (поглощения или пропускания)  с электромагнитными волнами  оптического диапазона (ультрафиолетовая, видимая и инфракрасная части  оптического спектра).

 Оптические  методы классифицируются по типу  взаимодействия электромагнитных  волн с веществом:

 а) поляризационные  методы, основанные на измерении  поляризационных взаимодействий, связанных  с поляризацией молекул различных  веществ (рефрактометрия, поляриметрия, интерферометрия);

 б) абсорбционные  методы, основанные на измерении  поглощения светового излучения  атомом, ионом, функциональной группой  или молекулой (колориметрия, фотоколориметрия, спектрофотометрия);

 в) эмиссионные  методы, основанные на измерении  интенсивности света, излучаемого  атомом, ионом, функциональной группой  или молекулой анализируемого  вещества (при их переходе в  возбужденное состояние или возврате  из него). При этом различают:  атомно-эмиссионные методы (спектральный  анализ, пламенная фотометрия); молекулярно-эмиссионные  методы (флюориметрия);

 г) методы, основанные на измерении излучения  или поглощения интенсивности  света суспензией вещества (непрозрачным  телом):

 

- нефелометрия (измерение интенсивности излучения  света);

- турбодиметрия (измерение интенсивности поглощения света).

 Для проведения  процесса измерения по каждому  из этих методов используют  специальные приборы. Практически  любой оптический прибор имеет  следующую принципиальную схему  (рис.3). В качестве источника излучения используется пламя горелки, натриевые, водородные, ртутно-кварцевые лампы, луч лазера; фокусирующего устройства – конденсор; селектора излучения – дифракционная решетка, призма в рефрактометре, светофильтр в фотоколориметре, а в качестве детектора излучения – глаз оператора, фотоэлементы.

Перед определением концентрации загрязнителя любой оптический прибор (например, спектофотометр) калибруется, т.е. определяются его показания при использовании растворов с точно известными концентрациями, на основании чего строится калибровочный график – зависимость показания прибора от концентрации, по которому затем в процессе анализа и находят концентрацию исследуемого раствора.

 Хроматографический метод основан на различной сорбируемости каждого индивидуального вещества. При этом во время анализа происходит разделение веществ, и анализируемый загрязнитель выделяется из смеси веществ. Поэтому существенным признаком хроматографии является динамический характер процесса разделения. В ходе хроматографии подвижная фаза, содержащая анализируемую пробу загрязнителя, перемещается через неподвижную фазу, и в результате многократно проходят процессы сорбция-десорбция, что является характерной особенностью этого метода и обеспечивает эффективность хроматографического разделения.

 В зависимости  от того, в какой среде протекает  разделение веществ, классифицируются  следующие методы хроматографии:

- газовая  хроматография (в этом методе  неподвижной фазой является твердое  вещество, а подвижной – газ);

- газо-жидкостная  хроматография (в этом методе  неподвижная фаза – жидкость, а подвижная – газ);

- жидкостная  хроматография (в этом методе  неподвижная фаза – твердое  вещество или жидкость, а подвижная  – жидкость).

 Хроматограф  обычно состоит из колонки  (капилляра), помещенной в термостат  (желательно с программным регулированием  температуры) и заполненной твердым  веществом с нанесенной на  него неподвижной фазой; баллона  с инертным газом – носителем  (аргоном, гелием, азотом); детектора,  преобразующего показания изменения  концентрации компонентов на  выходе из колонки в электрические  сигналы и самописца с малым  временем пробега каретки.

 Нейтронно-активационный  анализ основывается на изменении  радиоактивности исследуемой пробы  с загрязнителем после ее облучения  потоком нейтронов. Количество  определяемого элемента находится  путем сравнения радиоактивности  анализируемой пробы с радиоактивностью  эталонного вещества, облученного  в тех же условиях.