АНАЛИЗ ПРИРОДНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД

Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Уральский государственный университет путей сообщения
Кафедра инженерной защиты окружающей среды
Б.З. Насардинова
К.Р. Волкова
АНАЛИЗ ПРИРОДНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД
Екатеринбург
2005
Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Уральский государственный университет путей сообщения
Кафедра инженерной защиты окружающей среды
Б.З. Насардинова
К.Р. Волкова
АНАЛИЗ ПРИРОДНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД
Лабораторные работы
для студентов всех форм обучения специальности
656600 – «Инженерная защита окружающей среды»
Екатеринбург
2005
1
В сборнике представлен перечень лабораторных работ, в которых описаны методы анализа природных, очищенных сточных и сточных вод, загрязнённых токсическими соединениями. Сборник знакомит с современными методами
анализа, позволяющими вести мониторинг на высоком техническом уровне.
Данный сборник лабораторных работ позволяет не только лучше усвоить материал теоретического курса по экологии и мониторингу, но и приобрести навыки выполнения химического анализа с последующей обработкой результатов исследования и выдачи заключения об экологическом состоянии объекта исследования.
Сборник предназначен для студентов всех форм обучения, специализирующихся в области инженерной защиты окружающей среды.
Авторы:
Б.З. Насардинова, ст. преподаватель кафедры инженерной защиты окружающей среды.
К.Р. Волкова, ассистент кафедры инженерной защиты окружающей среды.
Рецензент:
А.М. Асонов – д-р биол. наук, профессор, зав. кафедрой инженерной защиты окружающей среды (УрГУПС).
© Уральский государственный университет путей сообщения, 2005
© К.Р. Волкова, Б.З. Насардинова, 2005
2
Оглавление
Введение ....................................................................................................................... 4
Лабораторная работа 1. Определение химического потребления кислорода
(ХПК) ............................................................................................................................ 5
1.1. Определение химического потребления кислорода (ХПК) при
использовании рН-метра – иономера ЭКОТЕСТ-120.......................................... 5
1.2. Определение химического потребления кислорода (ХПК)
титриметрическим методом.................................................................................... 7
Лабораторная работа 2. Манометрический метод определения биохимического
потребления кислорода (БПК) с помощью измерителя OxiTop............................. 8
Лабораторная работа 3. Измерение массовой концентрации нефтепродуктов в
воде ............................................................................................................................. 11
3.1. Определение массовой концентрации нефтепродуктов в воде
полуколичественным методом бумажной хроматографии ............................... 12
3.2. Измерение массовой концентрации нефтепродуктов в воде
флуориметрическим методом на анализаторе жидкости «Флюорат-02» ........ 14
3.3. Измерение массовой концентрации нефтепродуктов в воде на
анализаторе нефтепродуктов АН-2...................................................................... 15
Лабораторная работа 4. Выполнения измерений жесткости в природных и
очищенных сточных водах титриметрическим методом с Трилоном Б. ......... 16
Лабораторная работа 5. Определение содержания кальция в пробах
природных и очищенных сточных вод титриметрическим методом .................. 17
Лабораторная работа 6. Определение содержаний растворенного кислорода
йодометрическим методом....................................................................................... 19
Лабораторная работа 7. Измерение массовой концентрации железа
фотометрическим методом....................................................................................... 20
Лабораторная работа 8. Определение цветности поверхностных вод
фотометрическим методом....................................................................................... 21
Библиографический список...................................................................................... 24
3
Введение
Экологические проблемы сложны по своему происхождению, поскольку формируются в зависимости от множества факторов. В их решении участвует широкий
круг специалистов-экологов: инженеры-экологи, инженеры по защите окружающей
среды, химики, биологи, медики, юристы, экономисты и т. д.
Три объекта окружающей среды: воздух, вода и почва – находятся под постоянным и пристальным вниманием экологов. Важнейшим элементом структуры природоохранной деятельности является контроль за состоянием окружающей среды.
Он осуществляется путём определения фактических характеристик производственных выбросов загрязняющих веществ в воздушную среду, сбросов со сточными водами в водные объекты, путём изучения характеристик отходов, образующихся на
производстве и в быту, и сравнения их с нормативами.
Полученные сведения являются исходными данными для разработки проектов
предельно-допустимых выбросов (ПДВ) и сбросов (ПДС), оформления лицензий и
разрешений на размещение отходов, других документов в области охраны природы.
Состояние объектов природы, качественный состав выбросов и сбросов с селитебных территорий осуществляется в процессе лабораторного анализа.
Сегодня кроме химических методов получили широкое развитие и физикохимические методы анализа, более быстрые и точные.
Настоящая работа предназначена для студентов, обучающихся по специальности «Инженерная защита окружающей среды». Лабораторный практикум позволяет
студентам ознакомиться и приобрести опыт выполнения анализа основных загрязняющих веществ в воздухе, воде и почве. Анализы проводятся на современном лабораторном оборудовании: фотометре, флюорате, иономер-кондуктомере, анализаторе
нефтепродуктов АН-2, ЭкоТест, OxiTop и др. Лабораторный практикум не ставит задачей сделать из инженера-эколога химика-аналитика, но позволяет осознанно осуществлять мониторинговые исследования в любой отрасли народного хозяйства, т. е.
быть квалифицированным специалистом по защите окружающей среды.
4
Лабораторная работа 1. Определение химического потребления кислорода (ХПК)
Химическое потребление кислорода (ХПК), мг/дм3 – количество кислорода, необходимое для химического окисления содержащихся в воде органических веществ. Норматив качества поверхностных вод по ХПК не превышает 15 мг/дм3.
1.1. Определение химического потребления кислорода (ХПК)
при использовании рН-метра – иономера ЭКОТЕСТ-120
Принцип метода
Метод основан на проведении прямых потенциометрических измерений
в кипящем рабочем растворе, в состав которого входят компоненты окислительно-восстановительных систем Сг2О72-/Сг3+, Се4+/Се3+, Mn3+/Mn2+, Ag2+/Аg+.
Средства измерения, оборудование и реактивы
1.Измерительный преобразователь ЭКОТЕСТ-120. 2.Мешалка магнитная ММ-5. 3.Весы аналитические лабораторные. 4.Колба термостойкая емкостью 500 см3. 5.Мерные колбы, цилиндры, пипетки. 6.Вода дистиллированная. 7.Кислота щавелевая двухводная. 8. Раствор щавелевой кислоты. 9.Калий
двухромовокислый. 10.Марганец (II) сернокислый 5-водный. 11.Серебро сернокислое. 12.Церий (IV) сернокислый 4-водный. 13. Кислота серная концентрированная. 14. Раствор серной кислоты концентрацией 14,5 моль/дм3. 15. Раствор
серной кислоты концентрацией 7,5 моль/дм3. 16. Раствор «а» (сернокислое серебро в растворе серной кислоты концентрацией 14,5 моль/дм3). 17. Раствор
«б» (раствор серной кислоты концентрацией 14,5 моль/дм3, дистиллированная
вода, четыреххлористый сульфата церия (IV), калий двухромовокислый, марганец (II) сернокислый, щавелевая кислота). 18. Контрольный раствор с массовой
концентрацией ХПК 200 мг/дм3.
Материал: вода водоема, сточные воды, вытяжки почв и донных отложений, микробиологических, физиологических и других сред.
Ход работы
1. Режим работы прибора при измерении ХПК задается с клавиатуры измерительного преобразователя ИП нажатием следующих кнопок:
F2 – вход в меню ХПК
КЛБ – режим градуировки (калибровки)
ИЗМ – режим измерения ХПК
мг/л – вызов индикации измеренного значения ХПК
5
F1 – вход в меню просмотра параметров при калибровке и потенциала при
измерениях в пробе
«←» и «→» – выбор индицируемого параметра в меню просмотра
ОТМ – выход из ранее установленного режима работы и выход в главное
меню ИП.
Индикация текущих и фиксируемых потенциалов, текущее время очередного этапа калибровки или измерения ХПК и условный номер этапа отображаются на дисплее ИП.
2. Проведение анализа
В измерительную ячейку помещают 10 см3 анализируемой пробы, 20 см3
раствора «а» и 10 см3 раствора «б». Включают магнитную мешалку и перемешивают раствор.
Включают тумблером нагревательный блок, на передней панели которого
загорится зелёный светодиод.
Для входа в меню ХПК нажимают кнопку F2 на панели управления ИП.
На дисплее появится сообщение:
Измерение ХПК
Изм. Клб. О
Нажимают кнопку «ИЗМ» на панели управления ИП. На дисплее появится сообщение:
Нагрев хх:хх
измерение 1
В правом верхнем углу будет индицироваться отсчет времени очередного
этапа процесса, цифра в правом нижнем углу – условный номер текущего этапа
(«1» – интенсивный нагрев).
На передней панели НБ загорается красный светодиод.
Через 4 мин. прибор перейдет в режим ослабленного нагрева (красный
светодиод изменит характер свечения) и установления показаний (этап «2»).
Раздастся длинный звуковой сигнал. Отсчет времени начнется с нуля, ИП переходит в режим измерения потенциала Е1. На дисплее появится сообщение:
Е1 хх: хх
хххх.хх мВ 2
На нижней строке в левой части индицируется текущее значение потенциала.Через 2 мин. прибор переходит в режим ожидания установления потенциала (этап «3»).
После того как прибор зафиксирует установление потенциала, раздастся
звуковой сигнал, нагрев отключится, а на дисплее появится сообщение «Измерение окончено».
Нажав кнопку «ОТМ», выходят в меню ХПК. Нажимают кнопку «мг/л» и
считывают измеренное значение ХПК. Кнопкой «ОТМ» выходят в меню ХПК.
Просмотр значения потенциала, индицируемого в результате измерения
(Е), может быть осуществлен нажатием кнопки F1.
6
1.2. Определение химического потребления кислорода (ХПК)
титриметрическим методом
Химическое потребление кислорода (ХПК), мг/дм3– количество кислорода,
необходимое для химического окисления содержащихся в воде органических
веществ. Норматив качества поверхностных вод по ХПК не превышает 15
мг/дм3..
Принцип метода
Определение основано на окислении органических веществ избытком бихромата калия в растворе серной кислоты при нагревании в присутствии катализатора –
сульфата серебра. Остаток бихромата калия находят титрованием раствором соли
Мора.
Оборудование и реактивы
1.Весы аналитические. 2.Пипетка на 20 см3. 3.Бюретка на 25см3. 4.Цилиндры
мерные на 10, 30 и 50 см 3 . 5.Колбы конические. 6.Колба круглодонная с обратным
холодильником. 7.Раствор бихромата калия K2Cr2O7. 8.Раствор сульфата серебра в
концентрированной серной кислоте. 9.Фенилантраниловая кислота. 10.Раствор
соли Мора.
Материал: природные и очищенные сточные воды.
Ход работы
В круглодонную колбу со шлифом помещают пипеткой 20 см3 анализируемой воды, добавляют 10 см3 раствора бихромата калия, 30 см3 раствора
сульфата серебра в концентрированной серной кислоте (или 150 мг сульфата
серебра и 30 см3 концентрированной серной кислоты) и для равномерного кипения бросают 2–3 капилляра. К колбе присоединяют обратный холодильник и
смесь кипятят на песчаной бане в течение 2 часов.
После охлаждения промывают холодильник дистиллированной водой
(около 50см3), отсоединяют его, добавляют в колбу, обмывая её стенки, ещё 50
см3 дистиллированной воды, вновь охлаждают. Пробу переносят в коническую
колбу, дважды споласкивая круглодонную колбу дистиллированной водой (по
20–30 см3). Добавляют 10 капель раствора N-фенилантраниловой кислоты и
титруют избыток непрореагировавшего бихромата калия раствором соли Мора
до перехода окраски индикатора из красно-фиолетовой в синевато-зелёную.
Аналогичным образом проводят холостой опыт с 20 см3 дистиллированной
воды.
Вычисление результатов измерений
Величину ХПК находят по формуле
СX =
7
8 ⋅ (Vm − Vmx ) ⋅ C m ⋅ 1000
,
V
где Vmx– объём раствора соли Мора, израсходованный на титрование в холостом опыте; Vm– объём раствора соли Мора, израсходованный на титрование
пробы воды, см3; Cm – концентрация раствора соли Мора; V – объём пробы воды, взятой для определения; 8 – масса миллиграмм-эквивалента кислорода.
Лабораторная работа 2. Манометрический метод определения
биохимического потребления кислорода (БПК)
с помощью измерителя OxiTop
БПК – количество кислорода в мг/дм3, которое требуется для окисления
находящихся в воде углеродосодержащих органических веществ, в аэробных
условиях в течение пяти (БПК5) или n инкубационных суток (БПКn) по
изменению
давления
газовой
фазы
над
анализируемой
пробой
(манометрический метод измерения). Распространяется на природные,
очищенные сточные и сточные воды, в том числе загрязненные токсическими
веществами. Норматив качества поверхностных вод по БПКполн. не выше 3.0
мг/дм3.
Принцип метода
Метод определения биохимического потребления кислорода основан на
способности микроорганизмов потреблять растворенный кислород при биохимическом окислении органических и неорганических веществ в воде.
Для сопоставимости величин БПК определение проводят при заданных
стандартных условиях: продолжительности инкубации 5 суток (или более),
температуре инкубации 20 ± 1оС, отсутствии доступа света и воздуха, постоянном перемешивании.
Метод заключается в измерении разности давления в герметично закрытой бутылке до и после инкубации с помощью электронных датчиков давления,
встроенных в крышки бутылок.
Средства измерений, оборудование и реактивы
1. Измерительные головки желтого и зеленого цвета. 2. Емкости (бутыли) для
анализа проб, темного стекла. 3. Резиновые колпачки. 4. Магниты в тефлоновом корпусе для перемешивания жидкости. 5. Магнитный стержень для извлечения магнитов. 6. Платформа на 6 измерительных мест для размещения емкостей и перемешивания проб. 7. Термостат. 8. Весы лабораторные 2-го класса точности. 9. Аквариумный микрокомпрессор. 10. Холодильник бытовой для хранения проб. 11. Колбы
мерные на 164,0 см3 и на 432,0 см3.12. Банки стеклянные с притертой пробкой для
отбора и хранения проб.13. Гидроксид натрия NaOH гранулированный.
14.Гидроксид натрия NaOH 1Н. 15. N-аллилтиомочевина или ингибитор (NTH 600).
16. Кислота соляная HCl 1Н.
Для анализа используется:
8
а) городская сточная вода из основного коллектора или из канализации
жилого массива, свободная от явно выраженного промышленного загрязнения.
Перед анализом воду следует декантировать. Можно приготовить воду так:
вводят 100 г огородной почвы в 1дм3 воды. Перемешивают и дают постоять 10
мин. Отбирают 10 мл отстоявшейся жидкости и доводят водой до объема в
1дм3;
б) речная или озерная вода, содержащая городские стоки;
в) вода на выходе из очистных сооружений.
Предварительная обработка пробы.
Пробы перед началом измерений необходимо тщательно перемешать.
Температура пробы во время заполнения измерительной ёмкости должна быть
+15о + 20оС; пробы, имеющие более высокую температуру, необходимо предварительно охладить.
Значение pH жидкости влияет на процесс разложения загрязнителей. Оптимальное значение pH должно находиться в интервале от 6 до 9. Поэтому следует производить предварительную нейтрализацию кислых и щелочных сточных вод 1н растворами НС1 или NaOH.
Манометрический метод определения БПК позволяет проводить анализ
природных пресных вод и хозбытовых стоков, не загрязненных токсическими
веществами и ингибиторами, практически без пробоподготовки.
При малом содержании растворенного кислорода пробу перед анализом насыщают кислородом воздуха до значения 8,0 – 9,0 мг/дм3 при температуре 20 °С.
Пробу продувают воздухом с помощью микрокомпрессора через трубку с фильтром. Объем пробы до 500 см3 продувают 2 минуты, пробу объемом 1 дм3 продувают до 4 минут. Затем пробу оставляют на 10 минут для выхода нерастворенного
кислорода. Пузырьки газа со стенок сосуда удаляют постукиванием. После этих
процедур проба готова к анализу.
Если в природных водах содержатся нитрификанты (микрорганизмы), которые окисляют содержащийся в пробе азот, потребляя при этом часть кислорода, то определение ведут до БПК5. При большом количестве нитрификантов в
пробу добавляют 5 мг аллилтиомочевины или 20 капель раствора NTH600 на 1
дм3 пробы. После это проводят аэрацию пробы.
При малом содержании фосфора и азота (питательные вещества) в природных и сточных водах и низким содержанием в них растворенного кислорода
рекомендуется добавить микроскопические количества этих веществ, затем
провести аэрацию.
Ход работы
1.Заполнить меpную колбу пробой, подготовленной к анализу.
2.Перелить находящуюся в меpной колбе пробу в измерительные бутыли
темного стекла.
3.Опустить в измерительные бутыли магниты.
4.Вставить в горлышко измерительных бутылей резиновые колпачки.
9
5.Вложить с помощью пинцета две таблетки или гранулы гидроксида
натрия в резиновый колпачок так, чтобы они не попали в пробу.
6.Навеpнуть головку OxiTop на измерительную бутыль.
7.Запустить процесс измерения одновременным нажатием в течение 2
секунд кнопок М и S до индикации «00».
8.Поставить измерительные бутыли на перемешивающую платформу и
поместить систему в термостат с температурой (20 + 1) °С.
9.Включить магнитную мешалку.
10. Закрыть термостат.
При достижении необходимых температурных условий срабатывает
функция Auto Temp и автоматически начинается измерение БПК.
Выдержать пробы герметично в условиях термостатирования и постоянного перемешивания в течение 5 суток или n суток (измерительные головки
OxiTop каждые 24 часа автоматически запоминают измеряемую величину).
Для вызова текущей измеряемой величины нажать на кнопку М.
По истечении пяти дней показания приборов вызывают из памяти нажатием кнопки S.
Результаты измерений каждой измерительной головки анализатора
OxiTop записать в лаборатоpный жуpнал (за 5 суток или за каждые сутки).
При измерении БПКП с помощью системы OxiTop по истечении 5-ти суток произвести очистку памяти (согласно руководству по эксплуатации) и
повтоpный старт на следующие 5 суток и т.д.
11. Обработка результатов измерений
При измерении БПК5 в хозбытовых сточных водах индицируемое
показание измерительной головки пересчитывается в значение БПК5 путем умножения на коэффициент пересчета, равный 1, если объём пробы 432см3, или на
10, если объём пробы составляет 164 см3. По результатам измерений составляется график:
Кривая А – выход за измеряемый диапазон.
Кривая В – нормальный вид зависимости при правильно проведенном эксперименте.
10
Кривая С – результат разгерметизации измерительного сосуда; отсутствие
или недостаток NaOH в колпачках прибора.
Кривая D – был произведен посев неадаптированной или плохо приспособившейся культуры или внесено недостаточное количество микроорганизмов.
Кривая Е – произошел нежелательный процесс, например нитрификация.
Вывод. На основании полученного графика делается вывод о правильности проведения работы.
Лабораторная работа 3. Измерение массовой концентрации
нефтепродуктов в воде
Нефть представляет собой сложную смесь органических соединений,
главным образом углеводородов, относящихся к гомологическим рядам парафиновых углеводородов, циклопарафинов, ароматических углеводородов и
многоядерных углеводородов.
При перегонке нефти получают нефтепродукты (НП), отличающиеся по
температурам кипения: бензин (не выше 205 °С), лигроин (120 – 240 °С), реактивное и газотурбинное топливо (150—280 °С), керосин (180 – 320 °С), дизельное топливо (270 – 400 °С).
В результате отгона фракций, выкипающих до 300°С, остается мазут. Из
мазута при вакуумной перегонке получают масляные фракции нефти, а в остатке - гудрон, из которого получают битумы.
Сырая нефть, а также основные продукты ее переработки представляют
собой маслянистые или вязкие жидкости от светло-желтого до темнокоричневого цвета плотностью 0,73 – 1,04 г/см3. Растворяются в органических
растворителях, в воде практически нерастворимы.
Токсическое действие. Отравления нефтью и нефтепродуктами вызывают
функциональные изменения со стороны центральной нервной системы, снижение кровяного давления, сдвиги со стороны сердечно-сосудистой системы, поражения печени, нарушение желудочной секреции.
Высокое содержание ароматических углеводородов может угрожать хроническими отравлениями с изменением крови и кроветворных органов. Низкокипящие фракции обладают наркотическим действием, у высококипящих более
выражено канцерогенное действие. Нефть и нефтепродукты относятся к веществам 4-го класса опасности. Лимитирующий показатель вредности всех нефтепродуктов органолептический.
Предельно допустимые концентрации в воде водоемов хозяйственнобытового водопользования составляют 0,3 мг/дм3, рыбохозяйственного водопользования - 0,05 мг/дм3. Предельно допустимые концентрации нефтепродуктов в питьевой воде составляют 0,3 мг/дм3.
11
3.1. Определение массовой концентрации нефтепродуктов в воде
полуколичественным методом бумажной хроматографии
Принцип метода
Метод определения содержания масла и нефтепродуктов в воде основан
на их предварительной концентрации путем экстрагирования из водной среды
неполярным растворителем - четыреххлористым углеродом (ЧХУ) в кислой
среде при рН=3-4 с последующим анализом экстракта.
Анализ экстракта на содержание масла и нефтепродуктов выполняется
полуколичественным методом бумажной хроматографии, который основан на
использовании различия коэффициентов распределения (сорбируемости) компонентов анализируемого раствора. Различные величины коэффициентов распределения обеспечивают разделение смеси.
Чувствительность обнаружения нефтепродуктов методом бумажной хроматографии составляет 1 мг/дм3.
Диапазон определяемых концентраций масла и нефтепродуктов в воде –
от 1 до 20 мг/дм3.
Оборудование и реактивы
1. Бумага индикаторная универсальная. 2. Воронка делительная на 500
мл. 3. Склянка для хранения экстрактов. 4. Полоски для хроматографирования.
5. Стаканчики для хроматографирования. 6. Пипетка мерная градуированная на
10 мл. 7. Углерод четыреххлористый. 8. Соляная кислота (1:1). 9. Пипеткакапельница на 1 мл.
Материал: природные, сточные воды
Ход работы
1. Проведение экстракции.
1.1. Экстракцию проводят в делительной воронке.
1.2. К пробе объемом 0,2 дм3 добавляют 2-3 капли раствора соляной кислоты до рН 3-4 (контроль значения рН осуществляют с помощью индикаторной бумаги), далее добавляют с помощью пипетки 10 см3 четыреххлористого
углерода.
1.3. Проводят экстракцию, интенсивно перемешивая содержимое сосуда в
течение 3-5 минут. Затем на 10-20 минут оставляют жидкость для расслоения,
после чего сливают экстракт в склянку для хранения.
2. Анализ экстракта.
2.1. Из склянки с экстрактом пипеткой-капельницей отбирают 1 см3 экстракта
и переносят в стаканчик для хроматографирования.
2.2. В стаканчик с экстрактом помещают полоску хроматографической бумаги
как показано на рис. 1.
12
Рис.1. Определение содержания нефтепродуктов методом бумажной хроматографии
1 - стаканчик; 2- полоска; 3 - пятно НП; 4 - граница погружения плоски; 5-экстракт
Примечание. Наклоны и тряска (качание основы) в период хроматографирования могут привести к неправильному результату при анализе!
2.3. Полоску бумаги выдерживают до полного испарения растворителя.
2.4. Линейкой измеряют ширину пятна нефтепродуктов на полоске.
2.5. Содержание нефтепродуктов в пробе с помощью градуировочного
графика (см. рис. 2).
Рис. 2. Зависимость ширины пятна НП от содержания нефтепродуктов в пробе
2.6. Концентрацию нефтепродуктов в воде рассчитывают по формуле
C НП =
m ПР
,
V
где СНП - концентрация нефтепродуктов в воде, мг/дм3;
mПР – содержание нефтепродуктов в пробе, мг;
V – объем воды, взятый на анализ, см3.
13
Работа 3.2. Измерение массовой концентрации нефтепродуктов
в воде флуориметрическим методом на анализаторе жидкости
«Флюорат-02»
Принцип метода
Флуориметрический метод измерения массовой концентрации нефтепродуктов основан на экстракции их гексаном и измерении интенсивности флуоресценции экстракта на приборе «Флюорат-02».
Диапазон определяемых концентраций нефтепродуктов в воде - от 0,005
до 50 мг/дм3.
Средства измерений, оборудование и реактивы
1. Анализатор жидкости «Флюорат-02». 2. Пипетка мерная градуированная на 10 мл. 3. Цилиндр мерный вместимостью 500 см3. 4. Вода дистиллированная. 5. Гексан, х.ч. 6. Воронка делительная на 500 мл.
Материал: природные, питьевые и сточные воды
Ход работы
1. Проведение экстракции и анализ экстракта.
Пробу воды объемом 0,25 переносят в делительную воронку. При помощи пипетки отбирают 10 см3 гексана и ополаскивают им сосуд, в котором находилась проба. Гексан помещают в делительную воронку. Смесь перемешивают 30 с, отстаивают до появления прозрачного верхнего слоя, который отделяют, переносят в кювету и измеряют концентрацию нефтепродуктов в экстракте
на приборе «Флюорат-02» в режиме «Измерение».
Если концентрация нефтепродуктов превышает 10 мг/дм3, необходимо
провести разбавление экстракта гексаном.
2. Обработка результатов измерений.
Концентрацию нефтепродуктов в воде рассчитывают по формуле
C ПР =
С ИЗМ ⋅ V Г ⋅ К
,
V ПР
где СПР – концентрация нефтепродуктов в пробе воды, мг/дм3;
СИЗМ – концентрация нефтепродуктов в растворе гексана, измеренная на приборе, мг/дм3;
VГ – объем гексана, взятый для экстракции, см3;
VПР – объем пробы, см3;
К – степень разбавления экстракта.
14
Работа 3.3. Измерение массовой концентрации нефтепродуктов
в воде на анализаторе нефтепродуктов АН-2
Принцип метода
Определение основано на выделении нефтяных компонентов из воды
экстракцией четыреххлористым углеродом, хроматографическом отделении
углеводородов от соединений других классов в колонке с оксидом алюминия и
количественном их определении по интенсивности поглощения углеводородных связей метиленовых (-СН2-) и метильных (-СН3-) групп в инфракрасной
области спектра (λ=2926 см-1 или 3,42 мкм). Учет входящих в состав нефтепродуктов ароматических углеводородов, не поглощающих в этой области, осуществляется с помощью специального искусственного стандарта, содержащего
25% бензола.
Диапазон определяемых концентраций нефтепродуктов в воде - от 0,04 до
1000 мг/дм3.
Средства измерений, оборудование и реактивы
1. Анализатор нефтепродуктов АН-2. 2. Пипетка мерная градуированная
на 10 мл. 3. Цилиндр мерный вместимостью 500 см3. 4. Воронка делительная на
500 мл. 5. химический стакан вместимостью 50 см3. 6. Стеклянные палочки
длиной 10-12 см. 7. Четыреххлористый углерод, х.ч. 8. Сульфат натрия безводный, ч. 9. Оксид алюминия для хроматографии, ч.д.а. 10. Вода дистиллированная. 11. Вата, обработанная четыреххлористым углеродом.
Материал: природные, питьевые и сточные воды
Ход работы
1. Подготовка хроматографической колонки.
В нижнюю часть колонки помещают кусочек ваты, насыпают оксид алюминия до широкой части и сверху снова закрывают небольшим кусочком ваты.
2. Экстракция.
Пробу воды объемом 0,1 см3 переносят в делительную воронку. Четыреххлористым углеродом объемом 10 см3 тщательно ополаскивают стенки склянки, в
которой находилась проба, и переносят его в делительную воронку. Выполняют
экстракцию, встряхивая воронку в течение 3 мин. После расслоения фаз нижний
слой (экстракт) сливают в химический стакан вместимостью 50 см3.
2. Очистка экстрактов.
2.1. Экстракт обезвоживают сульфатом натрия, добавляя его в стакан небольшими порциями при перемешивании содержимого стеклянной палочкой
или встряхиванием. Добавление сульфата натрия прекращают после полного
исчезновения эмульсии.
2.2. Экстракт пропускают через хроматографическую колонку.
15
3. Измерение
Экстракт переносят в кювету и ставят в концентратомер.
4. Вычисление результатов измерений.
,
Массовую концентрацию нефтепродуктов в пробе анализируемой воды
(Сх, мг/дм3) рассчитывают по формуле
Cx =
C ⋅ V1
,
V
(1)
где С– концентрация нефтепродуктов в элюате, найденная по показаниям прибора или градуировочной зависимости, мг/см3;
V1–– объем элюата, взятого для экстракции, см3;
V– объем пробы воды, дм3.
Лабораторная работа 4. Выполнения измерений жесткости
в природных и очищенных сточных водах
титриметрическим методом с Трилоном Б
Жесткость воды определяется присутствием в ней солей кальция и магния. Жесткость является одним из нормируемых показателей качества воды.
Принцип метода
Определение основано на титровании пробы воды раствором динатриевой соли этилендиаминтетрауксусной кислоты (трилон Б) в присутствии индикатора эриохрома черного Т (хромогена черного).
Мешающее влияние катионов металлов устраняют добавлением соответствующих маскирующих реагентов.
Мешающее влияние взвешенных и коллоидных веществ устраняют
фильтрованием пробы, цветности – пропусканием пробы через активный уголь.
Оборудование и реактивы
1.Весы аналитические. 2.Пипетки разные. 3.Бюретка вместимостью
25см . 4.Цилиндры мерные. 5.Колбы конические. 6.Капельница. 7.Колба мерная
на 500см3. 8.Раствор Трилона Б. 9. Эриохром черный Т (хромоген черный).
10.Вода дистиллированная. 11.Буферный раствор (7 г хлорида аммония растворить в 100 см3 дистиллированной воды и добавить 75см3 концентрированного
раствора аммиака, довести до 500 см3 дистиллированной водой).
Материалы: природные и очищенные сточные воды.
3
Ход работы
1. В коническую колбу отмеривают пипеткой требуемый объем пробы,
доводят, если необходимо, до 100 см3 дистиллированной водой, добавляют
5 см3 буферного раствора и 5–7 капель раствора индикатора или 10–15 мг по16
рошка индикатора. Пробу перемешивают и титруют раствором трилона Б до
перехода красно-фиолетовой окраски в голубую. Повторяют титрование и, если
расхождение между параллельными титрованиями не превышает 0,05 см3 при
объеме раствора трилона Б 5 см3 или менее и 0,1 см3 при объеме более 5 см3, за
результат принимают среднее значение объёма раствора трилона Б. В противном случае повторяют титрование до получения допустимого расхождения результатов.
2. Вычисление результатов измерений
Общую жесткость воды находят по формуле
C=
CТР ⋅ VТР ⋅ 1000
, (1)
V
где С – общая жесткость воды, ммоль/дм3 эквивалента; Стр – концентрация раствора трилона Б, моль/дм3 эквивалента; Утр – объем раствора трилона Б, пошедшего на титрование пробы, см3; V – объем пробы воды, взятый для определения, см3; 1000 – коэффициент пересчета на дм3.
Лабораторная работа 5. Определение содержания кальция в пробах
природных и очищенных сточных вод титриметрическим методом
Содержание ионов кальция (Са2+) в природных и сточных водах является
нормируемым показателем качества воды. Предельно допустимая концентрация Са2+ в водоемах рыбохозяйственного назначения –180 мг/дм3.
Определению мешают мутность, цветность, а также ионы металлов: железа (>10 мг/дм3), кобальта, никеля (>0,1 мг/дм3), алюминия (мг/дм3), меди
(>0,05 мг/дм3), вызывая нечеткое изменение окраски в точке эквивалентности.
Другие катионы (свинец, кадмий, марганец (II), цинк, стронций, барий) могут
частично титроваться вместе с кальцием и повышать расход трилона Б.
Принцип метода
Титриметрический метод определения массовой концентрации кальция
основан на его способности образовывать с трилоном Б малодиссоциированное,
устойчивое в щелочной среде соединение. Конечная точка титрования определяется по изменению окраски индикатора (мурексида) из розовой в краснофиолетовую. Для увеличения четкости перехода окраски предпочтительнее использовать смешанный индикатор (мурексид нафтоловый зеленый Б). При этом
в конечной точке титрования окраска изменяется от грязно-зеленой до синей.
Магний в условиях анализа осаждается в виде гидроксида и не мешает
определению.
17
Оборудование и реактивы
1.Весы лабораторные. 2. Колбы мерные объёмом 100см3. 3. Пипетки.
4. Бюретки. 5. Колбы конические. 6. Стаканы химические. 7.Колонка хроматографическая 30 см. 8.Трилон Б. 9.Раствор гидроксида натрия 8 %. 3.Пурпурат
аммония (мурексид). 10.Нафтоловый зеленый Б. 11.Вода дистиллированная.
Материал: Природные и очищенные сточные воды.
Ход работы
1. Титрование
В коническую колбу отмеряют пипеткой требуемый объем пробы, доводят, если необходимо, до 100 см3 дистиллированной водой, добавляют 2 см3
8 %-ного раствора гидроксида натрия, 0,1-0,2 г индикатора мурексида и титруют раствором трилона Б со смешанным индикатором до перехода окраски из
грязно-зелёной в синюю, а при использовании только мурексида - из розовой в
красно-фиолетовую. Повторяют титрование и, если расхождение между параллельными титрованиями не превышает данных, приведенных в табл. 1, за результат принимают среднее значение объёма трилона Б. В противном случае
повторяют титрование до получения допустимого расхождения результатов.
Таблица 1
Допустимые расхождения между параллельными титрованиями
в зависимости от объема раствора трилона Б
Объем израсходованного рас<2
2–5
5 – 10
>15
твора трилона Б, см3,
Допустимое
расхождение
0,04
0,05
0,1
0,3
объемов трилона Б, см3
2. Обработка результатов измерений
Массовую концентрацию кальция в анализируемой пробе воды находят
по формулам:
Cx =
C ⋅ V ⋅ 1000
20,04 ⋅ CТР ⋅ VТР ⋅ 1000
или C xэ = ТР ТР
(1)
V
V
где Сх или Схэ – массовая концентрация кальция в воде, мг/дм3 или ммоль/дм3
эквивалента соответственно; Стр – концентрация раствора трилона Б, моль/дм3
эквивалента; Vтр – объем раствора трилона Б, пошедшего на титрование пробы,
см3; V – объем пробы воды, взятый для определения, см3; 20,04 – молярная масса эквивалента Са2+, г/моль.
18
Лабораторная работа 6. Определение содержаний растворенного
кислорода йодометрическим методом
В настоящей методике устанавливается определение массовой концентрации растворённого кислорода в пробах природных и очищенных сточных
вод в диапазоне от 1,0 до 15,0 мг/дм3 титриметрическим методом.
Принцип метода
Титриметрический метод определения массовой концентрации растворенного кислорода основан на его реакции с гидроксидом марганца (П) в щелочной среде. Последний количественно связывает кислород, переходя при
этом в соединение марганца (IV). При подкислении пробы в присутствии избытка иодида калия образуется йод, количество которого эквивалентно содержанию растворенного кислорода и определяется титрованием раствором тиосульфата натрия.
Оборудование и реактивы
1. Колбы мерные, наливные, на 100 см3 и 500 см3. 2. Пипетки на 1, 2, 5, 10,
50 см3. 3. Микробюретки. 4. Колбы конические на 250 см3. 5. Склянки с притертыми пробками для проб воды вместимостью 100, 200 и 500 см3. 6. Раствор
хлорида или сульфата марганца. 7. Щелочной раствор йодида калия или иодида
натрия. 8. Стандартный раствор тиосульфата натрия. 9. Раствор соляной кислоты 2:1 или раствор серной кислоты 1:4. 10. Крахмал растворимый.
Материал: природные и очищенные сточные воды.
Устранение мешающих влияний
Влияние взвешенных и окрашенных веществ устраняют предварительным соосаждением их с гидроксидом алюминия.
Ход работы
1. В склянку с пробой воды вводят отдельными пипетками 1 см3 (при вместимости склянки до 150 см3) или 2 см3 (при вместимости более 150 см3) раствора хлорида (сульфата) марганца и 1 или 2 см3 щелочного раствора иодида
калия (при вместимости склянки до 150 см3 и более 150 см3 соответственно).
Пипетку погружают каждый раз до половины склянки и по мере выливания
раствора поднимают вверх. Затем быстро закрывают склянку стеклянной пробкой таким образом, чтобы в ней не оставалось пузырьков воздуха, и содержимое тщательно перемешивают 15-20-кратным переворачиванием склянки до
равномерного распределения осадка в воде. Склянки с зафиксированными про19
бами помещают в темное место для отстаивания (не менее 10 мин). После того
как отстоявшийся осадок будет занимать менее половины высоты склянки, к
пробе приливают 5 или 10 см3 (в зависимости от вместимости склянки) раствора соляной кислоты, погружая при этом пипетку до осадка (не взмучивать) и
медленно поднимая ее вверх по мере опорожнения. Вытеснение из склянки
части прозрачной жидкости для анализа значения не имеет.
Склянку закрывают пробкой и содержимое тщательно перемешивают.
Отбирают 50 см3 раствора, переносят его в колбу для титрования и титруют
стандартным раствором тиосульфата натрия до тех пор, пока он не станет светло желтым. Затем прибавляют 1 см3 свежеприготовленного раствора крахмала и
продолжают титрование до исчезновения синей окраски.
2. Обработка результатов измерений.
Массовую концентрацию растворенного в воде кислорода находят по
формуле
Cx =
8,0 ⋅ CT ⋅ VT ⋅ V ⋅ 1000
,
50 ⋅ (V − V1 )
где Сх – массовая концентрация растворенного кислорода в анализируемой
пробе воды, мг/дм3; Ст – концентрация раствора тиосульфата натрия, моль/дм3;
\/т – объем раствора тиосульфата натрия, пошедший на титрование, см3;
V – вместимость кислородной склянки, см3; V1 – суммарный объем растворов
хлорида марганца и иодида калия, добавленных в склянку при фиксации растворенного кислорода, см3; 8,0 – масса миллиграмм-эквивалента кислорода, мг.
Лабораторная работа 7. Измерение массовой концентрации железа
фотометрическим методом
Соединения железа Fе (II) обладают некоторым общим токсическим действием, при этом хлориды токсичнее сульфидов. Соединения Fе (Ш) менее ядовиты, но действуют прижигающе на пищеварительный канал и вызывают рвоту. Реальную опасность острого отравления для человека при приеме внутрь
представляет железо, поступающее в организм в составе лекарственных препаратов, и сульфат Fе (II). В интоксикации хлоридом и сульфатом Fе (III) на первый план выступают расстройства на уровне микроциркуляции: нарушение насосной деятельности сердца.
Токсичность соединений железа в воде зависит от рН. В щелочной среде
токсичность возрастает. Подпороговые концентрации в воде водоемов, определяющиеся по органолептическим показателям: сульфат и нитрат Fе (Ш), гидроксид Fе (П) – 0,5 мг/дм3; хлорид Fе (Ш) – 0,9 мг/дм3. Подпороговая концентрация, не влияющая на санитарный режим водоема, для Fе(ОН)2 – 0,5 мг/дм3, для
Fе2(SО4)3 – 1,25 мг/дм3. Максимальная концентрация, которая при постоянном
воздействии в течение сколь угодно длительного времени не вызывает нарушений биохимических процессов, для Fе(ОН)2 – 2,6 мг/дм3, для FеСl3 – 5 мг/дм3.
20
Железо относится к веществам 3-го класса опасности. Предельно допустимые концентрации общего железа в воде хозяйственно-бытового водопользования составляют 0,3 мг/дм3, в воде водоемов рыбохозяйственного водопользования – 0,1 мг/дм3 , 0,05 мг/дм3 – для морских водоемов.
Принцип метода
Фотометрический метод определения массовой концентрации железа основан на взаимодействии ионов Fе (2+) с о-фенантролином с образованием
красного комплекса с максимумом светопоглощения при длине волны, равной
510 нм. Восстановление Fе (3+) до Fе (2+) проводят гидроксиламином. Окраска
комплекса не зависит от рН в пределах от 3 до 9 и устойчива длительное время.
Средства измерений, вспомогательное оборудование и реактивы
1. Фотоэлектроколориметр с выставленной длиной волны 510 нм, кюветы с
толщиной поглощающего слоя 10 мм. 2. Плитка электрическая. 3. Колбы мерные. 4. Пипетки мерные. 5. Стаканы мерные. 6. Аммоний уксуснокислый.
7. Гидроксиламин солянокислый. 8. Кислота уксусная. 9. Кислота серная.
10. о- Фенантролин. 11. Вода дистиллированная.
Материал: питьевые, природные, сточные воды.
Ход работы
1. Отбирают 50 мл отфильтрованной пробы воды в мерную колбу.
2. К отобранной пробе приливают 1 мл 10%-ного гидроксиламина.
3. На электрической плитке выпаривают половину от объема полученного
раствора.
4. Переносят раствор в мерный стакан объемом 50 мл.
5. К раствору приливают 10 мл азотамонийного буфера.
6. К полученному раствору добавляют 2 мл о- фенантролина.
7. Доводят до метки дистиллированной водой, перемешивают.
8. Через 5 мин замеряют оптическую плотность на КФК-3 с длиной волны
510 нм, кювета 10 мм.
9. Определяют концентрацию железа по градировочному графику.
10. Вывод.
Лабораторная работа 8. Определение цветности поверхностных
вод фотометрическим методом
Цветность поверхностных вод суши обусловлена, главным образом, присутствием в них гумусовых веществ и соединений трехвалентного железа. Ве21
щества, обусловливающие цветность, поступают в поверхностные воды в результате процессов химического выветривания горных пород, с подземным
стоком, при вымывании из почв и торфяников. Вызывать довольно интенсивную окраску воды также могут сточные воды некоторых предприятий.
За единицу цветности принята цветность раствора, содержащего определенные концентрации хлорплатината калия и хлорида кобальта. Результаты определения цветности выражают в градусах цветности.
Цветность поверхностных вод колеблется в широких пределах: от единиц
до сотен и тысяч градусов. Обычно цветность повышена в водах рек и озер,
расположенных в лесной и болотистой местностях, за счет поверхностного стока гумусовых веществ.
Высокая цветность воды ухудшает ее органолептические свойства, может
снижать концентрацию растворенного кислорода в водном объекте. Предельно
допустимая величина цветности в водах, используемых для питьевых целей,
составляет 35 градусов.
Метод измерения
Измерение по варианту 1 основано на визуальном сравнении цвета анализируемой воды с искусственной стандартной цветовой шкалой, создаваемой
раствором хлорплатината калия и хлорида кобальта.
Фотометрическое определение (вариант 2) основано на измерении оптической плотности исследуемой воды при 436 нм. Цветность в градусах находят
по градуировочной зависимости.
Определению цветности мешают взвешенные вещества, которые удаляют
фильтрованием пробы.
Средства измерений, оборудование и реактивы
1. Фотоктроколориметр. 2. Весы аналитические. 3. Колбы мерные вместимостью 1000 см3. 4. Пипетки градуированные вместимостью: 1 см3, 2 см3,
5 см3, 10 см3. 5. Цилиндры мерные с плоским прозрачным дном (Несслера)
вместимостью 50 – 100 см3. 11. Цилиндр мерный вместимостью 100 см3.
12. Фильтры бумажные обезволенные «синяя лента». 13. Вода дистиллированная.
Материалы: природные воды, водопроводная вода.
Ход работы
1. Вариант 1. Измерение сравнением со шкалой.
В чистый сухой цилиндр Несслера наливают 50 – 100 см3 отфильтрованной анализируемой воды и сравнивают со шкалой, производя просмотр сверху
на белом фоне.
22
Если вода имеет цветность более 70 град., пробу разбавляют дистиллированной водой и повторяют измерение. За результат анализа принимают величину цветности раствора шкалы, окраска которого идентична окраске пробы.
2. Вариант 2. Фотометрическое измерение.
Отфильтрованную пробу воды помещают в кювету и измеряют величину
оптической плотности при 436 нм относительно дистиллированной воды. Цветность анализируемой воды находят по градуировочной зависимости.
Если производилось разбавление пробы, результат анализа увеличивают в
соответствующее число раз.
23
Библиографический список
1. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. – М.:
МГУ, 1970. – 487 с.
2. Воробейчик Е.Л., Садыков О.Ф., Фарафонтов М.Г. Экологическое
нормирование техногенных загрязнений наземных экосистем. – Екатеринбург,
УИФ «Наука», 1994.
3. Зубрев Н.И., Шарпова Н.А. Охрана окружающей среды и экологическая безопасность на железнодорожном транспорте: Учебное пособие. – М.:
УМК МПС России, 1999. – 592 с.
4. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды. – М.:
Гидрометеоиздат, 1984. – 560 с.
5. Лурье Ю.Ю., Рыбникова А.И. Химический анализ производственных
сточных вод. – М.: Химия, 1966. – 280 с.
6. Маслов Н.Н., Коробов Ю.И. Охрана окружающей среды на железнодорожном транспорте: Учебное пособие. – М.: Транспорт, 1996, 238с.
7. Предельно-допустимые концентрации химических элементов в окружающей среде: Справочник / Сост. Г.П. Беспамятов, Н.А. Кротов. – Л.: Химия,
1985. – 528 с.
8. Унифицированные методы анализа вод / Под общей ред. д-р хим. наук, проф. Ю.Ю. Лурье. – М.: Химия, 1971. – 375 с.
9. Черняев А.М. Поэзия и проза воды. – Екатеринбург: Виктор, 1996. –
276 с.
10. Шахов И.С. Водные ресурсы и их рациональное использование. –
Екатеринбург: АКВА-ПРЕСС, 2000. – 289 с.
24
Белла Зайновна Насардинова
Ксения Рифовна Волкова
АНАЛИЗ ПРИРОДНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД
Сборник лабораторных работ
для студентов всех форм обучения специальности
656600 – «Инженерная защита окружающей среды»
Редактор Е.А. Морозова
620034, Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66, УрГУПС
Редакционно-издательский отдел
Бумага писчая №1
Тираж 160
25
Подписано в печать
Формат 60х90 1/16
Усл. п.л. 1, 6
Уч.-изд.л. 1, 2
Цена договорная.
Заказ