Методико-технические средства инженерно-экологических изысканий

Курсовой проект по предмету

«Гидроэкологические исследования, цели и методика»

Выполнил: Студент группы II-15 Наумов К.А.

Принял: Профессор Лаврусевич А.А.

Москва, 2014.

При изучении гидрогеологических условий в соответствии с конкретными задачами инженерно-экологических изысканий следует устанавливать: наличие водоносных горизонтов, которые могут испытывать негативное влияние в процессе строительства и эксплуатации объекта, и подлежащих защите от загрязнения и истощения; условия залегания, распространения и естественную защищенность этих горизонтов (в особенности, первого от поверхности); состав, фильтрационные и сорбционные свойства грунтов зоны аэрации и водовмещающих пород; наличие верховодки; глубину залегания первого от поверхности водоупора; закономерности движения грунтовых вод, условия их питания и разгрузки, режим, наличие гидравлической взаимосвязи между горизонтами и с поверхностными водами; химический состав грунтовых вод, их загрязненность вредными компонентами и возможность влияния на условия проживания населения; возможность влияния техногенных факторов на изменение гидрогеологических условий.

Гидрохимические исследования при инженерно-экологических изысканиях выполняются для оценки загрязненности поверхностных вод, выявления ореола загрязнения грунтовых вод, состава и концентрации загрязнителей, источников загрязнения и оценки влияния этого загрязнения на состояние экосистем и здоровье населения.

Опробование и оценку загрязненности поверхностных и подземных вод при инженерно-экологических изысканиях следует производить для:

-оценки качества воды источников водоснабжения и выполнения требований к соблюдению зон санитарной охраны водозаборных сооружений;

-оценки качества воды, не используемой для водоснабжения, но являющейся компонентом природной среды, подверженным загрязнению, а также агентом переноса и распространения загрязнений.

Гидрологические исследования водного режима, гидрохимические и гидробиологические исследования водных объектов при комплексном проведении инженерных изысканий следует выполнять в составе гидрометеорологических изысканий.

Опробование и оценку качества поверхностных и подземных вод, используемых как источник водоснабжения для хозяйственно-питьевых и коммунально-бытовых нужд, рекреационных и других целей следует осуществлять в соответствии с установленными санитарными нормами и государственными стандартами качества воды по ПДК применительно к видам.

Список наиболее значимых в гигиеническом отношении загрязняющих воду веществ и их ПДК, а также контролируемые показатели качества воды, используемой для хозяйственно-питьевого назначения, приведены в СП 11-102-97.

Отбор проб воды из поверхностных водотоков (реки, ручьи), водоемов (пруды, озера, водохранилища), накопителей сточных вод, коллекторов и их анализ следует производить в соответствии с установленными государственными стандартами, нормативно-методическими и инструктивными документами Росгидромета, Госкомприроды, Госкомрыболовства и Минздрава России. При проведении комплексных изысканий опробование поверхностных водотоков и водоёмов производится в составе гидрометеорологических изысканий.

Показатели санитарно-эпидемиологического состояния водоисточников питьевого и рекреационного назначения должны устанавливаться в соответствии с действующими санитарными нормами Российской Федерации.

К основным показателям относятся эпидемическая опасность воды (наличие патогенных микроорганизмов, коли-титр), содержание токсических веществ 1-го и 2-го классов опасности и наличие возбудителей паразитарных болезней и микозов человека. Показатели, характеризующие загрязнение водоисточников и питьевой воды веществами 3-го и 4-го классов опасности, а также физико-химические и органолептические характеристики воды относятся к дополнительным. Классификация веществ по классам опасности и критерии санитарно-гигиенической оценки опасности загрязнения питьевой воды и источников питьевого водоснабжения приведены в приложении Ж СП 11-102-97.

Заключение о степени санитарно-экологического неблагополучия может быть сделано на основе стабильного сохранения негативных значений основных показателей за период не менее одного года, при этом, как правило, отклонения от нормы должны наблюдаться по нескольким критериям, за исключением случаев загрязнения водоисточников питьевого назначения патогенными микроорганизмами и возбудителями паразитарных заболеваний, а также особо токсичными веществами, когда заключение может быть сделано на основании одного критерия.

Геоэкологическое опробование грунтовых вод, не используемых для водоснабжения, следует производить преимущественно при оценке загрязненности территорий, предназначенных для жилищного строительства, и установлении необходимости их санирования, а также в зонах влияния хозяйственных объектов.

Отбор грунтовых вод следует производить из верховодки и первого от поверхности водоносного горизонта (либо, при соответствующем обосновании, из других водоносных горизонтов), после желонирования или прокачки скважины (шурфа) и восстановления уровня. Объем пробы должен составлять не менее 3 л.

Стадии проведения работ:

1) Сбор, анализ и систематизация материалов по гидрогеологическим условиям и гидроэкологической изученности региона:

- информация о геохимических и гидрогеохимических методах ранее проведенных работ, видах и качестве работ по опробованию и аналитических работ, степени -геохимической изученности, сохранности аналитических материалов;

- информация о природно-климатических, физико-географических, гидрографи-ческих особенностях объектов работ;

- информация о гидрогеологическом строении территорий;

- разномасштабные карты различного содержания (фактического материала гео-химического опробования, ландшафтные, гидрогеохимической изученности, эколого-геохимические и др.).

Источниками информации являются отчеты по геохимическим, гидрогеологическим, экологическим работам различных масштабов и ежегодники соответствующих областных и республиканских центров Геомониторинга.

2) Полевые работы, отбор образцов для анализа включают:

- рекогносцировочные маршруты по изучению геоэкологической и гидрогеологической обстановки:

из поверхностных и подземных вод отбирается по одной пробе для производства экспресс-анализов в полевых условиях. В состав аналитических работ экспресс-методами в полевых условиях входит определение химических компонентов (сульфатов, нитраты, нитритов, хлоридов, фторидов, калия, натрия), показателей pH, Eh, минерализации, температуры и органолептических показателей качества воды: цветность, мутность, прозрачность, запах, вкус (Оценку можно проводить только у питьевой воды при отсутствии подозрений на ее загрязненность. При определении воду не проглатывать.);

- эколого-геохимические маршруты по линиям профилей с опробованием вод - природных, сточных, дренажных; водозаборов и водопроводов:

поверхностные и подземные воды анализируются на микро- и макрокомпоненты. Анализ микрокомпонентов проводиться в лабораторных условиях. Анализ макрокомпонентов может проводиться в полевых условиях в процессе проведения маршрутов и на базе отряда. В процессе проведения маршрутов на каждой точке отбора проб вод в них методами экспресс-анализов определяются жесткость, рН, eH, температура, минерализация (рис. 1). Для определения этих параметров в полевых условиях хорошо подходят приборы марки Hanna. Замеры производятся путем помещения электродов в воду, данные выводятся на экран.

Рис.1 Примеры приборов Hanna для экспресс-анализов воды.

Шаг опробования по линии профиля выбирается в зависимости от целей работ и по результатам рекогносцировочных маршрутов.

Работы проводятся с одновременной разбивкой профилей;

- детализационно-заверочные маршруты на участках с аномально-высокими геоэкологическими показателями;

- анализ вод в полевых условиях:

Анализ вод проводится на основные макрокомпоненты: Na, K, Са, Cl, NO₂ NO₃, SО₄, HCO₃ (CO₂), F, общую сумму металлов, общую жесткость:

- Метод вольтамперометрии (рис. 2). Инверсионная вольтамперометрия -современный высокочувствительный и экспрессный метод определения неорганических, органических веществ, пригодный для анализа геохимических, биологических, медицинских, фармацевтических и других объектов. С помощью метода инверсионной вольтамперометрии чаще всего решают проблему определения следов тяжелых металлов в водах и биологических материалах. Так, например, вольтамперометрические методики одновременного определения Cu, Cd и Pb, а также Zn и Pb или Tl в питьевой воде включены в ряд российских и международных стандартов. Важным достоинством вольтамперометрии является возможность идентифицировать формы нахождения ионов металлов в водах. Это позволяет оценивать качество воды, так как разные химические формы существования металлов обладают разной степенью токсичности. Из органических веществ можно определять соединения, обладающие группами, способными к восстановлению. Для ряда элементов метод конкурентоспособен со многими спектральными методами.

Рис. 2 Пример вольтамперометра.

Инверсионная вольтамперометрия является одним из вариантов электрохимических методов анализа, основанных на предварительном концентрировании определяемого компонента. Предварительное концентрирование осуществляется за счет перевода определяемого компонента из большого объема раствора с малой концентрацией на поверхность или в малый объем электрода. Перевод определяемого компонента из раствора на поверхность или в объем электрода может быть осуществлен за счет протекания соответствующей электрохимической реакции или за счет процесса адсорбции. После накопления на поверхности или в объеме электрода определяемое вещество подвергается электрохимическому превращению (восстановлению или окислению), причем этот процесс можно проводить в разных режимах. Применяется для определения содержания ионов металлов.

- Титриметрический анализ. Метод количественного анализа, основанный на измерении объёма раствора с точно известной концентрацией реактива, требующегося для реакции с данным количеством определяемого вещества (рис. 3). В титриметрическом анализе используются реакции осаждения, кислотно-основные, окислительно-восстановительные, комплексообразования и др. Основные требования к применяемым в титриметрическом анализе реакциям — взаимодействие быстрое, в стехиометрических соотношениях, без побочных реакций, искажающих результаты анализа. В титриметрическом анализе существует несколько приёмов.

Рис. 3. Пример прибора для титрования.

Прямое титрование состоит в том, что пробу анализируемого вещества титруют стандартным раствором, или титрантом, до точки эквивалентности — момента, когда количество стандартного раствора эквивалентно кол-ву определяемого вещества в соответствии с уравнением химическим для данной реакции. Конец титрования устанавливают визуально по изменению окраски вводимого индикатора либо инструментально. Чем более точно определена точка эквивалентности, тем меньше ошибка анализа. Расчёт ведут по формуле:

Р = 0,0001×N × v × Э,

где Р — вес (масса), Э —число грамм-эквивалентов определяемого вещества, N — нормальность, v — объём (в мл) стандартного раствора.

Титрование обратное, или по остатку, применяют, когда определяемое вещество не реагирует со стандартным раствором или реагирует недостаточно быстро. В этом случае к пробе анализируемого вещества прибавляют заведомый избыток стандартного раствора и остаток его после реакции с определяемым веществом титруют др. стандартным раствором.

Титрование по замещению применяют, когда непосредственное определение данного вещества затруднительно (отсутствует подходящий титрант, нет необходимого индикатора и т. д.). В этом случае анализируемое вещество посредством реакции с неопределённым избытком соответствующего реагента переводят в др. соединение, которое титруют стандартным раствором, как это было описано выше. Например, этим методом определяют количество бихромата калия в растворе.

В титриметрическом анализе наряду с водой применяют органические растворители: углеводороды, их галогенопроизводные, спирты, кетоны, кислоты, амины, амиды, нитрилы, что позволяет расширить круг определяемых соединений, поскольку титриметрический анализ можно проводить на основе тех реакций, которые в воде не идут или не дают резких конечных точек титрования, например слабые кислоты (основания) или смеси близких по силе кислот (оснований). Точность определений в неводных растворах обычно выше, так как вследствие небольшого поверхностного натяжения величина капель органических жидкостей меньше, чем водных растворов. Позволяет определить содержание: HCO₃(CO₂), F, общую сумму металлов.

- Фотоколориметрические методы. Это методы количественного определения содержания веществ в растворах, либо визуально, либо с помощью приборов, таких как колориметры. Колориметрия может быть использована для количественного определения всех тех веществ, которые дают окрашенные растворы, или могут дать окрашенное растворимое соединение с помощью химической реакции. Колориметрические методы основываются на сравнении интенсивности окраски исследуемого раствора, изучаемого в пропущенном свете, с окраской эталонного раствора, содержащего строго определенное количество этого же окрашенного вещества, или же с дистиллированной водой.

Для обеспечения максимальной точности и чувствительности необходимо выбирать спектральную область по возможности с более интенсивным поглощением, что достигается правильным подбором светофильтров. Светофильтры - это жидкие или твердые среды, обладающие избирательным пропусканием излучения в достаточно узком интервале длин волн. В качестве светофильтров используют окрашенные растворы некоторых веществ и оптические стекла, интерференционные светофильтры и диспергирующие призмы. Последние характеризуются более высокой степенью монохроматизации. Ширина пропускания определенного спектрального участка (линейная дисперсия) светофильтров колеблется от 100 до 20-40 нм; в призменных и дифракционных приборах - от 0,5 до 2 нм.

Важнейший элемент фотоколориметров (рис. 4) фотоэлемент преобразует световую энергию, проходящую через исследуемый окрашенный раствор, в электрическую. Сила возникающего фототока (чувствительность фотоэлемента) зависит от длины волны падающего света и температуры.

Измерительные кюветы - это прямоугольные со строго параллельными стенками или цилиндрические сосуды с определенным расстоянием между стенками или крышками. Стеклянные кюветы пропускают все лучи видимого света, кварцевые - видимые, УФ-лучи и часть ИК-лучей. В зависимости от интенсивности окраски раствора для измерения выбирают кювету с большей или меньшей толщиной слоя, чтобы достичь оптимального интервала оптической плотности.

Рис. 4 Пример Фотоколориметра, со сменными светодиодами.

Различают прямые и косвенные фотоколориметрические измерения. Широкое применение прямых измерений в концентрационном анализе основано на прямой зависимости количества поглощен­ной энергии от концентрации поглощающего вещества в растворе.

Косвенные методы основаны на образовании в системе ком­плексных или внутрикомплексных (хелатных) соединений достаточно высокой устойчивости в результате реакции определяемого иона М с реактивом Р. Повышенная устойчивость комплекса способствует бо­лее полному связыванию определяемого иона М реактивом Р, увели­чению точности и чувствительности измерений, снижению влияния посторонних ионов, присутствующих в растворе. Важнейшим требо­ванием является постоянство состава окрашенных соединений, обусловливающее стабильность интенсивности окраски раствора и, как Следствие, оказывающее влияние на точность измерений.

Изменение состава окрашенного комплекса может быть обу­словлено ступенчатым характером его образования и диссоциации, разложением во времени, присутствием посторонних веществ, взаи­модействующих с определяемым ионом Мили реактивом Р, влиянием рН среды. Существенным фактором является качество реактива, ис­пользуемого для проведения цветной реакции. Если комплекс высо­копрочный и отсутствуют компоненты, реагирующие с ионом М, то избыток реактива по сравнению со стехиометрически рассчитанным должен составлять 30-50 %. Если прочность окрашенного соединения невысока или из-за его диссоциации определяемый ион связывается не полностью, количество используемого реагента должно превышать стехиометрическое примерно на один порядок.

С помощью данного метода можно определить следующие компоненты: SO4^2-, NO₃^-, NO₂^-, Fe₃⁺, мутность, цветность.

- Потенциометрические методы (рис. 5). Потенциометрия - электрохимический метод анализа, осно­ванный на возбуждении исследуемого раствора электрическим полем и измерении равновесного потенциала электрода, являющегося функ­цией концентрации потенциалопределяющего вещества. Метод потенциометрии измеряет разность потенциалов (ЭДС) двух электродов - измерительного и вспомогательного, - помещенных в исследуемый раствор. Поскольку величина ЭДС зависит от температуры, приборы (рН-метры или иономеры) снабжены температурным компенсатором, управляемым вручную или автоматически.

Рис. 5. Пример потенциометра.

Различают прямую потенциометрию и потенциометрическое титрование.

Прямая потенциометрия состоит в измерении точной величи­ны электродного потенциала и нахождении по уравнению Нернста активности потенциалопределяющего иона в растворе. Методом потенциометрии определяют рН водных и неводных растворов, в том числе производственных растворов олигомеров; анализируют кислые и основные примеси в диметилформамиде и диметилацетамиде; определяют хлорид-ионы и кислотные компоненты в производственных растворах, реакционные концевые группы в олигомерах и т. д. Кроме того, метод широко используют для расчета термодинамических кон­стант электрохимических и химических реакций.

Потенциометрическое титрование основано на определении точки эквивалентности в реакциях нейтрализации, осаждения и ком­плексообразования по результатам потенциометрических измерений. Когда точно установлена эквивалентная точка титрования (окончание реакции), можно определить неизвестное количество вещества в контролируемом растворе - по расходу титрующего вещества (титранта) точно известной концентрации. При титровании определенного объема Vj раствора вещества неизвестной концентрации содержание ве­щества в растворе (в г-экв/л) легко вычислить по формуле

N^NV/V,.

Где N - нормальность титранта; V - объем титранта; Nx - нормальность анализируемого раствора; V} - объем анализируемого раствора.

3) Лабораторные методы анализа воды включают:

- ICP-MS Масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой (растворенные формы элементов ) это разновидность масс-спектрометрии, отличающаяся высокой чувствительностью и способностью определять ряд металлов и нескольких неметаллов в концентрациях до 10⁻¹⁰%, т.e. одну частицу из 10¹². Метод основан на использовании индуктивно-связанной плазмы (ИСП) в качестве источника ионов и масс-спектрометра для их разделения и детектирования. ICP-MSтакже позволяет проводить изотопный анализ выбранного иона.

В спектрометрии ИСП поддерживается в горелке, состоящей из трех концентрических трубок, обычно изготовленных из кварца. Конец горелки расположен внутри катушки индуктивности, через которую протекает радиочастотный электрический ток. Между двумя внешними трубами продувается поток аргона (обычно 14-18 л/мин). Для появления в потоке газа свободных электронов на короткое время пропускается электрическая искра. Эти электроны взаимодействуют с радиочастотным магнитным полем катушки, ускоряясь то в одном, то в другом направлении, зависящем от направления поля (обычно 27.12 млн циклов в секунду). Ускоренные электроны сталкиваются с атомами аргона, и иногда эти столкновения приводят к потере aргоном одного из своих электронов. Образовавшийся электрон также ускоряется в быстро меняющемся магнитном поле. Процесс продолжается до тех пор, пока число вновь образовавшихся электронов не компенсируется рекомбинацией электронов с ионами аргона (атомами, от которых уже оторвался электрон). В результате образуется среда, преимущественно состоящая из атомов аргона с довольно небольшим содержанием свободных электронов и ионов аргона. Температура плазмы довольно велика и достигает 10000 K.

ИСП может удерживаться внутри горелки, поскольку поток газа между двумя внешними трубками удерживает её в стороне от стенок горелки. Второй поток аргона (около 1 л/мин) обычно пропускается между центральной и средней трубами, что удерживает плазму в стороне от конца центральной трубы. Третий поток газа (опять же около 1 л/мин) пропускается внутри центральной трубы. Этот поток газа проходит сквозь плазму, где формирует канал более холодный, чем окружающая плазма, но все ещё существенно горячее, чем химическое пламя. Анализируемый образец помещается в центральный канал, обычно в виде аэрозоля, полученного при пропускании жидкости через распылитель.

Поскольку частицы распыленного образца попадают в центральный канал ИСП, они испаряются, как и частицы, прежде растворенные в нём, и распадаются на атомы. При этой температуре значительное количество атомов многих химических элементов ионизуется, при этом атомы теряют наименее связанный электрон, переходя в состояние однозарядного иона.

Общая схема масс-спектрометра с индуктивно связанной плазмой представлена на Рис. 6. Типичный квадрупольный ИСП-МС состоит из:

Системы ввода пробы, состоящей из перистальтического насоса и распылительной камеры, снабженной пневматическим распылителем;

Рис. 6. Принципиальная схема квадрупольного масс-спектрометра с индуктивно связанной плазмой.

Блока плазменной горелки, который подключается к вытяжной вентиляции для удаления озона, образующегося из кислорода воздуха под действием ультрафиолета, продуктов разложения образца и выделяющегося тепла;

Интерфейсной части, служащей для отбора ионов из плазмы и их транспорта в высоковакуумную часть масс-спектрометра;

Системы ионной оптики;

Квадрупольного масс-фильтра;

Детектора ионов.

Описание предназначения и принципа работы отдельных узлов квадрупольного масс-спектрометра с индуктивно связанной плазмой приведено ниже (рис. 7).

Рис. 7 Пример квадропульного масс-спектрометра.

Поиск по сайту: