ОЦЕНКА ЧРЕЗВЫЧАЙНОЙ СИТУАЦИИ, ВЫЗВАННОЙ ЗАГРЯЗНЕНИЕМ ГИДРОСФЕРЫ НИТРАТАМИ

1. Цель работы:

Количественное определение содержания нитратов в почве, загрязненной азотными удобрениями.

1.2. Оценка степени загрязнения грунтовых вод при попадании в них полученных концентраций нитратов.

1.3. Определение необходимых мер по снижению содержания нитратов до предельной допустимой концентрации их в питьевой воде.

Порядок выполнения работы

3.6. Изучить материалы, изложенные в разделах "Общие положения" и "Теоретическая часть".

3.7. Получить у преподавателя для своего варианта исходные данные.

3.8. Выполнить необходимые расчеты по методике, изложенной в разделе "Порядок выполнения работы".

3.9. Оформить работу в соответствии с разделом "Порядок оформления работы".

3.10. Быть готовым к ответам на вопросы, изложенным в конце методических материалов по настоящему занятию.

Материально-техническое обеспечение:

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Сельское хозяйство, как отрасль экономики, выдвигается в число главных источников загрязнения природных вод. Влияние сельского хозяйства на окружающую среду возрастает с увеличением процента распаханности территории, мелиоративного ее освоения, применения минеральных и органических удобрений, химических средств защиты растений, строительства ферм и крупных животноводческих комплексов.

Применяемые минеральные удобрения вымываются из почвы или поступают в водные объекты вместе с почвой в результате эрозии. Вынос минеральных удобрений с сельскохозяйственных угодий зависит от ряда факторов, важнейшими из которых являются:

- количество, способы и время внесения удобрений, их растворимость в воде, миграционная способность в почве;

- время между внесением удобрений и выпадением стокообразующих осадков;

- интенсивность процессов эрозии;

- объем и интенсивность выпадения осадков, объем поверхностного и подземного стока;

- тип почв, рельеф местности, характер выращиваемых культур.

Основными загрязняющими ингредиентами стока с сельскохозяйственных угодий являются азот и фосфор, входящие в состав удобрений. За год с поверхностным стоком с богарных земель может выноситься азота 0,3–10% от вносимых удобрений, фосфора – 0,1–2%. Подземным стоком выносится только азот (10–40% от вносимых удобрений), фосфор малоподвижен и концентрируется в поверхностном слое почвы (2–5 см).

Во многих хозяйствах не соблюдаются оптимальные сроки и методы внесения удобрений в почву. Более половины складов удобрений находятся в неудовлетворительном состоянии, т.е. представляют собой источники загрязнения окружающей среды. Необходимо научиться управлять системой удобрений, чтобы они давали максимальный эффект и обеспечивали полное восстановление плодородия, пагубно не влияли на природу, не загрязняли ее.

Отходы животноводства и стоки животноводческих комплексов также являются одним из источников загрязнения окружающей среды органическими веществами, соединениями азота и фосфора, некоторыми микроэлементами. Размеры этих комплексов и специфика удаления навоза создали проблему загрязнения подземных вод. Концентрированное распределение отходов привело к повышенным уровням нитратов в почве и воде, в частности вокруг откормочных комплексов. Корма, получаемые в этих условиях, следует признать непригодными для скармливания скоту ввиду высокого содержания в них нитратов.

Во многих сельских населенных пунктах преобладает “децентрализованное“ водоснабжение с использованием индивидуальных неглубоких колодцев, качество воды в которых, не удовлетворяет требованиям стандартов качества питьевой воды. В воде многих колодцев содержание нитратов в несколько раз превышает предельную допустимую концентрацию. В Беларуси предельная допустимая концентрация нитратов в питьевой воде установлена на уровне 45 мг/л, что примерно соответствует стандарту стран ЕС (50 мг/л).

Водоемы во всем мире загрязнены нитратами ввиду чрезмерного применения нитратных удобрений. То же происходит и в Беларуси, где обнаружено большое количество нитратов в моче и слюне, прежде всего детей. Наличие нитратов в питьевой воде и продуктах питания может стать очень вредным для человека и вызвать снижение уровня витаминов, сахаров и белков, что порождает две проблемы. Во-первых, вызываемая действием нитратов, метагемоглобинемия (нарушение кислородного обмена) может привести к малокровию у детей раннего возраста и к их смерти в случае отсутствия лечения. Во-вторых, попадая в организм с водой, часть нитратов превращается в нитриты. Со временем нитрит преобразуется в нитросамин, способный вызывать раковые заболевания у животных и людей. Кроме того, под влиянием нитратов может появиться гипотерид, что довольно широко распространено в Беларуси (недостаточность функции щитовидной железы).

Постоянный контроль содержания нитратов в воде и продуктах является актуальной задачей для своевременного принятия мер по предотвращению чрезвычайных ситуаций, вызванных загрязнением нитратами. Одним из наиболее быстрых и эффективных методов контроля нитратов является фотометрический метод анализа.

Теоретическая часть

Фотометрия представляет собой оптический метод анализа, основанный на измерениях оптических свойств анализируемого раствора, после введения в него реактива, реагирующего с определяемым компонентом с образованием интенсивно поглощающего свет соединения, в ближней ультрафиолетовой и видимой областях спектра.

При прохождении через слой вещества (в частном случае раствора) светового потока с интенсивностью I₀ его интенсивность вследствие поглощения в слое, отражения и рассеяния уменьшается до значения I. Ослабление светового потока на выходе из раствора происходит за счет поглощения частицами вещества фотонов. Чем больше мощность светового потока и чем больше частиц вещества в растворе (т.е. чем больше концентрация), тем больше поглощение света веществом. Кроме того, величина поглощения будет зависеть и от длины пути светового потока: чем толще слой раствора, тем больше будет происходить столкновений частиц вещества с фотонами и тем большее будет поглощение. Но при этом надо учитывать, что не все фотоны поглощаются частицами вещества. Это связано с тем, что молекулы всех веществ могут существовать только в определенных энергетических состояниях, называемых энергетическими уровнями (орбиталями). Переход молекулы с одного уровня на другой сопровождается поглощением или испусканием фотона со строго определенной энергией, равной разности энергий энергетических уровней молекулы, т.е. молекулы, могут поглощать или испускать фотоны со строго определенной длиной волны. Поэтому при прохождении светового потока через раствор будет происходить ослабление света только определенной длины волны. Для каждого вещества максимум поглощения светового потока приходится на свой определенный интервал длин волн.

Интенсивности падающего светового потока I₀ и светового потока I, прошедшего через раствор, можно определить экспериментально. Доля рассеянного и отраженного света обычно мала и ею пренебрегают. Связь между интенсивностями световых потоков I₀ и I устанавливается законом Бугера-Ламберта, согласно которому однородные слои одного и того же вещества одинаковой толщины поглощают одну и ту же долю падающей на них световой энергии (при постоянной концентрации растворенного вещества).

Отношение I/I₀ называется пропусканием (Т), оно показывает, какая доля падающего на раствор света поглощается. Пропускание выражают в процентах. Для абсолютно прозрачных растворов Т=100%, для абсолютно непрозрачных Т=0.

Для характеристики поглощения излучения используют величину, называемую оптической плотностью, или экстинцией (А):

A = lg ( I ₀ / I ) = – lgT .

Связь между концентрацией поглощающего раствора и его оптической плотностью выражается законом Бера, согласно которому оптическая плотность раствора прямо пропорциональна концентрации растворенного вещества при постоянной толщине слоя:

A = lg ( I ₀ / I ) = k с,

где: k – коэффициент пропорциональности; с – концентрация растворенного вещества, моль/л.

Зависимость интенсивности светового потока, прошедшего через слой окрашенного раствора, от интенсивности падающего потока света, концентрации окрашенного вещества и толщины слоя раствора определяется объединенным законом Бугера-Ламберта-Бера, который является основным законом светопоглощения и лежит в основе большинства фотометрических методов анализа:

I = I ₀ · 10^– e _l с l ,

где: e_l – молярный коэффициент светопоглощения, зависящий от природы растворенного вещества, температуры, растворителя и длины волны света;

с – концентрация окрашенного раствора, моль/л;

l – толщина слоя раствора, см.

При соблюдении основного закона светопоглощения оптическая плотность раствора (А) прямо пропорциональна молярному коэффициенту светопоглощения, концентрации поглощающего вещества и толщине слоя раствора:

A = lg ( I ₀ / I ) = e _l с l .

Измерение оптической плотности растворов производят с помощью фотометрических приборов.

Составные части фотометров.

Применяемые в фотометрии приборы состоят из четырех частей, последовательно расположенных одна за другой: источник света; устройство для разложения полихроматического света и выделения нужного интервала длин волн (светофильтры); отделение для установки кювет с исследуемым веществом; приемник излучения (детектор), который превращает излучение в соответствующий данному прибору сигнал для регистрации. Фотометрические приборы должны выполнять две основные задачи:

- разложение полихроматического света и выделение нужного интервала длин волн;

- измерение поглощения света веществом.

Источники света. В качестве источника света в основном используют лампы накаливания, испускающие непрерывное излучение. В фотометре источником видимого излучения служит обычная электрическая лампочка.

Рис. 1. Кривая излучения электрической лампы

l, нм

На рис.1 изображена кривая излучения электрической лампы с вольфрамовой нитью. Интенсивность (I) разных длин волн, испускаемых лампой, различна. Обычно для проведения анализа выбирают излучение в той области длин волн, в которой определяемое соединение имеет максимальное светопоглощение, а примеси – минимальное.

В ультра фиолетовой области интенсивность лампы накаливания мала, поэтому здесь применяют водородные, дейтериевые, ксеноновые лампы, излучающие свет с длинами волн менее 350 нм. Это газоразрядные трубки, представляющие собой баллоны из кварца, заполненные газом под высоким давлением. В результате электроразряда молекулы газа возбуждаются и возвращаются в исходное состояние, испуская непрерывный спектр.

Светофильтры. Для выделения нужной длины волны из непрерывного спектра пригодны все типы диспергирующих устройств.

На практике выделить монохроматическое излучение невозможно. Получают поток излучения более или менее узкого интервала длин волн с помощью светофильтров, которые бывают двух типов: абсорбционные и интерференционные. Абсорбционные светофильтры -это цветные стекла, поглощающие некоторый участок спектра падающего излучения и пропуская остальную часть спектра этого излучения. Для получения узкого диапазона спектра во многих случаях абсорбционные светофильтры помещают друг за другом (см. рис.2).

Спектральная ширина полосы пропускания (dl) такого комбинированного светофильтра определяется интервалом пропущенных длин волн, измеренным на половине высоты пика (h), и является характеристикой разрешающей способности светофильтра. Абсорбционные светофильтры обычно имеют спектральные ширины полос пропускания в пределах от 30 до 50 нм, поэтому их разрешающая способность невелика. Длина волны пика кривой пропускания (l₀) называется центральной, или номинальной, длиной волны светофильтра.

Рис.2. Полоса пропускания комбинированного светофильтра

l₀ dl l, нм

Интерференционные светофильтры действуют по принципу интерференции волн электромагнитного излучения. Они имеют значительно более узкие спектральные полосы пропускания от 5 до 20 нм, с коэффициентами пропускания более чем 0,6. Устроены они следующим образом: между двумя полупрозрачными серебряными пленками, укрепленными на стеклянных пластинках, помещают слой прозрачного материала, например фторида магния, со строго определенной толщиной.

Рис.3. Принцип действия интерференционного фильтра:

1 серебряные пленки; 2 – слой фторида магния (светлые и темные кружки, соответственно, минимумы и максимумы электромагнитной волны)

Одна часть падающего на поверхность пластинки потока света отражается, а другая проходит через слой фторида магния и попадает на вторую серебряную пленку. Здесь снова одна часть потока отражается и попадает на первую пленку, а другая выходит наружу. Этот процесс повторяется многократно. Если на расстоянии между пленками умещается целое количество полудлин волн (l/2), то лучи, совпадающие по фазе, будут усиливаться, а несовпадающие – гаситься. В результате, из светофильтра будут выходить лучи с длинами волн, кратными l/2, т. е. k*(l/2), где k =1,2,3,... (число k называют порядком). Излучение второго и более высоких порядков поглощается стеклом. Следовательно, из светофильтра будет выходить только излучение первого порядка.

Кюветы. Основное требование к кюветам – прозрачность в области спектра, в которой ведется измерение. Для работы в видимой области кюветы изготавливают из обычного стекла, в ультрафиолете – из кварца. Кюветы бывают прямоугольными и цилиндрическими. Обычно каждый оптический прибор снабжен набором кювет толщиной от 0,5 до 5 см.

Детекторы. Детекторы преобразуют падающую на них световую энергию в электрический сигнал. Для приема светового сигнала в видимой и ультрафиолетовой областях обычно применяют сурьмяно-цезиевый (180–650 нм) и кислородно-цезиевый (600–1100нм) фотоэлементы.

Особенности фотометра SQ-300

Фотометр SQ–300 разработан с учетом требований удобства анализа для пользователя. В нем запрограммированы методы проведения анализа с соответствующими номерами (перечень методов с номерами и диапазонами измерений представлен в руководстве для эксплуатации SQ–300). Результаты анализа выводятся на цифровую индикацию в виде единиц концентрации или экстинции (по выбору).

1 2 3 4 5 6 7 8 9

16 10

Рис.4. Блок -схема фотометра:

1 – вольфрамовая галогенная лампа; 2 – диафрагма 1; 3 – линза 1; 4 – диафрагма 2; 5 – кювета; 6 – диафрагма 3; 7 – линза 2; 8 – интерференционный фильтр; 9 – кремниевый фотодиод; 10 – усилитель; 11 – аналого-цифровой преобразователь; 12 – микропроцессор; 13 – блок памяти; 14 – клавиатура; 15 – блок индикации; 16 – блок стабилизации

В комплекте с фотометром поставляется набор хромогенных реагентов "Spectroquant " для перевода анализируемого вещества в окрашенное соединение, а также термореактор TR-300, представляющий собой сухой термостат, в котором можно одновременно нагревать двенадцать 16-миллиметровых и две 23-миллиметровые пробирки для ускорения реакции образования цветного комплекса. Термореактор оснащен таймером.

Свет стабилизированной вольфрамовой галогенной лампы проходит через диафрагмы, линзу, фокусирующую световой пучок, и кювету с анализируемым раствором. Часть светового излучения избирательно поглощается веществом в растворе. Прошедший поток света попадает на интерференционный фильтр, который, в свою очередь, пропускает лишь часть света, пригодную для фотометрического измерения определяемой примеси, содержащейся в воде. Кремниевый фотодиод превращает свет в электрический ток, который затем усиливается и с помощью микропроцессора преобразуется в данные измерений, выводимые на индикацию.

2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Задание для выполнения практической работы:

1. Рассчитать уровень загрязнения почвы нитратами на месте хранения нитратных удобрений и прилегающей к нему территории в радиусе до 1,5 км в направлении стока поверхностных вод.

2. Дать экологическую оценку состояния почвы, загрязненной нитратами в результате нарушения норм хранения и использования удобрений.

3. Предложить меры по снижению содержания нитратов до уровня ПДК их в питьевой воде.

Оформление работы

Исходные данные для выполнения практической работы выдает преподаватель для каждого студента индивидуально (образец варианта данных для выполнения практической работы приведен в Приложении 1).

Порядок расчета и оформления отчета о проделанной практической работе осуществляется в соответствии с СТП 10-02.01-87.

Отчет должен включать в себя:

1. название работы;

2. цель работы;

3. краткий конспект теоретической части и метода определения концентрации нитратов в воде;

4. задание для выполнения практической работы;

5. порядок выполнения работы;

6. вывод

Порядок выполнения работы

1. Произвести пересчет концентрации нитратов в водной вытяжке (фильтрате) на концентрацию нитратов в пробе почвы по формуле

С_почв = С_х ·40/5,

где: С_почв – концентрация нитратов в почве, мг/кг;

С_х – концентрация нитратов в фильтрате, мг/л;

40 – объем водной вытяжки, мл;

5 – масса пробы почвы, г.

Результат записать в табл.1

2. Сделать экологическую оценку состояния почвы, загрязненной нитратами, для этого сравнить полученную концентрацию С_почв с ПДК нитратов в почве (130 мг/кг). Указать во сколько раз полученная концентрация нитратов в почве превышает ПДК.

3. Произвести расчет возможной концентрации нитратов в грунтовых водах в местах отбора проб почвы при условии 40%-ного их просачивания по формуле

С_гр.вод. = С_почв ·0,4·k, (1)

где С_гр.вод. – концентрация нитратов в грунтовых водах, мг/л;

k » 1 – коэффициент преобразования массы в объем.

Результат записать в табл.1.

4. По таблице 2 определить, к какому классу загрязнения относятся грунтовые воды, и выбрать необходимые методы очистки, чтобы они удовлетворяли нормам, предъявляемым к питьевой воде. Результат записать.

5. Обобщить полученный материал. Сделать вывод: дать оценку состояния грунтовых вод в зависимости от возможного загрязнения нитратами, предложить методы очистки.

Таблица 1

Дата добавления: 2019-02-13; просмотров: 209; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 36 37 38 39 40 41 42 434445 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!