ЛЕКЦИЯ 9. МЕТОДЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА . Контактные методы.

 Контактные методы

Контактные методы контроля состояния окружающей среды представлены как классическими методами химического анализа, так и современными методами инструментального анализа. Суть этих методов заключается в непосредственном изучении пробы исследуемой среды (воды, воздуха или почвы). Классификация контактных методов контроля приведена  на рисунке 1.

Рисунок 1.

Общая схема контроля включает этапы:

1) отбор пробы;

2)обработка пробы с целью консервации измеряемого параметра и её транспортировка;

3) хранение и подготовка пробы к анализу;

4) измерение контролируемого параметра;

5) обработка и хранение результатов.

Пробоотбор зачастую предопределяет результаты анализа, так как возможно загрязнение пробы в процессе её отбора, особенно когда речь идёт об измерении ничтожно малых количеств загрязняющего вещества. Здесь важен и выбор места и средства отбора, и чистота пробоотборников и тары для хранения пробы. Подготовка пробы к анализу может включать в себя либо концентрирование измеряемого ингредиента, либо его химическую модификацию с целью проявления аналитически наиболее выгодных свойств. Концентрирование достигается двумя путями: методом сорбции анализируемого компонента (на твёрдом сорбенте или при экстракции растворителем), методами уменьшения объёма пробы, содержащей компонент, например путём вымораживания, соосаждения или выпаривания. Конечно, любая такая процедура может влиять на результат анализа, поэтому «внутренний стандарт» необходим.

Эффективность любого метода наблюдений и контроля за состоянием объектов окружающей среды оценивается следующей совокупностью показателей:

– селективностью и точностью определения;

– воспроизводимостью получаемых результатов;

– чувствительностью определения;

– пределами обнаружения элемента (вещества);

– экспрессностью анализа.

Основным требованием к выбранному методу является его применимость в широком интервале концентраций элементов (веществ), включающих как следовые количества, в незагрязнённых объектах фоновых районов, так и высокие значения концентраций в районах технического воздействия.

Химические методы являются классическими методами экологического мониторинга. Основным недостатком методов – невысокий предел обнаружения 10 в минус третьей степени %. Однако погрешность у химических методов ниже, чем у физико-химических.

Среди химических методов выделяют следующие:

–гравиметрический–метод количественного анализа, основанный на точном измерении массы определяемого вещества или его составных частей, выделенных в виде соединений точно известного постоянного состава.

Метод гравиметрического анализа разделяют на три группы:

1) метод выделения (определяемую составную часть выделяют в свободном состоянии и взвешивают);

2) метод осаждения (выделяемую часть осаждают в виде малорастворимого соединения определенного состава добавлением к раствору определенного реагента, осадок промывают, высушивают и взвешивают);

3) метод отгонки (определяемую составную часть превращают в летучее соединение и отгоняют при нагревании);

–титриметрический метод заключается в измерении стандартного раствора реагента (титранта), израсходованного на реакцию с анализируемым веществом. Определение проводят способом титрования – приливания титранта небольшими порциями к анализируемой пробе. Титрование прекращается в тот момент, когда анализируемая проба и титрант взаимодействуют в точке эквивалентности. Ее определяют с помощью индикаторов, которые в точке эквивалентности меняют окраску или по изменению физико-химических характеристик титруемого раствора.

Физико-химические методы анализа объектов окружающей среды чаще всего применяются в мониторинге. Методы основаны на проведении аналитических реакций, конец которых определяется с помощью приборов, поэтому данные методы называют интструментальными. По сравнению с химическими, данные методы имеют ряд преимуществ: позволяют определять малое содержание компонентов в анализируемых объектах (предел обнаружения составляет 10-5 –10-10 %), позволяют проводить анализ достаточно быстро, сам процесс анализа автоматизирован.

–спектральные методы – физический метод качественного и количественного определения состава вещества по его спектрам. Различают

атомный и молекулярный спектральный анализ, эмиссионный (по спектрам испускания) и абсорбционный (по спектрам поглощения). В качественном спектральном анализе полученный спектр интерпретируют с помощью таблиц и атласов спектров элементов и индивидуальных соединений; в количественном спектральном анализе определяют содержание исследуемого вещества по относительной или абсолютной интенсивности линий или полос в спектрах. Применяется в промышленности, сельском хозяйстве, геологии и др.

– электрохимические методы анализа основаны на существовании зависимости между составом вещества и его электрохимическими свойствами. 

Электрохимические методы делятся на группы (рис. 2). Наиболее часто используются кондуктометрический, потенциометрический, электрогравиметрический, кулонометрический и полярографический методы.

Рисунок 2. Электрохимические методы анализа окружающей среды

– хроматографические методы на сегодняшний день являются одними из самых распространенных методов анализа проб воздуха и воды.

Данные методы позволяют анализировать сложные смеси компонентов путем их разделения. Выделяют газовую, жидкостную, газово-жидкостную хроматографию.

Хроматография – это метод разделения и анализа газовой или жидкой смеси (например, пробы загрязненного воздуха или воды), основанный на распределении разных компонентов смеси при пропускании ее через твердый сорбент. При данном методе анализ проводится на специальном приборе – хроматографе, в который помещается пробирка с исследуемой пробой. На выходе из хроматографа получается хроматографическая кривая, высота и площадь пиков на которой отображают концентрацию различных загрязняющих веществ.

Физические методы:

– магнитная резонансная спектроскопия связана с наблюдением взаимодействия между осциллирующим магнитным полем и веществом. Такое взаимодействие приводит к переходу между энергетическими уровнями магнитных диполей, а вырожденность этих уровней обычно снимается путем наложения внешнего стационарного магнитного поля.

– масс-спектрометрия заключается в переводе молекул образца в ионизированую форму с последующим разделением регистрацией образующихся при этом положительных или отрицательных ионов. Идея метода проста и заключается в проведении следующих действий: превращение нейтральных частиц – атомов или молекул – в частицы заряженные – ионы; разделении образовавшихся ионов в пространстве в соответствии с их массой посредством электрического или магнитного поля; измеряя электрический ток, образуемый направленно движущимися ионами, получают данные об изотопном, атомарном и молекулярном составе анализируемого вещества, как на качественном, так и на количественном уровне.

– рентгеноспектральный анализ основан на использовании зависимости частоты излучения линий характеристического спектра элемента от их атомного номера и связи между интенсивностью этих линий и числом атомов, принимающих участие в излучении. Рентгеновское возбуждение атомов вещества может возникать в результате бомбардировки образца электронами больших энергий или при его облучении рентгеновскими лучами. Первый процесс называется прямым возбуждением, последний –вторичным или флуоресцентным. В обоих случаях энергия электрона или кванта первичной рентгеновской радиации, бомбардирующих излучающий атом, должна быть больше энергии, необходимой для вырывания электрона из определённой внутренней оболочки атома. Электронная бомбардировка исследуемого вещества приводит к появлению не только характеристического спектра элемента, но и, как правило, достаточно интенсивного непрерывного излучения. Флуоресцентное излучение содержит только линейчатый спектр.