Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» Учебно-исследовательская работа по курсу химии МОНИТОРИНГ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД МАЛОЙ РЕКИ «ГОРОДНЯ» В ПАВОДКОВЫЙ ПЕРИОД Выполнили студенты группы Т02-02 Алферовская П. С., Колокольников Г. А. Научный руководитель доцент Ананьева Елена Алексеевна Москва 2014 Введение Цель: Исследовать на примере реки (р. Городня), находящейся в черте г. Москвы, влияние мегаполиса на состояние поверхностных вод в паводковый период. Гордня: река в Москве, вторая по длине и расходу воды после Сетуни правый приток Москвы-реки в черте города; Длина — 16 километров, из которых 13,5 километров Городня течёт в открытом русле (включая пруды). В низовьях река сильно загрязнена. Городня: Расположение: Начинается у пересечения Соловьиного проезда и ул. Рокотова (по другим данным — рядом с метро Новоясеневская), пересекает Битцевский лесопарк, далее в открытом русле протекает в северной части района Чертаново Южное, затем по подземной трубе течёт к станции Покровская Курского направления. На территории района Царицыно она большей частью запружена, образуя Царицынские и Борисовские пруды, пересекает районы Зябликово, Братеево и впадает в Москвуреку у Бесединских мостов через МКАД. Городня: На схеме: Точка отбора: Причины загрязнения: Загрязнения водных систем происходит в результате первичного выпадения газо-аэрозольных выбросов автомобильного транспорта и их вторичной миграции с водными потоками на поверхности, при поступлении водных сбросов при эксплуатации автодорог. Также наблюдается загрязнение естественными органическими продуктами жизнедеятельности. Особенности загрязнений от транспортных потоков в черте города. 1) Выхлопные газы автомобилей, содержащие газовую и аэрозольную фракции. 2) Испарение горюче-смазочных материалов. 3) Пылевые частицы от истирающихся деталей машин. 4) Продукты коррозии автомобилей и компоненты антикоррозийных покрытий. 5) Компоненты дорожного полотна. 6) Смыв загрязнений с полотна дороги талыми водами, дождями и поливочными машинами. 7) Смыв противогололедных смесей талыми водами и дождями. 8) Автозаправочные станции и мойки автомобилей. Из-за основных источников загрязнения появляется необходимость анализа следующих показателей: общая жесткость нефтепродукты анионные поверхностно-активные вещества перманганатный индекс воды водородный показатель (pH) анионы : хлориды, нитраты, сульфаты катионы металлов: Железо, Алюминий, Кальций, Хром, Медь, Магний, Марганец, Свинец, Литий, Кремний, Калий, Натрий Химические и физико-химические методы измерений. Комплексонометрическое определение жесткости воды. Жесткость – свойство природной воды, определяемое присутствием в ней растворенных солей щёлочноземельных металлов, главным образом солей кальция и магния. Измерение массовой концентрации нефтепродуктов в пробах природной и сточной воды на анализаторе жидкости “Флюорат-02”. Нефтепродукты — смеси углеводородов, а также индивидуальные химические соединения, получаемые из нефти и нефтяных газов. Основные нефтепродукты Сжиженные углеводородные газы (СУГ) Нафта Бензин Дизельное топливо Керосин Мазут Остаточные нефтяные топлива Прочие нефтепродукты Резина Масла Гудрон Прямогон Газоконденсат Битум Флуориметрический метод – это способ определений нефтепродуктов в различных водных пробах, характеризующийся простотой аппаратного оформления, быстротой исследований и высокой чувствительностью (с нижней границей диапазона определений в 0.005 мг/л). В основе флуориметрического метода лежит экстракция нефтепродуктов гексаном, экстракт при необходимости очищается и производятся исследования интенсивности возникающей благодаря оптическому возбуждению флуоресценции экстракта. Среди характерных отличий метода стоит отметить также отсутствие мешающих сколько-нибудь значимых воздействий липидов и малые oбъемы забираемых для производства анализов проб. Флуориметрический метод Экстракция- процесс разделения смеси жидких или твердых веществ с помощью селиктивных растворителей-экстрагентов, в основе процесса: -диффузия - равномерное распределение вещества В флуориметрическом методе используется для: -отделения нефтепродуктов от воды -концентрирования исследуемого вещества Флуориметрический метод При возбуждении в ближней УФ области спектра флуоресцируют только полиядерные углеводороды. Поскольку их доля мала и зависит от природы нефтепродукта, наблюдается очень сильная зависимость аналитического сигнала от типа нефтепродукта. Флуориметрический метод Селекция световых потоков осуществляется специально подобранными светофильтрами. В качестве источника света используется импульсная ксеноновая лампа высокого давления, обеспечивающая достаточные световые потоки во всем спектральном диапазоне оптических методов от жесткого ультрафиолета до красной границы видимого света. При помощи микропроцессорной системы анализаторов производится вычисление концентрации определяемых веществ с использованием предварительно построенной градуировочной зависимости в соответствии с методиками вьполнения измерений. Флуориметрический метод Схема флюората Токсичность нефтепродуктов: Значение нефтепродуктов в промышленности сложно переоценить, однако некоторые из фракций, содержащихся в нефти, весьма токсичны, причем их токсичность возрастает по мере увеличения концентрации этих фракций при поглощении или растворении их в водной системе. ПДК для питьевой воды 0,1 мг/л Низкокипящие насыщенные углеводороды и некоторые ароматические соединения (бензол и ксилол) токсичны и в разной степени растворимы в воде. Общее воздействие нефтепродуктов на водную среду: серьезные нарушения физиологической активности, эффект прямого обволакивания живого организма нефтепродуктами, болезненные изменения, вызванные внедрением углеводородов в организм, изменения в биологических особенностях среды обитания. Определение водородного показателя (pH) Потенциометрический метод анализа Величина рН определяется количественным соотношением в воде ионов Н+ и ОН-, образующихся при диссоциации воды. Если ионы ОН- в воде преобладают - то есть рН>7, то вода будет иметь щелочную реакцию, а при повышенном содержании ионов Н+ - рН<7- кислую. Для определения рН в работе используется pH-метр. Он позволяет измерять pH в широком диапазоне и более точно (до 0,1 единицы pH), чем с помощью индикаторов. Ионометрический метод определения pH основывается на измерении милливольтметром-ионометром ЭДС гальванической цепи, включающей специальный стеклянный электрод, потенциал которого зависит от концентрации ионов H+ в окружающем растворе. Способ отличается удобством и высокой точностью. Потенциометрический метод анализа Потенциометрический метод анализа основан на определении концентрации вещества по величине потенциала электрода, погруженного в анализируемый раствор Для измерения потенциала используют гальванический элемент, состоящий из индикаторного электрода и электрода сравнения. Потенциометрический метод анализа Электрод, по потенциалу которого судят о концентрации определенных ионов, называется индикаторным. Потенциал индикаторного электрода определяют относительно электрода сравнения, потенциал которого не зависит от концентрации определяемого иона и сохраняет постоянство в процессе измерения. Равновесие диссоциации воды, рН воды Равновесный процесс диссоциации воды характеризуется константой равновесия, называемой константой ионного произведения воды (КВ): Н2О(ж) Н+ + ОН. 𝐾Д = 𝑎H+ ·𝑎ОН− = 𝐾B = 𝑎H+ · 𝑎ОН− , 𝑎H2 О(ж) (1 ) так как 𝑎H2 О(ж) = 1 Константа ионного произведения воды может быть выражена и через концентрации ионов: 𝐾Д = 𝐶H+ ·𝐶ОН− 𝐶H2 О(ж) , Равновесие диссоциации воды, рН воды так как концентрация воды в воде практически постоянная величина, то эта величина объединяется с концентрационной константой и дает константу ионного произведения воды: 𝐾В = 𝐾с ∙ 𝐶H2 О(ж) = 𝐶H+ · 𝐶ОН− (2) Если прологарифмировать выражение (1) или (2), то получим связь водородного (рН) и гидроксильного (рОН) показателей для воды и водных растворов: рН + рОН = 14, где pH = −lg𝐶H+ ; pOH = −lg𝐶OH− . Стеклянный Электрод Конструкция одного из наиболее распространенных ИСЭ – стеклянного – приведена на рис. 2.4. Этот электрод содержит мембрану из специального стекла, контактирующую как с внешним (анализируемым), так и с внутренним раствором электролита, содержащего определяемый ион в стандартной концентрации (раствор НС1). Во внутренний раствор электролита погружен электрод сравнения (хлорсеребряный). Его назначение состоит в осуществлении обратимого перехода от ионной проводимости, характерной для мембраны и растворов электролитов, к электронной проводимости, имеющей место в металлическом токоотводе, что происходит за счет реакции, в которой расходуются ионы и образуются электроны. Ag0 + Cl– <=> AgCl +e– Рис. 9.1. Схема стеклянного электрода: 1 – мембрана из специального стекла; 2 – внутренний раствор электролита; 3 – слой плохо растворимой соли AgCl; 4 – серебряная проволока; 5 – токоотвод; 6 – припой; 7 – корпус электрода. Значение pH: Кислотность среды имеет важное значение для множества химических процессов, и возможность протекания или результат той или иной реакции часто зависит от pH среды. Концентрация в растворе ионов водорода часто оказывает влияние на физико-химические свойства и биологическую активность белков и нуклеиновых кислот, поэтому для нормального функционирования организма поддержание кислотно-основного гомеостаза является задачей исключительной важности. Определение водородного показателя (pH) потенциометрическим методом Для определения рН в работе используется pH-метр. Он позволяет измерять pH в широком диапазоне и более точно (до 0,1 единицы pH), чем с помощью индикаторов. Ионометрический метод определения pH основывается на измерении милливольтметром-ионометром ЭДС гальванической цепи, включающей специальный стеклянный электрод, потенциал которого зависит от концентрации ионов H+ в окружающем растворе. Способ отличается удобством и высокой точностью. Определение перманганатного индекса. Перманганатный индекс воды – общая концентрация кислорода, соответствующая количеству иона перманганата, потребляемому при обработке данным окислителем в определенных условиях определенной пробы воды. Значение перманганатного индекса воды: Перманганатный индекс является мерой загрязнения воды органическими и окисляемыми неорганическими веществами. Метод жидкостной хроматографии в определении хлоридов, нитратов, сульфатов Хроматография – это физико-химический метод разделения веществ, основанный на распределении компонентов между двумя фазами – неподвижной и подвижной. Неподвижной (стационарной) фазой обычно служит твёрдое вещество (сорбент) или плёнка жидкости, нанесённая на твёрдое вещество. Подвижная фаза представляет собой жидкость или газ, протекающий через неподвижную фазу. Сущность метода, используемого в наших анализах, заключается в следующем. Раствор исследуемой смеси вводят в «хроматографическую колонку» - стеклянную трубку, заполненную адсорбентом. Компоненты смеси адсорбируются в верхней части колонки, не разделяясь или разделяясь лишь частично; образуется первичная хроматограмма, затем её «проявляют». Для этого в колонку подают чистый растворитель (элюэнт), который десорбирует ранее адсорбированные вещества и перемещает их со своим потоком вниз по колонке. При движении по колонке происходят многократные акты адсорбции и десорбции, приводящие к разделению компонентов смеси в соответствии с законом адсорбционного замещения. Схема хроматографа: 1-емкость 2-прецизионный насос высокого давления 3-система ввода образца 4-элементы разделения 5-детектор 6-аналоговый регистратор 7-сливная емкость 8-in-line фильтр 9-входной фильтр Метод атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивносвязанной плазмой. Атомно-эмиссионная спектроскопия (спектрометрия), АЭС атомно-эмиссионный спектральный анализ — совокупность методов элементного анализа, основанных на изучении спектров испускания свободных атомов и ионов в газовой фазе. Некоторые примеры полученных результатов: Используется норматив для рыбохозяйственных водоемов. 1. Общая жесткость. 8 7 6 5 4 3 2 1 0 20 15 10 5 0 -5 -10 -15 Температура Концентрация Жёсткость обусловлена попаданием в реку солей жесткости (кальций и магний) с антигололедными препаратами. Жесткость Норматив Температура 2. Нефтепродукты. 20 0.3 15 0.25 10 0.2 5 0.15 0 0.1 -5 08/May 01/May 24/Apr 17/Apr 10/Apr 03/Apr -15 27/Mar 0 20/Mar -10 13/Mar 0.05 Температура 0.35 06/Mar Концентрация Нефтепродукты проникают в реку путём смыва загрязнений с полотна дороги и автозаправочных станций талыми водами и дождями. Нефтепродукты Норматив Температура 3. Водородный показатель (pH). 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 20 10 5 0 -5 -10 08/May 01/May 24/Apr 17/Apr 10/Apr 03/Apr 27/Mar 20/Mar 13/Mar -15 Температура 15 06/Mar pH Водородный показатель pH широко используется для характеристики кислотно-основных свойств различных биологических сред. pH pH для дистил. Воды min pH для дистил. Воды max Температура 4. Пермагнганатный индекс. 7 20 6 15 5 10 4 5 3 0 2 -5 1 -10 0 -15 Температура Концентрация Источниками веществ, окисляемых кислородом, могут быть гниющие остатки листьев, животные останки, углеводороды и д.р. П/И Норматив Температура 5. Хлориды. 20 350 15 300 10 250 5 200 0 150 08/May 01/May 24/Apr 17/Apr -15 10/Apr 0 03/Apr -10 27/Mar 50 20/Mar -5 13/Mar 100 Температура 400 06/Mar Концентрация Повышенное содержание хлоридов объясняется смыванием в водоём антигололедных препаратов. Хлориды Норматив Температура 6. Атомно-эмиссионная спектрометрия с индуктивносвязанной плазмой. Железо Алюминий Кальций Хром Медь Литий Магний Марганец Свинец Кремний Калий Натрий Железо Главными источниками соединений железа в 20 1 15 10 0.8 5 0.6 0 0.4 -5 08/May 01/May 24/Apr 17/Apr 10/Apr 03/Apr -15 27/Mar 0 20/Mar -10 13/Mar 0.2 Температура 1.2 06/Mar Концентрация поверхностных водах являются продукты коррозии конструкций и сооружений (мосты), а также пылевые частицы истирающихся деталей автомобилей. Fe Норматив Температура Марганец 0.7 20 0.6 15 0.5 10 0.4 5 0.3 0 0.2 -5 0.1 -10 0 -15 Температура Концентрация В поверхностные воды марганец поступает в виде присадки моторного топлива. Его содержание в реке превышает ПДК. Mn Норматив Температура Медь 20 0.0012 15 0.001 10 0.0008 5 08/May 01/May -15 24/Apr 0 17/Apr -10 10/Apr 0.0002 03/Apr -5 27/Mar 0.0004 20/Mar 0 13/Mar 0.0006 Температура 0.0014 06/Mar Концентрация Медь может появляться в результате коррозии медьсодержащих деталей (сплавов). Cu Норматив Температура Свинец 0.02 0.018 0.016 0.014 0.012 0.01 0.008 0.006 0.004 0.002 0 20 10 5 0 -5 -10 08/May 01/May 24/Apr 17/Apr 10/Apr 03/Apr 27/Mar 20/Mar 13/Mar -15 Температура 15 06/Mar Концентрация Поступает в природные воды в связи с использованием в качестве антидетонатора в моторном топливе транспортных средств, а также с поверхностным стоком с городских территорий (свалок, складов и д.р.). Pb Норматив Температура Хром В поверхностные воды соединения хрома попадают вследствие коррозии и истирания деталей автомобилей. 0.025 20 0.015 5 0.01 0 -5 0.005 -10 08/May 01/May 24/Apr 17/Apr 10/Apr 03/Apr 27/Mar 20/Mar -15 13/Mar 0 06/Mar Концентрация 10 Температура 15 0.02 Cr Норматив Температура Алюминий 20 0.1 15 10 0.08 5 0.06 0 0.04 -5 08/May 01/May 24/Apr 17/Apr 10/Apr 03/Apr -15 27/Mar 0 20/Mar -10 13/Mar 0.02 Температура 0.12 06/Mar Концентрация К источникам поступления алюминия в природные воды можно отнести: частичное растворение глин и алюмосиликатов, атмосферные осадки, пылевые частицы от истирающихся деталей машин. Al Норматив Температура Кремний 20 15 10 5 0 -5 -10 -15 4 3 2 1 08/May 01/May 24/Apr 17/Apr 10/Apr 03/Apr 27/Mar 20/Mar 13/Mar 0 06/Mar Концентрация 5 Температура Главным источником соединений кремния в природных водах являются процессы химического выветривания и растворения кремнийсодержащих минералов, например алюмосиликатов. Значительные количества кремния поступают в природные воды в процессе отмирания наземных и водных растительных организмов, с атмосферными осадками. Si Норматив Температура 0 -5 Осадки ( есть/нет) -10 -15 Температура 07/05/14 05/05/14 03/05/14 01/05/14 29/04/14 27/04/14 25/04/14 23/04/14 21/04/14 19/04/14 17/04/14 15/04/14 13/04/14 11/04/14 09/04/14 07/04/14 05/04/14 03/04/14 01/04/14 30/03/14 28/03/14 26/03/14 24/03/14 22/03/14 20/03/14 18/03/14 16/03/14 14/03/14 12/03/14 10/03/14 08/03/14 06/03/14 Погода в период с 06.03.2014 по 08.05.2014 25 20 15 10 5 Погода в фото: 12.03 06.03 26.03 19.03 03.04 17.04 10.04 24.04 08.09 Сравнение с результатами прошлых лет: 1. Общая жесткость. 12 10 8 2014 6 Норматив 4 2013 2 0 2012 2011 2. Нефтепродукты. 0.8 0.7 0.6 0.5 2014 0.4 2013 0.3 2012 0.2 0.1 0 2011 Норматив 3. Пермагнганатный индекс. 14 12 10 8 6 2014 Норматив 2013 4 2012 2 2011 0 4. Водородный показатель (pH). 10 9 8 7 6 2014 5 pH для дистил. Воды min 4 2013 3 2012 2 pH для дистил. Воды max 1 0 5. Хлориды. 500 450 400 350 300 2014 250 Норматив 200 2013 150 2012 100 2011 50 0 Железо 2.5 2 1.5 2014 2013 1 0.5 0 2012 2011 Норматив Хром 0.025 0.02 0.015 0.01 2014 2012 2011 Норматив 0.005 0 Марганец 1.2 1 0.8 2014 0.6 Норматив 2013 0.4 0.2 0 2012 2011 Свинец 0.045 0.04 0.035 0.03 0.025 2014 0.02 2012 0.015 2011 0.01 0.005 0 Норматив Кремний 14 12 10 8 2014 2013 6 2012 4 2011 2 0 Норматив Спасибо за внимание!