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

Стронций

Источниками стронция в природных водах являются горные породы, а наибольшее его количество содержится в гипсоносных отложениях.

Обычно низкая концентрация стронция в природных водах объясняется слабой растворимостью его сернокислых соединений (растворимость SrSO4 в дистиллированной воде при температуре 18 0С составляет 114 мг/л).

Концентрация стронция в пресных водах обычно намного ниже 1 мг/л. Встречаются районы с повышенной концентрацией этого иона в водах, в частности, вблизи месторождений стронциевых руд (целестин SrSO4, стронцианит SrCO3)

Будучи близок к кальцию по химическим свойствам, стронций резко отличается от него по своему биологическому действию. Избыточное содержание этого элемента в почвах, водах и продуктах питания вызывают «уровскую болезнь» у человека и животных (по названию реки Уров в Восточном Забайкалье). Данное заболевание проявляется в серьезном поражении суставов, их деформации, задержке роста и др. ПДК составляет 7 мг/л [28].

Аммоний

В природной воде аммиак образуется при разложении азотсодержащих органических веществ. Он хорошо растворим в воде с образованием гидроксида аммония (уравнение 1):

NH3 + H2O → NH4OH (1)

Содержание ионов аммония в поверхностных водах варьирует в интервале от 10 до 200 мкг/л в пересчете на азот. Присутствие в незагрязненных поверхностных водах ионов аммония связано главным образом с процессами биохимической деградации белковых веществ, дезаминирования аминокислот, разложения мочевины под действием уреазы.

Основными источниками поступления ионов аммония в водные объекты являются животноводческие фермы, хозяйственно-бытовые сточные воды, по-верхностный сток с сельхозугодий при использовании аммонийных удобрений, а также сточные воды предприятий химической, коксохимической, лесохимической  и пищевой промышленности. В стоках промышленных предприятий содержится до 1, в бытовых стоках – 2–7 мг/л аммония; с хозяйственно-бытовыми сточными водами в канализационные системы ежесуточно поступает до 10 г аммонийного азота на одного жителя.

Концентрация аммония в питьевой воде не должна превышать 2 мг/л по азоту. ПДК солевого аммония составляет 5 мг/л по азоту [28].

Нитраты

Присутствие нитрат-ионов в природных водах связано с:

• внутриводоёмными процессами нитрификации аммонийных ионов в присутствии кислорода под действием нитрифицирующих бактерий;

• атмосферными осадками, которые поглощают образующиеся при атмосферных электрических разрядах оксиды азота;

• промышленными и хозяйственно-бытовыми сточными водами, осо-бенно после биологической очистки, когда концентрация нитрат-ионов до-стигает 50 мг/дм3;

• стоком с сельскохозяйственных угодий и сбросными водами с орошаемых полей, на которых применяются азотные удобрения.

В поверхностных водах нитраты находятся в растворённой форме. Концентрация нитратов в поверхностных водах подвержена заметным сезонным колебаниям: минимальная в вегетационный период, она увеличивается осенью и достигает максимума зимой, когда при минимальном потреблении азота происходит разложение органических веществ и переход азота из органических форм в минеральные.

При длительном употреблении питьевой воды и пищевых продуктов, содержащих значительные количества нитратов (от 25 до 100 мг/л по азоту), у людей резко возрастает концентрация метгемоглобина в крови. Крайне тяжело протекают метгемоглобинемия у грудных детей и у людей, страдающих сердечнососудистыми заболеваниями. Особенно в этом случае опасны грунтовые воды и питаемые ими колодцы, поскольку в открытых водоёмах нитраты частично потребляются водными растениями.

Смертельная доза нитратов для человека составляет 8–15 г., допустимое суточное потребление – 5 мг/кг массы тела. ПДК нитрат-ионов в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования составляет 45 мг/л [29].

Нитриты

Нитриты представляют собой промежуточную ступень в цепи бактериальных процессов окисления аммония до нитратов (нитрификация – только в аэробных условиях) и, напротив, восстановления нитратов до азота и аммиака (денитрификация – при недостатке кислорода). Подобные окислительно-восстановительные реакции характерны для станций аэрации, систем водоснабжения и собственно природных вод. Кроме того, нитриты используются в качестве ингибиторов коррозии в процессах водоподготовки технологической воды и поэтому могут попасть в системы хозяйственно-питьевого водоснабжения. Широко известно применение нитритов для консервирования пищевых продуктов.

В поверхностных водах нитриты находятся в растворённом виде. В кислых водах могут присутствовать небольшие концентрации азотистой кислоты. Повышенное содержание нитритов указывает на усиление процессов разложения органических веществ в условиях более медленного окисления NO2– в NO3–, что указывает на загрязнение водного объекта, т. е. является важным санитарным показателем.

Сезонные колебания содержания нитритов характеризуются отсутствием их зимой и появлением весной при разложении неживого органического вещества. Наибольшая концентрация нитритов наблюдается в конце лета, их присутствие связано с активностью фитопланктона. Осенью содержание нитритов уменьшается [29].

Фториды

В речные воды фтор поступает из пород и почв при разрушении фторсодержащих минералов (фторапатит Ca5(PO4)3F, криолит Na3AlF6) с почвогрунтовыми водами и при непосредственном смыве поверхностными водами. Источником фтора также служат атмосферные осадки. Повышенное содержание фтора может быть в некоторых сточных водах предприятий стекольной и химической промышленности (производство фосфорных удобрений, стали, алюминия), в некоторых видах шахтных вод и в сточных водах рудообогатительных фабрик.

Миграционная способность фтора в природных водах в значительной степени зависит от содержания в них ионов кальция, дающих с ионами фтора малорастворимое соединение. Большую роль играет режим углекислоты, которая растворяет карбонат кальция, переводя его в гидрокарбонат .

Повышенные количества фтора в воде (более 1,5 мг/л) оказывают вредное действие на людей и животных, вызывая костное заболевание (флюороз). Очень низкое содержание фтора в питьевой воде (менее 0,01 мг/л) также вредно сказывается на здоровье, вызывая опасность возникновения зубного кариеса. ПДК фторид-ионов в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования составляет 1,5 мг/л [29].

Хлориды

В речных водах и водах пресных озёр содержание хлоридов колеблется от нескольких долей миллиграмма до нескольких сотен, а иногда и нескольких тысяч миллиграммов на 1 л. В морских и подземных водах содержание хлоридов значительно выше – вплоть до пересыщенных растворов и рассолов.

Хлориды – преобладающие анионы в высокоминерализованных водах. Концентрация хлоридов в поверхностных водах подвержена заметным сезонным колебаниям, коррелирующим с изменением общей минерализации воды. Первичными источниками хлоридов являются магматические породы, в состав которых входят хлорсодержащие минералы (содалит 3Na2O • 3Al2O3 • 6SiO2 • 2NaCl, хлорапатит Ca3(PO4)3Cl), соленосные отложения, в основном галит (NaCl). Значительные количества хлоридов поступают в воду в результате обмена с океаном через атмосферу, посредством взаимодействия атмосферных осадков с почвами, особенно засолёнными, а также при вулканических выбросах. Возрастающее значение приобретают промышленные и хозяйственно-бытовые сточные воды.

Повышенные содержания хлоридов ухудшают вкусовые качества воды, делают её малопригодной для питьевого водоснабжения и ограничивают применение в ряде технических и хозяйственных целей, а также для орошения сельскохозяйственных угодий. Высокие концентрации хлоридов не оказывают вредного влияния на человека, хотя пагубно влияют на рост растений, вызывают засоление почв. Концентрация хлоридов и её колебания могут служить одним из критериев загрязнённости водоёма хозяйственно-бытовыми стоками [30].

Сульфаты

Сульфаты присутствуют практически во всех поверхностных водах и являются одним из важнейших анионов.

Главным источником сульфатов в поверхностных водах являются процессы химического выветривания и растворения серосодержащих минералов, в основном гипса, а также окисления сульфидов и серы:

2FeS2 + 7O2+ 2H2O → 2FeSO4 + 2H2SO4 (2)

2S + 3O2 + 2H2O → 2H2SO4 (3)

Значительные количества сульфатов поступают в водоемы в процессе отмирания организмов, окисления наземных и водных веществ растительного и животного происхождения и подземным стоком.

В больших количествах сульфаты содержатся в шахтных водах и в промышленных стоках производств, в которых используется серная кислота, например, окисление пирита. Сульфаты выносятся также со сточными водами коммунального хозяйства и сельскохозяйственного производства.

Содержание сульфатных ионов в растворе ограничивается сравнительно малой растворимостью сульфата кальция. При низких концентрациях кальция, а также в присутствии посторонних солей концентрация сульфатов может значительно повышаться.

Сульфаты активно участвуют в сложном круговороте серы. При отсутствии кислорода под действием сульфатредуцирующих бактерий они восстанавливаются до сероводорода и сульфидов, которые при появлении в природной воде кислорода снова окисляются до сульфатов. Растения и другие автотрофные организмы извлекают растворённые в воде сульфаты для построения белкового вещества. После отмирания живых клеток гетеротрофные бактерии освобождают серу протеинов в виде сероводорода, легко окисляемого до сульфатов в присутствии кислорода.

Концентрация сульфатов в поверхностных водах подвержена заметным сезонным колебаниям. Важнейшим фактором, определяющим содержание сульфатов, являются меняющиеся соотношения между поверхностным и подземным стоками. Заметное влияние оказывают окислительно-восстановительные процессы, в водном объекте и хозяйственная деятельность человека.

Концентрация сульфата в природной воде изменяется в широких пределах. В речных водах и водах пресных озёр содержание сульфатов часто колеблется от 5–10 до 60 мг/л, в дождевых водах – от 1 до 10 мг/л. В подземных водах содержание сульфатов нередко достигает значительно больших величин.

Повышенные содержания сульфатов ухудшают органолептические свойства воды и оказывают физиологическое (слабительное) воздействие на организм человека. Поскольку сульфат обладает слабительными свойствами, его предельно допустимая концентрация строго регламентируется нормативными актами. Вкусовой порог сульфата магния лежит от 400 до 600, для сульфата кальция – от 250 до 800 мг/л. ПДК сульфатов в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования составляет 500 мг/л [29].

Фосфаты

Соединения минерального фосфора поступают в природные воды в результате выветривания и растворения пород, содержащих ортофосфаты (апатиты и фосфориты Ca3(PO4)2) и поступления с поверхности водосбора в виде орто-, мета-, пиро- и полифосфат-ионов (удобрения, синтетические моющие средства, добавки, предупреждающие образование накипи в котлах и др.), а также образуются при биологической переработке остатков животных и растительных организмов. Избыточное содержание фосфатов в воде, особенно в грунтовой, может быть отражением присутствия в водном объекте примесей удобрений, компонентов хозяйственно-бытовых сточных вод, разлагающейся биомассы.

Содержание соединений фосфора подвержено значительным сезонным колебаниям, поскольку оно зависит от соотношения интенсивности процессов фотосинтеза и биохимического окисления органических веществ. Минимальные концентрации фосфатов в поверхностных водах наблюдаются обычно весной и летом, максимальные – осенью и зимой.

Общее токсическое действие солей фосфорной кислоты возможно лишь при весьма высоких дозах и чаще всего обусловлено примесями фтора [29].

Таким образом, состояние водных объектов может являться индикатором загрязнения окружающей среды. КЧХК является одним самых крупных химических предприятий в Кировской области. Основными загрязнителями окружающей среды вблизи комбината являются соединения азота, натрия, кальция, калия, магния и стронция, нитрат-, сульфат-, хлорид-, фторид- и фосфат-ионы.В высоких концентрациях анионы и катионы обладают токсическим действием и создают экологическую опасность для человека, животных и растений. В связи с этим очень важно проводить оценку содержания неорганических анионов и катионов в водных объектах в зоне влияния КЧХК.

 

Глава II Методическая часть.

2.1 Обзор методов определения ионного состава проб воды.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2 Оптические (спектрометрические) методы.

Спектр – зависимость интенсивности испущенного, поглощенного, прошедшего или рассеянного излучения от характеристик этого излучения например, длины волн, частоты, волнового числа и т. д.(рис. 2).

Спектроскопия – метод, основанный на изучении характера взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, на анализе спектров.

 

 

 

 

 

Рис. 2 Спектр

Весь спектр электромагнитного излучения традиционно делят на несколько областей в зависимости от длины волны:

• γ - излучения – менее 0,1 нм
• рентгеновские лучи – 0,001-1 нм
• ультрафиолетовые лучи - 10нм – 380 нм
• видимый свет – 380 нм – 780 нм
• инфракрасные лучи – 780 нм – 1 мм
• микроволны - 1 мм – 30 см
• радиоволны – более 30 см

Существуют спектры поглощения  и спектры испускания. Спектры поглощения (абсорбционные) образуются в результате избирательного поглощения веществом электромагнитного излучения определенной длины волны. Спектры испускания (эмиссионные) регистрируют электромагнитное излучения, испускаемое предварительно возбужденными частицами.

 Соответственно, различают:

- абсорбционный спектральный  анализ