Пошук по сайту

Хімія  лекції  Курсова робота  Рефераты  

Рентгенофлуоресцентний метод визначення мікроелементного складу питної води

Рентгенофлуоресцентний метод визначення мікроелементного складу питної води





УДК 663.97:546:3:54.062

РЕНТГЕНОФЛУОРЕСЦЕНТНИЙ МЕТОД ВИЗНАЧЕННЯ МІКРОЕЛЕМЕНТНОГО СКЛАДУ ПИТНОЇ ВОДИ


С. М. Гальченко1, П. А. Коротков1, Є. К. Кириленко2

1 Радіофізичний факультет, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, проспект Глушкова 2, Україна

2 Науково-технічний центр «Віріа», Київ, вул. Саксаганського 44-В, Україна

Стаття присвячена актуальній проблемі сьогодення – контролю якості питної води. Запропоновано експреc-методику визначення мікроелементного складу води, що базується на рентгнефлуоресцентному методі. Представлено результати кількісного аналізу 8 зразків питної води. Проведено їх оцінку на основі даних гранично допустимих концентрацій.

Ключові слова: рентгенофлуоресцентний метод, мікроелементний вміст, гранично допустима концентрація

Вступ

При моніторинзі природних вод та при проведенні робіт по оцінці якості води величезне значення мають достовірність аналітичних данних та оперативність їх отримання. При виборі метода аналізу вагоме значення має і вартість проведення аналітичних робіт. У той же час визначення низьких концентрацій важких металів вимагає високочутливих методів аналізу [1].

Існують дві основні групи аналітичних методів для визначення важких металів: спектрометричні та електрохімічні. Серед спектрометричних методів визначення важких металів перше місце займає атомно-абсорбційна спектрометрія (ААС) з різною атомізацією зразків: ААС з атомізацією в полум’ї (F AAS), та ААС з електротермічною атомізацією в графітовій кюветі (GF AAS) [2]. Атомно-емісійна спектрометрія АЕС з індукційно зв’язаною плазмою (ICP-AES) та мас-спектрометрія з індукційно-зв’язаною плазмою (ICP-MS) на сьогоднішній день являються найбільш високочутливими методами визначення складу води [1,3]. До електрохімічних методів відносяться: вольтамперометрія, кулонометрія та потенціометрія [4,5]. Гранична чутливість цих аналітичних методів представлена у таблиці 1.

Таблиця 1

Гранична чутливість деяких аналітичних методів

Методи

Чутливість, ppm

10-3

10-4

10-5

10-6

10-7

10-8

10-9

Флуоресцентні

хх

хх

х













АЕС рідин

хх

хх

х













ААС та флуоресцентні

(в полум’ї)

хх

хх

х

х










Інверсійна вольтамперометрія

хх

хх

х

х










Мас-спектрометрія

хх

хх

хх

хх

Х

х

х


хх - для більшості елементів

х – в окремих випадках
1. Постановка задачі

Усі вище перелічені методи надзвичайно дорогі, потребують спеціалізованих умов проведення вимірювань. Крім того, вони по своїй природі є проборуйнуючими і жоден з них не дозволяє виявити вміст всіх мікроелементів у пробі одночасно.

У зв’язку із зростанням вимог виробництва та досліджень до швидкості визначення складу речовини з’явилась необхідність в універсальному та недеструктивному засобі вимірювань. Поставленим вимогам задовольняє рентгенофлуоресцентний метод [6].

У даній роботі пропонується експрес-методика визначення мікроелементного вмісту води, що базується на рентгенофлуоресцентному методі.

2. Основний матеріал та результати дослідження

Для проведення досліджень використовувались рентгенофлуоресцентний аналізатор вітчизняного виробництва «Elvax-mini», електрична плитка, міні-прес, мірна колба на 50 мл, наважки фільтрувального паперу по 20мг.

Методика включає у себе наступні кроки: відбір води 50 мл у колбу, випарювання на плитці, осадження залишку випарювання на фільтрувальному папері, пресування фільтру з осадом у таблетку діаметром 10мм, аналіз зразків за допомогою аналізатора «Elvax-mini», час вимірювання 10 хвилин.

Метод рентгенофлуоресцентного аналізу полягає у виникненні характеристичного рентгенівського випромінювання атомів хімічного елемента при збудженні їх первинним рентгенівським опроміненням. Спектр флуоресценції складається з ряду аналітичних ліній. Кожній лінії відповідає енергія флуоресцентного випромінювання, характерна для атомів даного елемента. Оскільки в аналізаторі використовується енергодисперсійний метод вимірювання, то у результуючому спектрі присутні лінії всіх атомних елементів, що знаходяться у зразку. Діапазон енергій знаходиться у межах від 1 до 40 КеВ. Це відповідає діапазонові визначення елементів від Na до U. Інтенсивність спектральних ліній залежить від концентрацій визначуваних елементів.

Попередньо вимірюється склад чистого фільтрувального паперу (ГОСТ 12026-76) і його спектр приймається як фоновий. Для обчислення береться спектр різниці спектрів робочого зразка і фонового.

Розрахунок масової частки елемента проводиться згідно з калібрувальними характеристиками аналізатора. Калібрування аналізатора для визначення масової частки окремого елементу проводилося за допомогою стандартних розчинів іонів металів ГСОРМ (1.0 мг/дм3 ДСЗУ 022.86-98), які застосовуються для градуювання, атестації та повірки аналітичних приладів: фотоколориметрів, спектрофотометрів, атомно-абсорбційних спектрофотометрів та ін.

Поріг чутливості метода, при випарюванні 50 мл води, для більшості елементів становить 0.01 мкг/л (10-5 ppm).

За допомогою даної методики проаналізовано такі види мінеральних вод: Бонаква негазована, Знаменівська сильногазована, Моршинська спорт негазована, Оболонь 2 мінеральна сильногазована, Трускавецька Кришталева сильногазована, Софія Київська сильногазована, Миргородська сильногазована, Боржомі сильногазована.

Для усіх зразків було отримано характеристичні рентгенофлуоресцентні спектри. Для прикладу два з них представлено (рис 1).


Рис. 1. Спектри сухого залишку води (Знаменівська сильногазована, Моршинська спорт негазована)

Проаналізувавши результати вимірювань, було розраховано концентрації вмісту елементів у досліджуваних зразках (табл. 2). До розрахунку брались тільки ті елементи, похибка вимірювань яких не перевищувала 20%.

Таблиця 2

Концентрації елементів у досліджуваних зразках мінеральних вод

Еле-мент

Бонаква негазована, мкг/л

Знаменівська сильногазована, мкг/л

Моршинська спорт негазована, мкг/л

Оболонь 2 мінеральна сильногазована,мкг/л

Трускавецька Кришталева сильногазована, мкг/л

Софія Київська, мкг/л

Миргородська, мкг/л

Боржомі, мкг/л

K

313.14

209

236.59

1226.45

578.66

1794.47

2750.49

1254.33

Ca

7538

1354

7145.96

26446.44

16937.67

14169.22

6577.35

4412.3

Ti

0.05

0.03

15.58

9.99

13.3

0.02

0.05

0.04

Cr

25.97

23.13

25.04

25.97

24.1

30.64

32.67

40.06

Mn

1.10

0.43

0.44

4.2

0.44

1.98

1.98

3.52

Fe

7.96

11.2

13.98

29.45

12.69

33.73

18.33

21.31

Ni

1.22

1.05

12.74

6.46

6.27

0.87

2.37

1.92

Cu

2.36

0.91

8.59

5.23

7.43

1.63

1.79

1.73

Zn

1.45

0.83

0.83

1.25

4.36

6.43

4.82

26.92

Rb

2.11

4.11

0.13

1.72

2.64

8.85

125.08

65.41

Sr

45.51

50.61

34.52

319.08

93.69

592.63

414.37

3957.16

Zr

1.17

9.55

0.01

0.02

0.05

0.03

0.02

0.05

Pb

0.7

1.08

0.93

0.05

0.93

0.93

0.31

0.15

Cd

0.21

0.3

0.06

0.6

0.31

0.12

0.01

0.88

Sn

>0.01

>0.01

>0.01

>0.01

>0.01

>0.01

0.04

0.07

S

825

3527.56

3119.11

2900

2089.58

4343.13

1653.78

6849.17

Cl

10494

9295

1688.15

230.35

691.08

1012.16

2507.19

7790.61

Co

0.62

0.62

0.03

0.82

0.05

0.01

0.4

6.61

Br

26.05

73.71

23.08

4.67

18.23

53.86

90.28

284.71

Se

0.05

0.84

0.95

0.45

0.59

0.59

0.05

2.46

I

0.02

0.05

0.02

0.01

0.03

3.41

5.6

12.89

Hg

0.02

0.01

0.03

0.02

0.01

0.02

0.04

0.05


Для порівняння приведено гранично допустимі норми концентрацій мікроелементів з трьох основних регламентуючих документів (табл. 3).

Таблиця 3

Гранично допустимі концентрації вмісту елементів у мінеральних водах

Елемент

Води мінеральні природні фасовані, ДСТУ 878-1:2006 (природні столові води), мкг/л

Гигиенические требования к качеству фасованой питьевой воды, СанПиН 2.1.4.1116-02, РФ, мкг/л

Вода питна фасована. Гігієнічні вимоги та контроль за якістю. ДСанПіН 2.2.4.2004 (проект), мкг/л

K

 

2000-20000

20000,00

Ca

 

25000-130000

140000,00

Ti

 

 

 

Cr

100, 50(Cr6+)

30-50

50(Cr6+)

Mn

 

50,00

 

Fe

 

300,00

300,00

Ni

 

20,00

20,00

Cu

1000,00

1000,00

1000,00

Zn

1000,00

3000-5000

1000,00

Rb

 

 

 

Sr

7000,00

7000,00

7000,00

Zr

 

100,00

 

Pb

100,00

5 – 10

10,00

Cd

10,00

1,00

1,00

Sn

 

 

 

S

 

 

250000,00

Cl

 

100,00

250000,00

Co

 

100,00

100,00

Br

 

100-200

 

Se

10,00

10,00

10,00

I

 

60-125

125

Hg

1

0,2

0,5


З усього списку елементів у першу чергу необхідно звернути увагу на важкі метали (токсичні елементи). Концентрації Cr, Ni, Pb, Cd та Hg у всіх водах пронормовані на гранично допустиму концентрацію для кожного елемента (рис. 2).



Рис. 2. Пронормовані концентрації важких металів у досліджуваних зразках води.

З рисунка видно, що концентрації важких металів для всіх вод менше гранично допустимих. Але, окремі води мають достатньо високий рівень важких металів, що перевищує 60% від гранично допустимої норми. Таке нормоване представлення результатів дуже зручне для аналізу якості води.

Розглянемо фізіологічну дію важких металів на організм людини.

Свинець. При хронічному отруєнні спостерігається загальна слабкість, біль у животі, анемія, порушення функціонування нирок. Встановлено, що хронічна інтоксикація наступає при вживанні 1-8 мг свинцю на добу. Свинець, подібно ртуті, володіє кумулятивними властивостями. Поглинутий свинець накопичується у кістках у вигляді нерозчинних трьохосновних фосфатів і не проявляє отруйної дії. Проте під впливом певних умов запаси його у кістках стають мобільними, він переходить у кров і може викликати отруєння навіть у загостреній формі. До факторів, що сприяють його мобілізації, відносяться підвищенна кислотність, дефіцит кальцію в їжі, зловживання спиртними напоями.

Потужним джерелом потрапляння свинцю в організм людини є питна вода. Доведено, що підвищений вміст свинцю у воді обумовлює, як правило, збільшення його концентрації у крові. Згідно з нашими даними граничну норму потрапляння свинцю в організм людина може отримати при вживанні 5 літрів на день Знаменівської води.

Кадмій. Солі кадмію характеризуються мутагенними та канцерогенними властивостями та представляють потенційну генетичну небезпеку. Кадмій блокує роботу ряду важливих для життєдіяльності організму ферментів. Крім того, він вражає печінку, нирки, підшлункову залозу, здатен викликати емфізему, рак легенів. Шкідливість кадмію підсилюється його кумулятивністю. В звязку з цим навіть при незначній кількості потрапляючого елементу його вміст в нирках або печінці може через деякий час досягнути небезпечної концентрації. Найбільше кадмію згідно наших даних містять Боржомі (89% від гранично допустимої норми) та Оболонь 2 (60% від гранично допустимої норми).

Хром. Хронічне отруєння хромом супроводжується головним болем, схудненням, враженням нирок. Організм набуває схильність до запальних процесів (катаральне запалення легенів). Додатковим інтенсивним джерелом потрапляння в огразнізм люди хрому можуть стати такі із досліджуваних вод: Боржомі (80% від гранично допустимої норми), Миргородська (64% від гранично допустимої норми), Софія Київська (61% від гранично допустимої норми).

Нікель. В організмі накопичується у печінці, підшлунковій залозі, щитовидній залозі та ін. тканинах. При інтоксикації нікелем характерне виникнення алергій, дерматитів, бронхіальної астми, ринітів. Тривалий контакт з нікелем підвищує ризик розвитку новоутворень. Найбільше нікелю згідно наших даних міститься у Моршинській воді (63% від гранично допустимої норми).

Ртуть. Ртуть характеризується спорідненістю до SH – груп. З цим пов’язана її небезпека для організму. При ртутній інтоксикації блокується синтез білка. Ртуть накопичується у нирках, достатньо велика її кількість проникає до головного мозку та ін. тканин, що збагачені ліпідами. Концентрація ртуті у всіх досліджуваних зразках має слідовий характер і не несе небезпеки для організму [7].

Також для нас представляють інтерес ті елементи, концентрації яких вище за ГДК (кальцій, калій, рубідій, бром) (рис. 3).



Рис. 3. Пронормовані концентрації K, Ca, Br та Rb у досліджуваних зразках води.

Кальцій. При регулярному вживанні більш ніж 2,5 г кальцію на добу починає проявлятися його негативна дія (стенокардія, нефрокальциноз, підвищення зсідання крові та ін.). У мінеральній воді, Оболонь 2, концентрація кальцію хоч і незначно, але перевищує гранично допустиму.

Калій. Добова потреба у калії – 2г. Токсична доза – 6г. Основні прояви надлишку калію: аритмія, нейроциркуляторна дистонія, схильність до розвитку цукрового діабету та ін. Концентрація калію у Миргородській у 1,39 рази перевищує ГДК.

Бром. При хронічному отруєнні бромом розвиваються неврологічний синдром, бромодерма. Найбільш небезпечною у цьому плані є вода Боржомі, оскільки концентрація брому у 2,81 рази перевищує ГДК.

Рубідій. Основні прояви надлишку рубідію – хронічне запалення верхніх дихальних шляхів, аритмії, протеїнурія та ін [7]. Добова потреба – 0,1 мг. Згідно наших даних концентрація рубідію у Миргородській у 1,21 рази перевищує ГДК.

Варто також розглянути деякі співвідношення елементів, а саме: Sr/Ca, Br/I, (рис. 4,5). Ці співвідношення є важливими з тієї причини, що до них входять елементи здатні заміщати один одного, тим самим призводячи до різноманітних захворювань.



Рис. 4. Співвідношення Sr/Ca у досліджуваних зразках води

Стронцій за механізмами всмоктування, розміщення та виведення подібен до кальцію. Тому він здатен заміщати кальцій у кістках, хрящевій тканині, призводячи до розвитку остеопорозу, остеохондрозу. При надлишку стронцію у організмі розвивається стронцієвий рахіт [7]. Згідно з рис. 4 такі води як Боржомі, Миргородська та Софія Київська мають найбільше співвідношення Sr/Ca.



Рис. 5. Співвідношення Br/I у досліджуваних зразках води

Бром, заміщаючи йод при синтезі гормонів щитовидною залозою може стати причиною відносного гіпотеріозу. Тому результати рис.5 можуть бути корисними для людей, які мають проблеми із щитовидною залозою.

На рис.6-7 представлені результати вимірювання для елементів, концентрації яких більше ніж у 4 рази нижчі від рівня гранично допустимих.



Рис. 6. Пронормовані концентрації Mn, Sr, Se, Fe, Ti та I у досліджуваних зразках води



Рис. 7. Пронормовані концентрації Zn, S, Cl, Zr та Cu у досліджуваних зразках води
Висновки

1. Порівнявши отримані результати зі значеннями гранично допустимих концентрацій (ГДК) відповідних іонів, ми визначили, що концентрації деяких елементів у досліджуваних водах перевищують ГДК (калію у 1,39 та рубідію у 1,21 (Миргородська), кальцію у 1,1 рази (Оболонь 2), брому у 2,81 рази (Боржомі)). Концентрації важких металів для всіх вод менше гранично допустимих. Але, окремі води мають достатньо високий рівень важких металів, що перевищує 60% від гранично допустимої норми.

2. Запропонована методика дозволяє визначати мікроелементний склад води на рівні ГДК та нижче. Пробопідготовка зразків включає у себе лише процес випарювання без застосування допоміжних хім.-реактивів, що знижує собівартість аналізу. Одночасне вимірювання всіх елементів у зразку (час вимірювання 10 хвилин) суттєво підвищує експресність аналізу у порівнянні із іншими аналітичними методами.

ЛІТЕРАТУРА:

  1. Будников Г. К. Определение следовых количеств веществ как проблема современной аналитической химии // Соросовский Образовательный Журнал. - 2000. - №3. - С. 45-51.

  2. Sitki Baytak. Determination of lead, iron and nickel in water and vegetable samples after preconcetration with Aspergilus niger loaded on silica gel // Clean 2007. – 35(6). – 607-611.

  3. В. Т. Коган, А. К. Павлов, Ю. В. Чичагов и др., Мобильный масс-спектрометр для определения тяжелых металлов в морской воде. Численное моделирование и экспериментальная проверка // Журнал технической физики. – 2007. - №12. – С. 73-79.

  4. Джапаридзе Дж. И., Шавгулидзе Н. В., Хавтаси Н. С., Енукидзе Л. Г., Харисчаришвили И. З., Кириленко Е. К., Гальченко С. Н. Определение тяжелых металлов в волосах человека методами дифференциальной импульсной полярографии и рентгеновской флуоресцентной спектроскопии // Український журнал з проблем медицини праці. – 2008. – 2(14). – С. 58-63.

  5. Осипова Е. А. Электроаналитические методы и проблема охраны окружающей среды // Соросовский Образовательный Журнал. - 2001. - №2. - С. 47-54.

  6. Лакович Дж. Основы флуоресцентной спектроскопии. - М.: Мир, - 1986., - 496 с.

  7. Скальний А. В., Скальная М. Г., Есенин А. В., Громова О. А., Микроэлементозы человека. - Москва,1997 г., - 72 с

поділитися в соціальних мережах



Схожі:

Дослідницька робота на тему: «Емпіричне дослідження питної води»
Експериментальна частина роботи виконувалась не в лабораторії сес, а в лабораторії кабінету хімії

«Хімічні формули»
Після символу елемента внизу ставиться цифра (нижній індекс), що показує число атомів цього елемента в молекулі (одиниця не пишеться)....

Дослідницька робота №6 Тема дослідження
Оцінити кількість молекул води, що випаровуються з одиниці площі поверхні води при визначеній температурі

Вступ
Складається положення, коли практично всі поверхневі води, а в окремих регіонах вже І підземні, за рівнем забруднення не відповідають...

Урок у 8 класі () Тема : Світ води очима природничих наук
Землі, її фізичні І хімічні властивості на основі використання міжпредметних зв’язків; формування уявлення про єдність живої І неживої...

Урок у 8 класі Тема: „ Гідроген як хімічний елемент І водень як проста речовина
Він входить до складу багатьох мінералів І гірських порід, усіх органічних речовин, кислот; входить до складу компонентів природного...

Метод построения классификаторов на основании геометрической интерпретации структуры данных
Формалізація нормативно-правової бази у сфері фармації за допомогою idef-технологій системного аналізу

61002 Харків, вул. Артема, 43, тел. 700 42 19
Джерело педагогічної майстерності : науково-методичний бюлетень. Вип. 2 : Економічна освіта на уроках з базових дисциплін / Харк...

Методи лінгвістичних досліджень
Лінгвістика протягом історії свого розвитку створила власні (спеціальні) методи. Як правило, зміна наукової парадигми супроводжується...

Підсумкова контрольна робота за І семестр 7 клас
...



База даних захищена авторським правом © 2017
звернутися до адміністрації




h.ocvita.com.ua
Головна сторінка