🗊Презентация технологический цикл. Л1.

ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ. Техника пробоотбора и пробоподготовки. ЛЕКЦИЯ 1.

ЛИТЕРАТУРА

Методы химико-экологического мониторинга. Лабораторный практикум (магистратура «Экологический мониторинг»): http://narfu.ru/university/library/books/1082.pdf

ЭКОЛОГО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ Это систематическое наблюдение за загрязнением природных объектов и выявление источников загрязнения. Для его обеспечения необходимы средства контроля окружающей среды (ОС) и технология контроля ОС.

Основные технологические процедуры экоаналитического контроля Выявление контролируемого объекта (уточнение источника загрязнения). Первичное обследование объекта (рекогносцировка) с уточнением показателей загрязнения. Формирование информационной модели контролируемого объекта. Систематические наблюдения за объектом контроля. Прогнозирование изменения состояния объекта контроля. Обработка и представление полученной информации в удобной и понятной форме. Доведение информации до потребителя.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ЦИКЛ Поиск источника (выбор места контроля) загрязнения или вредного воздействия. Его первичная оценка на месте и/или отбор проб. Подготовка проб к их транспортировке и хранению, доставка пробы к месту анализа. Подготовка проб к анализу непосредственно в лаборатории. Количественный анализ проб в лабораторных условиях. Обработка и представление результатов анализа с оценкой показателей правильности и достоверности полученных результатов. Планирование следующего цикла контроля.

Поиск источника Воздух: Окружающей природной среды; Рабочей зоны. Вода: Поверхностная природная; Сточная. Почва. Биота.

ВЫБОР МЕСТА КОНТРОЛЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ И ПОИСК ЕГО ИСТОЧНИКА ВОЗДУХ. Проводится в зонах максимального загрязнения: В окружающей природной среде ( в факеле выброса и в зонах его возможного прохождения на расстоянии до объекта 100 м – несколько км на высоте 1,5 м от земли; в близи скопления людей и биообъектов, для которых выброс опасен). В рабочей зоне – в местах постоянного или длительного пребывания людей, он более сложен.. Отбор выборочный на отдельных рабочих местах, стадиях производства, наиболее выделяющих в воздух ВВ (у аппаратов в период наиболее активных химических процессов; на участках загрузки и выгрузки сырья и готовой продукции; на участках внутренней транспортировки их; на участках размола и сушки сыпучих, пылящих материалов; в насосных и компрессорных при перекачке жидкостей и газов; в местах отбора технологических проб). Периодичность отбора проб зависит от опасности веществ: 1 кл. – 1 раз/10 дней; 2 кл. – 1 раз/месяц; 3-4 кл. – 1 раз/квартал.

ВЫБОР МЕСТА КОНТРОЛЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ И ПОИСК ЕГО ИСТОЧНИКА ВОДА: Из поверхностных природных источников. Обследуются протоки и источники возможного загрязнения выше по течению от предполагаемого места первичной оценки. Сточные воды. Место отбора определяется после подробного изучения технологии производства, ознакомления с потреблением и сбросом воды, системами канализации и очистки. Створы отбора проб устанавливают на водоемах в 1 км выше ближайшего по течению пункта водопользования (водозабор, место купания), в непроточных водоемах и водохранилищах – в 1 км в обе стороны от пункта водопользования. Обычно отбирают воду одного створа в 3-х точках: у берегов и в фарватере; но возможно и в точке водозабора по глубине и ширине реки.

ВЫБОР МЕСТА КОНТРОЛЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ И ПОИСК ЕГО ИСТОЧНИКА ПОЧВА. При выборе мест учитывается два главных параметра: Площадь «элементарного участка - ЭУ», с которого отбирается смешанный образец, отражающий средний уровень загрязнения почвы; «Ключевой участок - КУ», являющийся наименьшей геоморфологической единицей ландшафта, отражающий генезис и свойства почв. В пределах «КУ» выделяют «ЭУ», размеры которых зависят от расстояния до источника загрязнения почвы ( чем дальше от источника – тем больше площадь ЭУ). В пределах ЭУ выбирают «рабочую площадку - РП» с которой отбирают пробы. Число РП колеблется (1-3). КУ ориентировочно намечают по карте с учетом розы ветров, уточняют в поле. В пределах КУ выделяют ЭУ и намечают РП. Рациональный размер пробной площади – ПП – 100 м х100 м (1 га). Вокруг предприятия ПП намечают следующим образом: в зоне наибольшего загрязнения (1,5-2,5 км) – по 8 направлениям-румбам; в зоне значительного влияния (2,5-5 км) – по 10-12 румбам; в зоне обычного влияния (5-10 км) – по 16-24 румбам. В таком случае все ПП по периметру окажутся на равном расстоянии 1,5-2,0 км друг от друга.

В операцию «поиска источника» включаются задачи: идентификация загрязняющего вещества – установление его природы, расшифровка состава основных компонентов смеси; обнаружение загрязняющего вещества – подтверждение факта наличия его в природной среде. В операцию «поиска источника» включаются задачи: идентификация загрязняющего вещества – установление его природы, расшифровка состава основных компонентов смеси; обнаружение загрязняющего вещества – подтверждение факта наличия его в природной среде. Задачи должны решаться экспрессно – за минимальный промежуток контрольного времени. Применяемые методы и технические средства должны быть: Специфичны – избирательны по отношению к искомому ЗВ; Селективны – способны одновременно различать в анализируемой среде несколько похожих по свойствам веществ; Чувствительны – способны фиксировать минимально возможные концентрации ЗВ.

Идентификация в лаборатории

Портативные средства экспрессного контроля

Общая схема процесса анализа

МЕТОДЫ ПРОБООТБОРА Общая характеристика

Главные принципы отбора проб Проба природного объекта должна отражать условия и место взятия. Отбор пробы, хранение, транспортировка и работа с ней должны проводиться так, чтобы не произошло изменений в содержании определяемых компонентов и в свойствах самого анализируемого объекта. Количество (масса, объем) пробы должны быть достаточными для анализа и соответствовать применяемой методике.

ТЕХНИКА ОТБОРА ПРОБ Выбор места для отбора проб зависит от целей анализа. Виды отбора проб бывают: Разовый пробоотбор; Серийный пробоотбор: зональный и временной. Виды проб бывают: Простые; Смешанные.

ПРОБА – это представительная часть исследуемого объекта

ВИДЫ СРЕДНИХ ПРОБ Генеральная проба – первичная грубая проба, взятая из природного объекта путем объединения необходимого числа точечных проб. Число точечных проб можно определить по формуле: N = C•√Q, где N – число точечных проб; C – коэффициент однородности материала (1,5-3,0); Q – масса партии, кг.

Лабораторная проба – конечная промежуточная проба, полученная при сокращении генеральной пробы и поступившая в лабораторию для анализа (25-1000 г). В лаборатории ее делят на три части: проба для предварительных испытаний; проба для арбитражных анализов; анализируемая проба. Лабораторная проба – конечная промежуточная проба, полученная при сокращении генеральной пробы и поступившая в лабораторию для анализа (25-1000 г). В лаборатории ее делят на три части: проба для предварительных испытаний; проба для арбитражных анализов; анализируемая проба. Анализируемая проба – часть лабораторной пробы (1-25 г), применяемая для выполнения аналитических определений всех контролируемых компонентов (согласно заказу). Из нее берутся отдельные навески (10-1000 мг) (для твердых веществ) или аликвоты (для жидкостей и газов).

СТАБИЛИЗАЦИЯ, ТРАНСПОРТИРОВКА И ХРАНЕНИЕ ПРОБ Первичная пробоподготовка

Способы стабилизации проб Применение максимально инертной посуды. «Захолаживание» пробы. Затемнение пробы. Продувка пробы инертными газами. «Тренировка» поверхностей. Консервация пробы. Для отдельных видов проб применяется высушивание.

Правила консервации Используемые для консервации реагенты-стабилизаторы должны быть высочайшей чистоты (ОСЧ, ХЧ,ЧДА). Материалы, из которых изготовлены сосуды, устройства и инструменты для пробоотбора должны быть устойчивы к действию образца и реагента. Посуду нужно готовить непосредственно перед отбором проб. Хорошо знать свойства используемых консервантов. Время хранения законсервированных проб должно быть минимальным.

Транспортировка проб Должна быть: быстрой; в соответствующей таре, гарантирующей сохранность пробы. Для транспортировки проб часто используются специальные герметичные металлические защитные контейнеры, сконструированные по принципу «матрешки».

Особенности хранения различных проб Воздух Вода Донные отложения Почвы

ВОЗДУХ Пробы воздуха в контейнерах практически не хранятся. Могут храниться пробы взятые из воздуха аспирацией: Абсорбированные в жидкость (хранятся как жидкие пробы). Адсорбированные на твердом сорбенте (хранятся как твердые пробы).

ВОДА Без стабилизации вода не хранится (способы стабилизации см. ранее). Перед хранением вода обязательно консервируется. Применяемые консерванты сугубо индивидуальны. Консерванты добавляются в тару перед пробоотбором. Почему? Есть некоторые компоненты, которые можно определить только сразу (активный хлор, рН, карбонаты и гидрокарбонаты, общая жесткость, мутность и др.).

Примеры консервации воды

ДОННЫЕ ОТЛОЖЕНИЯ Хранятся до анализа в охлажденном (от 0 до -30С) или в замороженном состоянии (до -200С) в сосудах из химически стойкого стекла или полиэтилена с герметично закрывающимися крышками.

ПОЧВА Способ хранения пробы и ее упаковка зависят от целей анализа: Высушивают до воздушно-сухого состояния. Воздушно-сухие пробы хранят в матерчатых мешочках, в картонных коробках или в стеклянной таре. Хранят в холодильнике без высушивания при +40С в стеклянной таре.

РАСТЕНИЯ Способ хранения пробы и ее упаковка зависят от целей анализа: Высушивают до воздушно-сухого состояния. Воздушно-сухие пробы хранят в плотных бумажных пакетах или в стеклянной таре, закрытой пробками. Хранят в холодильнике (погребе) без высушивания при +40С. Хранят в замороженном виде (до -200С). Хранят в законсервированном виде в стеклянной таре. Способы консервации сугубо индивидуальны.

ЖИВОТНЫЕ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Способ хранения пробы и ее упаковка зависят от целей анализа: Хранят в замороженном виде (до -200С) в фольге или кальке (использование полиэтиленовых пакетов недопустимо). Завернутую пробу иногда помещают еще в стеклянную тару. Жидкие биосреды хранят законсервированными в стеклянной или тефлоновой таре. Выбираемые консерванты весьма специфичны. Пробы высушиваются методом лиофильной сушки (вакуумная сушка при пониженной температуре).

ОБРАБОТКА ГЕНЕРАЛЬНОЙ ПРОБЫ (ТВЕРДОЙ)‏ Гомогенизация – получение однородного материала. Состоит из двух чередующихся операций: Дробление; Просеивание. Усреднение – получение средней пробы меньшего количества. Состоит из двух чередующихся операций: Перемешивание; Сокращение

ГОМОГЕНИЗАЦИЯ

Гомогенизация пробы

Гомогенизация пробы

УСРЕДНЕНИЕ

Усреднение пробы

Усреднение пробы Сокращение

Схема квартования средней пробы

Получение лабораторной пробы из генеральной шахматным способом

Высушивание образцов (до воздушносухого состояния)

Артефакты пробоотбора и первичной пробоподготовки ООС

ПОДГОТОВКА ПРОБ К АНАЛИЗУ В ЛАБОРАТОРИИ Вторичная пробоподготовка

Схема пробоподготовки газообразной пробы

Схема пробоподготовки жидкой пробы

Схема пробоподготовки твердой пробы

Задачи вторичной пробоподготовки Гомогенизация (достижение однородности пробы). Высушивание пробы (удаление воды). Вскрытие (разложение пробы) и перевод ее в раствор. Обогащение пробы (ее концентрирование). Устранение влияния мешающих примесей (удаление или маскирование примесей).

Гомогенизация твердых образцов

Гомогенизация пробы

Вода в пробах Химически несвязанная вода (как загрязнение пробы): Адсорбированная на поверхности пробы твердого вещества. Сорбированная щелями и капиллярами аморфных веществ (цеолит, крахмал, белок). Окклюдированная полостями минералов, руд, горных пород. Химически связанная вода: Кристаллизационная. Конструкционная.

Высушивание образцов (до абсолютно сухого состояния)

Разложение анализируемой пробы

Минерализация пробы (разрушение органических веществ)

Разложение образцов «Сухие» методы разложения (требуют дальнейшего растворения полученного остатка) – это термическое разложение (пиролиз и сухая минерализация), спекание и сплавление. «Мокрые» методы разложения (сразу происходит разложение и растворение пробы) – это разложение концентрированными кислотами и их смесями, парами азотной кислоты и другими реагентами.

«Сухие» методы. Термическое разложение Это разложение пробы при нагревании, сопровождающееся образованием одного или нескольких компонентов газообразной фазы: Пиролиз – термическое разложение в отсутствие веществ, реагирующих с разлагаемым соединением. Проводится в атмосфере инертного газа (азот, гелий) или в вакууме. Сухая минерализация (озоление) – термическое разложение в присутствии веществ, реагирующих с разлагаемым соединением. Бывает с окислением (сожжение в кислороде или на воздухе) и с восстановлением (сожжение в токе водорода или аммиака).

Термическое разложение некоторых материалов

«Сухие» методы. Сплавление и спекание Сплавление – измельченную пробу смешивают с 8 –10-кратным избытком реагента (плавня) и нагревают (300 -10000С) до получения прозрачного плава. Спекание – измельченную пробу смешивают с 2 – 4-кратным избытком подходящего твердого реагента и нагревают (500 - 8000С). При этом смесь не расплавляется, а только спекается.

Классификация реагентов для сплавления и спекания Плавни: Щелочные (карбонаты, гидроксиды, бораты щелочных металлов и их смеси). Кислые (пиросульфат и гидросульфат калия, В2О3). Окислительные (щелочные плавни с добавкой окисляющих веществ – KNO3, NaNO3, KClO3 и др.). Реагенты для спекания: Пероксид натрия – Na2O2. Карбонаты щелочных металлов. Оксиды металлов (магния, цинка, кальция). Смеси карбонатов с оксидами магния, цинка, кальция.

Плавни, применяемые при сплавлении

Оборудование для «сухих» методов разложения

«Мокрые» методы. Разложение кислотами Концентрированные минеральные кислоты (HCl, HNO3, H2SO4, HF, HClO4, H3PO4 и др.). Органические кислоты (уксусная, щавелевая, винная, лимонная, муравьиная и др.). Смеси, содержащие кислоты: HCl (HNO3, H2SO4) + Н2О2; HCl + H2SO4 + HClO4; HNO3 + H2SO4; HCl + HNO3 (3:1) – царская водка и др.

«Мокрые» методы. Другие способы Водные растворы солей и оснований: Гидроксиды (NaOH, KOH); Карбонаты щелочных металлов (Na2CO3, K2CO3); Аммиак и соли аммония (NH3·H2O, NH4Cl). Пары азотной кислоты.

Оборудование для «мокрых» методов разложения

«МИНОТАВР»

Растворение пробы Основные растворители: Вода. Органические растворители. Водные смеси (с кислотами; органическими растворителями). Водные растворы кислот, щелочей. Буферные растворы. Концентрированные кислоты и их смеси (см. «мокрые» методы разложения). Другие растворители.

Разделение и концентрирование Разделение – это операция, в результате которой компоненты, составляющие исходную смесь, отделяются один от другого. Концентрирование – это операция, в результате которой повышается отношение концентрации или количества микрокомпонентов к концентрации или количеству макрокомпонента.

Концентрирование Виды концентрирования: Индивидуальное. Групповое. Абсолютное. Относительное. Способы концентрирования: Удаление матрицы. Выделение микрокомпонентов.

Методы концентрирования ООС Жидкие пробы: Упаривание. Вымораживание. Экстракционное концентрирование. Ионообменное концентрирование. Твердые пробы: Сублимация (возгонка). Флотация. Другие методы.

Распространенность методов концентрирования при анализе ООС

Основные методы разделения и концентрирования Осаждение и соосаждение. Методы испарения. Экстракционные методы. Сорбционные методы. Электрохимические методы. Селективное растворение. Другие методы.

Методы испарения Методы испарения основаны на переводе вещества из жидкого или твердого состояния в газообразное. Они основаны на разной летучести веществ. Классификация методов: Дистилляция – это перевод вещества из жидкого состояния в газообразное, с последующей его конденсацией. Отгонка – это выпаривание при котором удаляются летучие вещества. Разновидности отгонки – лиофильная сушка, сухая и мокрая минерализация. Сублимация (возгонка) – это перевод вещества из твердого состояния в газообразное и последующее осаждение его в твердой форме (минуя жидкое состояние).

Оборудование, используемое в методах испарения

Экстракция Экстракция – это метод выделения, разделения и концентрирования, основанный на распределении растворенного вещества между двумя несмешивающимися жидкими фазами (обычно между водой и органическим растворителем). При экстракции протекают процессы: Образование экстрагируемых соединений; Распределение экстрагируемых соединений между двумя фазами; Реакции в органической фаза.

Оборудование для проведения экстракции

Автоматизированная система экстракционной пробоподготовки

Сорбция Сорбция – это процесс поглощения газов, паров и растворенных веществ твердыми или жидкими поглотителями (сорбентами). Виды сорбции: Физическая; Химическая (хемосорбция); Абсорбция; Адсорбция. Способы сорбции: Статический; Динамический; Хроматографический.

Оборудование для проведения сорбции

Некоторые современные методы разделения и концентрирования Флотация – метод концентрирования и разделения смеси твердых частиц, основанный на различии в смачиваемости. Газовая экстракция – разделение летучих соединений пробы продувкой через нее инертного газа. Парофазный анализ – метод разделения и концентрирования за счет экстракции летучих компонентов смеси газом (воздухом, азотом, гелием) в статических или динамических условиях. Разделение с помощью мембран. Микроволновое излучение.

Некоторые современные методы разделения и концентрирования Криогенное концентрирование – основано на вымораживании токсичных примесей. Твердофазная экстракция – разделение веществ в результате сорбционных или ионообменных взаимодействий. Сверхкритическая флюидная экстракция – выделение токсичных примесей сверхкритическими жидкостями-флюидами. Экстракция субкритической водой – извлечение примесей горячей водой под высоким давлением. Дериватизация – получение химических производных токсичных примесей.

Устранение влияния мешающих примесей Может быть осуществлено: Разделением. Селективной экстракцией. Маскированием. Хроматографией. Другими методами.

Маскирование Это устранение влияния мешающих ионов путем связывания их в устойчивые комплексные соединения. Маскирующие реагенты: Неорганические: Полифосфаты; Галагенид-ионы; Цианид-ионы; Тиосульфат-ионы; Аммиак. Органические: Оксикислоты (винная, лимонная, салициловая); Комплексоны; Глицерин; Мочевина и тиомочевина.

Специфические способы подготовки к анализу ООС Почвы: Вытяжки (водные, солевые, кислотные, буферные). Растения: Сок. Вытяжки и выжимки. Настои, настойки, отвары.

Оборудование для приготовления почвенных вытяжек

Перемешивающие устройства