Тяжелые металлы: найти и обезвредить
Опубликовано: 06 октября 2010 г.
430
М. Иванов, к. х. н.
К тяжелым относят металлы с плотностью более 8000 кг/м3 (кроме благородных и редких): ртуть, свинец, кадмий, цинк, висмут, кобальт, никель, медь, олово, сурьму, ванадий, марганец, хром, молибден и мышьяк, условно включаемый в этот перечень. Они образуют с широким кругом органических соединений устойчивые водорастворимые комплексные структуры, способные мигрировать в водной среде на значительные расстояния и усваиваться животными и растениями, оказывая на них негативное воздействие.
Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.
Тяжелые и ядовитые
К числу самых опасных среди таких металлов относится ртуть. Присутствие ее соединений в природе вызвано как поступлением из различных минералов, так и промышленным загрязнением окружающей среды. Живые организмы накапливают в себе этот металл, поэтому их дальнейшее использование в пищевых цепях человека даже после переработки недопустимо. В природных пресных водах фоновое содержание ртути и ее соединений обычно невелико – 0,03–0,07 мкг/л. При отсутствии дополнительных источников загрязнения в питьевой воде оно не превышает 0,1 мкг/л при предельно допустимой концентрации (ПДК) 0,5 мкг/л.
Следующим по степени вредного влияния на человеческий организм можно считать свинец. Он также содержится в горных породах или попадает в природные воды в результате хозяйственной деятельности. Например, при использовании бензина, в состав которого для повышения октанового числа добавляется тетраэтилсвинец. В организм человека металл может попадать с пищей и водой, постепенно накапливаясь. В «чистой» природной воде содержание свинца колеблется от 0,1 до 1 мкг/л при ПДК 30,0 мкг/л.
Еще один опасный элемент – кадмий, соединения которого очень ядовиты. В грунтовые воды он попадает в основном из полиметаллических и медных руд, поэтому фоновое его содержание невелико. Главный источник соединений кадмия в грунтовых водах – стоки рудообогатительных, металлургических и химических производств. В промышленных сточных водах его содержание может достигать десятков микрограммов на литр воды, в то время как ПДК – 1,0 мкг/ л.
Широко распространенный в природе мышьяк тоже очень опасен и присутствует, например, в воде, воздухе, пище, табачном дыме, пестицидах и т.п. Он разрушает пищеварительный тракт и легкие, поражает центральную нервную систему, вызывая воспалительные заболевания – полиневриты. В последнее время его фоновый уровень в природных водах возрос. Вызвано это, по мнению некоторых ученых, увеличившейся эрозией почв. Конечно, такой рост концентраций не вызывает отравления, но систематическое употребление воды с повышенным содержанием мышьяка может приводить к хроническим заболеваниям или осложнять их течение. По этой причине Всемирная организация здравоохранения предложила снизить его ПДК с 50 до 10 мкг/л.
Как уже говорилось, опасна для человека повышенная концентрация в питьевой воде и других тяжелых металлов. Так, избыточная медь вызывает поражение слизистых оболочек почек и печени, никель – поражения кожи, цинк – почек. ПДК для соединений первого и второго – 100, цинка – 10 мкг/л.
Как поставить «диагноз»
Необходим надежный контроль содержания тяжелых металлов. Используемые для этого методы можно разделить на весовые, спектральные и электрохимические. Первые, к сожалению, требуют много времени, – определение содержания тяжелых металлов в пробе производится путем перевода ее в раствор или сплавления осадков с подходящим флюсом с последующим выщелачиванием водой. После этого соединение искомого металла переводится в осадок добавлением соответствующего реагента. Концентрация тяжелых металлов определяется взвешиванием на аналитических весах и пересчетом на исходное содержание в пробе. При квалифицированном применении этот метод дает наиболее точные данные об их содержании.
Менее продолжительными являются спектральные и электрохимические методы. Спектральные – основаны на исследовании электромагнитного излучения атомов. Обычно для этих целей используют атомный эмиссионный и абсорбционный анализы, спектрофотометрию, масс-спектрометрию, спектрометрию с индуктивно связанной плазмой и рентгеноспектральный анализ. Самый распространенный из них – атомно-абсорбционная спектрометрия. Существуют также методы, позволяющие проводить определение концентраций сразу нескольких соединений тяжелых металлов. К ним относятся атомно-эмиссионная спектрометрия (ICP-AES) и массспектрометрия (ICP-MS) с индуктивно связаннымиплазмами. Первая основана на изучении спектров испускания свободных атомов и ионов в газовой фазе при возбуждении светом, в качестве его источников используют пламя горелки или различные виды плазмы. Это экспрессметод, достоинством которого является возможность одновременного определения большого числа элементов в широком интервале концентраций с высокой точностью. Вторая, где источником ионов служит плазма, позволяет диагностировать наличие очень низких концентраций металлов и неметаллов (до 10-6 мг/л).
Обычно в воде присутствуют примеси нескольких тяжелых металлов. Поэтому наиболее удобным является метод рентгенофлуоресцентного анализа, который позволяет определять содержание одновременно ряда элементов в концентрациях от 0,3 мг/л. При осуществлении такого спектрального анализа сначала проводится подготовка пробы исследуемой воды, заключающаяся в извлечении примесей, находящихся в ней, твердым сорбентом на основе ацетилцеллюлозы. Такая методика позволяет определять содержание Bi, Pb, Zn, Сu (II), Ni, Co, Mn (II), Cr (III) и V. Однако наличие примесей железа (более 1,5 мг/л) и марганца (свыше 1,0 мг/л) может привести к исчерпанию ионообменной емкости сорбента, в конечном счете, – к неверным результатам. Среди достоинств спектральных методов – высокая чувствительность; к недостаткам можно отнести трудоемкость подготовки образца к анализу.
Электрохимические методы определения концентрации примесей, основанные на титровании проб исследуемой воды, включают в себя полярографический (вольтамперометрический), потенциометрический, кулонометрический и кондуктометрический. Они позволяют определять концентрации примесей с высокой точностью, но также требуют много времени и аккуратности при проведении анализа.
Методы очистки
Все существующие способы очистки воды от соединений тяжелых металлов условно можно разбить на две основные группы. К первой относятся так называемые общие, применяющиеся на различных стадиях водоподготовки и удаляющие из нее, в частности, тяжелые металлы. Так, некоторое их количество устраняется при проведении умягчения, обессоливания, обезжелезивания и осветления. Для извлечения примесей тяжелых металлов можно использовать фильтрацию через активированный уголь, ионообменные смолы или мембраны. В некоторых случаях успешно применяют мембранную фильтрацию по методу обратного осмоса. Его эффективность базируется на том, что катионы тяжелых металлов имеют большую величину по сравнению с молекулой воды. Однако при этом необходимо помнить, что этот метод является сравнительно малопроизводительным, требует высоких энергетических затрат. Кроме того, при проведении мембранной фильтрации суммарная концентрация ионов тяжелых металлов в воде не должна превышать 1 мг/л.
Но небольшая часть примесей все же проходит через мембраны. Особенно сильно это проявляется при наличии в воде небольших концентраций загрязнений. Поэтому для таких случаев, а также при необходимости очистки больших ее объемов обычно применяют ионообменную фильтрацию, при которой на поверхности ионообменника сорбируются катионы тяжелых металлов. Так, при умягчении воды на сильнокислых катионообменных смолах в натриевых формах одновременно с удалением ионов кальция и магния происходит очистка и от тяжелых металлов. Удаление ионов меди, цинка и никеля происходит на слабоосновных макропористых катионообменных смолах в натриевой форме, а очистка воды от ионов хрома обычно производится на сильнокислотных макропористых катионообменных смолах. Ко второй группе методов очистки воды можно отнести основанные на специфических свойствах соединений тяжелых металлов, чаще всего переводящихся в нерастворимые формы с последующим удалением. Обычно они теряют растворимость при рН воды 9,0–10,5. При таком значении щелочности в большинстве случаев образуются гидрооксиды тяжелых металлов, выпадающие в осадок или образующие взвеси. Доведение значений рН до требуемых осуществляется путем внесения в очищаемый объем воды необходимых количеств реагента. После образования осадков и взвесей их отделяют от воды фильтрованием, для которого часто используются насыпные фильтры с размерами зерен от 5 до 20 мкм, или
отстаиванием.
Статья напечатана в журнале «Аква-Терм» #5(57) 2010