Определение диоксида серы в воздухе
Цель работы: изучение методики и приборов, используемых для определения содержания диоксида серы в воздухе.
Вопросы: Источники соединений серы в атмосфере. Воздействие диоксида серы на окружающую среду и человека. Фотометрический метод исследования загрязнителей атмосферного воздуха. Методы определения диоксида серы в воздухе.
Теоретическая часть
1. Диоксид серы в воздухе и методы его определения.
Соединения серы попадают в атмосферу, как естественным путем, так и в результате антропогенной деятельности. В роли естественного источника выступает поверхность суши и океана. Соединения серы образуются в процессе разрушения органических веществ с помощью анаэробных микроорганизмов. Предполагается, что выделение серы биологическим путем не превышает 30-40 млн. т/год, что составляет 1/3 всего выделяемого количества серы. При извержении вулканов в атмосферу наряду с большим количеством диоксида серы попадают сероводород, сульфаты и элементарная сера (2%). Поступает сера в атмосферу и с поверхности океанов в виде сульфатов.
В результате антропогенной деятельности в атмосферу попадает значительное количество серы, главным образом в виде диоксида (59-69%).
Среди источников этого соединения на первом месте стоит сжигание угля (70% антропогенных выбросов). В процессе горения сера превращается в сернистый газ, а часть серы остается в золе в твердом состоянии. При сгорании нефтепродуктов сернистого газа образуется гораздо меньше. Основными источниками образования SO2наряду с сжиганием ископаемого топлива является металлургическая промышленность (переработка сульфидных руд свинца, меди и цинка), а также предприятия по производству серной кислоты и переработке нефти.
|
|
|
Диоксид серы – один из наиболее вредных газов из распространенных загрязнителей воздуха. Он раздражает слизистую оболочку глаз, дыхательные пути, а продолжительное действие даже малых концентраций SO2 может вызвать хронический гастрит, гепатопатию, бронхит, ларингит и другие болезни. В присутствии бензапирена двуоксись серы увеличивает частоту появления злокачественных опухолей. Диоксид серы оказывает вредное действие на растения, так как он, поступая внутрь листа, угнетает жизнедеятельность клеток. При этом листья растений сначала покрываются бурыми пятнами, а потом засыхают. В результате SO2 инициирует гибель лесов.
Диоксид серы существует в атмосфере от нескольких часов до нескольких дней в зависимости от влажности и других характеристик атмосферы.
Переносу SO2 на дальние расстояния и его рассеянию в верхних слоях атмосферы способствуют высокие дымовые трубы, что снижает локальное загрязнение атмосферы. В атмосфере SO2 под действием кислорода (катализатор - следы металлов, главным образом марганец) окисляется до SO3, последний растворяется в капельках влаги с образованием серной кислоты. Это приводит к выпадению кислотных дождей. Если в атмосфере содержится аммиак, то идет образование сульфата аммония. В своем большинстве твердые аэрозольные частицы представляют собой сульфаты и туманообразную H2SO4. Содержание таких частиц в городах достигает 10 мг/м3. Предельно допустимая концентрация максимально разовая для SO2 - 0,5 мг/м3, среднесуточная - 0,05 мг/м3, класс опасности SO2 - 3.
|
|
|
В данной работе метод определения SO2 основан на окислении SO2 в процессе его улавливания из воздуха раствором перекиси водорода с последующим количественным определением осадка, образующегося при взаимодействии сульфат-иона с хлоридом бария. Влияние сульфатов и серной кислоты устраняют улавливанием их на фильтр АФА-ХА, который помещают перед поглотительным прибором в пластмассовом фильтродержателе. Метод рекомендуется для определения разовых концентраций. Чувствительность определения 5 мкг в анализируемом объеме пробы. Диапазон измеряемых концентраций 0,08 -1,5 мг/м3 при отборе пробы объемом 80 л.
|
|
|
Второй метод основан на поглощении SO2 из воздуха раствором формальдегида с образованием гидроксиметансульфокислоты. При добавлении гидроксида натрия гидроксиметансульфокислота снова разлагается на формальдегид и S(IV). Эти вещества при реакции с парарозанилином образуют соединение, по интенсивности окраски которого определяют содержание диоксида серы фотометрическим методом.
В другом методе диоксид серы улавливается пленочным хемосорбентом на основе тетрахлормеркурата натрия и его фтометрическом определении по соединению, образующемуся в результате взаимодействия SO2 сформальдегидом и парарозанилином.
2. Отбор пробы воздуха для определения диоксида серы.
Для улавливания веществ, находящихся в воздухе в виде паров и газов, применяются стеклянные сосуды различной конструкции, например поглотители с пористой перегородкой, Зайцева, Рыхтера, Петри и др. Они представляют собой стеклянные цилиндры, в верхнюю расширенную часть которых впаяны две стеклянные трубки. Конец одной из них доходит почти до дна и заканчивается иногда полым шариком с несколькими отверстиями. Верхний конец этой трубки загнут под прямым углом. Вторая, короткая, трубка тоже изогнутая под прямым углом, впаяна в верхнюю часть поглотителя и служит для выхода воздуха из него. За счет сужения нижней части прибора повышается высота столба налитой в прибор жидкости (поглотительного раствора), что обеспечивает максимальный контакт исследуемого воздуха (который входит в прибор через длинную трубку) с поглотительным раствором при соблюдении необходимой в каждом конкретном случае скорости аспирации.
|
|
|
В качестве поглотительного раствора могут быть использованы дистиллированная вода или специальные растворы, вступая в контакт с которыми содержащиеся в воздухе токсичные вещества растворяются в них или взаимодействуют с ними с образованием новых веществ. Применяются также различные твердые хемосорбенты, силикагель, активированный уголь и другие, позволяющие увеличить скорость аспирации до 30 л/мин. Поглотительные приборы при этом имеют другую конструкцию.
В работе используется поглотительный прибор Рыхтера, в который помещается раствор пероксида водорода. На короткую изогнутую трубку широкой части поглотителя надевают шланг, и конец этого шланга присоединяют к электроаспиратору М-822. К длинной изогнутой трубке поглотителя присоединяют через шланг фильтродержатель с фильтром АФА-ХА-20 для очистки воздуха от аэрозолей сульфатов и серной кислоты, мешающих определению. Схема установки приведена на рис. 5.
 |
Таким образом, исследуемый воздух, проходя через длинный отрезок трубки, попадает в поглотительный раствор, улавливающий искомое вещество, и выходит через аспиратор.
3. Фотометрический анализ.
Метод абсорбционной спектроскопии основан на избирательности поглощения растворами веществ ультрафиолетового (180-400 мкм), видимого (400-700 мкм) и инфракрасного света (700-3000 мкм). С помощью спектрофотометрии измеряют степень поглощения монохроматического излучения в видимой, УФ- и ИК-областях спектра. Фотоколориметрический метод анализа использует полихроматическое излучение преимущественно в видимом участке спектра и поэтому имеет меньшую чувствительность и точность определения. Однако простота, доступность и универсальность фотоколориметрии обусловили ее широкое применение для контроля загрязнений воздуха и воды. Фотоколоримерические методы анализа основаны на сравнении поглощения света стандартными и исследуемыми растворами.
Если световой поток пропустить через кювету с раствором, поглощающим свет, то выходящий световой поток будет менее интенсивным, чем входящий. Ослабление светового потока связано с частичным поглощением его и частичным отражением. Если I о – интенсивность падающего, а I – интенсивность прошедшего через раствор светового потока, то D = lg( I о/ I) – оптическая плотность, или абсорбционность, которая характеризует интенсивность поглощенного светового потока.
Согласно основному закону поглощения - закону Бугера-Ламберта-Бера абсорбционность растворов при прочих равных условиях прямо пропорциональна концентрации вещества и толщине поглощающего слоя:
D = lg( I о/ I) = e LC, (5)
где e - молярный коэффициент светопоглощения; L – толщина слоя раствора, через который проходит световой поток, см; С – концентрация раствора, моль/л.
Величина e зависит от природы вещества и растворителя, длины волны и температуры и не зависит от L и С. Чем выше величина e, тем чувствительнее метод. Так, e раствора гесамина меди равен 120 (3 н. раствор NH3 в воде, lмакс = 620 нм), а дитизона меди – 22700 (растворитель CCl , lмакс = 445 нм). Это означает, что для получения одинаковой оптической плотности в случае применения дитизона, потребуется концентрация меди почти в 190 раз меньшая, чем в случае использования аммиака. Следовательно, определение меди дитизоном в 190 раз чувствительнее определения меди аммиаком. Таким образом, применение подходящих окрашивающих веществ, взаимодействующих с определяемым ионом или веществом, позволяет либо сделать вообще возможным фотометрическое его измерение, либо повысить чувствительность метода.
4. Фотометр КФК-3-01.
Для контроля загрязнений воздушной среды, гидросферы и почвы в практике широко используются различные фотометры.
Управляемый IВМ-совместимым компьютером фотометр фотоэлектрический КФК-3-01 предназначен для измерения коэффициентов пропускания и оптических плотностей прозрачных жидкостных растворов, а также для измерения скорости изменения оптической плотности и определения концентрации веществ в растворах после предварительной градуировки. Прибор работает в спектральном диапазоне от 315 до 990 нм. Спектральный интервал, выделяемый монохроматором фотометра – не более 5 нм.
Принцип действия фотометра основан на сравнении потока излучения Фо, прошедшего через «холостую пробу» (растворитель или контрольный раствор, по отношению к которому производится измерение) и потока излучения Ф, прошедшего через исследуемый раствор.
Потоки излучения Фо и Ф фотоприемником преобразуются в электрические сигналы Uо, U и Uт (Uт - сигнал при неосвещенном фотоприемнике), которые обрабатываются микро-ЭВМ и представляются на индикаторе в виде коэффициентов пропускания, оптической плотности, скорости изменения оптической плотности, концентрации.
Фотометр можно использовать и в качестве нефелометра, то есть измерять оптическую плотность и концентрацию вещества, образующего тонко дисперсную взвесь. Так, по количеству сульфата бария в анализируемой взвеси, судят о содержании в воздухе образующей его двуокиси серы.
Внешний вид фотометра КФК-3-01 представлен на рис. 6.
 |
Рис. 6. Фотометр КФК-3-01. 1 – съемная крышка кюветного отделения. 2 – кожух прибора. 3 – ручка для поворота дифракционной решетки и установки длины волны. 4 – ручка ввода кюветы в световой поток. 5 – основание прибора. 6 – наименование прибора . 7 – верхний индикатор. 8 – нижний индикатор. 9 – кнопки управления. 10 – выключатель «СЕТЬ».
Экспериментальная часть
В работе определяют разовую концентрацию диоксида серы в исследуемом воздухе. Выполнение работы предполагает умение пользоваться фильтродержателем, поглотительным сосудом и электроаспиратором М-822 при отборе проб воздуха, фотометром КФК-3-01 для измерения концентрации раствора.
5. Оборудование, реактивы, материалы:
1) улавливающее устройство: поглотительный прибор Рыхтера, пластмассовый фильтродержатель с фильтром АФА-ХА-20, аспиратор для отбора проб воздуха М-822; 2) аналитические весы; 3) барометр; 4) термометр; 5) фотометр КФК-3-01; 6) глицерин (х. ч.) или этиленгликоль (х. ч.); 7) соляная кислота, конц, (пл. 1,19 х. ч.); 8) спирт этиловый, ректификат; 9) перекись водорода (Н2О2), х. ч.; 10) калий сернокислый, безводный (х. ч.), K2SO4, 11) поглотительный раствор: 10 мл 30%-ной Н2О2 растворяют в 1 л воды, 0,3%-ный раствор Н2О2 хранят в темной склянке не более недели; 12) барий хлористый, составной реактив: 5,85 г кристаллического хлористого бария (ВаСl2•2Н2О) растворяют в 50 мл воды. Затем приливают 150 мл этилового спирта и 150 мл глицерина или этиленгликоля. Величину рН смеси доводят до 2,5-2,8 конц. соляной кислотой НС1. Раствор оставляют на 48 часов и в случае появления осадка фильтруют через фильтр «синяя лента». Срок хранения 2 месяца; 13) исходный стандартный раствор. Безводный сернокислый калий мелко растирают и сушат при температуре 120-150° С в течение 2 часов. Навеску 0,2720 г растворяют в 100 мл воды. Этот раствор соответствует содержанию SO2 1000 мкг/мл; 14) рабочий стандартный раствор. Готовят 10-кратным разбавлением исходного стандартного раствора поглотительным раствором. Полученный раствор соответствует содержаниюSO2100 мкг/мл.
Материал: воздух населенного пункта.
6. Построение калибровочного графика.
В мерные колбы на 100 мл наливают 1, 2, 4, 6, 8, 10 мл рабочего стандартного раствора (100 мкг/мл). Разбавляют до метки поглотительным раствором. Содержание SO2 в 5 мл стандартного раствора в мерных колбах составляет соответственно 5, 10, 20, 30, 40, 50 мкг. Для приготовления шкалы стандартов отбирают в пробирки по 5 мл каждого стандарта, добавляют по 1 мл раствора BaCl2. Содержимое каждой пробирки тщательно встряхивают и через 15 мин определяют оптическую плотность (D) раствора в кювете толщиной 10 мм при длине волны 400 нм относительно нулевой пробы. Время от добавления последнего реактива до измерения D для всех растворов должно быть одинаковым.
Измерения проводят на фотометре КФК-3-01 согласно инструкции в режиме «КОНЦЕНТРАЦИЯ по 6 стандартным растворам». По результатам измерения компьютер фотометра определяет коэффициент факторизации Кф, с помощью которого рассчитывается концентрация исследуемого раствора.
На рис.7 приведен пример соответствующего калибровочного графика с указанием уравнения прямой. Из этого уравнения
 |
Рис. 7. График зависимости оптической плотности калибровочного раствора от содержания SO2.
вытекает следующая зависимость массы SO2 в анализируемом растворе от оптической плотности:
(6)
Следовательно, коэффициент факторизации в данном случае Кф = 400.
7. Улавливание SO2 из воздуха.
Опыт проводят с двумя поглотительными сосудами.
1. Пластмассовый фильтродержатель собирают из элементов, приведенных на рис.4 (работа № 3), причем в патрон вставляют фильтр АФА-ХА-20 для улавливания сульфатов и серной кислоты до пропускания воздуха через поглотительный прибор.
2. В поглотительный прибор Рыхтера помещают 6 мл 0,3 % раствора пероксида водорода.
3. Собирают установку для улавливания SO2 из атмосферного воздуха согласно рис.5, проверяют наличие заземления электроаспиратора.
4. Исследуемый воздух со скоростью 4 л/мин протягивают через прибор Рыхтера в течение 20 мин с помощью электроаспиратора М-822. Порядок работы с электроаспиратором описан в лабораторной работе № 3.
5. После завершения аспирации в лаборатории уровень раствора в поглотительном приборе доводят до 6 мл дистиллированной водой.
6. Для анализа 5 мл раствора пробы переносят в пробирку и добавляют 1 мл раствора BaCl2. Содержимое пробирки тщательно встряхивают и через 15 мин приступают к фотометрическим измерениям.
8. Фотометрическое измерение концентрации.
Перед началом работы необходимо ознакомиться с паспортом на фотометр КФК-3-01.
1. Включают тумблер «СЕТЬ» (10, рис.6). На верхнем индикаторе (7, рис.6) отображается символ «ОАО «ЗОМЗ», на нижнем (8, рис.6) – «ПРОГРЕВ ПРИБОРА» и показания таймера. По истечении 2,5 мин на верхнем индикаторе отображается надпись – шифр фотометра «КФК-3-01».
2. Через 5 мин автоматически учитывается «нулевой отсчет», включается источник излучения; на верхнем индикаторе отображается значение длины волны в нм, на нижнем – надпись «ПРОГРЕВ ЛАМПЫ» и показания таймера. По истечении 10 мин фотометр выдает звуковой сигнал готовности к работе и на нижнем индикаторе отображается надпись «ГОТОВ К РАБОТЕ ВВЕДИТЕ РЕЖИМ».
3. Ручкой установки длин волн устанавливают длину волны 400 нм (3, рис. 6).
4. Помещают в кюветное отделение кюветы с «холостой пробой» (дальнее гнездо кюветодержателя) и исследуемым раствором (ближнее гнездо). Толщина кювет – 10 мм.
5. Ручку перемещения кювет (4, рис. 6) устанавливают в крайнее левое положение, при этом в световой пучок вводится кювета с «холостой пробой».
6. Закрывают крышку кюветного отделения.
7. Нажатием клавиши «D» («С») выбирают режим измерения концентрации по фактору. На нижнем индикаторе отображается «Сф – КОНЦЕНТРАЦИЯ ПО ФАКТОРУ».
8. Нажимают клавишу «В». На нижнем индикаторе отображается надпись «ВВЕДИТЕ: Кф = 0.000». При помощи клавиши вводят в память коэффициент факторизации Кф, значение которого указывает преподаватель.
9. Клавишей «D» («С») выбирают режим «Сф – КОНЦЕНТРАЦИЯ ПО ФАКТОРУ». Нажимают клавишу «#». На нижнем индикаторе отображается надпись «ГРАДУИРОВКА». По окончании градуировки на индикаторе отображается
«ИЗМЕРЕНИЕ:
Сф = 0.000 ± 0.002»
10. Ручку перемещения кювет устанавливают в крайне правое положение, при этом в световой пучок вводится кювета с исследуемым раствором. На индикаторе отображается отсчет, соответствующий концентрации исследуемого раствора, которая численно равна массе SO2 (m) в 5 мл раствора. Операцию повторяют три раза. Определяют m (SO2) в исследуемом растворе как среднее арифметическое из полученных отсчетов.
9. Обработка результатов.
Расчет концентрации С мг/м3 в атмосферном воздухе проводят по формуле:
(7)
где:
V1 - общий объем пробы в поглотительном приборе (6 мл);
V2 - объем пробы для анализа (5 мл);
m - количество SO 2 в пробе, найденное по калибровочному графику, мкг (m = Кф×D), или выдано на индикаторе фотометра при работе в режиме «Концентрация по фактору»;
Vo - объем протянутого воздуха, приведенный к нормальным условиям, л (смотри уравнение 11, раздел 7 лабораторной работы № 3).
Все параметры записать в протокол эксперимента:
Температура воздуха t = …..°С, Давление Р = ….. гПа,
Длительность опыта t = ……мин.,
Скорость прохождения воздуха w = …… л/мин.
Объем протянутого воздуха в нормальных условиях V0 = ….. м3.
Коэффициент факторизации Кф = ….. .
| № пробы | Результаты фотометрических измерений | Масса SO2 найденная по калибровочному графику, mграф , мкг*
| Вычисленная концентрация пыли С, мг/м3 | |||
| Оптическая плотность, D | Масса SO2 в растворе, mфот , мкг | |||||
| каждая | средняя | |||||
| 1 2 | …. …. | …. …. | …. …. | …. …. | …. | |
Примечание: массы mфот и mграф должны быть одинаковыми.
Делают вывод о степени загрязненности воздуха диоксидом серы.
РАБОТА № 4
Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 3836; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!