Определение содержания нефтепродуктов в воде и почве
Цель работы: ознакомиться с методом количественного определения нефтепродуктов в воде и почве по интенсивности поглощения в ИК-области спектра.
Вопросы. Загрязнение поверхностных вод нефтью и нефтепродуктами. Загрязнение почвы нефтью и нефтепродуктами.
ИК-спектроскопическое определение нефтепродуктов. Анализатор нефтепродуктов АН-2.Теоретическая часть
1. Загрязнение почвы нефтью и нефтепродуктами.
Нефтепродукты (НП) относятся к числу наиболее распространенных и опасных загрязняющих веществ. Нефть и продукты ее переработки представляют собой чрезвычайно сложную, непостоянную и разнообразную смесь веществ (низко- и высокомолекулярные предельные, непредельные алифатические, нафтеновые, ароматические углеводороды, кислородные, азотистые, сернистые соединения, а также ненасыщенные гетероциклические соединения типа смол, асфальтенов, ангидридов, асфальтеновых кислот). Понятие "нефтепродукты" часто условно ограничивается только углеводородной фракцией (алифатические, ароматические, алициклические углеводороды).
Нефть, попадая на почву, вначале растекается по поверхности, затем мигрирует в низлежащие слои, вплоть до водоносных горизонтов, где перемещается вместе с грунтовыми водами. На расстоянии 0,5 км от нефтеперерабатывающего завода обнаруживают 1–2 г/кг нефти при фоновом уровне нефти в почве 0,05–0,5 г/кг. При попадании нефти частицы почвы агрегируются, нарушая ее пористость и плотность, что ведет к изменению аэрации, температурного и водного режимов почвы. Ферментативная активность почвы, обусловленная деятельностью микроорганизмов, снижается. При содержании нефти в почве 0,7 мл/кг структура и видовой состав микробиоценоза не нарушается, при большей концентрации меняется видовой состав микроорганизмов, а выше 300 мл/кг полностью угнетается микрофлора почвы. Нефть в почве довольно стойка: при внесении 500 и 1000 мг/кг к концу 2-го месяца количество ее снижалось на 37 и 27 %, соответственно. Скорость биоразложения в аэробных условиях, в зависимости от типа нефтепродукта, меняется от 10 до 40 мг/кг/день. В различных климатических зонах и типах почв скорость детоксикации различается: она выше в южных широтах; в умеренных широтах при загрязнении нефти до 10 % для восстановления биоценоза требуется 10 лет, при более сильном загрязнении — несколько десятков лет; а в северных широтах — сотни лет. При запахивании загрязненных участков вглубь нефть в анаэробных условиях не разлагается или разлагается крайне медленно.
|
|
|
В почве нефть и нефтепродукты подавляют жизнедеятельность актиномицетов, азотфиксирующих, олигонитрофильных, нитрофицирующих, целлюлозоразрушающих бактерий, а из водорослей — диатомовых и желто-зеленых; снижается содержание азота и фосфора, исчезают нитраты, — все это сказывается на питательной ценности почв. Загрязнение нефтью усиливает активность денитрификаторов, а также углеводородокисляющих микробов. Последние играют важную роль в разложении нефти и детоксикации почвы. Устойчивы к нефтяному загрязнению сине-зеленые и хлорококковые водоросли, некоторые виды которых участвуют в разложении нефти. По токсическому действию на почвенную микрофлору углеводороды нефти составляют следующий ряд: ароматические > нафтены > парафины > сырая нефть. Содержание нефти в почве даже небольшой концентрации (0,15 %) снижает урожай зерновых культур.
|
|
|
После попадания в почву происходит изменение состава нефтяных (полиароматических углеводородов) ПАУ. Скорость изменения ПАУ зависит от природно-климатической зоны. В первый год снижается в 2–4 раза относительное содержание ПАУ всех групп, в последующее время эти изменения не столь существенны. Наиболее быстро снижается содержание малокольчатых углеводородов: нафталинов, бензфлуоренов, фенантренов, медленней — пиренов и 3,4-бензпиренов. Таким образом, в составе измельченных ПАУ преобладающим соединением являются пирены, 3,4-бензпирены присутствуют в заметных количествах и только на уровне следов обнаруживаются нафталины и фенантрены.
|
|
|
Таким образом, содержание и относительное распределение ПАУ в экстрактах из загрязненных почв может служить показателем деградации нефти и нефтепродуктов в почве. ПАУ являются наиболее токсичными компонентами и для почвенной микрофлоры. Известно, что 3,4-бензпирен может образоваться в результате жизнедеятельности галофильных бактерий.
Нефтяные загрязнения захватывают и концентрируют другие загрязнения: тяжелые металлы и пестициды. Концентрирование металлов изменяет их токсичность.
В зарубежных странах принято считать верхним безопасным уровнем содержания нефтепродуктов в почве 1 - 3 г/кг; начало серьезного экологического ущерба - при содержании 20 г/кг и выше. В странах ближнего зарубежья предельно допустимые концентрации (ПДК) нефтепродуктов в почве не разработаны. Для Татарстана ПДК нефтепродуктов в почве составляет 1,5 г/кг, что соответствует транслокационному (фито-аккумуляци-онному) показателю вредности. При этом миграционный водный показатель вредности - 13,1 г/кг, миграционный воздушный - более 5 г/кг и общесанитарный - более 5 г/кг. Показатели вредности установлены для наиболее токсичной сернистой нефти карбоновых отложений.
|
|
|
В настоящее время не существует детально разработанного и экологически чистого способа рекультивации почв, загрязнённых НП. Наиболее эффективными является биологический метод рекультивации с применением адаптированных культур микроорганизмов, окисляющих НП (приемлемый при температуре воздуха не ниже 10° С).
2. Загрязнение поверхностных вод нефтью
и нефтепродуктами.
Большие количества нефтепродуктов поступают в поверхностные воды при перевозке нефти водным путем, со сточными водами предприятий нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, химической, металлургической и других отраслей промышленности, с хозяйственно-бытовыми водами. Некоторые количества углеводородов поступают в воду в результате прижизненных выделений растительными и животными организмами, а также в результате их посмертного разложения.
В результате протекающих в водоеме процессов испарения, сорбции, биохимического и химического окисления концентрация нефтепродуктов может существенно снижаться, при этом значительным изменениям может подвергаться их химический состав. Наиболее устойчивы ароматические углеводороды, наименее - н-алканы.
Нефтепродукты находятся в различных миграционных формах: растворенной, эмульгированной, сорбированной на твердых частицах взвесей и донных отложений, в виде пленки на поверхности воды. Обычно в момент поступления масса нефтепродуктов сосредоточена в пленке. По мере удаления от источника загрязнения происходит перераспределение между основными формами миграции, направленное в сторону повышения доли растворенных, эмульгированных, сорбированных нефтепродуктов. Количественное соотношение этих форм определяется комплексом факторов, важнейшими из которых являются условия поступления нефтепродуктов в водный объект, расстояние от места сброса, скорость течения и перемешивания водных масс, характер и степень загрязненности природных вод, а также состав нефтепродуктов, их вязкость, растворимость, плотность, температура кипения компонентов. При санитарно-химическом контроле определяют, как правило, сумму растворенных, эмульгированных и сорбированных форм нефти.
Содержание нефтепродуктов в речных, озерных, морских, подземных водах и атмосферных осадках колеблется в довольно широких пределах и обычно составляет сотые и десятые доли мг/дм3.
В незагрязненных нефтепродуктами водных объектах концентрация естественных углеводородов может колебаться в морских водах от 0,01 до 0,10 мг/дм3 и выше, в речных и озерных водах от 0,01 до 0,20 мг/дм3, иногда достигая 1-1,5 мг/дм3. Содержание естественных углеводородов определяется трофическим статусом водоема и в значительной мере зависит от биологической ситуации в водоеме.
Неблагоприятное воздействие нефтепродуктов сказывается различными способами на организме человека, животном мире, водной растительности, физическом, химическом и биологическом состоянии водоема. Входящие в состав нефтепродуктов низкомолекулярные алифатические, нафтеновые и особенно ароматические углеводороды оказывают токсическое и, в некоторой степени, наркотическое воздействие на организм, поражая сердечно-сосудистую и нервную системы. Наибольшую опасность представляют полициклические конденсированные углеводороды типа 3,4-бензапирена, обладающие канцерогенными свойствами. Нефтепродукты обволакивают оперение птиц, поверхность тела и органы других гидробионтов, вызывая заболевания и гибель.
Отрицательное влияние нефтепродуктов, особенно в концентрациях 0,001-10 мг/дм3, и присутствие их в виде пленки сказывается и на развитии высшей водной растительности и микрофитов.
В присутствии нефтепродуктов вода приобретает специфический вкус и запах, изменяется ее цвет, рН, ухудшается газообмен с атмосферой.
ПДКв нефтепродуктов составляет 0,3 мг/дм3 (лимитирующий показатель вредности - органолептический), ПДКвр - 0,05 мг/дм3 (лимитирующий показатель вредности - рыбохозяйственный). Присутствие канцерогенных углеводородов в воде недопустимо.
3. ИК-спектроскопическое определение нефтепродуктов.
Принцип спектроскопии основан на поглощении энергии электромагнитного излучения молекулами вещества.
Поглощение ИК-излучения вызывает изменение колебательных состояний молекулы. При этом изменяются также и вращательные уровни энергии. ИК-спектры являются вращательно-колебательными.
ИК-излучение с частотой (волновым числом) менее 100 см–1 поглощается и преобразуется молекулой в энергию вращения. Поглощение квантованно, и вращательный спектр состоит из набора линий.
ИК-излучение в интервале 10 000–100 см–1 при поглощении преобразуется молекулой в энергию колебания. Это поглощение также квантованно, но колебательный спектр состоит не из линий, а из полос, поскольку каждое изменение колебательной энергии сопровождается изменениями многочисленных дискретных состояний энергии вращения.
Спектрометры (рис. 12), предназначенные для измерения поглощения электромагнитного излучения образцом, содержат источник излучения, кювету с веществом, через которую пропускают излучение, и детектор. Частоту излучения непрерывно меняют, а интенсивность света, попадающего на детектор, сравнивают с интенсивностью источника. Когда частота падающего света достигает определенного значения, происходит поглощение излучения веществом. Детектор отмечает снижение интенсивности прошедшего через образец (кювету) света. Зависимость между частотой света и поглощением, записанная на бумаге в виде линии, называется спектром.
 |
Рис. 12. Принципиальная блок схема ИК-спектрометра
При исследовании органических соединений обычно используют поглощение ИК-излучения в области l=2–50 мкм, что соответствует волновым числам n=5000–200 cм–1.
Хотя ИК-спектр является характеристикой всей молекулы, оказывается, что некоторые группы атомов имеют полосы поглощения при определенной частоте независимо от структуры остальной части молекулы. Эти полосы, которые называют характеристическими, несут информацию о структурных элементах молекулы.
Имеются таблицы характеристических частот, по которым многие полосы ИК-спектра могут быть связаны с определенными функциональными группами, входящими в состав молекулы (таблица). Характеристическими будут колебания групп, содержащих легкий атом водорода (С–Н, О–Н, N–Н), колебания групп с кратными связями (С=С, С ºС, С=N, С=O, СºN) и т. д. Такие функциональные группы проявляются в диапазоне спектра от 4000 до 1600 см–1.
В ряде случаев можно выделить такие колебания, при которых изменяются преимущественно длины связей или углы между связями. Тогда первое колебание называют валентным, а второе – деформационным.
ИК-спектры измеряют для газообразных, жидких и твердых соединений, а также их растворов в различных растворителях.
В наиболее высокочастотной области располагаются колебания групп Х–Н. Увеличение массы присоединенного к углероду атома приводит к появлению полос поглощения в более низкочастотной области. Так, частоты колебаний С–Н-группы находятся около 3000 см–1 (табл. 7), колебания С–С в области 1100–900 см–1, а С–Br – около 600 см–1. Увеличение кратности связи вызывает повышение частот.
Таблица 7
Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 320; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!