География и геология/6. Природопользование и экологический мониторинг

К.т.н. Полевич О.В., Нечепоренко А.Б., Шперер А.В.

Харьковский национальный университет имени В.Н. Каразина, Украина

Сорбционное концентрирование микрокомпонентов из жидких объектов.

Состояние проблемы. Часть 1.

Для концентрирования и разделения микрокомпонентов используются различные методы: экстракция, осаждение и соосаждение, сорбция, сублимация, флотация, кристаллизация, электрохимические и дистилляционные методы и др. Каждый из методов имеет определенные достоинства и недостатки. Сравнительные характеристики методов концентрирования, их сочетание с методами конечного определения, применение в анализе различных объектов описаны в [1]. Количественные критерии выбора метода концентрирования отсутствуют. Качественно выбор методики концентрирования определяется следующими факторами:

- природой, числом и средним содержанием определяемых элементов;

- природой анализируемого объекта;

- основными характеристиками метода конечного определения (предел обнаружения метода, его метрологические характеристики, влияние состава матрицы на точность и правильность результатов измерений и т.п.);

- требуемыми метрологическими параметрами методики концентрирования и определения;

- экономическими критериями и требованиями техники безопасности.

В ряде случаев определяющее значение могут иметь и другие критерии, такие как возможность концентрирования в полевых условиях, продолжительность стадии концентрирования, возможность автоматизации методики, доступность оборудования и т.д.

В общей постановке задача концентрирования при использовании любой методики состоит в полном извлечении всех определяемых компонентов из анализируемого объекта при максимальной степени их концентрирования и минимальных затратах времени и реактивов. Быстрое и точное решение этой задачи возможно лишь в тех случаях, когда имеется строгое теоретическое обоснование всех стадий концентрирования, набор необходимых исходных данных, разработаны методы оптимизационного подхода к решению поставленной задачи.

Систематических сведений об основных сорбционных и кинетических характеристиках сорбционных материалов еще недостаточно [2], многочисленные частные методики не обобщены и теоретически не обоснованы, попытки оптимизационного подхода к решению поставленной задачи известны [3], но еще недостаточно разработаны. Широкими возможностями при анализе водных объектов обладают сорбционные методы, основанные на использовании, например, ионообменных и хелатных смол, при этом достигаются коэффициенты концентрирования до 10⁴ [4]. Сорбция может быть осуществлена в статических и динамических условиях, причем смола может быть применена в тонком слое и в колонке; применение находят также ионообменные бумаги и мембраны. Колонки, заполненные смолами, удобны для отбора проб и концентрирования в нестационарных условиях.

Получили распространение методики, основанные на поглощении хелатов подходящими сорбентами. Например, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Hg, Mn, Ni, Zn переводили в 8-оксихиноменаты при рН=8, после чего поглощали образовавшиеся хелаты активным углем. Микроэлементы поглощаются количественно, коэффициент концентрирования составляет 1∙10⁴. Еще более удобны сорбционные фильтры. Так, фильтр на основе целлюлозы с привитыми группами -N(CH₂-CH₂-NH₂) количественно поглощает 12 микроэлементов, содержащихся в воде в виде взвесей и в ионном виде. После сушки фильтр анализировали рентгенофлуоресцентным методом и определяли микроэлементы с пределом обнаружения n∙10^-7 % [5].

Высокие значения коэффициентов концентрирования достигаются при проведении обменных реакций в статических условиях. Коэффициент концентрирования составляет 1∙10⁴, а пределы обнаружения микроэлементов (Al, Bi, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Zn) - 10^-7 ∙10^-8 % [5].

Анализ методик сорбционного концентрирования позволяет сформулировать следующие основные принципы рационального выбора и разработки методики этого типа:

- выбор группы наиболее перспективных сорбентов с учетом характера задачи, природы определяемых микрокомпонентов и анализируемого объекта;

- определение и сравнение основных сорбционных и кинетических характеристик сорбентов по группе определяемых компонентов;

- исследование влияния различных параметров на эффективность процесса концентрирования;

- определение оптимальных условий сорбции и десорбции;

- оценка точности и правильности метода.

Выбор сорбента производится с учетом следующих основных факторов:

- необходимой степени концентрирования;

- природы анализируемых микрокомпонентов и тех их форм, в виде которых они находятся в исследуемом объекте;

- метода конечного определения содержания микрокомпонентов;

- состава матрицы анализируемого объекта.

В общем случае сорбционный материал должен удовлетворять следующим требованиям:

- высокая избирательность к определяемым компонентам;

- достаточная емкость по сорбируемым соединениям;

- высокая скорость сорбции и десорбции (если она имеет место).

Основными неорганическими микрокомпонентами природных вод являются переходные металлы в различных конкретных формах [6]. Определение и концентрирование переходных металлов приходится проводить на фоне больших концентраций неосновных неорганических компонентов природных вод (Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Cl^-, SO₄^2- и др.). В таких условиях, прежде всего, должно соблюдаться требование высокой избирательности сорбента по отношению к ионам переходных металлов. Поэтому, использование для решения поставленной задачи таких сорбентов, как сильно- и слабокислотные катиониты, высокоосновные аниониты практически исключаются и поэтому не будем останавливаться на их характеристике. Высокую избирательность по отношению к ионам переходных металлов проявляют сорбенты, образующие прочное компонентное соединение с ионами переходных металлов в фазе сорбента. Таким свойством обладают синтетические сорбцитные материалы: слабоосновные аниониты, некоторые слабокислотные катиониты и полиамфомиты. Избирательность сорбентов этого типа пропорциональна устойчивости образующихся в фазе сорбентов комплексных соединений, и в этом плане особого внимания заслуживают хелатообразующие сорбенты.

Литература:

1. Пиккеринт У.Ф. Современная аналитическая химия. М.: Химия, 1989. – 559 с.

2. Лурье А.А. Хроматографические материалы. – М.: Химия, 1978. - 440 с.

3. Швоева О.П. и др. Концентрирование и разделение элементов на хелатных сорбентах. Выбор условий концентрирования меди и серебра из солевых растворов. – Журн. аналит. химии, 1983, 38, вып. 2, с. 221 – 226.

4. Хроматографический анализ окружающей среды. – М.: Химия, 1979. – с. 504 – 517.

5. Золотов Ю.А., Кузьмин Н.М. Концентрирование микроэлементов. – М.: Химия, 1982. – 284 с.

6. Хорн Р. Морская химия. – М.: Мир, 1972. – 398 с.