К.х.н. Шачнева Е.Ю., Арчибасова Д.Е.
Астраханский
государственный университет, Россия
СПОСОБЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАДМИЯ В
ПРИРОДНЫХ
И СТОЧНЫХ ВОДАХ
Содержание в воде соединений тяжелых металлов
ухудшает состояние водных объектов, ухудшая показатели качества воды. В индустриальный век развития промышленного производства в
связи с резким увеличением отходов водоемы уже не справляются со столь
значительным загрязнением. В связи с этим возникла необходимость определять тот
или иной компонент, обезвреживать, очищать сточные воды и утилизировать их. Так
в естественных условиях кадмий попадает в подземные воды в результате
выщелачивания руд цветных металлов, а также в результате разложения водных
растений и организмов, способных его накапливать. ПДК для питьевой воды по
кадмию составляет 0,01 мг/дм3, для длительного орошения всех почв и
сельскохозяйственных водоемов - 0,005 мг/дм3. Таким образом, тяжелые
металлы являются серьезными загрязнителями окружающей среды, оказывающими
неблагоприятное воздействие на человека, животных, растения, а также на
процессы самоочищения водоемов и работу очистных сооружений. В связи с этим
рассматриваемая тематика, а также исследования в данной области являются,
несомненно, актуальными.
Известен способ определения кадмия (II), который может
быть использован при анализе природных и техногенных вод. Он включает
приготовление сорбента, раствора кадмия (II), извлечение кадмия (II) из
раствора сорбентом и переведение его в комплексное соединение на поверхности
сорбента, отделение сорбента от раствора, измерение интенсивности люминесценции
(478 нм) поверхностного комплекса кадмия (II) и определение содержания кадмия
по градуировочному графику. В качестве сорбента используют силикагель, последовательно
модифицированный полигексаметиленгунидином и 8-оксихинолин-5-сульфокислотой [1].
Помимо
способа, описанного выше, для определения малых количеств кадмия в сточных и природных
водах применяется способ извлечения ионов кадмия в раствор введением полимерного
хелатообразующего сорбента полистирол-азо-роданина. Процесс сорбции осуществляется
при комнатной температуре, рН 7-9 и времени перемешивания - 20 мин. В качестве элюента используют 2М раствор HCl. Способ обеспечивает
избирательное концентрирование ионов кадмия в нейтральной среде в присутствии
ионов кобальта, никеля и ванадия за счет увеличения чувствительности и высокой
сорбционной емкости сорбента к ионам кадмия (предел чувствительности составляет
- 10-3мг/л) [2].
К способам определения меди, свинца и кадмия в пробе можно отнести и следующий [3]. Он включает контактирование пробы с цинком,
предварительно нанесенным на высокоосновной анионит JRA-400 из водно-ацетоного
раствора, определение элементов методом спектроскопии диффузного отражения (при длинах волн 630 нм для меди, 510 нм – свинца, 570 нм – кадмия). Это позволяет создать новые
эффективные твердые фазы для концентрирования и количественного определения
тяжелых токсичных металлов в водах различного происхождения и молокопродуктах.
Для одновременного качественного и количественного
определения кадмия, свинца, цинка, никеля и меди в пищевых продуктах, почве, воде
и растительной продукции используется следующий способ. Анализируемую пробу с
рН 4-6, обрабатывают комплексоном. Полученную суспензию пропускают через
стеклянный фильтр, концентрат растворяют в ацетонитриле и разделяют полученные
хелаты металлов в хроматографической колонке, заполненной обращенно-фазным
сорбентом, с последующим детектированием в УФ-области (двухволновая детекция).
Используют подвижную фазу (элюент) состава (ацетонитрил-буферный раствор (рН
5,4) - NaDЭДТК - хлороформ) [4].
К способам анализа водных растворов, а также для
проведения экспресс-анализов применяется следующий метод [5]. В нем сорбцию
ионов Cd(II) из анализируемого раствора ведут на тканевый носитель путем
помещения тканевого носителя в анализируемый раствор с последующим отделением
жидкой фазы и обработкой носителя формазаном
(1-(n-бромфенил)-3-фенил-5-(бензоксазол-2-ил) формазан) в количестве
0,025-0,125 масс.% от массы тканевого носителя. Концентрацию ионов определяют
визуально путем сравнения интенсивности окраски тканевого носителя с
имитационной цветовой шкалой.
При совместном
определении
концентрации никеля или кадмия в воде, используется способ с измерением
интенсивности хемилюминесценции стандартных растворов с помощью анализатора
жидких проб, построение зависимости интенсивности хемилюминесценции от
концентрации определяемых компонентов. Для чего при определении концентрации
ионов никеля или кадмия в пробах воды в виде комплексных соединений в
анализируемый водный раствор предварительно вносят комплексообразователь - трилон Б [6].
При применении экстракционно-вольтамперометрического
определения цинка, кадмия, свинца, меди и железа в твердых образцах природных
объектов используется следующий способ. Для экстрагирования металлов из твердых
частиц используют водно-органическую расслаивающуюся систему: 2 М раствор
фармакопейного антипирина, 2-водная сульфосалициловая кислота (ч.д.а.) (2:1). Вводят
анионы тиоцианата в виде соли роданида калия (ч.д.а.) - 0,1 моль KSCN на литр смеси реагентов с последующим катодным концентрированием
и поэлементным количественным определением металлов вольтамперометрическим
методом в режиме «ex situ» в одном акте химического анализа [7].
Выделяют также экстракционно-вольтамперометрический
способ определения цинка, кадмия, свинца и меди в природных водах. В нем
металлы совместно с ртутью извлекают в расслаивающуюся систему (вода - антипирин-сульфосалициловая
кислота - тиоцианат калия), формируют нижнюю фазу ионной органической жидкости,
аликвоту которой наносят на поверхность графитового электрода, который помещают
в трехэлектродную ячейку с 0,1 моль/л KSCN, без задержки подают потенциал
накопления ртути - 1,4 В в течение 30 секунд, затем в
режиме анодной развертки регистрируют вольтамперограмму в квадратно-волновом
режиме в пределах -1,20 до +0,20 В в виде пиков анодного окисления цинка,
кадмия, свинца, меди [8].
Для лазерно-искрового эмиссионного определения
токсичных элементов в пищевом сырье и продуктах применим способ, основанный на
воздействии сфокусированного лазерного излучения на поверхность исследуемого
образца. При этом возникает лазерная искра оптического пробоя, образующаяся
плазма содержит пары исследуемого вещества, анализ свечения лазерной искры с помощью
полихроматора, многоэлементного фотодетектора и блока сопряжения с ПК позволяет
выделить спектральные линии паров определяемых элементов, идентификация
спектральных линий и анализ осуществляется в автоматическом режиме с помощью
программного обеспечения, содержащего библиотеку эмиссионных спектров,
отличающийся тем, что для возбуждения спектров элементов применяются режимы лазерно-искрового
воздействия на пробу, с длительностью импульса лазера - 120 мкс, энергия излучения - 0,3-1,2 Дж
[9].
Известен способ определения содержания токсических
элементов в сырье и в продукции сахарного производства. В нем используется определение
содержания элементов, предусматривающий пробы каждого элемента, перед измерением
путем их минерализации, приготовления градуированных растворов каждого из
определяемых элементов, измерения с определением массовой концентрации каждого
элемента методом атомной абсорбции путем перевода жидкой пробы, содержащей
элемент, в атомарное состояние с последующим фотометрированием градуированных
растворов и растворов проб, анализируемых на заданный элемент, расчет массовой
концентрации каждого токсического элемента, обработку результатов и контроль
правильности результатов. В соответствии со способом минерализацию каждой пробы
с массовой навеской в 2,000±0,001 г проводят термической обработкой пробы путем
выпаривания в присутствии азотной кислоты в несколько стадий в зависимости от
вида пробы. Перед последним выпариванием в пробу вводят конц. азотную кислоту (5-10
см3), добавляют перекись водорода или хлорной кислоты (2-3 см3),
выпаривают и после чего в каждую из проб добавляют воду, смесь кипятят 10-15
мин. Градуированные растворы каждого из элементов готовят по значениям концентраций,
соответствующих линейному диапазону измерения концентраций на данном приборе, и
перевод жидкой пробы в атомарное состояние производят путем электротермической
атомизации, после которой определяют оптическую плотность атомного пара
анализируемого элемента в растворе [10].
В качестве селективного и экспрессного способа
определения кадмия выделяют метод, основанный на реакции образования
комплексного соединения с тиродином. Для его реализации в раствор анализируемой
пробы с pH 4-5 добавляют 1,5-3-кратный избыток тиродина и фотометрируют
окрашенный раствор (520 нм). Концентрацию кадмия определяют по предварительно
построенному калибровочному графику [11].
Таким образом, можно сделать вывод о том, что
существует достаточное количество способов определения содержания кадмия в
природных и сточных водах. Применение того или иного из них оправдано
необходимой исследователю эффективностью, чувствительностью, точностью и
конечно же объектом исследования, поэтому разработка новых и усовершенствование
уже имеющихся методов и методик является актуальной и сейчас.
Литература
1.
Патент № 2457481 С1 RU. МПК G01N31/22 (2006.01), G01N21/76 (2006.01). Способ определения
кадмия (II) / Лосев
В.Н., Метелица С.И. - № 2011133148/15; заявл. 05.08.2011, опубл. 27.07.2012.
2.
Патент № 2417952 C1 RU. МПК C02F1/62 (2006.01), C02F1/28 (2006.01). Способ извлечения
кадмия из сточных и природных вод / Бабуев М.А. Арсланбейков Р.Х.,
Амиров А.М. - № 2009143727/05; заявл. 25.11.2009.; оопубл. 10.05.2011.
3.
Патент №
2361660 C1 RU. МПК B01J20/26 (2006.01), G01N33/18 (2006.01). Способ концентрирования и определения меди, свинца и кадмия / Татаева С.Д., Бюрнаева У.Г., Гасанова
З.Г. - № 2008122612/15; заявл. 04.06.2008., опубл. 20.07.2009.
4.
Патент №
2037824 C1 RU. МПК 6 G01N30/06. Способ одновременного
качественного и количественного определения кадмия, свинца, цинка, никеля и
меди / Соснина М.В.,
Мотылева С.М. -№ 93019316/25; заявл. 13.04.1993; опубл. 19.06.1995.
5.
Патент №
№2429470 C1 RU. МПК G01N31/02 (2006.01). Способ определения ионов кадмия (II) в растворе / Маслакова Т.И., Скорых Т.В., Липунова
Г.Н., Первова И..Г., Липунов И.Н. - № 2010132474/15; заявл. 02.08.2010; опубл.
20.09.2011.
6.
Патент №
2010118088 A. МПК G01N21/00 (2006.01). Способ определения
концентрации ионов никеля или кадмия в воде / Ряхов Д.В., Новоселова Е.В., Пушкин И.А. - №
2010118088/28; заявл. 06.05.2010; опубл. 27.11.2011.
7.
Патент №
№2382355 C1 RU. МПК G01N27/48 (2006.01). Экстракционно-вольтамперометрический
способ определения цинка, кадмия, свинца, меди и железа в твердых образцах природных
объектов / Темерев С.В.,
Логинова О.Б. - № 2008139840/28; заявл. 07.10.2008; опубл. 20.02.2010.
8.
Патент № 2383014 C1 RU. МПК, G01N27/48 (2006.01). Экстракционно-вольтамперометрический способ определения цинка, кадмия,
свинца и меди в природных водах / Темерев С.В., Логинова О.Б.; №2008138727/28; заявл.
29.09.2008; опубл. 27.02.2010.
9.
Патент № 2011111645 A RU. МПК G01N33/00
(2006.01). Способ лазерно-искрового эмиссионного определения
токсичных элементов в пищевом сырье и продуктах / Скрипкин А.М., Хатюшин П.А., Григорьев
В.В.; № 2011111645/15; заявл. 29.03.2011; опубл. 10.10.2012.
10.
Патент № №2003104669 A RU. МПК 7 G01N33/02. Способ
определения содержания токсичных элементов в сырье и в продукции сахарного
производства / Игнатов И.В.,
Миронова Г.С. - № 2003104669/28; заявл. 17.02.2003; опубл. 27.01.2005.
11.
Патент №
2019819 C1 RU. МПК 5 G01N21/78. Способ фотометрического определения
кадмия / Роева Н.Н.,
Саввин С.Б. - № 4952495/25; заявл. 28.06.1991; опубл. 15.09.1994.