Физико-химический анализ образцов природных вод Волго-Ахтубинской поймы

Тема исследования является актуальной, т. к. в природном парке «Волго-Ахтубинская пойма» расположены крупные сельскохозяйственные предприятия, фермы, дачные участки и населенные пункты, которые оказывают определенное влияние на водные и растительные ресурсы парка. В настоящее время развитию парка уделяется большое внимание: систематически проводятся гидрохимические и биологические исследования, очистка и реконструкция водных систем, повышаются требования к составу и очистке используемых водных ресурсов.

Цель исследования : изучить химический состав образцов природных вод Волго-Ахтубинской поймы, выявить уровень возможного антропогенного воздействия и сделать выводы об использовании вод в хозяйственно-бытовой деятельности.

Задачи:

• 1.    Изучить литературу по тематике исследования.

• 2.    Освоить методики физико-химического анализа природных вод.

• 3.    Определить географию исследования и места отбора проб поверхностных вод Волго-Ахтубинской поймы.

• 4.    Осуществить отбор образцов воды из отдельных источников и провести их анализ.

• 5.    По полученным результатам сделать выводы.

Пробы природных вод Волго-Ахтубинской поймы отобраны в осенний период 2018 г. в направлении «х. Бобры – р. Ахтуба». Применены физико-химические методы исследования природных вод, адаптированные к имеющимся лабораторным условиям и отражающие требования ГОСТов [1, 2]. Анализ проб осуществлен в лаборатории химии на кафедре «Теория и методика биолого-химического образования и ландшафтной архитектуры» ВГСПУ. Работа выполнена в рамках учебно-исследовательского проекта Всероссийского конкурса имени В.И. Вернадского.

Объекты исследования : 1. х. Бобры, рукав Волги; 2. ер. Верблюд; 3. ер. Судомойка; 4. оз. Запорное; 5. оз. Дегтярное; 6. ер. Гнилой; 7. ер. Осинки; 8. р. Ахтуба; 9. оз. Ильмень (луж.); 10. ер. Пахотный; 11. оз. Ильмень; 12. р. Волга.

Применены следующие методы анализа:

Определение анионов

Хлорид-ион Cl¯ – титрованием рабочим раствором нитрата серебра в присутствии реагента-индикатора хромата калия; сульфат-ион SO₄ 2 ^_ - качественно с полуколичественной оценкой с применением реактива хлорида бария; нитрат-ион NO 3 - - качественной реакцией с дифениламином; гидрокарбонат-ион HCO 3 - титрованием рабочим раствором соляной кислоты в присутствии индикатора метилового-оранжевого.

Определение катионов

Общее железо Fe3+ - метод основан на взаимодействии железа (III) в сильнокислой среде с роданидом аммония или гексоцианоферратом (II) калия; ионы марганца Mn2+ – колориметрическим методом с применением персульфата аммония в присутствии ионов серебра. Методики определения данных тяжелых металлов описаны в работе более подробно.

Ионы кальция и магния Са2+ и Mg2+ определены комплексонометрическим методом [3].

Определение интегральных характеристик

Водородный показатель рН измерен на приборе «рН-метр» с применением селективного электрода; окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) – на приборе «Мультитест» с применением платинового электрода. Сущность потенциометрического метода анализа изложена ниже.

Минерализация (сухой остаток) определена на приборе кондуктометре-солемере КСЛ-101 [4]; окисляемость – перманганатометрическим методом по Кубелю; общая жесткость – трилонометричес-ким методом [3].

Определение общего железа методом визуальной колориметрии [1, 2, 3]

Реактивы

• -    персульфат аммония;

• -    квасцы железоаммонийные;

• -    аммоний роданистый (роданид) или калий роданистый;

• -    кислота соляная 1,19 г/мл;

• -    водорода перекись, 33%-ный раствор;

• -    вода дистиллированная.

Приготовление основного стандартного раствора железоаммонийных квасцов

0,8836 г свежеперекристализованных железоаммонийных квасцов, взвешенных с погрешностью не более 0,0002 г, растворяют в мерной колбе вместимостью 1 л в небольшом количестве дистиллированной воды, добавляют 2 мл концентрированной соляной кислоты и доводят до метки дистиллированной водой.

Приготовление рабочего стандартного раствора железоаммонийных квасцов

Рабочий раствор готовят в день проведения анализа разбавлением основного раствора в 10 раз дистиллированной водой. 1 мл раствора содержит 0,01 мг железа.

Приготовление раствора роданистого аммония или роданистого калия

• 50 г роданида, взвешенных с погрешностью не более 0,5 г, растворяют в 50 мл дистиллированной воды.

Приготовление раствора соляной кислоты плотностью 1,12 г/см3

К 65 мл дистиллированной воды приливают 100 мл соляной кислоты плотностью 1,19 г/см3.

Приготовление шкалы стандартных растворов

В плоскодонные колбы вносят 1-2-3-6-1,2-2,4-4,8 мл рабочего стандартного раствора, доводят объем до 50 мл дистиллированной водой и проводят весь анализ. Получают серию стандартных растворов с содержанием железа 0,1-0,2-0,3-0,6-1,2-2,4-4,8 мг/л. Окраска шкалы стандартных растворов устойчива в течение 6 месяцев при хранении в темном месте.

Ход определения

Качественное определение с приблизительной количественной оценкой. В пробирку наливают 50 мл испытуемого раствора, добавляют 2 капли концентрированной соляной кислоты и несколько кристаллов персульфата аммония и 0,2 мл роданида аммония или калия. После внесения каждого реагента содержимое пробирки перемешивают. Обратите внимание на интенсивность цвета раствора.

Определение марганца методом визуальной колориметрии [1, 2, 3]

Реактивы

• -    перманганат калия;

• -    ортофосфорная кислота 20%-й раствор;

• -    нитрат серебра 1%-й раствор;

• -    персульфат аммония.

Приготовление стандартного раствора перманганата калия

• 9 мл точно 0,01 н. раствора KMnO₄ вносят в мерную колбу вместимостью100 мл, разбавляют дистиллированной водой до метки и перемешивают. 1 мл раствора содержит 0,01 мг Mn²⁺.

Приготовление основного стандартного раствора сульфата марганца

0,2748 г MnSO₄, прокаленного при 500 0 С, растворяют примерно в 10 мл разбавленной (1:4) горячей серной кислоты и доводят объем дистиллированной водой до 1 л. 1 мл раствора содержит 0,10 мг Mn.

Приготовление рабочего стандартного раствора сульфата марганца

Раствор готовят разбавлением 100 мл основного раствора до 1 л дистиллированной водой. 1 мл раствора содержит 0,01 мг Mn.

Приготовление шкалы стандартных растворов

В колбы вместимостью 50 мл вносят следующие количества основного стандартного раствора сульфата марганца (1 мл раствора содержит 0,10 мг Mn) 0,0; 0,5; 1,0; 5,0; 10,0. Затем в каждую колбу добавляют до 10 мл 20%-го раствора ортофосфорной кислоты, 10 мл 1%-го раствора AgNO3 и около 0,3 г персульфата аммония. Добавляют дистиллированную воду до метки и перемешивают. Нагревают до кипения и держат на водяной бане 10 мин. Получают стандартную шкалу с содержанием Mn2+ 0,0; 0,05; 0,1; 0,2; 1,0; 2,0 мг/л соответственно.

Ход определения

В колбу вместимостью 50 мл внести 40 мл исследуемой воды. Затем добавить 10 мл 20%-го раствора ортофосфорной кислоты, 10 мл 1%-го раствора AgNO3 и около 0,3 г персульфата аммония. Нагреть до кипения и держать на водяной бане 10 минут. Результат исследования оценивать со шкалой стандартных растворов.

Сущность потенциометрического метода анализа [4]

Метод основан на измерении электродвижущей силы гальванического элемента (т. е. зависимости электродных потенциалов от характера электродных процессов и активности веществ, участвующих в них). Появление электродного потенциала связано с электрохимическим процессом, происходящим на границе раздела металл-раствор. Измерение разности потенциалов (ЭДС) гальванических элементов с мембранными электродами можно проводить с помощью любого потенциометрического прибора. Для этой цели служат иономеры, РН-метры серии «Мультитест» и другие устройства. Эти физические приборы были использованы для определения водородного показателя pH, окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) и общей минерализации (сухого остатка).

Результаты анализа образцов проб Волго-Ахтубинской поймы

В табл. 1, 2, 3 (см. на с. 51) номера проб соответствуют последовательности указанных выше объектов исследования (места отбора проб).

Таблица 1

Содержание анионов в анализируемых пробах воды

№ пробы	Cl, мг/л	SO42, мг/л	NO3, мг/мл	НСО3, мг/мл
1	94	70	<45	152,5
2	60	30-35	45	140,3
3	75	30	45	207,4
4	83	40	<45	183
5	105	15	<45	158,6
6	76	25	45	189,4
7	112	30	>45	152,5
8	71	25	45	122
9	77	40	<45	244
10	76	35	<45	148,4
11	83	35	<45	146,4
12	98	80	<45	152,5
ПДК	350	500	45	300

Таблица 2

Содержание катионов в анализируемых пробах воды

№ пробы	Железо общ., мг/л	Mn2+, мг/л	Ca2+, мг/л	Mg2+, мг/л
1	>0,3	<0,1	62,1	8,4
2	<0,3	<0,1	47,1	9,6
3	<0,3	<0,1	62,1	8,4
4	<0,3	0,1	57,1	19,3
5	0,3	<0,1	58,1	3,6
6	0,3	<0,1	74,2	14,5
7	<0,3	<0,1	46,1	12,1
8	<0,3	<0,1	54,3	7,2
9	<0,3	<0,1	64,0	14,5
10	<0,3	>0,1	74,3	9,4
11	<0,3	<0,1	75,2	8,4
12	<0,3	<0,1	56,4	9,6
ПДК	0,3	0,1	140	85

Таблица 3

Определение интегральных характеристик проб воды

№ пробы	pH, ед.	ОВП, мВ	Минерализация по NaCl, мг/л	Окисляемость перм., мг О2/л	Жесткость общ., мг-экв./л
1	7,4	233,5	247,3	7,6	3,8
2	7,6	357,8	218	9,7	3,1
3	7,1	333,3	281,5	12,9	4,4
4	7,3	329,7	255,3	10	4,4
5	7,1	344	357,4	16,4	3,2

№ пробы	pH, ед.	ОВП, мВ	Минерализация по NaCl, мг/л	Окисляемость перм., мг О2/л	Жесткость общ., мг-экв./л
6	6,9	330,8	285,8	5,7	4,9
7	7	286,9	387	8,8	3,3
8	7,4	312,7	222,2	6,3	3,3
9	7,2	304,5	279,1	11,2	4,4
10	7,2	274,3	295	6,5	4,5
11	7	315	254	10,6	4,4
12	7,8	331,7	241	8,1	3,6
ПДК	6-9	Не гостирована	1000	5	7

Выводы:

• 1.    Освоены физико-химические методы анализа природных вод на содержание основных компонентов (анионный, катионный состав и интегральные характеристики).

• 2.    Химический состав водоемов по изученным параметрам в основном отвечает требованиям ПДК. Отмечено превышение значений ПДК в водоемах 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 10 по следующим параметрам: окисляе-мость – во всех пробах, железо, марганец, нитраты – в отдельных. Это можно объяснить природными факторами и возрастающей антропогенной нагрузкой на эти водоемы. Все анализируемые воды можно отнести к умеренно жестким, с низкими показателями минерализации, с нейтральной или слабощелочной средой.

• 3.    Результаты исследований в целом согласуются с ранее выполненными в Волгоградском государственном социально-педагогическом университете работами по изучению состава природных вод Волго-Ахтубинской поймы [5, 6]. Полученные данные могут быть использованы для дальнейшего мониторинга состава водных ресурсов Волго-Ахтбинской поймы, оценки их экологического состояния и динамики изменений параметров. В направлении данных исследований могут принимать участие ученики школ и студенты.