Гидрохимический анализ является одной из наиболее важных задач аналитической химии, так как вода используется человеком повсеместно: в быту, медицине, промышленности и т.д. Гидрохимический анализ позволяет установить наличие нетипичных примесей, в числе которых могут оказаться нефтепродукты, ионы тяжелых металлов или избыток ионов щелочных и щелочноземельных металлов, пестициды и тому подобные поллютанты, способные нанести вред человеку и окружающей среде. Поэтому гидрохимический анализ проводят:
• Предприятия, деятельность которых связана с производством продуктов, в состав которых входит вода;
• Строительные организации, ведущие работы вблизи водных источников;
• Частные лица для оценки качества ресурса, поступающего для пользования из скважин, природных источников или городских магистралей.
Кроме того, гидрохимический анализ проводится для экологического мониторинга – наблюдения за состоянием окружающей среды и обнаружения в экологических системах изменений, вызванных антропогенными факторами или факторами естественного происхождения, например, образованием гумусовых кислот. Особое значение приобретает знание химического состава вод суши в связи с возрастающим их использованием, а также дефицитом водных ресурсов во многих районах нашей страны, и мира в целом.
Российские компании по добыче и переработке полезных ископаемых такие, как Госкорпорация «Росатом», ПАО «Газпром Нефть», ПАО «НК «Роснефть» заинтересованы в сохранении уникальных экосистем Арктики, поэтому проводят мероприятия по комплексном исследования и мониторингу надводной и подводной экологической безопасности в акватории арктической зоны РФ.
ПАО «НК «Роснефть» приступила к реализации программы оценки устойчивости арктических экосистем на основании исследования ключевых видов животных при помощи регулярно проводящегося анализа проб воды в Арктической зоне Российской Федерации.
По заказу Госкорпорации «Росатом» Стартовала комплексная экологическая экспедиция по изучению экологической обстановки в западной части Северного морского пути (СМП), организованная Центром морских исследований МГУ имени М.В. Ломоносова (ЦМИ МГУ). Проект нацелен на разработку программы проведения регулярной оценки экологических последствий антропогенного воздействия при эксплуатации Севморпути (включая объекты использования атомной энергии) на окружающую среду Арктической зоны.
Целью данной работы является исследование основных характеристик природных вод, сопоставление полученных результатов гидрохимического анализа с нормами показателей естественного функционирования береговых экосистем.
1.1. Основные этапы и методы гидрохимического анализа
Гидрохимический анализ позволяет определить соответствие состава воды стандартам безопасности. По нормативам качества, определяющим наличие и допустимые концентрации примесей, различают воды: питьевая вода, природные воды водоемов хозяйственно-питьевого, культурно-бытового и рыбохозяйственного назначения, также выделяют сточные воды или берут во внимание специфику источника, которая подразумевает какие-либо характерные пути загрязнения воды.
Содержание химических веществ в окружающей среде начали контролировать еще в 1925 г., когда определили первые значения ПДК для воздушной среды рабочей зоны. В 1949 г. впервые были установлены некоторые ПДК для атмосферного воздуха, а в 1950 г. – для воды. Нормативы, ограничивающие вредное воздействие, устанавливаются и утверждаются специально уполномоченными государственными органами в области охраны окружающей природной среды, санитарно-эпидемиологического надзора.
Среди нормативов качества воды устанавливаются лимитирующие показатели вредности – органолептические, санитарно-токсикологические или обще-санитарные. Лимитирующий показатель вредности – показатель, характеризующийся наибольшей безвредной концентрацией в воде. Нормативы качества воды различных источников – содержатся в нормативно-технической литературе, составляющей водно-санитарное законодательство. К ним, в частности, относятся Государственные стандарты – ГОСТ 2874, ГОСТ 24902, ГОСТ 17.1.3.03, различные перечни, нормы, ОБУВ, санитарные правила и нормы охраны поверхностных вод от загрязнений сточными водами СанПиН 2.1.4.559-96 и др.
Предельно допустимые концентрации (мг/л) основных веществ в воде водоемов, принятые в России и рекомендованные международными организациями приведены в табл. 1.
| Показатели качества воды | Величина ПДК, мг/л | |
| Речная вода | Морская вода | |
| Калий (K⁺) | 18 | 380 |
| Кальций (Ca2+) | До 1000 | 360-440 |
| Магний (Mg2+) | 50 | 1300 |
| Натрий (Na+) | 0.6-300 | 10500 |
| pH | 6.5-8.5 | 7.7-8.6 |
| Жесткость | До 10 мг-экв/л | 2-100 мг-экв/л |
Основные методы исследования:
Основные методы определения неорганических компонентов различных вод – фотометрия, атомно-абсорбционная спектрометрия и пламенно-эмиссионная спектрометрия, титриметрия.
Атомная эмиссия – процесс испускания электромагнитного излучения возбужденными атомами или ионами. В атомно-эмиссионной спектрометрии образец воды, содержащий ионы металлов, распыляется в пламя горелки, при этом ионы металлов переходят в атомное состояние, нагреваются и начинают испускать излучение определенной длины волны – эмиссию. Анализ яркости линий эмиссии позволяет проводить количественные определения ионов металлов в воде.
Гравиметрические методы – определение сухого остатка и определение содержания грубодисперсных примесей – применяются в качестве арбитражных при определении магния, натрия, кремнекислоты, сульфат-ионов, суммарного содержания нефтепродуктов, жиров. Сухой остаток – масса остатка, получаемого выпариванием профильтрованной пробы исследуемой воды и высушиванием при 103-104 ⁰С. Величина эта должна выражать суммарное количество растворенных в пробе веществ, неорганических и органических. По степени минерализации речные воды делятся на низкоминерализованные (до 200 мг/л), средней минерализации (200-500 мг/л), повышенной минерализации (500-1000 мг/л) и высокой минерализации (более 1000 мг/л).
Прямая потенциометрия находит применение при определении рН растворов, а также многих ионов с использованием ионоселективных электродов. Такие электроды применяют для определения кадмия, меди, свинца, серебра, щелочных металлов. Величина pH природной воды определяется, как правило, соотношением концентраций гидрокарбонат-ионов и свободного СО2, а также содержанием гумусовых кислот. Для точного определения pH используют рН-потенциометрию. Для всех образцов воды водородный показатель одинаково определяли потенциометрически (стеклянный электрод).
Под термином «жесткость воды» понимают суммарную концентрацию катионов двухвалентных щелочноземельных металлов, прежде всего кальция и магния. Общую жесткость определяют титрованием раствором ЭДТА в присутствии индикатора эриохрома черного Т и аммиачной буферной смеси с рН 9-10. Результаты анализа выражают в мг-экв/л массах или ммоль/л.
Объекты настоящего исследования – образцы воды разных географических точек России:
1. Вода Северного Ледовитого океана;
2. Вода из ледника Северного Ледовитого океана;
3. Вода из горного источника Суук-Су, Гурзуф, Крым;
4. Вода Черного моря, Крым;
5. Вода из дельты Волги в районе Астрахани;
6. Вода из озера Байкал.
Вывод
Все полученные результаты гидрохимического анализа соответствуют нормативам качества воды. Результаты исследований приведены в таблице 10.
С точки зрения содержания грубодисперсных примесей все воды показали допустимое значения. Незначительно содержание было зафиксировано для вод СЛО и Черного моря. А для воды из дельты Волги ожидалось увидеть завышенные значения: вода была с коричневым оттенком, и предполагалось, что это остатки водорослей, которые внесут вклад в содержание грубодисперсных примесей. Однако эти частички были настолько мелкими, что проходили через поры фильтра, поэтому относятся к мелкодисперсным примесям.
По общей минерализации первые четыре образца, как и ожидалось, относятся к высокоминерализованным водам: морские воды обогащены талассофильными компонентами (Na+, Mg2+, Cl-, SO42-). В минерализацию пресные вод основной вклад вносят ионы Na+, Ca2+, Cl-, HCO3-+CO32-. Концентрация натрия для воды из Черного моря почти вдвое меньше чем для воды СЛО, что может быть связано с тем, что поверхностный слой воды Черного моря сильно опреснен в результате выноса пресных вод из рек и опресненных вод Азовского моря.
Значения pH для образцов вод лежат в нейтральной или очень слабощелочной области и хорошо согласуются с ожидаемыми значениями, что говорит о нормальном режиме обмена ионов водорода в водоеме.
Результаты определения жесткости для разных случаев неоднозначны. Морская вода, ожидаемо, очень жесткая. Вода из ледника обеднена ионами кальция и магния. Образцы воды из дельты Волги и Байкала определены с большой ошибкой. Причина неоднозначных результатов для дельты Волги неясна. Для Байкала характерна низкая минерализация, вследствие чего для получения достоверных результатов для титрования необходимо брать очень большие объемы воды для уменьшения ошибки. Из-за ограниченного объема воды для анализа получить достоверные результаты не удалось.
Содержание Na+, K+, Ca2+ хорошо согласуется с теоретическими данными. Вода из ледника СЛО по своим характеристикам сильно отличается от вод СЛО, это связано с уменьшением концентрации ионов в результате вымораживания. Такая вода больше похожа на пресную, однако её минеральный состав приближается к верхнему пределу содержания по сравнению с истинно пресными водоемами. А вода горного источника Суук-Су из Крыма очень обогащена ионами натрия и магния.
Может быть интересно:
