ЖУРНАЛ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2007, том 62, № 6, с. 575-582
^=ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ =
УДК 543.456
УЛЬТРАЗВУКОВОЕ РАЗРУШЕНИЕ КОМПЛЕКСОВ МЕТАЛЛОВ
С ОРГАНИЧЕСКИМИ ВЕЩЕСТВАМИ, СОДЕРЖАЩИМИСЯ В МИНЕРАЛИЗОВАННЫХ ВОДАХ, РАССОЛАХ И РАСТВОРАХ
ПОВАРЕННОЙ СОЛИ
© 2007 г. А. Н. Бакланов*, А. П. Авдеенко*, Н. И. Евграфова*, Ф. А. Чмиленко**
*Донбасская государственная машиностроительная академия 84313 Украина, Краматорск, ул. Шкадинова, 72 **Днепропетровский национальный университет 49625, ГСП, Днепропетровск, пер. Научный, 13 Поступила в редакцию 20.07.2006 г., после доработки 01.11.2006 г.
Изучена возможность использования ультразвука в диапазоне частот от18 кГц до 2 МГц для разрушения комплексов металлов с органическими соединениями, содержащимися в водах, рассолах и растворах поваренной соли. Показано, что для разрушения комплексов в растворах поваренной соли и рассолах может быть использован ультразвук в диапазоне частот от 18 до 100 кГц, а в морской воде - от 18 до 200 кГц; при этом наилучшие результаты получены в диапазоне частот 80-100 кГц и 80-200 кГц соответственно.
Органические соединения минерализованных вод и рассолов представлены в основном гумино-выми и фульвокислотами, которые, обладая высокой комплексообразующей способностью, связывают в устойчивые комплексные соединения токсичные элементы - свинец, медь, кадмий и другие. Это затрудняет концентрирование и последующее определение элементов, вызывая необходимость предварительного разрушения комплексов [1-3]. Для этого используют, в частности, кипячение с персульфатом аммония в кислой среде в течение 30-40 мин [4]. Однако этот метод длителен и приводит к загрязнению анализируемых проб примесями из реагентов.
Ранее [5, 6] нами изучено использование ультразвука (УЗ) низких частот от 18 до 47 кГц для разрушения комплексов с органическими веществами в поваренной соли и рассолах. Применение УЗ средних и высоких частот для разрушения комплексов в данных объектах, по-видимому, не изучено; во всяком случае, сведений об этом в литературе не найдено.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Для изучения возможности применения УЗ средних и высоких частот использовали ультразвуковой генератор типа 24-УЗГИ-К-1.2 к которому подключали магнитострикционные и пьезоэлектрические излучатели, позволяющие создавать в изучаемых растворах ультразвуковые колебания частотой 66, 80, 90, 100, 150, 200, 250,
300, 350, 400, 440, 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 880, 900, 950, 1000, 1200, 1500, 2000, 2500 кГц. Применяли стандартные пьезоэлектрические излучатели типа ЦТС-19, изготовленные из цирко-ната титана-свинца с защитным покрытием из фторопласта [6, 7]. Эти излучатели обладают большой механической прочностью и стабильностью излучения на высоких частотах УЗ (от 100 кГц до 2.5 МГЦ) при интенсивности до 12 Вт/см2 [7].
Опыты проводили следующим образом. В реактор приливали 500 мл исследуемого раствора и подвергали воздействию УЗ частотой 66-2500 кГц, интенсивностью 1-12 Вт/см2 в течение выбранного времени [6]. В полученном растворе определяли содержание свинца, меди и кадмия стандартным экстракционно-атомно-абсорбционным методом, при этом была использована экстракционная система "диэтилдитиокарбаминат натрия-хлоро-форм" с последующей реэкстракцией соляной кислотой [4]. Параллельно использовались также стандартные методы разрушения комплексов металлов в рассолах и растворах поваренной соли -кипячение пробы с персульфатом аммония в кислой среде в течение 40 мин и воздействие УЗ частотой 22 кГц, интенсивностью 10 Вт/см2 в течение 0.3 мин [4].
Использовали атомно-абсорбционный спектрометр AAS-3 (Германия) и лампы с полым катодом Narva (Германия). Растворы реактивов готовили на бидистиллированной воде из препаратов квалификации не ниже х. ч.
X, %
0 400 800 1200 1600 2000 2400
f кГц
Рис. 1. Влияние частоты (/) ультразвука на степень разрушения (X) в растворах поваренной соли комплексов:
1 - свинца; 2 - меди; 3 - кадмия. Использован раствор поваренной соли Генического солезавода с концентрацией 200 г/л. Интенсивность УЗ 12 Вт/см2, время воздействия 2 мин.
X, %
1 3 5 7 9 11
I, Вт/см2
Рис. 2. Влияние интенсивности ультразвука на степень разрушения в растворах поваренной соли комплексов:
1 - свинца; 2 - меди; 3 - кадмия. Использован раствор поваренной соли Генического солезавода с концентрацией 200 г/л. Частота УЗ 400кГц, время воздействия 2 мин.
В качестве критерия полноты разрушения комплексов органических соединений использовали степень разрушения (X) [5], определяемую как отношение величины аналитического сигнала (n), полученного при данных параметрах УЗ к величине максимально возможного аналитического сигнала (m), в том числе полученного и при использовании я - кипячения с персульфатом аммония в кислой среде [4]:
X = (n/m) х 100, %.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 представлена зависимость степени разрушения органических соединений в растворе поваренной соли бассейнового способа производства (Генический солезавод) от частоты УЗ при максимально возможной интенсивности для современных пьезокерамических излучателей - 12 Вт/см2. С повышением частоты УЗ степень разрушения комплексов всех изученных микроэлементов значительно снижается. Это объясняется, очевидно, тем, что с ростом частоты УЗ для поддержания соответствующего уровня кавитационной активности необходимо и повышение интенсивности УЗ [8-11]. Для рассолов и морской воды получены аналогичные зависимости (табл. 1). Однако по мере уменьшения содержания органических веществ (гуминовых и фульвокислот) в пробах рассолов и морской воды зависимость от частоты носила менее выраженный характер (табл. 1). По-
следнее, очевидно, можно объяснить тем, что при меньшем содержании органических веществ для их разрушения требуется и меньший уровень кавитационной активности, определяемой частотой УЗ [8, 9].
На рис. 2 представлена зависимость степени разрушения комплексов металлов в растворах поваренной соли того же способа производства от интенсивности УЗ при частоте УЗ 400 кГц и времени воздействия 2 мин. Видно, что с ростом интенсивности УЗ степень разрушения повышается.
В табл. 2 представлены результаты изучения влияния интенсивности УЗ на степень разрушения комплексов в рассолах и морской воде. При увеличении содержания гуминовых и фульвокислот зависимость степени разрушения от содержания органических веществ носит более выраженный характер.
В табл. 3 приведены данные о времени воздействия УЗ на степень разрушения при различных частотах УЗ; при этом интенсивность УЗ была максимально возможной - 12 Вт/см2. Как следует из этих результатов, для достижения степени разрушения более 90% время воздействия УЗ должно быть тем больше, чем выше частота УЗ. Это можно объяснить тем, что с ростом частоты УЗ для поддержания соответствующего уровня кавитационной активности необходимо и повышение интенсивности УЗ, которая ограничивается механической прочностью пьезоэлектрических излу-
Таблица 1. Влияние частоты ультразвука на степень разрушения комплексов металлов в рассолах и морской воде*. Интенсивность УЗ 12 Вт/см2, время воздействия 2 мин. Концентрация раствора 200 г/л. Содержание гуминовых кислот в пробах слева направо 0.01; 0.03; 0.04; 0.03 мг/л. Содержание фульво-кислот в пробах слева направо 1.05; 8.76; 12.09; 1.04 мг/л [1]
Степень разрушения, %
Частота УЗ, кГц рассол Славянского солезавода рассол оз. Баскунчак, Россия рассол оз. Барса-Кельмес, Казахстан морская вода, Ялта**
Pb Cu Cd Pb Cu Cd Pb Cu Cd Pb Cu Cd
66 97 99 98 95 98 93 94 97 93 97 99 98
80 97 99 98 95 98 93 94 96 92 97 99 98
90 96 99 97 94 96 92 93 96 91 97 99 98
100 96 98 96 94 96 91 93 95 91 97 99 98
150 95 97 94 93 95 90 92 94 90 96 98 96
200 95 97 93 93 95 89 92 94 88 96 98 96
250 94 96 92 92 94 88 91 92 86 95 97 95
300 94 96 90 91 94 88 90 90 85 95 97 94
350 93 96 89 91 94 87 89 90 84 95 97 93
400 93 95 88 90 93 87 89 87 83 94 95 91
440 92 94 88 89 92 86 88 87 82 93 94 91
500 91 94 87 88 91 85 88 86 80 93 94 90
550 91 93 86 88 90 84 87 86 80 92 94 89
600 90 92 86 87 90 84 86 85 80 92 92 89
650 90 91 85 87 90 82 87 85 78 91 91 89
700 89 89 83 86 89 81 85 84 75 91 90 87
750 85 88 82 84 88 80 83 84 71 90 90 86
800 84 86 79 82 87 77 81 81 70 88 89 85
880 81 83 76 80 82 75 77 78 73 87 87 83
900 80 81 75 79 80 72 77 74 71 83 86 81
950 77 75 73 78 69 70 73 65 67 84 80 76
1000 69 73 68 72 70 69 60 62 64 74 78 69
1200 30 52 52 26 40 50 25 42 52 49 68 63
2000 19 31 23 17 25 22 14 29 25 32 45 45
2500 18 25 20 15 20 18 9 17 11 23 30 37
* Представлены усредненные результаты (п = 6). ** Поселок городского типа (п.г.т.) Ялта Донецкой области (Азовское море).
Таблица 2. Влияние интенсивности ультразвука на степень разрушения комплексов металлов в растворах поваренной соли, рассолах и водах*. Частота УЗ 400 кГц, время воздействия 2 мин. Содержание гуминовых кислот в пробах слева направо 0.01; 0.03; 0.04; 0.03 мг/л. Содержание фульвокислот в пробах слева направо 1.05; 8.76; 12.09; 1.04 мг/л [1]
Степень разрушения, %
Интенсивность УЗ, Вт/см2 рассол Славянского солезавода рассол оз. Баскунчак, Россия рассол оз. Барса-Кельмес, Казахстан морская вода, Ялта**
РЬ Си Cd РЬ Си Cd РЬ Си Cd РЬ Си Cd
1 4 5 1 - 1 - - - - 3 4 2
2 8 9 6 1 4 1 - 1 - 9 10 8
3 12 14 9 4 9 3 3 6 2 13 14 11
4 17 19 14 8 12 7 5 10 6 17 22 16
5 20 29 27 14 21 18 8 18 16 19 31 28
6 28 38 38 17 29 27 12 25 25 27 38 39
7 34 50 49 20 46 38 14 41 32 34 54 50
8 56 71 63 47 68 57 42 65 55 57 73 64
9 75 84 76 60 74 64 63 71 65 76 86 76
10 89 90 82 84 83 75 81 80 74 90 91 83
11 93 93 87 89 87 81 88 82 81 94 94 90
12 93 95 88 90 93 87 88 86 82 94 95 91
* Представлены усредненные результаты (п = 6). ** Ялта Донецкой области (Азовское море).
чателей, не позволяющей повышать интенсивность УЗ более 12 Вт/см2 [7].
Из результатов табл. 3 также следует, что для разрушения комплексов металлов в растворах поваренной соли, рассолах и морской воде можно использовать воздействие УЗ частотой до 200, 250 и 600 кГц, соответственно, при увеличении времени воздействия УЗ до 10 мин. Однако при ув
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.