Приборы. Приборы и методы контроля энергетических загрязнений окружающей среды Приборы и методы измерения шумов
 Скачать 4.92 Mb.
|
|
Другие методы анализа загрязнения вод Жидкостная хроматография Суть метода хроматографии описана в разделе 4.4.3. Подвижная фаза в жидкостной хроматографии называется растворителем, а неподвижная - сорбентом. Сорбент может быть твердым веществом либо адсорбированной на твердом веществе жидкостью. Жидкостная хроматография бывает колоночной и плоскостной [17]. В колоночном варианте разделение веществ раствора производят в колонке, а в плоскостном варианте - на бумаге или в тонком слое сорбента. Наиболее широко распространена колоночная хроматография. Существует несколько приемов разделения веществ на колонках. В одном из них пробу пропускают через колонку. Компоненты раствора распределяются вдоль сорбента, образуя зоны. Сорбент с зонами называется внутренней хроматограммой. Если вещества окрашены, то можно судить о качественном составе смеси. При отсутствии окраски иногда колонку промывают специальным реагентом- проявителем, который реагирует с определяемым компонентом, изменяя его окраску. Для количественного определения состава раствора применяют другие способы хроматографирования. Один из них - фронтальная хроматография, при которой сначала колонку промывают растворителем, а затем непрерывно пропускают раствор смеси веществ. Из колонки первым выйдет наименее сорбируемый компонент, который удается выделить в чистом виде. Другой вариант - элюентная хроматография. При таком способе хроматографирования в колонку вводят небольшую порцию смеси и промывают колонку растворителем, называемым элюентом. На выходе из колонки сначала появляется наименее сорбируемое вещество, затем другие вещества в порядке возрастания сорбируемости. Подключив к выходу колонки датчик, получают элюентную хроматограмму, состоящую из ряда пиков. Каждый пик соответствует отдельным компонентам смеси. По оси абцисс откладывают время, а по оси ординат концентрацию веществ. Одним из вариантов плоскостной хроматографии является бумажная хроматография. В ней используют специальную фильтровальную бумагу. Каплю анализируемого раствора наносят на конец полоски бумаги и высушивают. Затем бумагу опускают в растворитель так, чтобы он не касался нанесенного пятна. Под действием капиллярных сил растворитель передвигается по бумаге. При этом компоненты смеси распределяются между подвижной и неподвижной фазами, образуя зоны с разделенными компонентами. Для преобразования концентраций разделенных веществ в электрический сигнал в жидкостной хроматографии используют следующие свойства жидкостей: - светопоглощение выходящего раствора (фотометрические детекторы); - показатель преломления (рефрактометрические детекторы); - потенциал и электрическая проводимость (электрохимические детекторы). Жидкостную хроматографию наиболее широко используют при разделении сложных смесей веществ (нефть, лекарственные препараты, кровь и т.д.). В ряде случаев жидкостная хроматография является лучшим или единственно возможным методом анализа состава растворов. Химические методы анализа состава жидкостей В природе существуют тысячи наименований жидкостей. Для измерения их концентраций потребовалось бы тысячи наименований измерительных приборов. Это экономически нецелесообразно. Поэтому при анализе составов жидких растворов широко используют химические методы. Они позволяют с помощью химических реактивов определять концентрации практически любого жидкого вещества. Химические методы анализа состава жидкостей основаны на химических реакциях, в результате которых выделяется газ, выпадает осадок, изменяется окраска раствора и т.д. Количество выделившегося газа, выпавшего осадка, интенсивность окраски раствора зависят от концентрации определяемого вещества. Из всех методов химического анализа состава веществ наиболее распространены фотоколориметрические, титрометрия и гравиметрия. Рассмотрим их более подробно. Принцип фотоколориметрии основан на химической реакции взаимодействия определяемого компонента с реактивом-индикатором. Результатом является окрашивание раствора продуктом химической реакции определяемого компонента. Интенсивность окраски пропорциональна концентрации определяемого компонента и определяется прибором, представленным на рис. 40 - фотоколориметром. Он представляет собой измеритель пропускания излучения определенной длины волны веществом, находящимся в его кювете. По результатам измерения фотоколориметра производится расчет концентрации определяемого компонента. К прибору прилагается комплект кювет и оптических фильтров. Титрометрия заключается в разрушении определяемого компонента раствора или какого-либо продукта его химической реакции путем введения строго фиксируемого количества химического реагента, называемого титрантом. Добавление реагента прекращается в момент полного разрушения компонента или продукта его реакции. Концентрация определяемого компонента пропорциональна количеству введенного титранта. Момент полного разрушения компонента определяется по изменению окраски раствора, электрохимическими или любыми другими методами. Для примера рассмотрим кондуктометрическое титрование сильной кислоты (HCl) сильным основанием. По мере добавления титранта NaOH в анализируемый раствор происходит химическая реакция H++ Cl- +(Na++ OH-) → Na++Cl-+ H2O. (28) Удельная электрическая проводимость резко снижается, так как ионы водорода замещаются мало подвижными ионами натрия. После того, как вся кислота будет оттитрована, удельная электрическая проводимость начнет повышаться за счет появления избытка ионов OH-. Количество щелочи NaOH, введенной в раствор к моменту достижения наименьшего значения проводимости, пропорционально искомой концентрации HCl в растворе. Определение концентрации кислот и оснований в растворе возможно также путем титрования с использованием индикатора метилового красного, который имеет красную окраску в кислых растворах и синюю - в щелочных (методика описывалась в разделе 4.4.5). Существует и множество других методов титрования. Гравиметрия заключается во взвешивании продукта химической реакции анализируемого компонента жидкой смеси. Причем этот продукт должен быть твердым веществом. Если продукт химической реакции определяемого компонента раствора с реагентом является газом, то количество полученного газа можно измерить, собрав его в мерный сосуд. Сосуд должен быть предварительно заполнен жидкостью, которая будет вытесняться полученным газом. Количество определяемого компонента пропорционально количеству полученного газа. Методы анализа состава почв Почвы - сложный аналитический объект, включающий неорганические (минеральные) и органические (гумус) вещества, которые могут находиться в твердом, жидком и газообразном состояниях. В почвах могут присутствовать практически все элементы. Их содержание колеблется в широких пределах: для макроэлементов - от десятых долей до нескольких процентов (Al, Fe, Ca, Mg, K, Na, C) и десятки процентов (Si, O); для микро- и ультра микроэлементов - от 10-8 до 10-3% (Ba, Sr, B, Rb, Cu, V, Cr, Ni, Co, Li, Mo, Cs, Se); промежуточное положение занимают элементы с содержанием 10-2- 10-1% (Ti, N, P, S, H). Без достоверных данных качественного и количественного анализа состава почв, их насыщенности удобрениями, загрязненности и т.д. нельзя решить многие задачи агрохимии, выявить источники их загрязнения и сформировать мероприятия по снижению этих загрязнений. Анализ содержания в почвах газов, жидкостей и растворимых веществ (ионов) сводится к их извлечению и анализу методами, описанными в разделах 4.1 - 4.6. Часто определяемые твердые вещества посредством химических реакций переводят в жидкое состояние. Такой процесс, а также процесс извлечения из почв ионов, называется получением почвенной вытяжки [2]. Анализ содержания в почвах твердых веществ без преобразования их агрегатного состояния используется редко. При этом применяют методы: атомно-эмиссионного спектрального анализа с электротермическим возбуждением или атомизацией твердой пробы; инверсионная вольтамперометрия с растворением твердого вещества из электрода; γ - спектроскопия, используемая для определения концентраций радиоактивных веществ. Рассмотрим примеры определения различными методами содержания в почве некоторых веществ. Для определения подвижного (в виде ионов) железа в почве получают сернокислую почвенную вытяжку путем встряхивания 10 г почвы в 100 мл 0,5М H2SO4. При фотометрическом определении железа к 10 мл почвенной вытяжки в колбе вместимостью 50 мл добавляют 5мл реагента и разбавляют водой до 50 мл. В качестве реагента используют 10%-ный раствор сульфосалициловой кислоты. Затем измеряют коэффициент пропускания полученного раствора на фотоколориметре при длине волны λ = 510 нм. По заранее построенному при помощи образцовых растворов графику зависимости коэффициента пропускания от концентрации железа определяют искомую концентрацию. Используя различные химические реагенты, фотометрическими методами можно определять содержание в почвенных вытяжках Mn, P, Ti, Ni, Cr, нитраты. Определение состава твердых веществ возможно методами атомно-эмиссионного спектрального анализа с электротермическим возбуждением. Суть этих методов заключается в возбуждении излучения исследуемого вещества при помощи дуговых и искровых электрических разрядов между парой электродов. Спектр полученных излучений имеет однозначную связь с составом исследуемого вещества.  Рис. 56. Электроды для атомной эмиссии Электроды представлены на рис. 56. Обычно их изготавливают из графита, спектр которого беден линиями излучения. В углублении одного из электродов помещают смешанную с порошком графита пробу твердого вещества. Второй электрод в виде конусообразного стержня называют противоэлектродом. В пространстве между электродами образуется плазма, состоящая из атомов, ионов и свободных электронов с температурой до 5000 К в дуге и 40000 К в искре. Спектры плазмы состоят из большого числа линий излучения с различными длинами волн видимого и УФ диапазонов. Методы позволяют определять содержание в почвах Li, Na, K, Ca, Sr, Ba, Mn, V, Cr, C и т.д. Содержание нитрат- ионов NO3- в почвах удобно контролировать с помощью нитрат- селективного электрода. Серийно выпускаемый нитрат- селективный электрод ЭМ-NO3-01 выполняет электродную функцию в интервале рNO3 от 0,4 до 4,0 при рН 2,0 - 9,0. Для извлечения NO3- из почвы 20 г пробы помещают в колбу, приливают 50 мл 1М раствора K2SO4 и перемешивают на механическом встряхивателе 3 мин. Затем измеряют электрический потенциал нитрат- селективного электрода относительно хлоридсеребряного электрода сравнения. По заранее построенному градуировочному графику определяют рNO3 исследуемой пробы почвы. |