Document 990255

ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2004, Випуск 7
УДК 543.395
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА ИОННОЙ
ФЛОТАЦИИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Н.В.Ильченко *,
ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПРИРОДНЫХ
А.В.Ильченко **,
ВОДАХ
Н.П.Тараканова *
* Институт проблем природопользования и экологии НАН Украины;
** Институт технической механики НАН Украины, Днепропетровск
Запропонована методика визначення важких металів у природних водах з попереднім
концентруванням методом іонної флотації з наступним кількісним визначенням методом
атомно-абсорбційної спектроскопії та фотометрії.
Предложена методика определения тяжелых металлов в природных водах с предварительным концентрованием методом ионной флотации с последующим количественным
определением методом атомно-абсорбционной спектроскопии и фотометрии.
Достаточно сложная экологическая ситуация на Украине привела к деградации во всей
экосистеме Днепра, в частности, к ухудшению
качества воды. Анализ данных Областной санитарно-эпидемиологической станции г. Днепропетровска показал, что наиболее распространенными загрязнителями бассейна реки
Днепр в пределах Днепропетровской области
являются органические вещества, нефтепродукты, АПАВ, СПАВ, фенолы и тяжелые металлы, такие как цинк, свинец, кадмий, ртуть.
Концентрация их свидетельствует о нарушении нормативов качества воды, принятой для
водоемов рыбохозяйственного и культурнобытового назначения.
Загрязнение воды в бассейне Днепра привело к нарушению природных процессов самоочищения водных объектов и значительно
усложнило проблему получения качественной
питьевой воды на водопроводных станциях.
Водопроводные очистные сооружения уже не
могут препятствовать поступлению в питьевую воду значительного количества неорганических и органических загрязняющих веществ,
совместное действие которых на организм человека угрожают здоровью населения.
Как показали исследования, состояние водопроводных очистных сооружений нынче
такое, что часть химических соединений из
воды практически не устраняется, в особенности когда их содержание превышает предельно
допустимые концентрации.
Для улучшения сложившейся экологической ситуации в первую очередь необходим
глубокий всесторонний контроль за содержанием токсикантов в естественных и питьевых
©
водах, в том числе таких тяжелых металлов
как свинец, медь, кадмий, цинк, железо и
ртуть. Мониторинг качества питьевых вод
позволит выявить источники техногенного
воздействия на окружающую среду и оценить
эффективность подготовки питьевой воды на
очистных станциях.
Это особенно актуально в регионах Украины с высокой степенью техногенной нагрузки,
таких как Приднепровский промышленный
регион, Криворожский железорудный бассейн,
в которых очень остро стоит вопрос качественного питьевого водоснабжения.
По
данным
Областной
санитарноэпидемиологической станции города Днепропетровска в 2003 году превышения предельно
допустимых концентраций (ПДК) загрязняющих веществ для водоемов рыбохозяйственного назначения наблюдались практически на
всех речках бассейна. Так, содержание металлов в Днепре составило для железа – 15-60
ПДК, марганец - 1,5 ПДК, никель – 2-3 ПДК,
кадмия – 2 ПДК, ртути – 7 ПДК. Зафиксировано загрязнение Днепра фенолами и нефтепродуктами.
Кроме того, следует отметить, что особо
опасно загрязнение тяжелыми металлами водоводов и мест водозаборов питьевых вод.
Так, например, в Ломоносовском водоводе
питьевых вод зафиксировано значительное
превышение содержания свинца, которое составляет 0,0068 мг/дм3, что в
22,5 раз больше чем в 1996 году. Такая же закономерность
установлена и для большинства исследуемых
металлов в воде: цинка, хрома, никеля, железа,
кадмия. Нехарактерно лишь превышения для
меди и марганца [1].
По
данным
Городской
санитарноэпидемиологической станции г. Днепропет-
Ильченко Н.В., Ильченко А.В.,
Тараканова Н.П., 2004
199
ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2004, Випуск 7
ровска концентрация тяжелых металлов в питьевой воде центрального водоснабжения города за период 2002-2003 годов содержала соединения свинца в переделах 0,01 мг/дм3,
кадмия – 0,003-0,009 мг/дм3,
цинка – 0,03 0,09 мг/дм3, железа – 0,3-0,6 мг/дм3, меди и
ртути в питьевой воде выявлено не было.
Наблюдается повышенное содержание в питьевой воде кадмия – превышения ПДК в 3-9 раз
и железа – в 2 раза.
Определение содержания микроэлементов
в природных водах является одной из составляющих частей решения задач контроля уровня загрязняющих объектов окружающей среды.
Существует множество методов определения микроколичеств тяжелых металлов в природных водах. Существующие инструментальные методы позволяют определить содержание металлов с использованием их предварительного концентрирования из водных растворов лишь на уровне ПДК, что в настоящее
время недостаточно. Нормативы ПДК (в
мг/дм3) по содержанию тяжелых металлов в
природных и сточных водах в последнее время
изменились, более ужесточились: мышьяк –
0,01 вместо 0,05; свинец – 0,01 вместо 0,03.
Для ряда токсикантов 1-3 классов опасности,
таких как ртуть, кадмий, хром (+6), были установлены требования по их наличию в воде
ниже уровня ПДК [2].
Для определения микроколичеств тяжелых
металлов в химических лабораториях санитарно-эпидемиологических станций чаще всего
используются такие инструментальные методы как фотометрическое, полярографическое
либо атомно-абсорбционное определение с
предварительным концентрированием [3]. В
качестве методов предварительного концентрирования чаще всего используются методы
экстракционного концентрирования либо выпаривания до сухих солей.
Данные методики имеют ряд достоинств,
но также нужно отметить, что выпаривание,
например, по времени достаточно длительный
и трудоемкий процесс, а также возможны значительные потери определяемого микрокомпонента.
Нами в качестве метода концентрирования
был предпочтен метод ионной флотации, который достаточно быстр и нетрудоемок, прост
в аппаратурном оформлении, не требует дорогостоящих реагентов.
Целью данной работы являлась разработка
методики определения микроколичеств ряда
токсичных металлов (меди, кадмия, цинка,
свинца) в природных водах, основанная на
предварительном флотационном концентрирования тяжелых металлов в присутствии ПАВ с
последующим их определением фотометрией
и атомно-абсорбционной спектроскопией.
Флотационная обработка модельных систем проводилась на лабораторной установке,
разработанной
на
основе
пузырьковопленочного экстрактора [4], первоначально
предназначенного для очистки и доочистки
питьевых вод от поверхностно-активных веществ.
Основным элементом установки (рисунок)
являются стеклянные трубки 6, 7 с регулируемой длиной, одна из которых конической частью в виде воронки опускается в емкость 1 с
анализируемой пробой воды (1000 мл). Экспериментально были подобраны габаритные
размеры экстрактора так, чтобы при максимально возможной длине пути образующихся
пленок не происходило их разрушения. В качестве газовой фазы используется воздух, который подается компрессорами 4, 5 через
стеклянную трубку 2 с титановой насадкой 3.
Скорость подачи воздуха составляет 1 л/мин.
Рисунок - Установка флотационного концентрирования
200
ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2004, Випуск 7
Пузырьки воздуха, проходя через слой исследуемой воды, образую на ее поверхности
пленку сублата металлоион-ПАВ. Пленка,
увлекаемая потоками воздуха, освободившегося из пузырьков, улавливалась стеклянной воронкой и в виде пленок по стеклянным трубкам поступает в сборник концентрата 8 – мерную колбу на 25 мл.
Нами были использованы для извлечения
тяжелых металлов следующие поверхностноактивные вещества: анионные - додецилсульфат натрия, неионогенные - неонол, а также
катионное поверхностно-активное вещество тетрааммоний бромид.
Количественное определение содержания
тяжелых металлов в модельных системах после предварительного флотационного концентрирования проводилось физико-химической
лабораторией отдела гигиены труда городской
санитарно-эпидемиологической станции города Днепропетровска методом пламенной и
беспламенной атомно-абсорбционной спектроскопии
на
пламенном
атомноабсорбционом спектрофотометре С-600 (определение свинца и кадмия) и беспламенном
атомно-абсорбционом
спектрофотометре
ААS-1N (определение меди и цинка) с предварительным выпариванием до сухих солей в
присутствии азотной кислоты.
Был проведен анализ степени извлечения
тяжелых металлов из модельных водных систем при помощи поверхностно-активных веществ различного качественного состава.
В таблице 1 представлены результаты флотационного концентрирования тяжелых металлов при помощи ПАВ двух типов: анионактивного – додецилсульфата натрия и неионогенного – неонола.
Таблица 1 - Результаты флотационного концентрирования тяжелых металлов
из водных растворов
№
1
Наименование металла
Медь
2
Свинец
3
Кадмий
Собиратель
Додецилсульфат
натрия
Неонол
Додецилсульфат
натрия
Неонол
Додецилсульфат
натрия
Неонол
Также наряду с анионным и неионогенным
ПАВами для извлечения свинца использовался
катионный ПАВ – тетрабутиламмоний бромид. Степень извлечения свинца колебалась в
пределах 0-32 %.
Степень извлечения R,%
94±3,4
88±5,7
92±3,8
87±5,2
93±3,6
86±4,3
В таблице 2 приведено сравнение результатов определения тяжелых металлов в водопроводной воде фотометрическим методом, атомно-абсорбционной спектроскопией и атомноабсорбционной спектроскопией с предварительным флотационным концентрированием.
Таблица 2 - Определения тяжелых металлов в водопроводной воде фотометрическим методом,
атомно-абсорбционной спектроскопией и атомно-абсорбционной спектроскопией
с предварительным флотационным концентрированием
Найдено, мг/дм3
Металл
Железо
Медь
Цинк
Кадмий
Свинец
Ртуть
Фотометрический метод
ААС
0,1719
0,0784
0,0914
0,0044
0,0120
-
0,1722
0,0840
0,0919
0,0049
0,0125
-
201
АСС с предварительным
флотационным концентрированием,
1,1265
0,1330
1,3190
0,1530
0,0800
0,0057
ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2004, Випуск 7
Анализ полученных данных дает возможность сделать вывод о том, что использование
метода ионной флотации в качестве метода
предварительно концентрирования позволяет
значительно более точно определить содержание тяжелых металлов и упростить процесс их
определения.
На наш взгляд ионная флотация имеет ряд
преимуществ: простота и быстрота выполнения, отсутствие необходимости использования
растворителей, фильтрования, экстракции или
других трудоемких операций. К тому же ионная флотация дает чистый продукт, пригодный
для количественного анализа инструментальными методами, что позволяет определить
содержание тяжелых металлов на уровне ПДК
и ниже.
Использование предварительного флотационного концентрирования позволяет осуществить определение тяжелых металлов в сточных и питьевых водах с большей точностью и
надежностью.
Перечень ссылок
1. Содержание тяжелых металлов в питьевой воде г. Днепропетровска и их гигиеническая
характеристика / Э.Н. Белицкая, Е.В. Антонова, Т.А. Головкова и др. // Тезисы докл. VI Международной научно-практической конференции «Вода: проблемы и решения» - Днепропетровск: МБПП
«Сфера» - 2002. – С. 253-254
2. Национальные санитарно-гигиенические требования к качеству питьевой воды и проблема ее
вторичного загрязнения в водопроводах крупных городов / В.С.Гевод, И.Л.Решетняк, С.В.Гевод и
др. // Вопросы химии и химической технологии. - 2001. - № 2. – С. 173-175
3. Набиванець Б.Й., Сухан В.В., Карабіна Л.В. Аналітична хімія природного середовища. – К.:
Либідь, 1996. – 303 с.
4. Патент Украины № 2635, МКВ 5 С 02F1/24, Установка для очистки воды, преимущественно
питьевой, от поверхностно-активных веществ. В.С. Гевод, К.Е. Киливник, О.С. Ксенжек. Дата рег.
31.10.94г.
N.V.Ilchenko *, A.V. Ilchenko **, THE USE OF METHOD OF IONIC FLOTATSII
N.P.Tarakanova * FOR DETERMINATION OF HEAVY METALS
FROM NATURAL WATERS
* Institute of Problems on Nature Management & Ecology,
National Academy of Sciences of Ukraine;
** Institute of Technical Mechanics, National Academy of Sciences of Ukraine,
Dniepropetrovsk, Ukraine
The method of determination of heavy metals in natural waters with the preliminary kontsentrovaniem method of ionic flotatsii with subsequent quantitative determination by the method of
atomic-absorption spectroscopy and photometry is offered.
Поступила в редколлегию 22 сентября 2004 г.
Представлено членом редколлегии канд. техн. наук П.И. Копачем
202