Важкі метали та їх виявлення в стічних водах підприємств

Зміст

Вступ. 3

Розділ 1. Коротка характеристика впливу важких металів на біологічні об’єкти 4

1.1. Поняття важких металів. 4

1.2. Токсикологічна характеристика деяких важких металів. 5

1.2.1. Залізо. 6

1.2.2. Кадмій. 6

1.2.3. Кобальт. 7

1.2.4. Мідь. 8

1.2.5. Нікель. 8

1.2.6. Ртуть. 9

1.2.7. Свинець. 9

1.2.8. Цинк. 10

1.3. Забруднення важкими металами стічних вод. 10

1.4. Вплив важких металів на біологічні об’єкти. 11

Розділ 2. Сучасні методи аналізу. 14

2.1 Хімічні методи. 15

2.2 Фізико – хімічні методи. 16

Розділ 3. Практична частина. Отримання та аналіз важких металів із стічних вод підприємств методом сорбції 20

3.1 Виділення важких металів із стічних вод методом сорбції 21

3.2 Методика виявлення іонів важких металів у розчинах. 26

3.2.1 Визначення концентрації міді 28

3.2.2 Визначення концентрації свинцю.. 28

3.2.3 Визначення концентрації цинку. 28

3.2.4 Визначення концентрації нікелю.. 29

3.2.5 Визначення концентрації кадмію.. 29

3.2.6 Визначення концентрації кобальту. 29

3.2.7 Визначення концентрації ртуті 30

3.2.8 Визначення концентрації заліза. 30

Висновки. 31

Список використаної літератури. 32

Вступ

Із кожним роком зростає техногенне навантаження на навколишнє середовище. Одним із факторів такого навантаження є зростання кількості побутових та промислових викидів, які вимагають своєї утилізації та захоронення. Проблема утилізації та захоронення промислових та побутових викидів вже давно стала надзвичайно важливою. Для вирішення її будують фабрики по переробці побутового сміття, та очисні споруди. Промислові викиди, якщо порівняти їх із побутовими будуть більш токсичні і чинитимуть більш негативний вплив на навколишнє середовище. Адже до промислових викидів відносяться викиди теплових електростанцій, різноманітних промислових підприємств. Особливо небезпечні по впливу на екологічну систему водойм важкі метали. Їх можна знайти в стічних водах металургійних та металообробних підприємств, гальванічних цехів, автопідприємств. В залежності від виду підприємства буде змінюватися картина викидів, в викидах автопідприємств переважають викиди сполук свинцю, гальванічні цехи скидають в стічні води сполуки цинку, кобальту, кадмію.

Якою б довершеною не була очистка стічних вод, але значна кількість важких металів потрапляє в природне середовище. Адже іноді підприємству вигідніше заплатити штрафи чим побудувати чи модернізувати очисні споруди.

Завданням даної роботи буде розглянути, що ж розуміють під поняттям «важкі метали», якою є їх біологічна роль та вплив на екологічну систему водойм, також розглянемо способи виділення важких металів із стічних вод підприємств методом сорбції, що може бути використано як для аналітичного виявлення важких металів у стічних водах так і як перспективний метод очистки стічних вод. Також одним із завдань роботи буде розгляд основних методів виявлення важких металів в стічних водах підприємств на основі державних стандартів України по якості води та виявленню важких металів: ДСт. 18293 – 72,  ДСт. 4152 – 72, ДСт. 4011 – 72, ДСт. 4388 – 72, ДСт. 18963 – 72, ДСт. 4151 – 72.

Розділ 1. Коротка характеристика впливу важких металів на біологічні об’єкти

Розглянемо, що ж розуміють під поняттям «важкі метали», які їх шляхи потрапляння в природне середовище та їх вплив на біологічні об’єкти.

1.1. Поняття важких металів

Поняття «важкі метали» досить часто зустрічається у літературі, але у різних авторів до них відносять різні метали. Тобто трактування цього поняття у різних авторів різне. Тому потрібно визначитися, які ж саме метали відносять до важких, які їхні характеристики є визначальними при їх класифікації.

Термін «важкі метали» пов'язаний з високою відносною атомною масою елемента. Ця характеристика звичайно ототожнюється з уявленням про високу токсичність. Також однією із ознак «важких металів» є їхня густина. У сучасній кольоровій металургії розрізняють важкі кольорові метали – густиною 7,14 – 21,4 г/см³ (цинк, олово, мідь, свинець, хром, кадмій, кобальт й ін.) і легкі кольорові метали - густиною 0,53 – 3,5 г/см³ (літій, берилій й ін.).

Відповідно до однієї класифікації [16], до групи важких металів належить більше 40 елементів з високою відносною атомною масою й густиною більшою 6 г/см³. По іншій класифікації, у цю групу включають кольорові метали із густиною більшою, ніж у заліза (свинець, мідь, цинк, нікель, кадмій, кобальт, олово, сурма, вісмут, ртуть).

Відповідно до відомостей, представлених в довіднику [22] до важких металів віднесені елементи, густина яких більша за 5 г/см³. Якщо виходити їх цього показника, важкими можна вважати 43 з 84 металів Періодичної системи хімічних елементів. Таким чином, до важких металів відносять більше 40 хімічних елементів з відносною густиною більше 6. Число ж небезпечних забруднювачів, якщо враховувати токсичність, стійкість і здатність накопичуватися в зовнішньому середовищі, значно менше.

1.2. Токсикологічна характеристика деяких важких металів

Розглянемо властивості, шляхи попадання, гранично допустимі концентрації деяких важких металів. Насамперед становлять інтерес ті метали, які найбільше широко й у значних об'ємах використаються у виробничій діяльності й у результаті нагромадження в зовнішньому середовищі становлять серйозну небезпеку з огляду їх високої біологічної активності й токсичних властивостей. До них відносять залізо, свинець, ртуть, кадмій, цинк, нікель, мідь.

1.2.1. Залізо

Значні кількості заліза надходять зі стічними водами підприємств металургійної, металообробної, текстильної, лакофарбової промисловості й із сільськогосподарськими стоками.

Фазові рівноваги між формами сполук заліза у розчинах залежать від хімічного складу води, РН, Eh і від температури. Розчинене залізо у стічних та природних водах представлене сполуками, що перебувають в іонній формі, у вигляді гідроксокомплексів й комплексів з розчиненими неорганічними й органічними речовинами природних вод. В іонній формі мігрує головним чином Fe (II), а Fe (III) під час відсутності комплексоутворювачів може в значних кількостях перебувати в розчиненому стані.

У результаті хімічного й біохімічного (при участі залізобактерій) окиснення Fe (II) переходить в Fe (III), іони якого, гідролізуючись, випадають в осад у вигляді Fe(OH)₃. Як для іонів Fе²⁺, так і для Fe³⁺ характерна здатність до утворення гідроксокомплексів типу [Fe(OH)₂]⁺, [Fe₂(OH)₂]⁴⁺, [Fe(OH)₃]⁺, [Fe₂(OH)₃]³⁺, [Fe(OH)₃]^– і інших, співіснуючих у розчині в різних концентраціях залежно від РН. Основною формою знаходження Fe³⁺ у поверхневих водах є комплексні сполуки його з розчиненими неорганічними й органічними комплексоутворювачами, головним чином гумусовими речовинами. При РН = 8,0 основною формою знаходження іонів тривалентного заліза в розчинах є Fe(OH)₃.

Вміст заліза у воді вище 1 – 2 мг/л значно погіршує органолептичні властивості води, надаючи їй неприємний в'язкий смак, і робить воду малопридатною для використання в технічних цілях. ГДК заліза становить 0,3 мг/дм³ (лімітуючий показник шкідливості – органолептичний).

1.2.2. Кадмій

Сполуки кадмію виносяться в поверхневі води зі стічними водами свинцево-цинкових заводів, гірничо-збагачувальних комбінатів, ряду хімічних підприємств (виробництво сірчаної кислоти), гальванічного виробництва, а також із шахтними водами. Зниження концентрації розчинених сполук кадмію відбувається за рахунок процесів сорбції, випадання в осад гідроксида й карбонатів кадмію.

Розчинені форми кадмію в стічних водах являють собою головним чином мінеральні комплекси. У річкових незабруднених й слабко забруднених водах кадмій утримується в субмікрограммових концентраціях, у забруднених і стічних водах концентрація кадмію може досягати десятків мікрограмів в 1 дм³.

Сполуки кадмію відіграють важливу роль у процесі життєдіяльності тварин і людини. У підвищених концентраціях токсичний, особливо в сполученні з іншими токсичними речовинами [8], [19].

ГДК становить 0.001 мг/дм³ (лімітуюча ознака шкідливості – токсикологічна).

1.2.3. Кобальт

У природні води сполуки кобальту попадають зі стічними водами металургійних, металообробних і хімічних заводів.

Сполуки кобальту в природних водах перебувають у розчиненому й звішеному стані, кількісне співвідношення між якими визначається хімічним складом води, температурою й значеннями РН. Розчинені форми представлені в основному комплексними сполуками. Сполуки двовалентного кобальту найбільш характерні для поверхневих вод. У присутності окислювачів можливе існування в помітних концентраціях тривалентного кобальту [19].

Кобальт відноситься до числа біологічно активних елементів. Входячи до складу вітаміну В₁₂, кобальт досить активно впливає на надходження азотистих речовин, збільшення змісту хлорофілу й аскорбінової кислоти, активізує біосинтез і підвищує зміст білкового азоту в рослинах. Разом з тим підвищені концентрації сполук кобальту є токсичними [8].

ГДК становить 0.1 мг/дм³.

1.2.4. Мідь

Мідь – один з найважливіших мікроелементів. Фізіологічна активність міді зв'язана головним чином із включенням її до складу активних центрів окислювально-відновних ферментів. Недостатній зміст міді в ґрунтах негативно впливає на синтез білків, жирів і вітамінів і сприяє безплідності рослинних організмів. Мідь бере участь у процесі фотосинтезу й впливає на засвоєння азоту рослинами. Разом з тим, надлишкові концентрації міді впливають на рослинні й тваринні організми.

У природних водах найбільше часто зустрічаються сполуки Cu(II). Зі сполук Cu(I) найпоширеніші важкорозчинні у воді Cu₂O, Cu₂S, CuCl. При наявності у водному середовищі лігандів, поряд з рівновагою дисоціації гідроксида, необхідно враховувати утворення різних комплексних сполук, що перебувають у рівновазі з акваіонами міді.

Основним джерелом надходження міді в природні води є стічні води підприємств хімічної, металургійної промисловості, шахтні води, альдегідні реагенти, використовувані для знищення водоростей. Мідь може з'являтися в результаті корозії мідних трубопроводів й інших споруд. Гранично припустима концентрація міді у воді водойм санітарно-побутового водокористування становить 0,1 мг/дм³ (лімітуюча ознака шкідливості – загальносанітарна) [8].

  1.2.5. Нікель

Сполуки нікелю у водні об'єкти надходять також із стічними водами цехів нікелювання, заводів синтетичного каучуку, нікелевих збагачувальних фабрик. Величезні викиди нікелю супроводжують спалювання викопного палива.

Концентрація його може знижуватися в результаті випадання в осад таких сполук, як ціаніди, сульфіди, карбонати або гідроксиди (при підвищенні значень РН) й процесів адсорбції.

У поверхневих водах сполуки нікелю перебувають у розчиненому, звішеному й колоїдному стані, кількісне співвідношення між якими залежить від властивостей води, температури й значень РН. Сорбентами сполук нікелю можуть бути гідроксид заліза, органічні речовини, високодисперсний карбонат кальцію, глини. Розчинені форми являють комплексні іони, найбільше часто з амінокислотами, гуміновими кислотами, а також у вигляді міцного ціанідного комплексу. Найпоширеніші в природних водах сполуки нікелю, у яких він перебуває в ступені окислювання +2.

Сполуки нікелю відіграють важливу роль у кровотворних процесах. Підвищений його вміст впливає на серцево-судинну систему. Нікель належить до числа канцерогенних елементів. Вважається, що вільні іони нікелю (Ni²⁺) приблизно в 2 рази більш токсичні, чим його комплексні сполуки [8]. ГДК становить 0,1 мг/дм³.

1.2.6. Ртуть

Значні кількості ртуті надходять у водні об'єкти зі стічними водами підприємств, що виготовляють барвники, пестициди, фармацевтичні препарати, деякі вибухові речовини.

У поверхневих водах сполуки ртуті перебувають у розчиненому й звішеному станах. Співвідношення між ними залежить від хімічного складу води й значення РН. Звішена ртуть являє собою сорбовані сполуки ртуті. Розчиненими формами є недисоційовані молекули, комплексні органічні й мінеральні сполуки.

Сполуки ртуті високо токсичні, вони вражають нервову систему людини, викликають зміни з боку слизової оболонки, порушення рухової функції й секреції шлунково-кишкового тракту, зміни в крові й ін. ГДК ртуті становить 0,0005 мг/дм³.

1.2.7. Свинець

Викиди свинцю пов’язані із стічними водами гірничо-збагчувальних комбінатів, деяких металургійних заводів, хімічних виробництв, шахт і т.д. Свинець перебуває в воді у розчиненому й звішеному (сорбованому) стані. У розчиненій формі зустрічається у вигляді мінеральних й органо-мінеральних комплексів, а також простих іонів, у нерозчинній – у вигляді сульфідів, сульфатів і карбонатів.

У річкових водах концентрація свинцю коливається від десятих часток до одиниць мікрограмів в 1 дм³.

Свинець – промислова отрута, здатний при несприятливих умовах виявитися причиною отруєння. В організм людини проникає через органи травлення. Виводиться з організму дуже повільно, внаслідок чого накопичується в костях, печінці й нирках [8]. ГДК свинцю становить 0,03 мг/дм³.