ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2004, № 6, с. 685-690
ХИМИЯ ПОЧВ
УДК 543.420
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УЛЬТРАЗВУКА ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ ВАЛОВОГО СОДЕРЖАНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ
В ЧЕРНОЗЕМАХ
© 2004 г. Ф. А. Чмиленко, Н. М. Смитшк
Химический факультет Днепропетровского национального университета, 49050, Украина, г. Днепропетровск, ул. Научная, 13 Поступила в редакцию 31.05.2002 г.
Ультразвук использован на стадии пробоподготовки образцов чернозема обыкновенного при атом-но-абсорбционном определении валового содержания Сё, Со, Сг, Си, N1, РЬ и Описан новый подход к анализу почв, в котором подобраны оптимальные параметры ультразвукового воздействия (частота, интенсивность и продолжительность обработки), способствующие максимальному извлечению определяемых элементов в раствор. Разработана методика определения валового содержания тяжелых металлов в черноземе с использованием комбинированных схем разложения пробы, включающих ультразвуковую обработку и кипячение с кислотами.
ВВЕДЕНИЕ
О загрязненности почв тяжелыми металлами при проведении мониторинговых исследований можно судить на основании определения их валового содержания. Поступление металлов в почву с отходами жизнедеятельности человека зачастую превалирует над их геохимическим фоном [2]. Почвы способны удерживать и накапливать элементы как в виде неорганических соединений, так и связанных с органической составляющей - гумусом. Изменение экологической обстановки может привести к смещению баланса между подвижной и нерастворимой частями валового содержания тяжелых металлов, что негативно скажется на всех компонентах отдельной биосистемы.
В практике агрохимического анализа используют различные методики полного разложения почвенных образцов, самой распространенной из которых является кипячение с кислотами или их смесями [8, 10]. Почва - сложная для анализа система, некоторые компоненты которой разрушаются только лишь при создании особых условий: повышенное давление (разложение в автоклавах), высокая температура (сплавление со щелочами), агрессивные среды (смесь сильных окислителей). Поэтому обычным кипячением с кислотами невозможно добиться полного разложения проб почвы. Использование ультразвука наряду с термической обработкой кислотами имеет ряд преимуществ: диспергированием почвы [6, 11, 12, 14], за счет которого увеличивается поверхность соприкосновения пробы с растворителем; интенсивное перемешивание гетерогенной системы; протекание реакций, инициирующих окислительно-восстановительные процессы в системе.
Ранее были рассмотрены варианты использования ультразвука для перевода тяжелых металлов из почвы, растений и минеральных удобрений в раствор, при этом не исследовалось влияние изменения параметров ультразвука на выход элементов в раствор [1, 3-5, 9]. Известно [13], что для получения почвенных вытяжек из чернозема обыкновенного действием ультразвука предпочтительнее использование низких частот, что способствует более интенсивному протеканию массообменных процессов на поверхности порошкообразных проб при их растворении. В работе изучено влияние интенсивности, частоты и продолжительности ультразвукового воздействия на изменение концентрации Сё, Со, Сг, Си, №, РЬ и 2п в анализируемых растворах при проведении валового анализа почв.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Полное кислотное разложение чернозема обыкновенного по агрохимическим методикам проводили смесями кислот: HF и H2SO4 (1 : 1); HCl и HNO3 (3 : 1); HNO3, H2O2 и H2SO4 (1 : 2 : 1) с неоднократной обработкой этими смесями или отдельными кислотами. При использовании смеси азотной и соляной кислот в соотношении (3 : 1) -"царской водки" (ЦВ) зафиксирована максимальная степень вскрытия пробы по сравнению с другими способами, но даже при этом не наблюдалось полного разложения анализируемой навески.
Для увеличения полноты разложения навески почвы при проведении валового анализа использовали ультразвуковую обработку на различных стадиях аналитического процесса. В качестве
Таблица 1. Условия атомно-абсорционного определения элементов
Элемент Резонансная линия, нм Ток на лампе, мА Соотношение газов С2Н2 : воздух
Cd 228.8 9 1 4
Со 240.7 13 1 3
Сг 357.7 9 1 1
Си 324.7 7 1 4
N1 232.0 17 1 4
РЬ 283.3 7 1 3
213.9 19 1 2
Примечание. Для определения всех элементов, кроме РЬ, использовали лампу ЛТ-2, для РЬ - ЛСП-1.
растворителей были выбраны растворы "царской водки" как концентрированные, так и разбавленные водой в соотношении 1 : 1, 1 : 5, 1 : 10. Для перевода элементов в раствор использовали ультразвуковые установки УЗДН-1 и УЗДН-1М с зондовыми магнитострикционными излучателями. Первая позволяла вести обработку ультразвуком на фиксированных частотах 22 и 44 кГц, а вторая с изменением частот от 18 до 47 кГц в интервале интенсивностей от 1.48 до 14.00 Вт/см2. Содержание элементов в растворах определяли атомно-абсорбционным методом в пламени ацетилен - воздух на спектрофотометре С-115 ПКС (табл. 1). Определение элементов проводили по градуировочному графику или методом стандартных добавок.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Исследована зависимость изменения валового содержания микроэлементов в растворах от параметров ультразвуковой обработки (интенсивности - 1.48-5.07 Вт/см2, частоты - 18-47 кГц и времени - 1-15 мин воздействия) и силы растворителя. Установлено, что степень извлечения тяжелых металлов определяется совокупностью параметров УЗ, что на примере Сг подтверждено зависимостями изменения выхода элемента в раствор (рисунок).
Зависимости, показанные на рисунке, отражают результаты определения содержания Сг в растворах, полученных однократной обработкой ультразвуком с указанными параметрами без последующего кипячения. Следует отметить, что при действии ультразвука с частотой более 40 кГц концентрация Сг в полученных растворах ниже определяемого минимума. Это можно объяснить тем, что обработка системы почва : растворитель ультразвуком низкой частоты более эффективна
[11, 13].
Полученные зависимости могут быть описаны уравнениями парной регрессии (1), (2), (3) [14].
С = А + Ы + Б12, (1)
С = К + Ь1 + М12, (2)
С = Г + О/ + И/2, (3)
где ? - время ультразвукового воздействия, мин, I - интенсивность ультразвука, Вт/см2; / - частота излучения, кГц; А, В, Э, К, Ь, М, Г, О, И, - коэффициенты уравнений регрессии.
Максимальный выход тяжелых металлов в раствор концентрированной ЦВ наблюдался в диапазонах интенсивностей 3.28-4.20 Вт/см2, частот 22-25 кГц и времени воздействия 5-10 мин в зависимости от природы определяемого элемента и выбранного растворителя.
Действием на пробу почвы ультразвука в присутствии растворителя невозможно добиться полного разложения образца и максимального переведения тяжелых металлов в раствор. Поэтому рассмотрены различные схемы вскрытия образцов чернозема, предусматривающие наряду с обработкой ультразвуком последующее кипячение с различными кислотами или их смесями (табл. 2). На первой стадии разложения навеску почвы заливали 10 мл ЦВ концентрированной и кипятили до полного выпаривания растворителя, далее добавляли новую порцию растворителя (10 мл ЦВк) и смесь обрабатывали ультразвуком 5 мин с интенсивностью 3.88 Вт/см2 и частотой 22 кГц, после чего раствор отфильтровывали в мерную колбу. При фильтровании следили за тем, чтобы почва не попадала на фильтр. После этого к почве приливали очередную новую порцию растворителя (10 мл ЦВк) и повторяли обработку ультразвуком и фильтрование раствора. В некоторых схемах предусматривалась трехкратная ультразвуковая (УЗ) обработка анализируемой навески. После УЗ стадии разложения остаток почвы заливали 10 мл смеси фтористо-водородной и азотной кислот (3 : 1) или раствором ЦВк и кипятили до полного испарения растворителя. Некоторые схемы предусматривали двукратное повторение этой операции, после чего к нерастворившемуся остатку почвы добавлялась порция (10 мл) 1.0 М раствора соляной кислоты. Смесь кипятили в течение 5 мин, и раствор фильтровали в ту же колбу, что и ранее. В полученном растворе содержание тяжелых металлов определяли методом атомной абсорбции (табл. 3). Остаток почвы на фильтре высушивали и взвешивали для определения количества (2, %) нерастворившейся почвы (т ост) из первоначальной навески почвы (т нав). При этом полнота разложения навески чернозема может быть рассчитана по формуле:
е = .пост х 100%.
т нав
Основной задачей при разработке схем являлось создание условий (с учетом экспериментально подобранных оптимальных параметров УЗ), способствующих максимальному растворению анализируемой пробы.
Результаты определения содержания тяжелых металлов в черноземе обыкновенном, обработанном по различным схемам, представлены как в единицах концентрации (мг/кг), так и величиной степени извлечения (^ эл).
W эл = С опр х 100%, С тах
где С опр - концентрация элемента в анализируемом растворе, С тах - максимальный выход элемента в раствор при разложении почвы по предложенным схемам практически без остатка.
Схемы 1 и 2 являются традиционными при определении валового содержания тяжелых металлов. Из табл. 3 видно, что проведение анализа по данным схемам не позволяет полностью разложить анализируемую навеску почвы, и нерастворимый остаток составляется соответственно 6.6 и 22.6%. В случае неполного разложения пробы нельзя говорить и о достижении максимальной степени извлечения элементов в раствор. Значит разложение проб почв традиционными способами может привести к получению заниженных результатов анализа. Для сокращения доли нерас-творившегося остатка и, следовательно, повышения степени извлечения элементов в раствор использовано ультразвуковое воздействие на различных стадиях пробоподготовки (схемы 3-9). Диспергирующее и перемешивающее действие ультразвука позволило создать такие условия переведения элементов в раствор, когда доля нерастворимого остатка составила 4-5%: (схемы 8.2-8.3). Вследствие более полного растворения навески почвы увеличилась и степень извлечения тяжелых металлов. Рассматривались схемы разложения почвы, предусматривающие неоднократную обработку пробы ультразвуком при добавлении новых порций растворителя. Установлено, что степень извлечения элементов при этом была меньше п
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.