Учебно-исследовательская работа по курсу химии МОНИТОРИНГ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД МАЛОЙ РЕКИ

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Учебно-исследовательская работа
по курсу химии
МОНИТОРИНГ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД МАЛОЙ РЕКИ
«ГОРОДНЯ» В ПАВОДКОВЫЙ ПЕРИОД
Выполнили студенты группы Т02-02
Алферовская П. С., Колокольников Г. А.
Научный руководитель
доцент Ананьева Елена Алексеевна
Москва 2014
Введение
Цель: Исследовать на примере реки (р. Городня),
находящейся в черте г. Москвы, влияние
мегаполиса на состояние поверхностных вод в
паводковый период.
Гордня:
 река в Москве, вторая по длине и расходу воды
после Сетуни правый приток Москвы-реки в черте
города;
 Длина — 16 километров, из которых 13,5
километров Городня течёт в открытом русле
(включая пруды). В низовьях река сильно
загрязнена.
Городня:
Расположение:
Начинается у пересечения Соловьиного проезда и
ул. Рокотова (по другим данным — рядом с метро
Новоясеневская), пересекает Битцевский
лесопарк, далее в открытом русле протекает в
северной части района Чертаново Южное, затем
по подземной трубе течёт к станции Покровская
Курского направления. На территории района
Царицыно она большей частью запружена, образуя
Царицынские и Борисовские пруды, пересекает
районы Зябликово, Братеево и впадает в Москвуреку у Бесединских мостов через МКАД.
Городня:
 На схеме:
Точка отбора:
Причины загрязнения:
 Загрязнения водных систем
происходит в результате первичного
выпадения газо-аэрозольных
выбросов автомобильного
транспорта и их вторичной миграции с
водными потоками на поверхности,
при поступлении водных сбросов при
эксплуатации автодорог. Также
наблюдается загрязнение
естественными органическими
продуктами жизнедеятельности.
Особенности загрязнений от транспортных
потоков в черте города.
1) Выхлопные газы автомобилей, содержащие газовую и
аэрозольную фракции.
2) Испарение горюче-смазочных материалов.
3) Пылевые частицы от истирающихся деталей машин.
4) Продукты коррозии автомобилей и компоненты
антикоррозийных покрытий.
5) Компоненты дорожного полотна.
6) Смыв загрязнений с полотна дороги талыми водами,
дождями и поливочными машинами.
7) Смыв противогололедных смесей талыми водами и дождями.
8) Автозаправочные станции и мойки автомобилей.
Из-за основных источников загрязнения
появляется необходимость анализа следующих
показателей:
 общая жесткость
 нефтепродукты
 анионные поверхностно-активные вещества
 перманганатный индекс воды
 водородный показатель (pH)
 анионы : хлориды, нитраты, сульфаты
 катионы металлов: Железо, Алюминий, Кальций,
Хром, Медь, Магний,
Марганец, Свинец, Литий,
Кремний, Калий, Натрий
Химические и физико-химические
методы измерений.
Комплексонометрическое
определение жесткости воды.
Жесткость – свойство природной воды,
определяемое присутствием в ней
растворенных солей щёлочноземельных
металлов, главным образом солей кальция
и магния.
Измерение массовой концентрации
нефтепродуктов в пробах природной и
сточной воды на анализаторе
жидкости “Флюорат-02”.
Нефтепродукты — смеси
углеводородов, а также индивидуальные
химические соединения, получаемые из
нефти и нефтяных газов.
Основные нефтепродукты














Сжиженные углеводородные газы (СУГ)
Нафта
Бензин
Дизельное топливо
Керосин
Мазут
Остаточные нефтяные топлива
Прочие нефтепродукты
Резина
Масла
Гудрон
Прямогон
Газоконденсат
Битум
Флуориметрический метод
– это способ определений нефтепродуктов в различных водных
пробах, характеризующийся простотой аппаратного оформления,
быстротой исследований и высокой чувствительностью (с нижней
границей диапазона определений в 0.005 мг/л).
В основе флуориметрического метода лежит экстракция
нефтепродуктов гексаном, экстракт при необходимости
очищается и производятся исследования интенсивности
возникающей благодаря оптическому возбуждению
флуоресценции экстракта. Среди характерных отличий
метода стоит отметить также отсутствие мешающих
сколько-нибудь значимых воздействий липидов и малые
oбъемы забираемых для производства анализов проб.
Флуориметрический метод
 Экстракция- процесс разделения смеси жидких или
твердых веществ с помощью селиктивных
растворителей-экстрагентов, в основе процесса:
 -диффузия
- равномерное распределение вещества
 В флуориметрическом методе используется для:
 -отделения нефтепродуктов от воды

-концентрирования исследуемого вещества
Флуориметрический метод
 При возбуждении в ближней УФ области спектра
флуоресцируют только полиядерные
углеводороды. Поскольку их доля мала и зависит
от природы нефтепродукта, наблюдается очень
сильная зависимость аналитического сигнала от
типа нефтепродукта.
Флуориметрический метод
 Селекция световых потоков осуществляется
специально подобранными светофильтрами. В качестве
источника света используется импульсная ксеноновая лампа
высокого давления, обеспечивающая достаточные световые
потоки во всем спектральном диапазоне оптических методов от жесткого ультрафиолета до красной границы видимого
света.
 При помощи микропроцессорной системы анализаторов
производится вычисление концентрации определяемых
веществ с использованием предварительно построенной
градуировочной зависимости в соответствии с методиками
вьполнения измерений.
Флуориметрический метод
Схема флюората
Токсичность нефтепродуктов:
 Значение нефтепродуктов в
промышленности сложно переоценить,
однако некоторые из фракций,
содержащихся в нефти, весьма токсичны,
причем их токсичность возрастает по мере
увеличения концентрации этих фракций при
поглощении или растворении их в водной
системе. ПДК для питьевой воды 0,1 мг/л
 Низкокипящие насыщенные углеводороды и
некоторые ароматические соединения
(бензол и ксилол) токсичны и в разной
степени растворимы в воде.
Общее воздействие
нефтепродуктов на водную среду:
 серьезные нарушения физиологической
активности,
 эффект прямого обволакивания живого организма
нефтепродуктами,
 болезненные изменения, вызванные внедрением
углеводородов в организм,
 изменения в биологических особенностях среды
обитания.
Определение водородного
показателя (pH)
Потенциометрический метод
анализа
 Величина рН определяется количественным
соотношением в воде ионов Н+ и ОН-,
образующихся при диссоциации воды. Если ионы
ОН- в воде преобладают - то есть рН>7, то вода
будет иметь щелочную реакцию, а при
повышенном содержании ионов Н+ - рН<7- кислую.
 Для определения рН в работе используется pH-метр. Он
позволяет измерять pH в широком диапазоне и более
точно (до 0,1 единицы pH), чем с помощью индикаторов.
Ионометрический метод определения pH основывается
на измерении милливольтметром-ионометром ЭДС
гальванической цепи, включающей специальный
стеклянный электрод, потенциал которого зависит от
концентрации ионов H+ в окружающем растворе. Способ
отличается удобством и высокой точностью.
Потенциометрический метод
анализа
 Потенциометрический метод анализа основан на
определении концентрации вещества по величине
потенциала электрода, погруженного в
анализируемый раствор
 Для измерения потенциала используют
гальванический элемент, состоящий
из индикаторного электрода и электрода
сравнения.
Потенциометрический метод
анализа
 Электрод, по потенциалу которого судят о
концентрации определенных ионов, называется
индикаторным. Потенциал индикаторного
электрода определяют относительно электрода
сравнения, потенциал которого не зависит от
концентрации определяемого иона и сохраняет
постоянство в процессе измерения.
Равновесие диссоциации воды, рН
воды
 Равновесный процесс диссоциации воды
характеризуется константой равновесия, называемой
константой ионного произведения воды (КВ):
 Н2О(ж) Н+ + ОН.
 𝐾Д =
𝑎H+ ·𝑎ОН−
= 𝐾B = 𝑎H+ · 𝑎ОН− ,
𝑎H2 О(ж)
(1 )
 так как 𝑎H2 О(ж) = 1
 Константа ионного произведения воды может быть
выражена и через концентрации ионов:
 𝐾Д =
𝐶H+ ·𝐶ОН−
𝐶H2 О(ж)
,
Равновесие диссоциации воды, рН
воды
 так как концентрация воды в воде практически
постоянная величина, то эта величина объединяется с
концентрационной константой и дает константу
ионного произведения воды:

𝐾В =
𝐾с ∙ 𝐶H2 О(ж) = 𝐶H+ · 𝐶ОН−
(2)
 Если прологарифмировать выражение (1) или (2), то
получим связь водородного (рН) и гидроксильного
(рОН) показателей для воды и водных растворов:
 рН + рОН = 14, где pH = −lg𝐶H+ ; pOH = −lg𝐶OH− .
Стеклянный Электрод
 Конструкция одного из наиболее
распространенных ИСЭ – стеклянного –
приведена на рис. 2.4. Этот электрод содержит
мембрану из специального стекла,
контактирующую как с внешним
(анализируемым), так и с внутренним раствором
электролита, содержащего определяемый ион в
стандартной концентрации (раствор НС1). Во
внутренний раствор электролита погружен
электрод сравнения (хлорсеребряный). Его
назначение состоит в осуществлении обратимого
перехода от ионной проводимости, характерной
для мембраны и растворов электролитов, к
электронной проводимости, имеющей место в
металлическом токоотводе, что происходит за
счет реакции, в которой расходуются ионы и
образуются электроны.
 Ag0 + Cl– <=> AgCl +e–
Рис. 9.1. Схема стеклянного
электрода: 1 – мембрана из
специального стекла; 2 –
внутренний
раствор
электролита; 3 – слой плохо
растворимой соли AgCl; 4 –
серебряная проволока; 5 –
токоотвод; 6 – припой; 7 –
корпус электрода.
Значение pH:
 Кислотность среды имеет важное значение для
множества химических процессов, и возможность
протекания или результат той или иной реакции часто
зависит от pH среды.
 Концентрация в растворе ионов водорода часто
оказывает влияние на физико-химические свойства и
биологическую активность белков и нуклеиновых кислот,
поэтому для нормального функционирования организма
поддержание кислотно-основного гомеостаза является
задачей исключительной важности.
Определение водородного показателя
(pH)
потенциометрическим методом
 Для определения рН в работе используется pH-метр. Он
позволяет измерять pH в широком диапазоне и более точно
(до 0,1 единицы pH), чем с помощью индикаторов.
Ионометрический метод определения pH основывается на
измерении милливольтметром-ионометром ЭДС
гальванической цепи, включающей специальный стеклянный
электрод, потенциал которого зависит от концентрации
ионов H+ в окружающем растворе. Способ отличается
удобством и высокой точностью.
Определение перманганатного
индекса.
Перманганатный индекс воды – общая
концентрация кислорода, соответствующая
количеству иона перманганата,
потребляемому при обработке данным
окислителем в определенных условиях
определенной пробы воды.
Значение перманганатного индекса
воды:
 Перманганатный индекс является мерой
загрязнения воды органическими и окисляемыми
неорганическими веществами.
Метод жидкостной хроматографии
в определении хлоридов, нитратов,
сульфатов
 Хроматография – это физико-химический метод
разделения веществ, основанный на распределении
компонентов между двумя фазами – неподвижной и
подвижной. Неподвижной (стационарной) фазой обычно
служит твёрдое вещество (сорбент) или плёнка
жидкости, нанесённая на твёрдое вещество. Подвижная
фаза представляет собой жидкость или газ,
протекающий через неподвижную фазу.
 Сущность метода, используемого в
наших анализах, заключается в
следующем. Раствор исследуемой
смеси вводят в «хроматографическую
колонку» - стеклянную трубку,
заполненную адсорбентом.
Компоненты смеси адсорбируются в
верхней части колонки, не разделяясь
или разделяясь лишь частично;
образуется первичная
хроматограмма, затем её
«проявляют». Для этого в колонку
подают чистый растворитель (элюэнт),
который десорбирует ранее
адсорбированные вещества и
перемещает их со своим потоком вниз
по колонке. При движении по колонке
происходят многократные акты
адсорбции и десорбции, приводящие
к разделению компонентов смеси в
соответствии с законом
адсорбционного замещения.
Схема хроматографа:
1-емкость
2-прецизионный насос высокого
давления
3-система ввода образца
4-элементы разделения
5-детектор
6-аналоговый регистратор
7-сливная емкость
8-in-line фильтр
9-входной фильтр
Метод атомно-эмиссионной
спектрометрии с индуктивносвязанной плазмой.
Атомно-эмиссионная спектроскопия
(спектрометрия), АЭС
атомно-эмиссионный спектральный анализ —
совокупность методов элементного анализа, основанных
на изучении спектров испускания
свободных атомов и ионов в газовой фазе.
Некоторые примеры полученных
результатов:
Используется норматив для
рыбохозяйственных водоемов.
1. Общая жесткость.
8
7
6
5
4
3
2
1
0
20
15
10
5
0
-5
-10
-15
Температура
Концентрация
Жёсткость обусловлена попаданием в реку солей
жесткости (кальций и магний) с антигололедными
препаратами.
Жесткость
Норматив
Температура
2. Нефтепродукты.
20
0.3
15
0.25
10
0.2
5
0.15
0
0.1
-5
08/May
01/May
24/Apr
17/Apr
10/Apr
03/Apr
-15
27/Mar
0
20/Mar
-10
13/Mar
0.05
Температура
0.35
06/Mar
Концентрация
Нефтепродукты проникают в реку путём смыва
загрязнений с полотна дороги и автозаправочных
станций талыми водами и дождями.
Нефтепродукты
Норматив
Температура
3. Водородный показатель (pH).
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
20
10
5
0
-5
-10
08/May
01/May
24/Apr
17/Apr
10/Apr
03/Apr
27/Mar
20/Mar
13/Mar
-15
Температура
15
06/Mar
pH
Водородный показатель pH широко используется для
характеристики кислотно-основных свойств
различных биологических сред.
pH
pH для дистил. Воды min
pH для дистил. Воды max
Температура
4. Пермагнганатный индекс.
7
20
6
15
5
10
4
5
3
0
2
-5
1
-10
0
-15
Температура
Концентрация
Источниками веществ, окисляемых
кислородом, могут быть гниющие остатки
листьев, животные останки, углеводороды и д.р.
П/И
Норматив
Температура
5. Хлориды.
20
350
15
300
10
250
5
200
0
150
08/May
01/May
24/Apr
17/Apr
-15
10/Apr
0
03/Apr
-10
27/Mar
50
20/Mar
-5
13/Mar
100
Температура
400
06/Mar
Концентрация
Повышенное содержание хлоридов
объясняется смыванием в водоём
антигололедных препаратов.
Хлориды
Норматив
Температура
6. Атомно-эмиссионная
спектрометрия с индуктивносвязанной плазмой.












Железо
Алюминий
Кальций
Хром
Медь
Литий
Магний
Марганец
Свинец
Кремний
Калий
Натрий
Железо
Главными источниками соединений железа в
20
1
15
10
0.8
5
0.6
0
0.4
-5
08/May
01/May
24/Apr
17/Apr
10/Apr
03/Apr
-15
27/Mar
0
20/Mar
-10
13/Mar
0.2
Температура
1.2
06/Mar
Концентрация
поверхностных водах являются продукты коррозии
конструкций и сооружений (мосты), а также
пылевые частицы истирающихся деталей
автомобилей.
Fe
Норматив
Температура
Марганец
0.7
20
0.6
15
0.5
10
0.4
5
0.3
0
0.2
-5
0.1
-10
0
-15
Температура
Концентрация
В поверхностные воды марганец поступает в
виде присадки моторного топлива. Его
содержание в реке превышает ПДК.
Mn
Норматив
Температура
Медь
20
0.0012
15
0.001
10
0.0008
5
08/May
01/May
-15
24/Apr
0
17/Apr
-10
10/Apr
0.0002
03/Apr
-5
27/Mar
0.0004
20/Mar
0
13/Mar
0.0006
Температура
0.0014
06/Mar
Концентрация
Медь может появляться в результате
коррозии медьсодержащих деталей (сплавов).
Cu
Норматив
Температура
Свинец
0.02
0.018
0.016
0.014
0.012
0.01
0.008
0.006
0.004
0.002
0
20
10
5
0
-5
-10
08/May
01/May
24/Apr
17/Apr
10/Apr
03/Apr
27/Mar
20/Mar
13/Mar
-15
Температура
15
06/Mar
Концентрация
Поступает в природные воды в связи с
использованием в качестве антидетонатора в
моторном топливе транспортных средств, а также с
поверхностным стоком с городских территорий
(свалок, складов и д.р.).
Pb
Норматив
Температура
Хром
В поверхностные воды соединения хрома
попадают вследствие коррозии и истирания
деталей автомобилей.
0.025
20
0.015
5
0.01
0
-5
0.005
-10
08/May
01/May
24/Apr
17/Apr
10/Apr
03/Apr
27/Mar
20/Mar
-15
13/Mar
0
06/Mar
Концентрация
10
Температура
15
0.02
Cr
Норматив
Температура
Алюминий
20
0.1
15
10
0.08
5
0.06
0
0.04
-5
08/May
01/May
24/Apr
17/Apr
10/Apr
03/Apr
-15
27/Mar
0
20/Mar
-10
13/Mar
0.02
Температура
0.12
06/Mar
Концентрация
К источникам поступления алюминия в природные
воды можно отнести: частичное растворение глин и
алюмосиликатов, атмосферные осадки, пылевые
частицы от истирающихся деталей машин.
Al
Норматив
Температура
Кремний
20
15
10
5
0
-5
-10
-15
4
3
2
1
08/May
01/May
24/Apr
17/Apr
10/Apr
03/Apr
27/Mar
20/Mar
13/Mar
0
06/Mar
Концентрация
5
Температура
Главным источником соединений кремния в природных
водах являются процессы химического выветривания и
растворения кремнийсодержащих минералов, например
алюмосиликатов. Значительные количества кремния
поступают в природные воды в процессе отмирания
наземных и водных растительных организмов, с
атмосферными осадками.
Si
Норматив
Температура
0
-5
Осадки ( есть/нет)
-10
-15
Температура
07/05/14
05/05/14
03/05/14
01/05/14
29/04/14
27/04/14
25/04/14
23/04/14
21/04/14
19/04/14
17/04/14
15/04/14
13/04/14
11/04/14
09/04/14
07/04/14
05/04/14
03/04/14
01/04/14
30/03/14
28/03/14
26/03/14
24/03/14
22/03/14
20/03/14
18/03/14
16/03/14
14/03/14
12/03/14
10/03/14
08/03/14
06/03/14
Погода в период с 06.03.2014
по 08.05.2014
25
20
15
10
5
Погода в фото:
12.03
06.03
26.03
19.03
03.04
17.04
10.04
24.04
08.09
Сравнение с результатами прошлых
лет:
1. Общая жесткость.
12
10
8
2014
6
Норматив
4
2013
2
0
2012
2011
2. Нефтепродукты.
0.8
0.7
0.6
0.5
2014
0.4
2013
0.3
2012
0.2
0.1
0
2011
Норматив
3. Пермагнганатный
индекс.
14
12
10
8
6
2014
Норматив
2013
4
2012
2
2011
0
4. Водородный показатель (pH).
10
9
8
7
6
2014
5
pH для дистил. Воды min
4
2013
3
2012
2
pH для дистил. Воды max
1
0
5. Хлориды.
500
450
400
350
300
2014
250
Норматив
200
2013
150
2012
100
2011
50
0
Железо
2.5
2
1.5
2014
2013
1
0.5
0
2012
2011
Норматив
Хром
0.025
0.02
0.015
0.01
2014
2012
2011
Норматив
0.005
0
Марганец
1.2
1
0.8
2014
0.6
Норматив
2013
0.4
0.2
0
2012
2011
Свинец
0.045
0.04
0.035
0.03
0.025
2014
0.02
2012
0.015
2011
0.01
0.005
0
Норматив
Кремний
14
12
10
8
2014
2013
6
2012
4
2011
2
0
Норматив
Спасибо за внимание!