Реферат: Важкі метали та їх виявлення в стічних водах підприємств

--PAGE_BREAK--Таблиця 1. Добова потреба людини в мікроелементах та їх токсичні концентрації (в розрахунку на масу 70кг, в мг/доба)
Елемент
Доза, мг/кг
Нормальна
Токсична
Летальна
Миш'як
0,04-1,4
5-50
50-340
Ртуть
0,004-0,02
0,4
150-300
Мідь
0,5-6
–
175-250
Алюміній
0,0014-0,08
60
1300-6200
Кадмій
0,07-0,3
3-330
1500-9000
Фтор
0,3-5
20
2000
Хром
0,01-1,2
200
3000-8000
Цинк
5-40
150-600
6000
Свинець
0,06-0,5
–
10000
Залізо
6-40
200
7000-35000
Розглянемо вплив деяких металів на метаболічні процеси в організмі людини та тварин. У складі стічних вод металургійних комбінатів можна виявити алюміній. В організм людини алюміній потрапляє у складі питної води. Видалення алюмінію з організму ускладнене, близько половини його початкової кількості затримується в організмі до 300 днів. Накопичуючись в тканинах мозку, печінки, нирок, кісток, викликає їх функціональні порушення. Алюміній викликає порушення в синтезі ряду ферментів, сприяючи видаленню таких біоелементів як P, Mg, Ca, Na, Fe. Постійне вживання питної води з вмістом алюмінію понад 0,2 мг/л призводить до підвищення вірогідності появи таких захворювань як енцефалопатія, хвороби Альцгеймера і Паркінсона, анемії, зниження імунної реактивності та інші.
ГДК залишкового алюмінію в питній воді встановлена на рівні 0,5 мг/л за санітарно-токсикологічною ознакою шкідливості, в той час як в більшості країн Європи рекомендовано вміст алюмінію не більше 0,2 мг/л. Така ж норма встановлена ВОЗ. Новий ДержСанПіН “Вода питна”, встановивши норму 0,2 мг/л, дозволяє концентрацію алюмінію в питній воді на рівні 0,5 мг/л, якщо при водопідготовці використовуються реагенти, що містять алюміній.
Кадмій має токсичні і кумулятивні властивості. При надходженні в організм він накопичується в печінці, нирках і селезінці, а також викликає анемію, знижує вміст кисню в крові. Нирки є основною мішенню токсичної дії кадмію. Метал викликає хворобу ітай-ітай, що проявляється в розм’якшенні кісток, кальцифікації і пієлонефриті нирок. Оскільки кадмій накопичується в органах і має тривалий період напіввиведення (10-30 років), вживання заражених продуктів на протязі тривалого часу може призвести до тих чи інших форм кадмієвої інтоксикації.
Мідь є одним з незамінних елементів для організму людини. В деяких випадках дефіцит міді за симптомами подібний до хронічної її інтоксикації. Споживання міді з їжею звичайно складає 2-3 мг на добу, що підтримує необхідну рівновагу. Звичайно швидкість поглинання, утримання і виведення міді не призводять до підвищеного її вмісту в організмі. Однак, при хворобах, що викликають порушення цього механізму, тривала абсорбція міді може викликати цироз печінки. Є відомості про вплив міді на метаболізм штучно вигодовуваних новонароджених. Зафіксовані гострі отруєння людей при вживанні з питною водою міді при дозі 0,14 мг/кг і вище. Мідь токсична для більшості прісних безхребетних.
Ртуть і її сполуки надзвичайно токсичні для людини, вони акумулюються в нирках, печінці, головному мозку. Основний орган – мішень для неорганічної ртуті – нирки. Летальна доза ртуті при споживанні з питною водою складає 75 – 300 мг на добу. Симптоми ртутної інтоксикації – атаксія, пригнічення периферійного сприйняття і рефлексу кінцівок.
В неорганічній формі ртуть в поверхневих і підземних водах присутня зазвичай в концентрації менше 0,5 мкг/л. Середньодобове споживання ртуті варіюється від 2 до 20 мкг на добу на людину.
Свинець вражає нервову систему, кістковий мозок і кров, судини, генетичний апарат клітки, впливає на синтез білка і проявляє гонадотоксичну і ембріотоксичну дію. За результатами досліджень на тваринах було встановлено, що свинець, що надходить в високій концентрації з кормом, викликає рак нирок. На цій основі МАВР віднесла свинець і його неорганічні сполуки до класу можливих канцерогенів для людини.
Цинк життєво необхідний для ссавців, бо він грає важливу роль в біосинтезі нуклеїнових кислот, РНК- і ДНК-полімераз. Встановлено, що цинк — обов'язковий складник ферменту крові, карбоангідрази. Цей фермент міститься в еритроцитах. Карбоангідраза прискорює виділення вуглекислого газу в легенях. Крім того, вона допомагає перетворити частину СО2 в іон <shapetype id="_x0000_t75" coordsize=«21600,21600» o:spt=«75» o:divferrelative=«t» path=«m@4@5l@4@11@9@11@9@5xe» filled=«f» stroked=«f»><path o:extrusionok=«f» gradientshapeok=«t» o:connecttype=«rect»><lock v:ext=«edit» aspectratio=«t»><shape id="_x0000_i1025" type="#_x0000_t75" o:ole=""><imagedata src=«30496.files/image001.wmz» o:><img width=«47» height=«25» src=«dopb138694.zip» v:shapes="_x0000_i1025">, що грає важливу роль в обміні речовин. Токсичність цинку для людини залежить багато в чому від його синергізму або антагонізму з іншими важкими металами, особливо з кадмієм. Підвищена акумуляція важких металів може призводити до дефіциту цинку в організмі людини, що виявляється в пригніченні ферментної активності, а також в більш уповільненому заживанні ран.

Розділ 2. Сучасні методи аналізу
Розглянемо основні сучасні методи визначення важких металів у розчинах, які найбільш широко використовують при визначенні концентрацій важких металів у стічних та природних водах.
Аналіз стічних вод промислових підприємств має істотну перевагу – доступний об’єм аналізованої проби стічної води достатньо великий, тому можна його попередньо концентрувати різними методами, які ми розглянемо нижче.
2.1 Хімічні методи Під час аналізу відносно концентрованих стічних вод (а іноді й розведених) використають титрометричні  методи аналізу із застосуванням як кольорових індикаторів для фіксації кінця титрування, так і спеціальних приладів — електрохімічних (потенціометричне титрування, амперметричне, кондуктометричне) і оптичних (нефелометричне, колориметричне титрування). Титрометричні методи часто застосовують для визначення аніонів, особливо тоді, коли одночасно присутні різні аніони, що перешкоджають визначенню один одного. У хімічному аналізі стічних та природних вод до сьогодні використовують комплексонометричне титрування із допомогою ЕДТА, таким чином можна швидко та доволі точно визначити загальний вміст важких металів у воді, а при дотриманні певних умов можна проводити також і селективне титрування та визначення концентрації окремих іонів у розчині.
Гравіметричні методи в аналізі стічних вод застосовують рідко. Недоліки їх загальновідомі. Але основною їх перевагою є те, що не потрібна побудова каліброваних графіків. Гравіметричні методи застосовують у якості арбітражних при визначенні магнію, сульфатів-іонів.
Пряма потенціометрія знаходить застосування при визначенні багатьох іонів з використанням іоноселективних електродів. В аналізі природних вод і питної води іоноселективні електроди застосовують для визначення кадмію, міді, свинцю, срібла, лужних металів, бромід-, хлорид-,. ціанід-, фторид-, йодид- і сульфідів-іонів.
Полярографичні методи аналізу широко використають у хіміко-аналітичних лабораторіях підприємств кольоровий металургії для визначення міді, нікелю, кобальту, цинку, вісмуту, кадмію, сурми, олова й інших металів у рудах, сплавах та відходах виробництв. У тих же лабораторіях ці методи використають і для аналізу промислових стічних вод.
2.2 Фізико – хімічні методи Основні методи визначення неорганічних компонентів стічних вод – фотометрія, атомно-абсорбційна спектрометрія, рентгено-спектральний аналіз й емісійна спектрометрія.
У фотометричних методах аналізу вимірюють поглинання світла аналізованим розчином після введення в нього реактиву, що реагує з певним компонентом стічних вод з утворенням інтенсивно поглинаючої світло сполуки.
Застосовувані у фотометрії прилади складаються із чотирьох частин, послідовно розташованих одна за іншою: джерело світла, світлофільтр або монохроматор, кювета з розчином, детектор (фотоелемент, що перетворює енергію випромінювання в електричну).
Конструкції приладів залежать від того, у який області спектра (ультрафіолетовій, видимій або інфрачервоній) проводять виміри. Джерелом видимого випромінювання служить звичайна електрична лампа, для одержання УФ-випромінювання застосовують водневу лампу.
Звичайно для проведення аналізу вибирають випромінювання в тій області довжин хвиль, у якій отримана забарвлена сполука має максимальне світлопоглинання, а домішки – мінімальне.
У спектрофотометрах за допомогою монохроматора виділяють дуже вузький пучок світла із певною довжиною хвилі (1-2 нм.) і за допомогою самописців записується крива світло поглинання під час повільної зміни довжини хвилі випромінювання від малих довжин хвиль до більших. У фотоколориметрах для тієї ж мети (виділення випромінювання потрібної довжини) застосовують світлофільтри, що пропускають потік світла значно більшої ширини (20-50 нм). Спектрофотометри, звичайно, більше придатні для проведення точних досліджень, але вони значно дорожчі й менш доступні, чим фотоколориметри. Фото колориметричні методи також більш прості та не потребують довгої підготовки до своєї роботи. Під час аналізу стічних вод виміри проводять найчастіше у видимій області спектра.
Фотометричні методи аналізу обов'язково включають холостий дослід для усунення впливу сторонніх речовин. Існують два типи холостих дослідів:
1) Холостий дослід із дистильованою водою замість аналізованого розчину при додаванні всіх необхідних реактивів; так виключається вплив світлопоглинання реактивами;
2) Холостий дослід із аналізованим розчином без додавання реактивів; так виключається вплив сторонніх речовин, що є присутніми у самій аналізованій пробі.
Розглянемо особливості атомно-абсорбційного аналізу.
Метод заснований на поглинанні ультрафіолетового або види­мого випромінювання атомами газу. Щоб перевести пробу (хоча б
частково) у газоподібний стан, її вводять у полум'я. Як джерело випромінювання застосовують лампу з полим катодом з аналізованого металу. Інтервал довжин хвиль спектральної лінії, що випромінюється джерелом випромінювання, і лінії поглинання того ж самого елемента в полум'ї дуже вузький, тому поглинання інших елементів практично не
позначається на результатах аналізу.
Суттєвою відмінністю атомної абсорбції від емісійної спектрометрії є те, що в останньому методі виміряється випромінювання, що випускається атомами в збудженому стані, а атомна абсорбція заснована на вимірі випромінювання, поглиненого нейтральними, не збудженими атомами, що перебувають у полум'ї, яких у полум'ї набагато більше, ніж збуджених. Цим пояснюється висока чутливість методу при визначенні елементів, що мають високу енергію збудження. Найбільшу чутливість атомно-абсорбційна спектроскопія проявляє при визначенні As, Be, Bi, Cd, Hg, Mg, Pb, Ті, Zn, Cs, In. Значно більшу чутливість емісійний метод проявляє при визначенні Li, К, Na, Ba, Sr, Tl. Чутливість визначення інших елементів приблизно однакова при визначенні їх обома методами,
В принципі атомно-абсорбційна спектрометрія подібна до звичайної спектрофотометрії, аналогічна й використовувана в обох методах апаратура. В обох методах випромінювання пропускають через аналізовану пробу, що частково його поглинає, а пропущене світло проходить через монохроматор і попадає на фотодетектор – пристрій, що реєструє кількість пропущеного або поглинутого випромінювання. Розходження цих методів — у джерелі світла й у кюветі для проби.
Джерелом світла в атомно-абсорбційній спектроскопії є лампа з полим катодом, яка випромінює вузький інтервал довжин хвиль, порядку 0,001 нм. Лінія поглинання аналізованого елемента дещо ширша випромінюваної полоси, що дозволяє вимірювати поглинання в її максимумі. Прилад містить необхідний набір ламп, кожна лампа призначається для визначення тільки одного елемента. Існують лампи, призначені для визначення декількох елементів (наприклад, Mg, Са, AI), але застосування їх не рекомендується із-за можливості помилок.
Кюветою в атомно-абсорбційній спектроскопії служить саме полум'я…
Застосовують полум'я, для одержання якого як пальне використають ацетилен, пропан або водень, а як окислювач – повітря, кисень або оксид азоту(I). Обрана газова суміш визначає температуру полум'я. Повітряно-ацетиленове й повітряно-пропанове полум'я мають низьку температуру (2200 – 2400°С). Таке полум'я, використають для визначення елементів, сполуки яких, легко розкладаються при цих температурах. Таких елементів більшість. При визначенні елементів, що утворять важкодисоціюючі сполуки, використають високотемпературне полум'я (3000 – 3200°С), створюване сумішшю оксид азоту (I) та ацетилену. Таке полум'я необхідне при визначенні алюмінію, берилію, кремнію, ванадію й молібдену.
Одним із методів фізико-хімічного аналізу речовин отриманих із стічних вод  є рентгеноспектральній аналіз. Рентгеноспектральний аналіз використовують для кількісного визначення металів, які містяться у пробах. При цьому аналізовані зразки можуть мати складну хімічну та фазову будову. Як правило, зразки для аналізу повинні мати масу порядку одного грама, хоча на сьогодні створені прилади, які розраховані на мікро кількості речовин. Точність аналізу складає  2 -5 відносних %, а тривалість від 1 – 2 хвилин до 1 – 2 годин.
Для одержання спектра рентгенівських променів у рентгеноспектральному аналізі використають їхню дифракцію на кристалах (або на штрихових дифракційних решітках) при таких малих кутах <shape id="_x0000_i1026" type="#_x0000_t75" o:ole=""><imagedata src=«30496.files/image003.wmz» o:><img width=«13» height=«19» src=«dopb138695.zip» v:shapes="_x0000_i1026"> (1 – 12°), що рентгенівські промені відбиваються, ніби ковзаючи по поверхні кристала.
Досліджуваний зразок при рентгеноспектральному аналізі опромінюється первинними рентгенівськими променями. Атоми елементів, що входять до складу зразка, під дією випромінювання збуджуються й самі стають джерелами вторинного рентгенівського випромінювання. Такий спосіб аналізу одержав назву флуоресцентного.
Специфічний для даної речовини спектр вторинного випромінювання описується як корінь квадратний  із частот  коливань променів, випущених атомами, що входять до складу зразка, і лінійно залежить від їхніх атомних номерів:
<shape id="_x0000_i1027" type="#_x0000_t75" o:ole=""><imagedata src=«30496.files/image005.wmz» o:><img width=«139» height=«25» src=«dopb138696.zip» v:shapes="_x0000_i1027">  (1)
Де <shape id="_x0000_i1028" type="#_x0000_t75" o:ole=""><imagedata src=«30496.files/image007.wmz» o:><img width=«14» height=«15» src=«dopb138697.zip» v:shapes="_x0000_i1028"> - частота коливань, пов'язана з довжиною хвилі співвідношенням <shape id="_x0000_i1029" type="#_x0000_t75" o:ole=""><imagedata src=«30496.files/image009.wmz» o:><img width=«56» height=«19» src=«dopb138698.zip» v:shapes="_x0000_i1029"> R – постійна Рідберга; а — постійна для кожної лінії спектра величина; Z – атомний номер елемента; <shape id="_x0000_i1030" type="#_x0000_t75" o:ole=""><imagedata src=«30496.files/image011.wmz» o:><img width=«16» height=«15» src=«dopb138699.zip» v:shapes="_x0000_i1030"> — середня константа екранування.
<imagedata src=«30496.files/image013.png» o:><img width=«507» height=«246» src=«dopb138700.zip» v:shapes="_x0000_i1031">
Рис. 2.1. Принципова схема рентгенівського спектрометра з вигнутим кристалом.
1 – додатковий електронний детектор; 2 – досліджуваний зразок; 3 – рентгенівська трубка; 4 – діафрагма; 5 – вигнутий кристал; 6 – електронний детектор флуоресцентного спектра.
З рівняння (1) видно, що кожному виду атомів властива певна частота коливань вторинних рентгенівських променів, збуджених первинним випромінюванням. Очевидно, що енергія кванта збудження повинна бути більше енергії, необхідної для вибивання глибинних електронів атомів досліджуваної речовини, тобто флуоресцентне випромінювання досліджуваного зразка виходить у тисячі разів слабкіше первинного випромінювання, що утрудняє реєстрацію спектрів.
На малюнку 1 наведена принципова схема рентгенівського спектрометра з вигнутим кристалом. Як видно з малюнка, первинні рентгенівські промені із джерела падають на досліджуваний зразок, викликаючи вторинне флуоресцентне випромінювання.  Частина випромінювання через діафрагму подається під малим кутом на поверхню вигнутого кристала й під кутом ковзання  відбивається від нього. Відбиті від вигнутого кристала промені, будучи сфокусованими на кільцевий екран, утворять на ньому спектр. Цей спектр фіксують фотографічними методами або ж за допомогою електронного  детектора. Іноді можливе використання лічильників Гейзера для реєстрації енергії випромінювання.

Розділ 3. Практична частина. Отримання та аналіз важких металів із стічних вод підприємств методом сорбції Розглянемо основні методи сорбції важких металів із стічних вод підприємств. Аналіз стічних вод має одну особливість, а саме – достатньо великі об’єми аналізованих розчинів, що дозволяє використовувати методи концентрування. Для концентрування стічних вод використовують методи екстракції, випарювання, сорбції. Кожен із приведених методів має як свої позитивні так і негативні сторони. Процеси екстракції потребують використання органічних розчинників: хлороформу, бензолу, толуолу, чотири хлористого вуглецю. Але використання органічних розчинників, випарювання їх досить вогненебезпечне. Методи випарювання не потребують ніяких розчинників, проводяться у водному середовищі, але по часу вони доволі тривалі і їх не можна використати для експрес-аналізу. Метод сорбції потребує використання спеціальних органічних чи неорганічних сорбентів. Метод сорбції в останній час активно розвивається, у його розвитку використовують методи та методики сорбції, які були розроблені раніше для виділення урану, плутонію. Наприклад, в Україні такі роботи велися на Придніпровському гірничо-збагачувальному комбінаті, де на основі методик первинного збагачення уранової руди розробили установки для промислової сорбції рідкоземельних та благородних металів. В останній час викликають інтерес природні сорбенти – цеоліти, які проявляють активну сорбційну дію.
    продолжение
--PAGE_BREAK--