Металлы в воде

Контроль точности анализа

Контроль точности анализа на бихроматную окисляемость проводят с помощью стандартного раствора, в качестве которо­го используют водный раствор бифталата калия (КС₈Н₅О₄) в кон­центрации 2,0824 ммоль/л. Потребление кислорода при использовании такого раствора в качестве пробы соответ­ствует значению ХПК 500 мгО/л.

Железо общее. Железо – один из самых распространенных элементов в при­роде. Его содержание в земной коре составляет около 4,7 % по массе, поэтому железо, с точки зрения его распространенности в природе, принято называть макроэлементом. Известно свыше 300 минералов, содержащих соединения железа. Среди них – магнит­ный железняк
α-FеО(ОН), бурый железняк Fе₃О₄×Н₂О, гематит (красный железняк), гидрогетит, сидерит FеСО₃, магнитный колчедан FеS_х (х=1-1,4), железомарганцевые конкреции и др. Железо также является жизненно важным микро­элементом для живых организмов и растений, т.е. элементом, необ­ходимым для жизнедеятельности в малых количествах.

Главными источниками соединений железа в поверхностных водах являются процессы химического выветривания горных пород, сопровождающиеся их механическим разрушением и растворением. В процессе взаимодействия с содержащимися в природных водах минеральными и органическими веществами образуется сложный комплекс соединений железа, находящихся в воде в растворенном, коллоидном и взвешенном состояниях. Значительные количества железа поступают с подземным стоком и со сточными водами предприятий металлургической, металлообрабатывающей, текстильной, лакокрасочной промышленности и сельскохозяйственными стоками.

Фазовые равновесия зависят от химического состава вод, рН, Еh (окислительно-восстановительного потенциала) и в некоторой степени от температуры. В рутинном анализе во взвешенную форму выделяются частицы размером более 0,45 мкм. Она представлена преимущественно железосодержащими минералами, гидратом оксида железа и соединениями железа, сорбированными на взвесях. Истинно растворенную и коллоидную формы обычно рассматривают совместно. Растворенное железо представлено соединениями, находящимися в ионной форме в виде гидроксокомплексов и комплексов с растворенными неорганическими и органическими веществами природных вод. В ионной форме мигрируют главным образом Fe (II), а Fe (III) в отсутствие комплексообразующих веществ не может в значительных количествах находиться в растворенном состоянии.

Железо обнаруживается в основном в водах с низкими значениями Eh.

В результате химического и биохимического (при участии железобактерий) окисления Fe (II) переходит в Fe (III), которое, гидролизуясь, выпадает в осадок в виде Fe (ОН)₃ Как для Fe (II), так и для Fe (III) характерна склонность к образованию гидрооксокомплексов типа
[Fe (ОН)₂ ]⁺, [Fe₂ (ОН)₂ ]⁴⁺, [Fe₂ (ОН)₃ ]³⁺, [Fe (ОН)₃]^- и других, сосуществующих в растворе в разных концентрациях в зависимости от рН и в целом определяющих состояние системы железо-гидроксил. Основной формой нахождения Fe (III) в поверхностных водах являются его комплексные соединения с растворенными неорганическими и органическими соединениями, главным образом гумусовыми веществами. При рН 8,0 основной формой является Fe (ОН)₃. Коллоидная форма железа наименее изучена, она представляет гидрат оксида Fe (ОН)₃ и комплексы с органическими веществами.

Содержание железа в поверхностных водах суши составляет десятые доли милиграмма в 1 дм³, вблизи болот – единицы миллиграммов в 1 дм³. Повышенное содержание железа наблюдается в болотных водах, в которых оно находится в виде комплексов с солями гуминовых кислот – гуматами. Наибольшие концентрации железа (до нескольких десятков и сотен миллиграммов в 1 дм³) наблюдаются в подземных водах с низкими значениями рН.

Являясь биологически активным элементом, железо в определенной степени влияет на интенсивность развития фитопланктона и качественный состав микрофлоры в водоеме.

Концентрация железа подвержена заметным сезонным колебаниям. Обычно в водоемах с высокой биологической продуктивностью в период летней и зимней стагнации заметно увеличение концентрации железа в придонных слоях воды. Осенне-весеннее перемешивание водных масс (гомотермия) сопровождается окислением Fe(II) в Fe(III) и выпадением последнего в виде Fe(OH)₃.

Содержание железа в воде выше 1-2 мг Fe /дм³ значительно ухудшает органолептические свойства, придавая ей неприятный вяжущий вкус, и делает воду малопригодной для использования в технических целях.

ПДК железа составляет 0,3 мг Fe /дм³ (лимитирующий показатель вредности – органолептический), ПДК – 0,1 мг /дм³ (лимитирующий показатель вредности – токсикологический).

Железо образует 2 рода растворимых солей, образующих катионы Fе²⁺ и Fе³⁺, однако в растворе железо может находиться и во многих других формах, в частности:

1) в виде истинных растворов (аквакомплексов) [Fе(H₂O)₆]²⁺, содержащих железо (II). На воздухе железо (II) быстро окисляется до железа (III), растворы которого имеют бурую окраску из-за быстрого образования гидроксосоединений (сами растворы Fе²⁺ и Fе³⁺ практически бесцветны);

2) в виде коллоидных растворов из-за пептизации (распада агрегированных частиц) гидроксида железа под воздействием органических соединений;

3) в виде комплексных соединений с органическими и неор­ганическими лигандами. К ним относятся карбонилы, ареновые комплексы (с нефтепродуктами и др. углеводородами), гексацианоферраты [Fе(СH)₆]^4- и др.

В нерастворимой форме железо может быть представлено в виде различных взвешенных в воде твердых минеральных частиц различного
состава.

При рН>3,5 железо (III) существует в водном растворе только в виде комплекса, постепенно переходящего в гидроксид. При рН>8 железо (II) тоже существует в виде аквакомплекса, претерпевая окисление через стадию образования железа (III):

Fе(II) Þ Fе(Ш) Þ FеО(ОН)•Н₂О

В качестве примера сложных превращений железа в раз­ных его формах, присутствующих иногда в природных водах, приведем уравнения реакций, протекающих в болотных водах и объясняющих часто встречающийся красный цвет воды (феномен «красных рек»). В условиях пониженного значения рН, характер­ного для болотных вод, протекают окислительные реакции с уча­стием растворенного кислорода. В частности, встречающийся в природе практически нерастворимый в воде дисульфид же­леза (минерал пирит) окисляется до сульфата железа (II):

2FеS₂+7О₂+2Н₂О=2Fе₂⁺+4SО₄^2-+4Н⁺

Далее, также под воздействием кислорода, протекает окис­ление сульфата железа (II):

4Fе²⁺+О₂+4Н⁺=4Fе³⁺+2Н₂О

Заключительной стадией процесса является реакция гид­ролиза, приводящая к образованию красно-бурого осадка гидро­ксида железа (III):

Fе³⁺+3Н₂О=Fе(ОН)₃ +3Н⁺

Таким образом, поскольку соединения железа в воде могут существовать в различных формах как в растворе, так и во взве­шенных частицах, точные результаты могут быть получены толь­ко при определении суммарного железа во всех его формах, так называемого общего железа [37].

Раздельное определение железа (II) и (III), их нерастворимых и растворимых форм дает менее достоверные результаты относи­тельно загрязнения воды соединениями железа, хотя иногда возника­ет необходимость определить железо в его индивидуальных формах.

Перевод железа в растворимую форму, пригодную для ана­лиза, проводят, добавляя к пробе определенное количество силь­ной кислоты (азотной, соляной, серной) до рН 1-2.

Предлагаемый метод определения железа является визуально-колориметрическим и основан на способности катиона железа (II) в интервале рН 3-9 образовывать с орто-фенантролином комплексное оранжево-красное соединение [24].

При наличии в воде железа (III) оно восстанавливается до железа (II) солянокислым гидроксиламином в нейтральной или слабокислой среде по реакции:

Fе³⁺+2NН₂ОН•НС1=Fе²⁺+N₂+2Н₂О+2НС1+2Н⁺

Таким образом определяется суммарное содержание желе­за (II) и железа (III). Анализ проводится в ацетатном буферном растворе при
рН 4,5-4,7.

Концентрацию железа в анализируемой воде определяют по окраске пробы, визуально сравнивая ее с окраской образцов на контрольной шкале.

В лабораторных условиях для повышения точности анали­за могут быть определены оптические плотности окрашенных проб с помощью фотоэлектроколориметра типа КФК-2. Концентрация общего железа в этом случае определяется по предварительно построенному градуировочному графику.

Метод практически селективен при анализе природных поверхностных вод и питьевой воды. Проведению анализа меша­ют: медь и кобальт в концентрациях более 5 мг/л; никель – более 2 мг/л; марганец – более
50 мг/л; большое количество цианидов, нитритов, фосфатов. Если проба содержит значительные количе­ства органических веществ, их необходимо предварительно ми­нерализовать, после чего анализировать пробу.

Диапазон определяемых концентраций железа в воде — от 0,1 до
1,5 мг/л. Определение возможно и при концентрации желе­за более
1,5 мг/л, после соответствующего разбавления пробы чистой водой.

ПДК общего железа в воде водоемов составляет 0,3 мг/л, лимитирующий показатель вредности – органолептический.

Дата добавления: 2014-12-26