География и геология/6. Природопользование и экологический мониторинг

Удалов И.В., Полевич О.В.

Харьковский национальный университет имени В.Н. Каразина

контроль элементного состава водных объектов

Осуществление важнейшей функции водного хозяйства – охраны вод требует разработки и практического применения эффективных средств и способов управления формированием качества воды в водных объектах. Это достигается в первую очередь путем создания новых методов, технологических схем и типов сооружений, обеспечивающих предотвращение загрязнения водных объектов поверхностными и промышленными стоками.

Для эффективного решения такой задачи требуется разработка способов объективной оценки качества воды как в поверхностных и промышленных стоках, так и в самих природных водоемах.

Применительно к промышленным предприятиям, необходимость контроля состава сточных вод обусловлена тем, что, во-первых, состав сточных вод является надежным индикатором соответствия основного технологического процесса регламенту, и, во-вторых, технически обоснованные процессы водоподготовки и очистки сточных вод невозможны без надежного контроля их состава.

В связи с этим необходимо создание аналитической службы непосредственно в подразделениях водоконтроля и водоочистки, а это в свою очередь, обусловливает необходимость совершенствования быстрых и надежных методов анализа воды в водных объектах.

Загрязнение сточных вод ионами тяжелых металлов особенно характерно для машиностроительных предприятий и, в частности, для их гальванических цехов. Промывные сточные воды подавляющего большинства гальванических цехов содержат, в основном, ионы Cr⁶⁺, Ni²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺, Cd²⁺, Fe³⁺, Fe²⁺, Sn²⁺ и некоторые другие. Так, суммарный объем сточных вод гальванического цеха одного из предприятий составляет 200 – 240 м³ в сутки, а их примерный состав для различных машиностроительных заводов приведен в табл. 1.

Табл. 1. Состав и концентрация загрязнений в сточных водах гальванических, термических и окрасочных производств, подаваемых на городские сооружения биологической очистки.

Показатели	Единица измерения	Сточные воды		Метод очистки
Показатели	Единица измерения	до очистки	после очистки	Метод очистки
1	2	3	4	5
Заводы автомобильной и шарикоподшипниковой промышленности
pH	-	3-12	6,5-8,5	Реагентно-механический с использованием реагентов: извести, бисульфата натрия
Cr³⁺	мг/л	отсутств.	до 2,5
Cr⁶⁺	мг/л	10-200	отсутств.
CN^-	мг/л	10-400	отсутств.
Ni²⁺	мг/л	до 100	0,4-0,5
Cu²⁺	мг/л	до 100	0,1-0,4	Механический с применением электрокоагуляции
Zn²⁺	мг/л	до 100	1	Механический с применением электрокоагуляции
Fe_общ	мг/л	до 200	2-5	Ионообменный
Заводы строительного, коммунального и дорожного машиностроения
pH	-	2-13	8,5-9
Co²⁺	мг/л	30	5
Cr⁶⁺	мг/л	350	отсутств.
Cr³⁺	мг/л	30	0,1
Cd²⁺	мг/л	300	0,08
Zn²⁺	мг/л	200	0,05
Cu²⁺	мг/л	150	0,008
Ni²⁺	мг/л	105	0,01

1	2	3	4	5
Заводы машиностроения для легкой, пищевой, полиграфической промышленности и бытовых приборов
pH	-	10-12	6,5-8
Fe_общ	мг/л	2-2,4	0,2-0,7
Cr³⁺	мг/л	2-14	0,3-1,2
Zn²⁺	мг/л	0,1-0,07	0,008-0,006
Ni²⁺	мг/л	0,2-2,8	0,016-0,03
Sn²⁺	мг/л	0,03-0,05	0,0003-0,0006
Cu²⁺	мг/л	0,1-13	0,006-0,1
Приборостроительные заводы
Cr⁶⁺	мг/л	5-180	до 0,1
Cr³⁺	мг/л	1-5	0,5
Fe_общ	мг/л	15-250	0,1-0,5
Cu²⁺	мг/л	0,2-80	до 1
Ni²⁺	мг/л	0,2-5	до 0,1
Cd²⁺	мг/л	0,2-5	до 0,01
Zn²⁺	мг/л	3-100	до 1
Sn²⁺	мг/л	0,2-1,5	до 0,06

Рассмотрение данных таблицы 1 показывает, что контроль состава сточных вод гальванических производств как до, так и после очистки требует одновременного определения ионов тяжелых металлов в диапазоне концентраций, охватывающем два порядка.

Анализ воды водоемов и очищенных сточных вод сводится большей частью к определению «следовых» количеств веществ (~0,1 мг/л [1]) в очень сложных смесях, поэтому важным направлением исследований является разработка современных методов определения отдельных компонентов или групп веществ.

В последние 2 – 3 десятилетия в практике элементного анализа смесей веществ физическим методам все чаще отдают предпочтение перед традиционными методами химического анализа. К наиболее часто применяемым физическим методам исследования элементного состава веществ относятся [2] спектрофотометрический, атомно-абсорбционный, люминесцентный анализ, пламенная фотометрия, рентгеновский абсорбционный анализ, нейтронно-активационный, метод атомной флуоресценции, электронно-зондовый микроанализ и рентгеновский флуоресцентный анализ (РФА). Для всех этих методов характерно наличие достаточно совершенной аппаратуры возбуждения и регистрации спектров, использующие последние достижения электронной, вакуумной и криогенной техники, развиваемые и используемые в физическом эксперименте, возможность автоматизации, а зачастую и полная автоматизация с помощью ЭВМ, выполняющих как функции управления, так и обработки спектральной информации с выдачей в качестве результата исследования непосредственно концентраций определяемых элементов. При выборе той или иной конкретной методики решения поставленных научных и производственных задач обычно руководствуются следующими критериями [2, 3]:

- сфера применения метода, под которой понимают диапазон определяемых элементов без существенной перестройки аппаратуры, селективность анализа, а также агрегатное состояние и состав исследуемых объектов;

- время анализа;

- наличие простых методик подготовки проб к анализу;

- воспроизводимость анализа [4];

- точность и чувствительность анализа [4];

- надежность и простота эксплуатации аппаратуры;

- стоимость анализа, включающая стоимость аппаратуры и ее эксплуатации.

Анализ, проведенный в [2] и ряде оригинальных статей (см., например, [5]), показывает, что при определении элементов с порядковым номером z ≥ 11 в природных и сточных водах метод рентгенофлуоресцентного анализа в наибольшей степени соответствует требованиям задач природоохраны и эффективного управления технологическими процессами.

С другой стороны, улучшение параметров аналитических методов – точности, чувствительности, селективности, экспрессности непосредственно связано с экономией материальных ресурсов. Так, экспрессность анализа дает возможность корректировать технологический процесс и тем самым снижать энергетические затраты, повышать качество продукции.

Одним из основных направлений развития аналитического контроля является его автоматизация на базе многоканальных рентгеновских и оптических спектрометров, соединенных с ЭВМ [6].

Использование таких спектрометров и созданных на их основе автоматизированных систем аналитического контроля (АСАК) дает значительную экономию энергии и материалов. Это обусловлено экспрессностью и точностью аналитической информации, позволяющей устанавливать наиболее рациональные режимы работ.

Литература:

1. www.lib.uniyar.ac.ru/edocs/iuni

2. www.chem21.info/info/161682

3. www.ochistivodu.ru/laboratornie-metody-analyza

4. www.chem21.info/info/1486661

5. Macdonald G.L. X-ray spectrometry // Anal. Chem. – 2001. – V. 52, № 1. – P. 100 – 106.

6. www.mash-xxi.info/info/220858