Тест-определение ионов тяжелых металлов в водах
статья по химии

Гусейнова Марина Касимовна

В статье рассмотрены основные тест-методы и тест-методики для качественного обнаружения ионов тяжелых металлов в водах

Скачать:

ВложениеРазмер
Microsoft Office document icon gabidulina-himbioaktiv-2019-otpravka.doc107.5 КБ

Предварительный просмотр:

ТЕСТ-ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕКОТОРЫХ ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ

С ПРИМЕНЕНИЕМ СИСТЕМ: ОРГАНИЧЕСКИЙ РЕАГЕНТ – ПАВ

Габидулина М.К., Данчук А.И., Косырева И.В., Доронин С.Ю.

Саратовский национальный исследовательский государственный университет

имени Н.Г. Чернышевского, г. Саратов, gabidulina_mk@mail.ru

Тяжелые металлы (ТМ) [1] являются одними из приоритетных загрязнителей окружающей среды, которые вследствие их чрезвычайно низкой биодеградации способны аккумулироваться в организме человека, вызывая различные отклонения в работе жизненно важных органов [1-4]. Низкие пределы обнаружения ионов ТМ, как правило, требуют предварительного их концентрирования для последующего определения на уровне долей ПДК. В настоящей работе предложены варианты сорбционно-цветометрического тест-определения ТМ, основанные на применении систем Men+ – органический реагент (ОР) – ПАВ – твердая подложка.

В качестве подложки для тест-средств и одновременного концентрирования ионов ТМ реализованы полученные электроформованием нетканые материалы (НМ) на основе нановолокон полиактилонитрила (ПАН). Методики приготовления формовочного раствора, условия электроформования и некоторые физико-химические свойства таких материалов исследованы нами ранее [5-7]. Они обладают рядом уникальных свойств: контролируемый размер волокон и пор, высокие удельная площадь поверхности (Sуд. ~ 1000 м2/г), водопроницаемость и др. [8 – 10].

Для улучшения сорбционных свойств НМ осуществляли направленную химическую модификацию нитрильных групп ПАН двумя способами: 1) реакцией амидоксимирования нитрильных групп; 2) щелочным гидролизом (далее ПАН*). Наилучшие сорбционные характеристики (Q, мг/г; R,%) по отношению к ионам ТМ были достигнуты для нановолокна, модифицированного раствором NaOH, который в дальнейшем был выбран в качестве реагента-модификатора. Для оценки сорбционных свойств нановолокон, предварительно модифицированных 1,25 М раствором NaOH (ПАН*), изучена сорбция ионов ТМ: Pb(II), Cu(II), Mn(II), Fe(III), Co(II) в статическом режиме (рис. 1).

Рисунок 1 – Изотермы сорбции ионов тяжёлых металлов на материалах ПАН*.
V = 15 мл, с(NaOH) = 1 М; mНМ = 0,030 г.

Изотермы сорбции ионов изучаемых металлов (рис. 1) были получены с учётом кинетики сорбции, pH и варьировании массы нановолоконного сорбента. Изменения параметров сорбции исследованных ТМ в диапазоне рН от 4,0 до 6,0 практически незначительны, что позволило в дальнейшем работать без добавления буферных растворов и дополнительно не контролировать рН. Как видно из рис. 2, изотермы сорбции имеют классический Ленгмюровский вид, что указывает на мономолекулярный характер сорбции металлов. При этом значения сорбционных ёмкостей материала ПАН*-нановолокна увеличивались в ряду Mn2+2+2+2+3+ (52, 87, 126, 153, 162 мг/г, соответственно), что обусловлено увеличением констант устойчивости (β) металлов с хелатными группами волокон. Механизм сорбции ионов металлов материалом ПАН* имеет химическую природу (хемосорбция), что связано с образованием комплексов между азотсодержащими функциональными группами (конъюгированными пиридиновыми фрагментами) нановолокна ПАН* и ионами ТМ.

В оптимальных условиях сорбции оценено влияние концентрации ионов металлов на степень их извлечения R, коэффициенты концентрирования lgD и распределения K (табл. 1).

Таблица 1 – Влияние концентрации ионов металлов на R, lgD, K на материале ПАН*

c,

мг/л

Pb

Cu

Mn

Co

Fe

R,%

lgD

104

R,%

lgD

K×104

R,%

lgD

104

R,%

lgD

104

R,%

lgD

104

0,1

95

4,2

7,9

95

4,2

7,9

91

2,3

7,6

92

4,0

7,7

97

4,4

8,1

1

94

4,1

7,8

93

4,0

7,8

89

2,4

7,4

91

3,9

7,6

95

4,2

7,9

5

93

4,0

7,8

91

3,9

7,6

88

2,7

7,3

90

3,9

7,5

94

4,1

7,8

10

91

3,9

7,6

90

3,9

7,5

80

3,1

6,7

89

3,8

7,4

93

4,0

7,8

Установлено (табл. 1), что степени извлечения ионов металлов достигают более 90% практически для всех металлов в диапазоне их концентраций 0,1-10 мг/л, за исключением марганца, для которого константа устойчивости комплекса с хелатными группами волокон меньше по сравнению с другими исследуемыми металлами.

Цветометрическое определение ТМ осуществляли после обработки поверхности сорбента (ПАН) водным раствором 4-(2-пиридилазо)-резорцином (ПАР), модифицированного катионным поверхностно-активным веществом (хлорид цетилпиридиния, ЦПХ) и образующего устойчивые комплексы с ионами ТМ, окрашенные в контрастный по сравнению с подложкой (желтая окраска) цвет (красный для всех ионов металлов). Направленная модификация системы Меn+ – ПАР растворами ПАВ приводит к улучшению химико-аналитических свойств исследуемой системы, что обусловливает возможность получения аналитических форм с улучшенными цветометрическими характеристиками (яркость, контрастность) [11].

Содержание ТМ определяли цветометрически по предварительно полученным характеристикам яркостей (интенсивностей) каналов RGB. Для количественной оценки содержания ионов металлов в водах, после их предварительного концентрирования, также строили соответствующие лепестковые диаграммы (ЛД) в координатах параметров цвета (R, G, B, C, M, Y, K) и рассчитывали значения периметров Р и площадей S таких ЛД по формулам (1) и (2):

 (1)

            (2)

где a, b – стороны треугольника; cos(ab) и sin(ab) – косинус и синус угла между сторонами а и b соответственно.

Так, полученные зависимости S и P от c(ТМ) - линейны (рис. 2) с хорошими значениями коэффициентов аппроксимации R2. Таким образом, сравнение цифровых сигналов ΔIR/G и S лепестковых диаграмм, используемых при построении градуировочных графиков для определения ионов ТМ в водах, показало возможность их применения в анализе для цветометрического определения последних в природных и питьевых водах.

Рисунок 2 – а) Лепестковые диаграммы для различных с(Pb2+); б) Градуировочная зависимость логарифма площади ЛД (lnS) от логарифма концентрации ионов свинца, мкг/л.

Таким образом, методом бескапиллярного электроформования растворов полиакрилонитрила и последующей модификацией его нановолокон NaOH получены новые эффективные сорбенты ионов тяжёлых металлов – приоритетных загрязнителей вод – Fe(III), Co(II), Cu(II), Mn(II), Pb(II). Предложены оригинальные методики сорбционного концентрирования ионов тяжёлых металлов нановолокнами модифицированного полиакрилонитрила из водных сред (степень извлечения (R) достигает 100%). Предложены тест-средства (нановолокна) на основе ПАР-ЦПХ для определения тяжёлых металлов методами колориметрии с применением цифровых технологий.

Список цитируемой литературы

  1. Будников Г.К. Тяжелые металлы в экологическом мониторинге водных систем // Соровский образовательный журнал. 1998. № 5. С. 23–29.
  2. Zolotov Y.A. et al. Application of extraction methods for the determin of small amounts of metals // Critical reviews in analytical chemistry. 1982. № 14:2. P. 93–174.
  3. Данчук, А.И., Доронин, С.Ю., Махова, Т.М., Махов, С.В., Сальковский, Ю.Е., И.А., Горбачев. Нановолокно на основе полиакрилонитрила – как сорбент для ионов свинца(II) и меди(II) // Бутлеровские сообщения. 2016. Т. 48. № 11. С. 123-131.
  4. Данчук А.И., Грунова Ю.В., Доронин С.Ю., Лясникова А.В. Модифицированное нановолокно на основе полиакрилонитрила как сорбент для извлечения некоторых ионов тяжелых металлов / Сорбционные и хроматографические процессы. 2018. Т. 18. № 3. С. 404–414.
  5. Махова Т.М., Доронин С.Ю. Нановолокна как сорбенты для концентрирования органических токсикантов из водных сред // Бутлеровские сообщения. 2018. Т. 53. № 3. С. 55-66.
  6. Матвеев А.Т., Афанасов И.М. Получение нановолокон методом электроформования. Учебное пособие / под редакцией Авдеева В.В. Москва: Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова. 2010. 83 с.
  7. Huang Z.M. et al. A review on polymer nanofibers by electrospinning and their applications in nanocomposites // Compos. Sci. Technol. 2003. Vol. 63. № 15. P. 2223–2253.
  8. Wang X., Li Y., Ding B. Electrospun nanofibers for energy and environmental applications // Nanostructure Science and Technology. 2014. Vol. 11. P. 267 - 297.
  9. Huang Y., Miao Y.E., Liu T. Electrospun fibrous membranes for efficient heavy metal removal // J. Appl. Polym. Sci. 2014. Vol. 131. № 19. P. 1–12.
  10. Nasreen S. et al. Advancement in electrospun nanofibrous membranes modification and their application in water treatment // Membranes (Basel). 2013. Vol. 3. № 4. P. 266–284.
  11. Чернова Р. К., Доронин С. Ю. Определение органических аналитов в растворах ПАВ: ионные и мицеллярные эффекты / Саратов: Изд-во Сарат. ун-та. 2017. – 200 с.

По теме: методические разработки, презентации и конспекты

презентация исследовательской работы "Содержание тяжелых металлов в почве"

С каждым годом количество автотранспорта растет, а, следовательно, растет содержание в атмосферном воздухе вредных веществ. Постоянный рост количества автомобилей оказывает определенное отрицательное ...

Научно-исследовательская работа по теме "Исследование влияния сельского хозяйства на содержание в почве тяжелых металлов"

Почвенный покров служит конечным приемником большинства техногенных химических веществ и отходов, вовлекаемых в биосферу. Обладая высокой емкостью поглощения, почва является главным аккумулятором, сор...

Тяжелые металлы в системе "речная вода-сточные воды-растения"

Исследование концентрации тяжелых металлов, их влияние на растения...

Вредное воздействие тяжелых металлов на организм человека

Не будем, однако, слишком обольщатьсянашими победами над природой. За каждую такую победу она нам мстит. Каждая из этих побед имеет, правда, в первую очередь те последствия, на которые мы рассчитывали...

Конспект урока "Тяжелые металлы"

Конспект урока "Тяжелые металлы"; рабочие листы и приложение для урока....

Проект по теме "Интенсивность биологического поглощения овощными культурами тяжелых металлов из почвы"

Проект предназначен для учащихся 9 классов, интересующихся неорганической химией. Цель проекта анализ токсических свойств почвы и овощной продукции выращенной на этой почве на основе коэффиц...

Лабораторная работа Растворение белков в воде. Обнаружение белков в молоке и в мясном бульоне. Денатурация раствора белка куриного яйца спиртом, растворами солей тяжелых металлов и при нагревании.

Цель: овладение навыками проведения химических опытов, подтверждающих свойства белков и их нахождение в продуктах питания; познакомиться с реакциями, доказывающими наличие в белках ароматического коль...