Алемасова А.С., Луговой К.С. Экологическая аналитическая химия

Подождите немного. Документ загружается.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ

А.С. АЛЕМАСОВА, К.С. ЛУГОВОЙ

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Учебное пособие

Донецк 2010

УДК 543.26+543.3+543.64 (075.8)

ББК Г4я 73

А 483

Печатается в соответствии с решением ученого совета Донецького

национального университета от .2010 г. (протокол № )

Резензенты:

д-р химических наук, проф., заведующий кафедрой физической и

органической химии Ю.Б. Высоцкий

(Донецкий национальный технический университет);

д-р технических наук, проф., заведующий кафедрой физики неравновесных

процессов, метрологии и экологии А.Б. Ступин

(Донецкий национальный университет)

Г4я73 Алемасова А.С., Луговой К.С.

А 483 Экологическая аналитическая химия. Учебное пособие (для

бакалавров специальности «химия» и «биохимия» дневной и

заочной форм обучения) / Сост.: А.С. Алемасова, К.С. Луговой.

– Донецк: ДонНУ, 2010. – 271 с.

В учебном пособии в соответствии с программой освещены основные

темы курса «Экологическая аналитическая химия. Современное состояние

и перспективы», читаемого для бакалавров специальности «химия»

химического факультетов. Материал структурирован согласно учебным

модулям, имеется перечень литературы к каждой теме курса и вопросы для

самостоятельной работы.

Пособие предназначено для бакалавров химических факультетов

классических и химико-технологических университетов.

УДК 543.26+543.3+543.64 (075.8)

ББК Г4я 73

СОДЕРЖАНИЕ

Введение……………………………………………………………………

1. Понятие об экологоаналитическом контроле объектов

окружающей среды………………………………………………………

1.1. Предмет, структура и задачи курса «Экологическая

аналитическая химия»…………………………………………………….

1.2. Контролируемые объекты и компоненты………………….......

1.3. Методология экоаналитического контроля……………………

1.4. Химический состав объектов окружающей и природной

среды………………………………………………………………………

1.4.1. Вода…………………………………………………………

1.4.2. Воздух и атмосферные осадки…………………………….

1.4.3. Почвы и донные отложения……………………………….

1.5. Современное состояние и проблемы экоаналитического

контроля……………………………………………………………………

Литература……………………………………………………………

Вопросы и задания для самостоятельной работы…………………

2. Методы экоаналитического контроля и их особенности………...

2.1. Аналитический цикл и его этапы. Универсальная система

химического анализа………………………………………………………

2.2. Методы экоаналитического контроля………………………….

2.3. Нормирование качества природной среды…………………….

2.3.1. Атмосфера…………………………………………………..

2.3.2. Гидросфера………………………………………………….

2.3.3. Почва………………………………………………………...

2.3.4. Продукты питания………………………………………….

2.4. Нормирование в области радиационной безопасности……….

2.5. Особенности анализа природных объектов……………………

Литература……………………………………………………………

Вопросы и задания для самостоятельной работы………………….

3. Пробоотбор и пробоподготовка в экоаналитическом контроле...

3.1. Виды проб………………………………………………………..

3.2. Отбор проб воздуха……………………………………………...

3.2.1. Контейнеры………………………………………………….

3.2.2. Абсорбционное улавливание………………………………

3.2.3. Криогенное концентрирование (улавливание)…………...

3.2.4. Сорбция (адсорбция)……………………………………….

3.3. Отбор проб воды и водной биоты……………………………...

3.4. Методы извлечения загрязняющих веществ из воды…………

3.4.1. Жидкость-жидкостная экстракция………………………...

3.4.2. Твердофазная экстракция………………………………….

3.4.3. Мембранные методы……………………………………….

3.4.4. Газовая экстракция…………………………………………

3.4.5. Спрэй-экстракция…………………………………………...

3.4.6. Микроволновая пробоподготовка…………………………

3.5. Отбор проб почвы, речных и морских отложений, шламов….

3.6. Методы извлечения загрязняющих веществ из почвы

(пробоподготовка)………………………………………………………….

3.6.1. Термодесорбция при температуре 150-300ºС………………..

3.6.2. Жидкостная экстракция……………………………………….

3.6.3. Сверхкритическая флюидная экстракция……………………

3.6.4. Экстракция в микроволновом поле…………………………..

3.6.5. Парофазный анализ……………………………………………

Литература…………………………………………………………….

Вопросы и задания для самостоятельной работы…………………..

4. Современное состояние и проблемы экоаналитического

контроля вод………………………………………………………………

4.1. Контролируемые компоненты…………………………………..

4.2. Экоаналитический контроль общих показатели загрязнения

вод…………………………………………………………………………..

100

4.2.1. Общий органический углерод (ООУ)……………………..

102

4.2.2. Химическое потребление кислорода (ХПК)………………

103

4.2.3. Биохимическое потребление кислорода (БПК)…………...

104

4.2.4. Общий азот………………………………………………….

106

4.2.5. Удельная электропроводность……………………………..

106

4.2.6. рН…………………………………………………………….

107

4.2.7. Жесткость……………………………………………………

107

4.2.8. Окислительно-восстановительный потенциал (E

)……….

110

4.2.9. Биотестирование…………………………………………….

111

4.3. Контроль содержания растворенных газов…………………….

112

4.3.1. Растворенный кислород…………………………………….

112

4.3.2. Свободный и общий хлор…………………………………..

113

4.4. Контроль содержания неорганических соединений…………..

114

4.4.1. Определение общего азота………………………………….

114

4.4.2. Определение нитратов и нитритов…………………………

115

4.4.3. Определение аммония………………………………………

119

4.4.4. Определение металлов……………………………………...

120

4.4.5. Определение фосфора и фосфатов…………………………

136

4.4.6. Определение хлоридов……………………………………...

137

4.4.7. Определение неорганических анионов. Ионная

хроматография……………………………………………………………..

137

4.5. Контроль содержания органических компонентов……………

139

4.5.1. Определение поверхностно-активных веществ (ПАВ)…..

141

4.5.2. Определение летучих органических соединений (ЛОС).

Детекторы в газовой хроматографии…………………………………….

143

4.5.3. Определение нефтепродуктов……………………………...

149

4.5.4. Определение фенолов. Фенольный индекс………………..

154

Литература………………………………………………………….

156

Вопросы и задания для самостоятельной работы………………….

157

5. Современное состояние и проблемы экоаналитического

контроля воздуха…………………………………………………………

158

5.1. Экоаналитический контроль газов и паров в воздухе…………

158

5.1.1. Определение в воздухе соединений серы (SO

, H

)………………………………………………………………………

158

5.1.2. Определение в воздухе соединений азота (NH

, NO

другие оксиды, N

)………………………………………………………

162

5.1.3. Определение O

……………………………………………..

165

5.1.4. Определение оксидов углерода…………………………….

167

5.1.5. Определение фтороводорода……………………………….

170

5.1.6. Определение ЛОС. Хромато-масс-спектрометрия………..

171

5.2. Определение аэрозолей, пылей…………………………………

175

5.2.1. Индекс черного дыма……………………………………….

175

5.2.2. Гравиметрический метод определения взвешенных

частиц……………………………………………………………………….

176

5.2.3. Определение асбеста………………………………………..

176

5.3. Металлы…………………………………………………………..

176

5.3.1. Тетраэтилсвинец и свинец в атмосферных аэрозолях……

177

5.3.2. Другие металлы, ртуть……………………………………...

179

5.4. Автоматические приборы для контроля качества воздуха……

182

Литература…………………………………………………………….

186

Вопросы и задания для самостоятельной работы………………….

187

6. Современное состояние и проблемы экоаналитического

контроля почвы, донных отложений, пищевых продуктов………..

189

6.1. Определение в почвах токсичных металлов…………………...

191

6.2. Пестициды в почве………………………………………………

205

6.2.1. классификация и устойчивость пестицидов………………

205

6.2.2. Методы определения пестицидов………………………….

217

6.3. Неорганические загрязнители…………………………………..

220

6.3.1. Сероводород H

S……………………………………………

220

6.3.2. Сульфат-ионы SO

2–

………………………………………...

221

6.3.3. Фосфор, фосфаты……………………………………………

221

6.3.4. Фтор (общий)………………………………………………..

221

6.3.5. Нитраты……………………………………………………...

223

6.4. Нефтепродукты в почве и донных отложениях………………..

223

6.5. Определение токсичных органических веществ на свалках

бытовых и химических отходов…………………………………………..

223

6.6. Пищевые продукты………………………………………………

230

Литература…………………………………………………………….

233

Вопросы и задания для самостоятельной работы…………………..

234

7. Современное состояние и проблемы экоаналитического

контроля биологических материалов…………………………………

235

7.1. Объекты исследования, отбор проб, подготовка

биологических проб к анализу……………………………………………

235

7.2. Методы определения отдельных компонентов в биопробах…

248

7.2.1. Металлы и металлоорганические соединения…………….

248

7.2.2. Определение летучих органических соединений…………

256

Литература………………………………………………………….

260

Вопросы и задания для самостоятельной работы………………….

260

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Ориентировочный перечень методик и стандартов

определения показателей безопасности и качества питьевой воды……

262

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Державні санітарні норми та правила "Гігієнічні

вимоги до води питної, призначеної для споживання людиною"

(ДСанПіН 2.2.4-171-10). Санітарно-хімічні показники безпечності та

якості питної води…………………………………………………………

266

ВВЕДЕНИЕ

Глобальное загрязнение окружающей среды и неблагополучная

экологическая ситуация в промышленных регионах обусловливают

необходимость постоянного аналитического контроля (мониторинга) за

загрязнением воздуха, качнством питьевой воды и накоплением токсичных

химических веществ в почве и растительности.

Острые проблемы экологического характера вызвали к жизни мощные

общественные движения («Green Peace» и другие «зеленые» организации),

подтолкнули правительства к заключению важных международных

соглашений (Монреальский и Киотский протоколы). Произошли

определенные изменения в массовом сознании. Приняты соответствующие

изменения в законодательстве, открыты экологические специальности в

высших учебных заведениях, появилось множество «экологических» книг

и фильмов (иногда наивных и нелепых, иногда спекулятивных).

Для объективного рассмотрения всех опасностей нужны и

исключительно важны результаты химического анализа. Частыми и

многочисленными стали конференции по методам и результатам анализа

экологических объектов, например регулярный международный

симпозиум по аналитической химии окружающей среды International

Symposium on Environmental Analytical Chemistry. Нужны данные по

содержанию углекислого газа, озона, канцерогенных органических

соединений, оксидов серы и азота, радиоактивных изотопов и множества

других микропримесей. Определять эти вещества нужно в широком

концентрационном диапазоне. Из арсенала аналитической химии,

насчитывающего более 150 методов, экологическая аналитическая химия

использует наиболее эффективные и надежные методики, которые

охватывают весь спектр загрязнений воздуха, воды, почвы, донных

отложений и растительности – от газов и паров до твердых частиц и

аэрозолей.

Именно поэтому во многих ведущих ВУЗах на Украине, в России и за

рубежом появились экологические специальности и специализации, стали

готовить не только специалистов экологов-технологов, но и специалистов

экологов-аналитиков. Кроме того, выпускники химических факультетов,

получающих квалификацию «химик», должны иметь представление о

принципах и методологии экологического контроля.

С учетом этого на химическом факультете Донецкого национального

университета был введен общий курс для бакалавров «Экологическая

аналитическая химия. Современное состояние и перспективы». Данное

учебное пособие должно решить проблему нехватки учебно-методической

литературы по проблемам экоаналитической химии, сконцентрировать

рассеянные по монографиям, статьям в периодических изданиях,

справочникам данные о современных возможностях и перспективах

экоаналитической химии в контроле и оценке экологического состояния

регионов и территорий, дополнить новыми данными существующие

немногочисленные учебники.

В учебном пособии подробно обсуждаются все этапы аналитического

цикла при определении загрязняющих веществ – от пробоотбора и

концентрирования микропримесей до детектирования и идентификации

целевых компонентов.

В пособии объясняются принципы нормирования содержания

вредных химических веществ в объектах окружающей среды (вода, воздух,

почва), приводятся формулировки ПДК, ПДВ, ПДС и других норм

безопасности.

Рассмотрены оптимальные варианты использования аналитических

методик в экологических анализах – при определении тяжелых металлов,

неорганических солей и ионов, неорганических газов, органических

соединений различных классов и супертоксикантов – полициклических

ароматических углеводородов, пестицидов, диоксинов, дибензофурпнов и

т.д. Структурированный и скомпонованный по отдельным разделам

учебный материал сопровождается списком литературы. Изложение

материала базируется на базовых знаниях студентов по аналитической

химии, которые развиваются и дополняются новыми сведениями.

В учебном пособии представлены результаты исследования авторов,

выполненные в рамках госбюджетной темы №08-1вв/13 «Новые и

модифицированные аналитические формы концентратов в атомно-

абсорбционном и спектрофотометрическом методах анализа» (№

госрегистрации 0108U001587) и №Ф25.6/008 «Аналитическое обеспечение

новых технологий рекультивации почв, содержащих тяжелые металлы, и

комплексной переработки растительной продукции с использованием

прямого атомно-абсорбционного метода анализа твердых проб и

химических модификаторов (№ госрегистрации 0107U010027, тема

выполнялась при финансовой поддержке Фонда фундаментальных

исследований Министерства образования и науки Украины).

Учебное пособие рекомендуется для студентов химических,

физических и биологических факультетов ВУЗов, особенно для

специальностей, связанных с мониторингом и экологией. Пособие

рассчитано также на широкий круг специалистов, занимающихся

природоохранной деятельностью, – экологов, аналитиков и экоаналитиков,

химиков СЭС, токсикологов, гигиенистов и других специалистов,

соприкасающихся с вопросами экологии.

1. ПОНЯТИЕ ОБ ЭКОЛОГОАНАЛИТИЧЕСКОМ

КОНТРОЛЕ ОБЪЕКТОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

1.1. ПРЕДМЕТ, СТРУКТУРА И ЗАДАЧИ КУРСА

«ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ»

Экологическая аналитическая химия – это наука о выявлении и

оценке источников и уровня загрязненности природных объектов

вредными веществами в результате сбросов либо выбросов этих веществ в

окружающую среду природопользователями, а также вследствие

естественного образования и накопления.

Задачи экологической аналитической химии:

1. Получение первичной информации о содержании вредных веществ

в окружающей среде.

2. Принятие решений по предотвращению дальнейшего поступления

этого вещества в воду, почву, донные отложения и т.д. и о необходимости

очистки объектов от уже накопленных загрязнителей.

3. Получение вторичной информации об эффективности мероприятий,

осуществленных на основе первичной информации.

4. Формирование исходных данных для принятия экономических,

правовых, социальных и экологических решений по отношению к

природопользователям, районам и регионам, включая оценку

недвижимости при ее приватизации или продаже.

Структура экологической аналитической химии:

1. Контролируемые объекты и компоненты.

2. Методическое обеспечение.

3. Аппаратурное обеспечение.

4. Метрологическое обеспечение.

5. Обеспечение качества химической информации.

6. Кадровое обеспечение.

Почему вычленилась отдельная область аналитической химии –

химия окружающей и природной среды? Можно назвать несколько причин

оформления отдельного раздела аналитической химии:

1. Задача аналитической химии – поиск оптимальных решений для

каждой аналитической задачи, взятой в отдельности. Например,

определение содержания кадмия, свинца, цинка, хрома в сточной воде,

бензпирена в присутствии ароматических и полиароматических

углеводородов в воздухе. Реально лаборатория экоаналитического

контроля должна контролировать одновременно десятки и сотни

загрязнителей в разнородных объектах. Это требует от аналитика

совершенно другого системного подхода к выбору конфигурации

аналитической техники. Должна быть реализована методология получения

массивов данных результатов химического анализа. В отсутствии такой

методологии бессистемно приобретаются приборы для таких лабораторий

с крупными стартовыми затратами. Неоправданно увеличивается персонал

лаборатории, следовательно, увеличивается себестоимость элемент-

определения.

2. Вся законодательная база в области аналитического контроля

требует централизации контроля, а не децентрализации его по отдельным

объектам анализа (водная, почвенная лаборатории и т.д.). Требуется

концентрация аналитического контроля в госконтрольных органах и на

крупных предприятиях-природопользователях (экологические

лаборатории есть на Донецком металлургическом заводе, на заводах им.

Ильича, Азовстали и т.д.). Отсюда следует задача создания аналитических

комплексов. Можно сформулировать требования к аналитическим

комплексам:

а) Многофункциональность. Например, для определения анионов в

растворах широко используется метод ионной хроматографии. Но если

добавить к хроматографу специальное пробопреобразовательное

устройство, которое количественно поглощает определяемые вещества из

газовой фазы, то хроматографический метод можно успешно использовать

для определения кислых и основных газов в атмосфере. Например:

СО

+ Н

О = Н

СО

+ НСО

–

ионы

Спектрофотометр или спектрофлуориметр не позволяет

анализировать газообразные среду. Но если в комплект к нему ввести

твердотельные газочувствительные сенсоры, то можно анализировать

органические и неорганические загрязнители в газовых средах.

б) Системная совместимость. Чтобы совмещать отдельные методы,

необходимо стандартное программное обеспечение, совместимость

электрических параметров, унифицированные интерфейсы и т.д.

в) Аналитические возможности комплексов должны взаимно

перекрываться для охвата большего количества задач. Т.е. анализ одного

образца должен проводиться, как минимум, двумя независимыми

методами. Причем один из них по уровню метрологического обеспечения

должен быть прецизионным.

3. Увеличение объема аналитических работ. Оно связано с

объективной химизацией среды обитания. В случае экологических

объектов требуется анализировать громадное число проб (из разных

точек), обеспечивая представительность данных по каждому из множества

показателей. Чтобы данные по разным точкам можно было сопоставлять,

нужно получить их по надежным и однотипным (или даже

унифицированным) методикам. Причем в каждой точке нужно отбирать

все новые и новые пробы – ведь состав объекта (например, атмосферного

воздуха) непрерывно меняется. Поэтому потребовались

автоматизированные аналитические системы, оценивающие загрязнение