Подбор метода для определения ионного состава поверхностных вод в районе влияния КЧХК

Минобрнауки

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Вятский государственный гуманитарный университет»

 

Химический факультет

Кафедра химии

 

 

 

Курсовая работа

Подбор метода для определения ионного состава поверхностных вод в районе влияния КЧХК

 

 

Выполнила:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Киров

2013

 

 

 

 

 

Оглавление

Введение…………………………………………………………………………3

Глава I Литературный обзор………………………………………………...5

1. Общая характеристика водных объектов………………………………….5
2. Загрезнение воды, критерии качества воды……………………………….8
3. Характеристика источника загрязнения Кирово - Чепецкий химический комбинат. История предприятия…………………………………………..10
4. Содержание неорганических анионов и катионов в водных объектах и их влияние на организм человека…………………………………………….16

Глава II Методическая часть………………………………………...…......29

2.1Обзор методов определения ионного состава проб воды.……………….29

2.2 Оптические (спектрометрические) методы.……………………………...29

2.3 Электрохимический метод………………………………………………..31

2.4 Хромотографический метод……………………………………………...33

Заключение…………………………………………………………………....42

Список литературы…………………………………………………………..43

 

Введение

Около 71 % поверхности Земли покрыто водой, нельзя назвать такой точки на планете где бы она  не встречалась в том или ином состоянии. Во всех своих физических состояниях вода оказывает решительное влияние на климат различных областей земного шара. Огромная роль воды в жизни человека, в технике и сельском хозяйстве [1].

Природная вода содержит многочисленные вещества-соли, кислоты, щёлочи, газы (углекислый газ, азот, кислород, сероводород), продукты отходов промышленных предприятий и нерастворимые частицы минерального и органического происхождения. Основным фактором, определяющим пригодность воды в быту, промышленности, сельском хозяйстве, является её химический состав и физические свойства. Основной вклад в загрязнение вод вносят промышленные производства [2].

Одним из крупнейших источников загрязнения в Кировской области является Кирово-Чепецкий химический комбинат (КЧХК). С 1944 по 1991 г. химический комбинат был одним из ведущих предприятий ядерного комплекса [3]. Современные производства завода «ГалоПолимер Кирово-Чепецк» и Завода минеральных удобрений (ЗМУ), которые традиционно объединяются под названием Кирово-Чепецкий химический комбинат (КЧХК), относятся к химически опасным предприятиям 1-ой степени опасности. Среди основных загрязнителей окружающей среды на территории вблизи комбината можно выделить соединения азота (в том числе в аммонийной форме), натрия, калия, кальция и магния. Соединения азота (включая аммонийный) поступают в окружающую природную среду при производстве аммиака и аммиачной селитры на «Заводе минеральных удобрений». Соединения натрия, в частности хлорид натрия, используется в качестве сырья для получения каустической соды на заводе «ГалоПолимер Кирово-Чепецк». В различных производственных процессах на КЧХК образуются соединения калия, магния, кальция, фторид-, хлорид- и сульфат –ионов, которые могут поступать в атмосферу, водные объекты и почву, загрязняя их [4].

Целью работы является подбор метода для определения ионного состава проб воды.

В связи с этим были поставлены следующие задачи:

1) Провести обзор литературы, по теме исследования;

2) Проанализировать особенности различных методов определения состава воды;

3) Сформулировать вывод по проделанной работе;

 

Глава I Литературный обзор.

1. Общая характеристика водных объектов.

Вода – своеобразный минерал, обеспечивающий существование живых организмов на Земле. Вода входит в состав клеток и тканей любого животного и растения. Сложнейшие реакции в животных и растительных организмах могут протекать только при наличии воды. Климат и погода на Земле во многом зависят и определяются наличием водных пространств и содержанием водяного пара в атмосфере. Реки и моря имеют огромное значение для развития водного транспорта. Они служат источниками электроэнергии. Вода необходима в промышленности, в сельском хозяйстве, для удовлетворения хозяйственно-бытовых нужд [5].

Поверхность земного шара на 3/4 покрыта водой – это океаны, моря; озера, ледники. В довольно больших количествах вода находится в атмосфере, а также в земной коре. Общие запасы свободной воды на Земле составляют 1,4 млрд. км3. Основное количество воды содержится в океанах (около 97,6%), в виде льда на нашей планете воды имеется 2,14%. Вода рек и озер составляет всего лишь 0,29% Вода – самый ценный из всех наших ресурсов. Чтобы выжить, человеку требуется, по крайней мере, 1,4 л воды в день. Без воды не было бы жизни на Земле [6].

К водным ресурсам относятся доступные в настоящее время или возможные к использованию в перспективе на те или иные цели поверхностные или подземные воды. Источниками водных ресурсов являются водные объекты. Водный объект – это сосредоточение природных вод на поверхности суши либо в горных породах, имеющее характерные формы распространения или черты режима [7].

Общая классификация водных объектов (табл. 1):

 

Таблица 1

Группа	Тип	Вид
Поверхностные воды	Водоток	Река, рукав, ручей, канал
	Водоём	Озеро, водохранилище, пруд, болото
	Морс	Окраинное, внутренние, средиземные, меж-островное
	Ледник	Материковый, горный
Подземные воды	Бассейн	Платформенный, предгорный, межгорный, гидрогеологический массив
	Водоносный горизонт	Напорный, напорно –безнапорный, безнапорный
	Месторождение	Питьевых вод, технических вод, теплоэнергетических вод, промышленных вод, минеральных вод

 

 

К поверхностным водным объектам относят: внутренние морские воды и территориальное море страны (морской пояс, расположенный вдоль сухопутной территории государства или его внутренних вод); поверхностные водотоки (реки, ручьи, каналы); поверхностные водоёмы (болота, озёра, пруды, водохранилища); естественные выходы подземных вод (родники, гейзеры); ледники и снежники.

Море - часть Мирового океана, более или менее обособленная сушей или возвышениями подводного рельефа и отличающаяся от открытой части Океана главным образом гидрологическим, метеорологическим и климатическим режимом [8].

Озёра – естественные замкнутые водоёмы, заполненные водой. Среди поверхностных вод озёра отличаются замедленным водообменом, своеобразным температурным режимом, химическим составом воды и значительными периодическими колебаниями уровней [9].

Реки – природный водный поток (водоток), текущий в выработанном им углублении – постоянном естественном русле и питающийся за счёт поверхностного и подземного стока с его бассейна [10].

Болото — участок суши, характеризующийся избыточным увлажнением, повышенной кислотностью и низкой плодородностью почвы, выходом на поверхность стоячих или проточных грунтовых вод, но без постоянного слоя воды на поверхности [11].

Основные компоненты состава природных пресных вод представлены пятью группами [12].

1. Главные ионы – анионы HCO3–, CO32–, SO42–, Cl–, катионы Ca2+, Mg2+, Na+, K+. Воды Земли имеют преимущественно карбонатно-кальциевый состав.

2. Растворённые газы – O2, CO2, CH4, H2S и др. Растворимость газов сильно зависит от температуры, давления и степени минерализации воды.

3. Биогенные элементы  – соединения азота, фосфора, кремния. Азот и фосфор присутствуют  в виде как неорганических (NH4+, NO2–, NO3–,

H2PO4–), так и органических соединений, кремний – в виде кремниевой и поликремниевых кислот (часто в коллоидном состоянии).

4. Микроэлементы – типичные  катионы (Li+, Rb+, Cs+, Sr2+, Ba2+ и др.), ионы тяжёлых металлов (Cu, Ag, Au, Pb, Zn, Ni, Co и др.), типичные анионы (Br–, I–, F–), радиоактивные элементы.

5. Органические вещества (гуминовые и фульвокислоты, углеводоро-ды, которые входят в состав всех  живых организмов).

Кировская область обладает значительными водными ресурсами, основу которых составляют ресурсы речного стока и пресные подземные воды. В области насчитывается 19753 реки общей протяженностью 66,6 тыс. км. Большинство водотоков в области представлено ручьями и малыми реками, а большие реки – их верховьями [13].(рис.1)

Суммарные ресурсы поверхностных вод оцениваются в 28,4 км3/год.

Рис. 1. Реки Кировской области

 

Общий среднегодовой объем водопотребления поверхностных вод составляет 225 – 230 млн. м3.

Качество воды в р. Вятка отличается повышенным содержанием железа общего, имеющего природный характер. Наиболее высокие концентрации загрязняющих веществ антропогенного происхождения сосредоточены в р. Вятке на участке от г. Слободского до г. Кирова, что обусловлено сосредоточением здесь основных промышленных предприятий, крупных городов области[13].

1.2   Загрязнение  воды, критерий качества воды.

Основной причиной загрязнения водных бассейнов является сброс в водоёмы неочищенных или недостаточно очищенных сточных вод промышленными предприятиями, коммунальным и сельским хозяйством. Посчитано, например, что если город потребляет в день 600 тыс. м3 воды, то она даёт около 500 тыс. м3 сточных вод. Остатки удобрений и ядохимикатов, вымываемые из почвы, попадают в водоёмы и загрязняют их [5].

Загрязнение вод проявляется в изменении физических и органолептических свойств (нарушение прозрачности, окраски, запахов, вкуса), увеличении содержания сульфатов, хлоридов, нитратов, токсичных элементов, сокращении количества растворённого в воде кислорода, появлении радиоактивных элементов, болезнетворных бактерий и т. д. Установлено, что загрязнение воды могут вызвать более 400 видов веществ. Различают химические, биологические и физические загрязнители.

Химическое загрязнение – наиболее распространённое, стойкое и далеко распространяющееся. Оно может быть органическим (фенолы, нафтеновые кислоты, пестициды и др.) и неорганическим (соли, кислоты, щёлочи, токсичные элементы, аммонийный и нитратный азот). При осаждении на дно водоёмов или при фильтрации в пласте вредные химические вещества сорбируются частицами породы, окисляются или восстанавливаются, выпадают в осадок. Очаг химического загрязнения подземных вод в сильнопроницаемых грунтах может распространяться на десятки километров и более.

Биологическое загрязнение выражается в появлении в воде патогенных бактерий, вирусов (до 700 видов), простейших грибов. Этот вид загрязнений носит временный характер. К биологическим загрязнителям также относят болезнетворные организмы, водоросли, лигнины, плесневые грибы.

Физическое загрязнение представлено, прежде всего, радиоактивными элементами. Наиболее опасны долгоживущие радиоактивные элементы (стронций-90, уран-238, радий-226, цезий-137 и др.). Эти вещества попадают в поверхностные водоёмы при сбрасывании в них радиоактивных отходов, захоронении отходов на дне. Механическое загрязнение отличается попаданием в воду различных примесей (песок, шламы, ил), а также засорением воды твёрдыми бытовыми отходами, остатками лесосплава. Тепловое загрязнение проявляется в повышении температуры воды в результате её смешивания с более нагретыми поверхностными или технологическими стоками. При повышении температуры происходит изменение состава и свойств воды, что может привести к размножению анаэробных бактерий, «цветению» воды [12].

К категории наиболее часто используемого показателя для оценки качества водных объектов относят гидрохимический индекс загрязнения воды (ИЗВ). ИЗВ – индекс загрязнения воды, как правило, рассчитывают по шестисеми показателям, которые можно считать гидрохимическими; часть из них (концентрация растворенного кислорода, водородный показатель рН, биологическое потребление кислорода) является обязательной. Он рассчитывается по формуле 1:

 

где Ci –концентрация компонента (в ряде случаев – значение параметра);

N – число показателей, используемых для расчета индекса;

ПДКi – установленная величина для соответствующего типа водного объекта [14].

В зависимости от величины ИЗВ участки водных объектов подразделяют на классы (табл. 2). Индексы загрязнения воды сравнивают для водных объектов одной биогеохимической провинции и сходного типа, для одного и того же водотока (по течению, во времени, и так далее) [15].

Таблица 2

Классы качества вод в зависимости от значения индекса загрязнения воды

Воды	Значения ИЗВ	Классы качества вод
Очень чистые	до 0,2	1
Чистые	0,2 – 1,0	2
Умеренно загрязненные	1,0 – 2,0	3
Загрязненные	2,0 – 4,0	4
Грязные	4,0 – 6,0	5
Очень грязные	6,0 – 10,0	6
Чрезвычайно грязные	Более 10,0	7

 

 

Загрязнение вод и ухудшение их качества происходит в основном в результате производственной деятельности заводов и комбинатов. В Кировской области одним из таких техногенно опасных объектов является Кирово-Чепецкий химический комбинат.

3. Характеристика источника загрязнения Кирово - Чепецкий химический комбинат. История предприятия.

В 1938 году началось строительство химического комбината вблизи Кирово-Чепецка. Из-за начавшейся Великой Отечественной войны, ввод предприятия в строй состоялся лишь в 1946 году.

В 1946–1950 гг. завод № 752 был преобразован в новое предприятие для выпуска гексафторида урана для нужд оборонной промышленности.