IV Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГИДРОХИМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД ЛЕНИНГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ И САНКТ-ПЕТЕРБУРГА
Водянова А.А.
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Введение

Объектом моего изучения является вода в различных водных объектах. Вода – ценнейший природный ресурс. Она играет исключительную роль в жизнедеятельности и процессах обмена веществ у всех живых организмов. Очень велико значение воды в промышленном и сельскохозяйственном производстве, для бытовых потребностей человека. Но она является также и средой обитания для многих живых существ.

Развитие промышленности и деятельность людей усложняют проблемы обеспечения населения качественной питьевой водой. С каждым годом потребности в воде возрастают все больше. В наше время активно определяются направления рационального использования водных ресурсов, позволяющих предотвратить загрязнения водоемов.

Сформировалось большое количество разделов науки, условно объединенной понятием «гидро». Прежде всего, это гидрофизика, гидрохимия, гидрология моря (океанология) и др. В последнее время интенсивно развивается раздел экологии – гидроэкология.

Анализ воды по гидрохимическим показателям является важной составляющей экологического исследования. Изучение химического состава воды позволяет оценить её качество.

Гидрохимические исследования – это целый комплекс химических исследований воды с использованием разных методов и аппаратуры. Это требует знаний химических процессов и реакций, освоения методов исследования и хорошей лабораторной базы.

Я участвовала в работе 65 международной Биос-школы, которую организовывалаМежрегиональная общественная организация «Экологический клуб аспирантов, студентов и школьников Балтийско - Ладожского региона» совместно с Санкт-Петербургским политехническим университетом Петра Великого и Санкт-Петербургский государственным университетом промышленных технологий и дизайна с 28 июля по 9 августа 2017 г. Биос-школа проходила в п. Репино Курортного района г. Санкт-Петербург. В рамках школы я освоила некоторые методы гидрохимических исследований и приняла участие в определении гидрохимических показателей качества поверхностных вод Ленинградской области и Санкт-Петербурга.

Целью моей работы было: определить гидрохимические показатели качества воды в водных объектов Ленинградской области и оценить их экологическое состояние.

При выполнении работы решались следующие задачи:

  1. Изучить методику отбора проб воды.

  2. Освоить методы гидрохимических исследований.

  3. Отобрать пробы на исследуемых водных объектах.

  4. Проанализировать отобранные пробы по показателям содержания железа и ионов аммония.

  5. Сравнить полученные результаты со значения ПДК и на основании этого сделать выводы о качестве воды.

Основная часть

1 Присутствие ионов аммония в воде

Аммонийный азот в водах находится, главным образом, в растворенном состоянии в виде ионов аммония и недиссоциированных молекул NH4OH, количественное соотношение которых имеет важное экологическое значение. Присутствие в незагрязненных поверхностных водах ионов аммония связано, главным образом, с процессами биохимического разложения белковых веществ, мочевины, дезаминирования аминокислот. Естественными источниками аммиака служат прижизненные выделения гидробионтов. Образовавшийся аммоний вновь вовлекается в процесс синтеза белков, участвуя тем самым в биологическом круговороте веществ (цикле азота). По этой причине аммоний и его соединения в небольших концентрациях обычно присутствуют в природных водах.

Кроме того, ионы аммония могут образовываться в результате анаэробных процессов восстановления нитратов и нитритов. Аммонийные ионы в водной среде неустойчивы. В присутствии кислорода они легко подвергаются биохимическому и фотохимическому окислению до нитритов, затем до нитратов.

Источником антропогенного загрязнения водных объектов ионами аммония являются сточные воды многих отраслей промышленности, бытовые сточные воды, стоки с сельскохозяйственных угодий. Судить о степени загрязненности исследуемого водоема мы можем, сравнивая результаты с табличными значениями предельно допустимой концентрации – ПДК (ПДК=0,5 мг/л).

При содержании в воде аммония образуется аммиак, который для многих живых организмов является опасно токсичным (особенно в летнее время, когда идет большое выделение аммиака при увеличении температуры).

2 Железо в воде и его определение

С каждым годом техногенная нагрузка на водные объекты увеличивается, и в связи с этим возрастает количество поллютантов, попадающих в поверхностные водные объекты. При накоплении тяжелых металлов в водоемах уменьшаются возможности использования их в рекреационных и хозяйственных целях, изменяется природная среда, происходит деградация водных экосистем [2].

Исследование содержания растворенных веществ в воде имеет большое значение в виду ее большой роли в жизни человека и всего живого. При исследовании водных объектов важную роль играют гидрохимические показатели, поскольку по ним можно судить о загрязненности водоема, его экологическом состоянии, о процессах, происходящих в нем [5].

Природные условия Ленинградской области, связанные с болотным питанием рек и озер, обуславливают повышенное содержание железа в водных объектах. В связи с этим, необходимо проводить постоянные наблюдения для контроля качества воды.

Железо является одним из самых распространенных элементов земной коры. Основным природным источником поступления железа в поверхностные воды являются процессы химического выветривания горных пород, сопровождающиеся их растворением. Значительная часть железа поступает также с подземным стоком

Концентрация на ионы железа определяется колориметрическим методом.

Для определения массовой концентрации железа в исследуемых пробах воды необходимо построить градуировочный график отношения оптической плотности к концентрации (Рис. 1). Для этого готовятся стандартные растворы с известной концентрацией [1]. Измеряют оптическую плотность калибровочных растворов и опытных проб на одном и том же приборе.

3 Спектральный метод анализа

Колориметрический метод анализа основан на измерении поглощения света (оптическая плотность) окрашенными растворами. Анализ проводят на спектрофотометрах. Спектрофотометр представляет собой стационарный настольный лабораторный прибор, включающий источник света, кювето держатель и регистрирующее устройство (детектор).

При проведении количественного анализа методом спектрофотометрии необходимо концентрацию анализируемого вещества подбирать с таким расчётом, чтобы величина оптической плотности находилась в пределах 0,2-0,8, так как при D< 0,2 и D> 0,8, резко возрастает ошибка определения.

Рисунок 1 – Спектрофотометр LEKI1120

Впервые колориметрический метод анализа был предложен русским академиком В. М. Севергиным еще в 1795г. Этот метод чаще всего применяют при определении веществ, содержащихся в анализируемом материале в малых количествах, и в особенности в тех случаях, когда эти количества настолько малы, что не могут быть определены обычными методами весового или объемного анализа.

4 Методика отбора проб воды

Перед непосредственным отбором проб используемую емкость трижды промывают исследуемой водой; впоследствии пробу воды помещают в нее.

Далее с поверхности водного объекта с берега либо с плавательного средства емкость погружают под воду, тем самым набирая пробу. При отборе пробы воды с большой глубины используется специальное пробоотборное оборудование – батометр. Батометр опускают с плавательного средства (либо в зимнее время – через прорубь) на необходимую глубину, после чего – закрывают батометр и поднимают пробу из воды, затем помещают в емкость.

Объем отобранной пробы зависит от определяемых в дальнейшем показателей и их количества; тем не менее, отбирают, как правило, не менее 0,5 л. Для анализа одного из определяемых показателей (нитриты, фосфаты и аммоний) необходимо 25 мл пробы воды.

5 Методы гидрохимических исследований

В пробах поверхностных вод определяли массовую концентрацию ионов аммония по РД 52.24.383-2005. Метод определения заключался в следующем: 1) подготовка оборудования (прогрев в течение 30 мин прибора, промыв кювет); 2) наливали в цилиндр 25 мл исследуемой пробы, 3) добавляли 0,25 мл реактива Несслера и 0,25 мл сегнетовой соли 50% ; 4) затем через 10-15 мин измеряли оптическую плотность на спектрофотометре типа LEKI11207 при длине волны 400 нм, используя кювету с длиной оптического пути 2 см, по отношению к раствору сравнения; 5) по уравнению калибровочного графика рассчитывали концентрацию аммония.

Повышенное содержание ионов аммония указывает на ухудшение санитарного состояния водоема.

Метод определения ионов железа в воде: подготовка оборудования, отбор в склянку анализируемой воды до метки «10 мл», предварительно ополоснув ее 2–3 раза той же водой; 2) с помощью пипетки-капельницы, в зависимости от рН, добавляли растворы гидроксида натрия либо соляной кислоты, доводили pH пробы до pH 4–5; 3) в склянку пипеткой-капельницей добавляли 4–5 капель раствора солянокислого гидроксиламина (около 0,2 мл), встряхивали; 4) далее шприцем с наконечником-пипеткой поочередно добавляли 1,0 мл ацетатного буферного раствора и 0,5 мл раствора орто-фенантролина; 5) оставляли раствор в склянке не менее чем на 15–20 мин. для полного развития окраски; 6) через 15-20 мин измеряли оптическую плотность на спектрофотометре типа LEKI11207 при длине волны 510 нм, используя кювету с длиной оптического пути 2 см, по отношению к раствору сравнения; 7) по уравнению калибровочного графика рассчитывали концентрацию железа

Рисунок 2 – Градуировочные графики для определения железа

6 Полученные результаты

Для исследования были выбраны водные объекты в бассейне северо-восточной части Финского залива, которые расположены на территории Ленинградской области в Выборгском и Всеволожском районах. Это береговая полоса Финского залива, озера: Серебряное, Придорожное, Щучье, речки: Гладышевка, Черная, Приветная, Малая Сестра и ручьи – Смолячков, Ржавая канава и Щучий. В приложении 1 представлены карты исследуемых объектов.

Всего было исследовано 66 проб воды на присутствие ионов аммония и 40 проб – на содержание железа общего.

Перед определением содержания аммония в пробах воды построили калибровочный график (рис. 3). Потом определяли содержание оптическую плотность в пробах воды спектральным методом и устанавливали содержание аммония по калибровочную графику. По значениям оптической плотности – D рассчитывали концентрации – C по формуле:

С=4,7122*D-1,8353

Полученные значения сравнивали с ПДК (аммоний) = 0,5 мг/л. В таблице представлены полученные данные для разных водных объектов Ленинградской области и г. Санкт-Петербурга.

Рисунок 3 Калибровочный график, построенный при измерении оптической плотности растворов с известной концентрацией аммония

Таблица – Концентрация ионов аммония в пробах воды

Пробы

Название точки

СNH4+мг/дм3

3/1

оз.Серебряное (середина)