Анализ почвы методом ионной хроматографии

Сорок процентов людей в мире умирают из-за загрязнения окружающей среды, а именно воды, почвы и воздуха. Загрязнение почвы приводит к тому, что отравляющие вещества поглощаются человеком вместе с пищей и водой. Эти экологические проблемы с быстрым приростом населения приводят к увеличению числа заболеваний. Любое химическое загрязнение – это появление химического вещества в непредназначенном для него месте. Загрязнения, возникающие в процессе деятельности человека, являются главным фактором его вредного воздействия на природную среду. Химические загрязнители могут вызывать острые отравления, хронические болезни, а также оказывать канцерогенное и мутагенное действие.

Источником поступления нитратов являются сельскохозяйственные использование почв. Сельскохозяйственное использование почвы приводит к уменьшению запасов органического азота. Убыль почвенного азота усиливается при проведении агротехнических мероприятий, стимулирующих минерализацию органического вещества. В этой связи роль почвенного азота в загрязнении природных вод нитратами и в накоплении растениями, по-видимому, более существенная, чем считалось до сих пор. ПДК нитратов в почве составляет 76,8 мг/кг.

Сульфаты

Основные поступления серы в почву происходят с пылью и кислыми дождями, причем с пылевой фракцией серы поступает в десятки раз больше, чем с кислыми дождями.

На почвы кислые осадки оказывают наиболее ощутимое отрицательное воздействие северных и тропических районах.

Попадая в почву, кислые осадки увеличивают подвижность и вымывание катионов, снижают активность редуцентов, азотофиксаторов и других организмов почвеной среды. При pH равной 5 и ниже в почвах резко увеличивается растворимость минералов, из которых высвобождается алюминий, который в свободной форме ядовит. Кислые осадки также повышают подвижность тяжелых металлов (кадмия, свинца, ртути). В ряде мест кислые осадки и продукты их действия (алюминий, тяжелые металлы, нитраты и др. ) проникают в грунтовые воды, а затем в водоемы и водопроводную сеть, где также способствуют высвобождению из труб алюминия и других вредных веществ. Результатом этого является ухудшение качества питьевой воды. ПДК сульфатов составляет 160 мг/кг.

Фториды

На степень загрязнения почв фтором большое влияние оказывает вид сельскохозяйственных угодий. Этот факт обусловлен тем, что в непахотных почвах фтор в основном концентрируется на самой поверхности почвы. В пахотных же почвах в результате систематической обработки, почвы легко перемешиваются, и в результате взаимодействия с почвой фтор быстрее переходит в неактивные формы, за счет процессов адсорбции и минералобразования. Применение высоких доз фосфорных удобрений может привести к загрязнению почв фтором. Источником фтора так же служат атмосферные осадки. ПДК фторидов составляет 2,8 мг/кг.

Фосфаты

Источником поступления фосфатов являются сельскохозяйственные угодья. Признаки избыточного содержания фосфора в почвах – образование маленьких, искривленных листьев, хлороз между жилками и пожелтение листьев, появление на них ожогов и пятен, большая корневая система, обильное цветение, слабый рост побегов или его отсутствие, раннее созревание плодов; иногда листья опадают. ПДК фосфатов составляет 27,2 мг/кг.

1. 2 Воздействия анионов на здоровье человека и состояние экосистем

Хлориды

Нет данных о том, что высокие концентрации хлоридов оказывают вредное влияние на человека.

Воздействие хлоридов нарушает нормальные процессы дыхания и фотосинтеза растений. И при повышении уровня токсичности, зеленая масса будет просто уничтожена. Небольшое количество соли, поглощенное корнями растений может привести к преждевременному пожелтению листьев, а также к раннему опадению листвы осенью.

При высокой концентрации хлоридов в почве садовые и огородные культуры не будут расти, как бы хорошо вы за ними ни ухаживали

Нитраты

Нитраты снижают содержание витаминов в пище, входящих в состав многих ферментов, стимулирующих действие гормонов, и тем самым они плохо влияют на обмен веществ. При длительном поступлении нитратов в организм человека (пусть даже в незначительных дозах) уменьшается количество йода, что приводит к увеличению щитовидной железы. Установлено, что нитраты сильно влияют на возникновение раковых опухолей в желудочно-кишечном тракте у человека. Так же нитраты способны вызывать резкое расширение сосудов, в результате чего понижается кровяное давление.

Избыточное и особенно одностороннее азотное питание замедляет созревание урожая: растения образуют чрезмерно много зелени в ущерб товарной части продукции, у корне- и клубнеплодов происходит израстание в ботву, у злаков развивается полегание, в корнеплодах снижается содержание сахаров, в картофеле - крахмала, а в овощных и бахчевых культурах возможно накапливание нитратов выше предельно допустимых концентраций (ПДК).

Сульфаты

При попадании сульфатов в организм человека они оказывают тормозящее действие на желудочную секрецию. Токсическое воздействие оказывает при длительном употреблении воды с содержанием сульфатов в концентрации 600-1000 мг/л или 21 мг/кг массы тела.

Соединение сульфатов, например, сульфат магния, оказывает существенное влияние на прорастание пыльцевых зерен. Сульфат кальция ингибирует выделение метана из почв. Вместе с тем повышенная концентрация тех или иных сульфатных соединений в почве может оказаться опасной: так, например, повышенное содержание в почве сульфата аммония приводило к полиэнцефаломаляции овец и крупного рогатого скота в результате отравления травой, выросшей на этих почвах.

Фториды

Повышенное количество фтора (более 1. 5 мг/дм³) оказывают вредное действие на организм человека, вызывая костное заболевание (флюороз).

Высокие концентрации фторидов ухудшают плодородные свойства почвы.

Фтор влияет на метаболизм растений и способен вызывать снижение темпов поглощения кислорода, расстройства респираторной деятельности, снижение ассимиляции питательных веществ, уменьшение содержания хлорофилла, подавление синтеза крахмала, разрушение ДНК и РНК и ингибировать ряд других процессов.

Фосфаты

Повышенные концентрации фосфата в почве могут блокировать поступление в растения калия, железа, цинка, меди и других важнейших элементов питания и, как следствие этого, вызвать хлороз и приостановку роста растений.

Признаки избыточного содержания фосфора в почвах – образование маленьких, искривленных листьев, хлороз между жилками и пожелтение листьев, появление на них ожогов и пятен, большая корневая система, обильное цветение, слабый рост побегов или его отсутствие, раннее созревание плодов; иногда листья опадают.

1. 3 Ионная хроматография

Ионная хроматография – метод качественного и количественного определения ионов в растворах. Она позволяет определять неорганические и органические анионы, катионы щелочных и щелочноземельных металлов, катионы переходных металлов, амины и другие органические соединения в ионной форме.

Разделение катионов происходит на катионообменниках, которые содержат фиксированные группы SO3-, PO32-, COO- и катионы в качестве противоиона.

Подвижной фазой при разделении катионов чаще всего являются растворы (1-5)(10-3 М соляной и азотной кислот или их солей. Разделяемые катионы элюируются с колонки.

Разделение анионов производится на анионообменниках, которые содержат фиксированные группы –NR3, -NHR2, -NH2R и анионы как противоионы.

Наиболее распространенными элюентами при определении анионов являются (1-5)(10-3 М растворы карбоната, гидрокарбоната или гидроксида натрия.

Время и порядок элюирования ионов определяются их зарядом и размером гидратированного иона. Ионы удерживаются тем сильнее, чем больше их заряд и размер гидратированного иона. Элюирующая способность подвижной фазы возрастает с увеличением концентрации ионов, содержащихся в ней, и их сродства к ионообменнику.

В ионной хроматографии наиболее часто используют кондуктометрический детектор, с помощью которого измеряют электропроводность элюата. Для снижения фоновой электропроводности после разделяющей колонки устанавливают вторую колонку – подавляющую (компенсационную), где элюент преобразуется в воду или раствор, имеющий очень низкую электропроводность, а разделяемые ионы в сильные электролиты.

Рис. 1. Двухколоночная схема аналитической системы ионного хроматографа: 1. - элюент; 2 – насос; 3 – дозатор; 4 – разделяющая колонка; 5 – подавительная колонка; 6 – датчик кондуктометра; 7 – в слив.

Важным достоинством двухколоночной ионной хроматографии являются низкие пределы обнаружения ионов и линейность градировочного графика в широком интервале их концентраций. Это дает возможность использовать метод стандартов в количественном анализе без обязательного построения градировочного графика.

Суммарное влияние основных параметров хроматографической колонки (эффективности, селективности и коэффициентов емкости) на разрешение хроматографических пиков описывается уравнением

Полученная хроматограмма анализируемой смеси позволяет определить ее качественный и количественный состав. Сопоставление площадей или высот хроматографических пиков позволяет выполнять количественные определения.

Глава 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2. 1 Приборы оборудование и реактивы

В работе использовали следующую посуду: колбы мерные объемом 50 мл, пипетки, воронки стеклянные, фильтры, силикогель С 180.

Реактивы: натрий хлористый; натрий сернокислый; натрий фтористый; натрий фосфорнокислый; натрий азотнокислый; карбонат натрия; гидрокарбонат натрия; вода бидистиллированная.

В работе использовали прибор ионный хроматограф LC0 20 фирмы Шимадзу/

Хроматограф снабжен разделяющей колонкой 120×5 мм, заполненной центрально-привитым ионитом КанК-Аст с зернением 14 мкм и емкостью 0,01 мг·экв/л (ГЕОХИ РАН, г. Москва) и подавительной колонкой 200×6 мм, заполненной сорбентом КУ-2 с зернением 100-200 мкм и емкостью 0,01 мг·экв/л. Установлено, что наилучшее разделение анионов на применяемой хроматографической системе наблюдается при использовании элюента состава 2,4 мМ Na2CO3 и 3 мм NaНCO3 при скорости элюента 1,7 мл/мин. Исходные растворы анионов готовили из соответствующих натриевых солей. Стандартные растворы смеси анионов готовили разбавлением исходных.

2. 2 Объекты исследования и пробоподготовка

Пробы почв были отобраны в разных районах города Красноярска в ноябре месяце. Пробы были взяты в Советском районе вблизи КрАЗа, в шестом микрорайоне (на территории школы; и возле дороги), в восьмом микрорайоне, в Октябрьском районе (остановка Ветлужанка), в Свердловском районе (возле зоопарка флоры и фауны «Роев Ручей»), в Академгородке (на даче).

Для определения анионов методом ионной хроматографии, я брала 2 г почвы, смешивала их с 10 мл воды, в течение 3 минут. И так каждую пробу. Пробу почвы 8 микрорайона я 2г почвы смешивала с 30 мл воды. Получившую смесь я фильтровала через бумажные фильтры 2раза.

Для приготовления рабочего элюента я брала 18 мл исходного раствора в мерную колбу на 250 мл, доводили бидистиллированной водой до метки. Концентрация элюента составила 2 мм Na2CO3 и NaHCO3. Включала ионный хроматограф в сеть и в это же время через кнопку пропускала подвижную фазу для кондиционирования колонки. Концентрация анионов в стандартном растворе составляли: F- 5 мг/л Сl- - 15 мг/л; NO3- - 25 мг/л ; РО43- 25 мг/л; SO42- 25 мг/л. Идентификацию состава образцов проводили по времени удерживания.

Концентрация анионов рассчитывается по формуле

Формула используется для переведения мг/л в мг/кг:

Cx =hxC cт/hcт hx – высота пика исследуемого аниона (мм), hcт – высота пика в стандартном растворе (мм),Ccт – концентрация анионов в стандартном растворе.

2. 3 Выводы

Считаю, что обстановка в некоторых районах нашего города серьезная, содержание некоторых анионов превышают ПДК, особенно в Советском районе (см. приложение к результатам).

Здесь же хочется дать советы потребителю. Дело в том, что выращенные на таких неблагоприятных участках культурные растения (свекла, картофель и т. д. ) накапливают в себе эти анионы. Человек, употребляя овощи которые превышают ПДК наносит большой вред своему организму. Поэтому желательно овощи подвергнуть длительному хранению, употреблять их в сваренном виде, мыть овощи тщательно, тогда их ПДК значительно уменьшается.

Каждый, кто хочет быть счастливым, должен помогать Земле, иначе нельзя. Земля ведь наш дом. Если дом не любят, то он погибает. А мы не получаем Землю в наследство от родителей мы берем её в долг у наших внуков.