Мониторинг окружающей среды

Общие положения

Для определения содержания кальция и магния в почвенном покрове используется водная почвенная вытяжка (см. Лаб. работу №4). В этой работе используется комплексонометрический метод определения Са²+ и Mg²⁺ при их совместном присутствии в растворе.

Сущность определения сводится к тому, что в начале определяют суммарное содержание молярной концентрацией эквивалента 0,05 моль/л Mg²⁺, титруя фильтрат раствором трилона Б в присутствии хромогена черного. Затем находят содержание ионов Са²⁺, титруя фильтрат раствором трилона Б в присутствии индикатора мурексида. По разности этих двух определений находят содержание ионов Mg²⁺.

Ход работы

Пипеткой на 50 мл отбирают фильтрат и переносят его в колбу для титрования, приливают 5 мл аммонийной буферной смеси, 25-30 мг хромогена черного и титруют раствором трилона Б с молярной концентрацией эквивалента 0,05 моль/л до перехода винно- красной окраски раствора в синюю.

Титрование повторяют 2-3 раза и берут среднее значение.

Содержание Са²⁺ и Mg²⁺ вместе взятых можно найти по формуле

m(Ca²⁺+Mg²⁺) = , (2.5)

где С(1/zNа₂[НзТг])- концентрация раствора трилона Б, н;

V(Na₂[НзТг])- объем рабочего раствора трилона Б, затраченного на титрование, мл;

Уф- объем фильтрата, мл.

Определение содержания кальция. 50 мл фильтрата переносят в колбу для титрования, приливают 2,5 мл раствора NaOH с молярной концентрацией 2 моль/л, 30-40 мг смеси мурексида с хлоридом натрия и приступают к титрованию раствором трилона Б с молярной концентрацией эквивалента 0,05 моль/л до появления сине-фиолетовой окраски, не исчезающей в течении 2-3 минут. Титрование повторяют 2-3 раза и берут среднее значение. Содержание кальция вычисляют по формуле, как и суммарное содержание Са²⁺ и Mg²⁺.

Количество магния находят

m(Mg²⁺) = m(Ca²⁺+Mg²⁺) - m(Ca²⁺) (2.6)

2.2.8. Определение содержания сульфат-ионов в почве

Реактивы и оборудование

10 %-ный раствор хлорида бария; раствор электролита (NaCl+HCI), раствор сульфата натрия, мерные колбы на 50 мл, 100 мл, ФЭК, кюветы.

Общие положения

Для определения содержания сульфатов в почвенном покрове используется солевая вытяжка почвы (см. Лаб. работу №4). В работе используют реакцию образования дисперсной системы малорастворимого в кислых растворах сульфата бария (ПР=1,1 •10 ^-10)

Ва²⁺ + SO4²- =BaSO₄

Для обеспечения избирательности определения сульфатов относительно карбонатов, фосфатов, хроматов реакцию проводят в кислой

среде.

Ход определения

Приготовление рабочего раствора сульфата натрия.

Раствор сульфата натрия с концентрацией 0,2 мг/ мл готовится растворением 0,8872 г прокаленного х.ч. сульфата натрия в 100 мл дважды перегнанной дистиллированной воды. Рабочий раствор сульфата натрия, содержащий 10 мкг в 1000 мл, готовят разбавлением полученного раствора в20 раз.

Приготовление раствора электролита. 240 г химически чистого (х.ч.) хлорида натрия помещают в мерную колбу на 1000 мл, добавляют небольшое количество бидистиллята, приливают 20,5 мл концентрированной соляной кислоты и доводят бидистиллятом до метки.

Приготовление растворов для построения калибровочного графика. В мерные колбы вместимостью 50 мл вносят 1,2,4,6,10 мл рабочего раствора сульфата натрия, что соответствует 20,40,80,120,200 мкг сульфата натрия.

В каждую колбу приливают 10 мл электролита и соответственно 19,18,16,14,10 мл дважды перегнанной дистиллированной воды, перемешивают круговыми вращениями колбы. Затем приливают 7,5 мл раствора хлорида бария, перемешивают, доводят объем раствора до метки и снова тщательно перемешивают. Через 5 минут измеряют оптическую плотность стандартных растворов по отношению к раствору сравнения в порядке понижения концентрации в кюветах с толщиной поглощающего слоя 50 мл. Раствор сравнения готовят аналогично в колбе вместимостью 50 мл без сульфата натрия.

Приготовить почвенную солевую вытяжку. Затем к 10 мл анализируемой воды прибавляют 20 мл электролита, 20 мл бидистиллята, раствор перемешивают и добавляют 75 мл раствор хлорида бария. В колбе на 100 мл раствор доводят до метки и колориметрируют.

2.2.9. Определение содержания ионов аммония в почве

Реактивы и оборудование

ФЭК; электроплитка; мерные колбы на 50 мл, 100 мл; пипетки на 1 мл, 10 мл с делениями, на 10 мл без делений; раствор сегнетовой соли KNaC₄H₄O₆ • 4Н₂О - ра-створяют 50 г соли при нагревании в дистиллированной воде, до-водят раствор до 100 мл, перемешивают, фильтруют, добавляют 5 мл 10 %-ного раствора NaOH и кипятят 30 мин (для удаления следов NH₃). Объем раствора вновь доводят до 100 мл; реактив Несслера (щелочной раствор тетраиодмеркурата калия KНgI₄ торговый препарат); безаммиачная вода - дистиллированную воду с добавкой щелочи (25 мл 5 %-ного раствора NaOH на 1 л воды) кипятят 1 час; стандартный раствор NH₄CI. Основной раствор: растворяют в безаммиачной воде 296,5 мг безводного NH₄CI, высушенного при 100 °С, и разбавляют такой же водой до 100 мл; 1 мл полученного раствора содержит 100 мкг NH₄. Рабо-чий раствор: разбавляют безаммиачной дистиллированной водой 5 мл основного стандартного раствора до 100 мл; 1 мл полученно-го раствора содержит 5 мкг NH₄.

Общие положения

Для определения содержания ионов аммония в почвенном покрове используется солевая вытяжка почвы (см. Лаб. работу №4). Ионы аммония определяют фотометрически по реакции с реак-тивом Несслера. Принцип метода основан на том, что аммоний с реактивом Несслера образует йодид меркураммония, который ок-рашивает раствор в желто-коричневый цвет. Интенсивность окрас-ки пропорциональна содержанию аммония в воде.

NH₄⁺ + 2К₂НgI₄ + 2КОН > NH₂Нg₂I₃v + 5KI + 2H₂O + K⁺

Так как соли кальция и магния, обычно содержащиеся в при-родных водах, при взаимодействии с реактивом Несслера могут выпасть в осадок, их связывают раствором виннокислого натрия-калия (сегнетовой солью). Диапазон определяемых концентраций аммония - 0,05-4 мг/л.

Как правило, в чистых природных водах содержится 0,01-0,1 мг/л аммонийных солей. Предельно допустимые концентрации аммиа-ка в воде водоемов 2 мг/л (по азоту).

Ход работы

К100 мл пробы воды добавляют 0,2 мл раствора сегнетовой соли и 0,2 мл реактива Несслера, перемешивают и через 10 мин измеря-ют оптическую плотность раствора при 425 нм в кювете толщиной 1 см на фоне дистиллированной воды. Из полученного значения оптической плотности вычитают оптическую плотность холостой пробы. Концентрацию ионов аммония в пробе определяют по ка-либровочному графику.

Построение калибровочного графика

В мерные колбы на 50 мл наливают 0,1,2,3,4,6 и 10 мл стандар-тного раствора NH₄CI концентрации 5 мкг NH₄ в 1 мл. Разбавляют до метки безаммиачной водой, перемешивают, отбирают из каждой колбы по 10 мл и переносят в пробирки. Концентрация ионов аммо-ния в растворах составляет 0; 0,1; 0,2; 0,3; 0,6 и 1 мг/л. Определение ионов аммония ведут по методике, описанной выше. Из получен-ных значений оптических плотностей вычитают оптическую плот-ность холостого раствора.

2.2.10. Определение цинка в почве.

Реактивы и оборудование

20 % раствор тиосульфата натрия (Nа₂S₂О₃), ацетатный буферный раствор, раствор дитизона в четыреххлористом углероде, хлорид цинка (ZnCl₂). Конические колбы, делительные воронки на 500 мл, химический стакан, пипетки на 5 мл, кюветы на 10 мл, ФЭК, 7 мерных колб на 50 мл, цилиндр на 100 мл.

Общие положения

Для определения содержания кальция и магния в почвенном покрове используется солевая почвенная вытяжка (см. Лаб. работу №4). Наиболее удобным методом определения микроколичества цинка в солевой почвенной вытяжке является дитизоновый.

Цинк образует с дитизоном красное соединение, экстрагируемое лучше всего четыреххлористым углеродом. Следует иметь ввиду, что цинк также образует с тиосульфатом комплексное соединение, хотя и относительно мало устойчивое. Это приводит к замедлению и некоторой неполноте реакции образований дитизоната цинка. Поэтому построение градуировочного графика и само определение надо проводить в одинаковых условиях.

Метод исключительно чувствителен, поэтому следует особо тщательно следить за чистотой посуды и реактивов.

Ход работы

Приготовление стандартных растворов для построения градуировочного графика. Для приготовления эталонов в мерные колбы на 50 мл наливают 0; 0,5; 1,0; 2,0; 3,0; 4,0 и 5,0 мл рабочего раствора хлорида цинка, в каждую из колб добавляют 5 мл ацетатного буферного раствора, затем 1 мл 20 % раствора тиосульфата натрия и 4 мл раствора дитизона; доводят объем до метки дистиллированной водой и фотометрируют. (После добавления каждого раствора содержимое колбы перемешивают).

Рабочий раствор хлорида цинка, содержащий 5 мкг/мл цинка, готовят, взяв навеску хлорида цинка 10,46 мг и растворив ее в мерной колбе на 1 л дистилированной водой. В коническую колбу помещают 100 мл исследуемого раствора, добавляют 5 мл ацетатного буферного раствора, перемешивают, приливают 1 мл 20 % раствора тиосульфата натрия (№28203) и 4 мл рабочего раствора дитизона в четыреххлористом углероде. Энергично встряхивают в течение 2-5 минут.

Окраска дитизона в зависимости от содержания цинка изменяется от зеленой до красной.

Содержимое колбы переливают в делительную воронку и отделяют окрашенную органическую часть раствора, которую помещают в кювету на 10 мл и определяют оптическую плотность на ФЭК. Зеленый светофильтр, Х= 540 нм.

Значение концентрации цинка определяется по калибровочному графику.

2.2.11. Определение нитратов в почве.

Принцип и характеристика фотоколориметрического метода.

Метод основан на образовании пикриновой кислоты при взаимодействии нитратов с дисульфофеноловой кислотой, которая взаимодействуя со щелочью, образует соединения окрашивающие раствор в желтый цвет. Реакция идет по уравнению:

3HNO3+C6H3OH(HCO3)2 = C6H2OH(NO2)3+2H2SO4+H2O

C6H2OH(NO2)3+NaOH=C6H2(NO2)3Na - H2O

Чувствительность определения 0,1мкг/мл раствора. Диапазон измеряемых концентраций от 25 до 400 мг/кг почвы. Мешающие влияния оказывают соли аммония и хлориды, которое устраняется в процессе определения.

Реактивы и посуда.

Фенол кристаллический ГОСТ 6417-72. кислота серная ГОСТ 4204-66 удельный вес 1,84. Натр едкий ГОСТ 4328-66 20% раствор. Калий азотнокислый ГОСТ 4217-73. Исходный стандартный раствор с содержанием нитратов 0,1мг/мл. 2-3г азотнокислого калия растворяют в мерной колбе емкостью 1л в дистиллированной воде, доводят объем до метки и тщательно перемешивают. Для консервации прибавляют 1мл толуола. Рабочий стандартный раствор с содержанием 0,01мг/мл нитратов готовят перед определением соответствующим разведением исходного стандартного раствора водой.

Толуол ГОСТ 5789-69. Дисульфофеноловый реактив 25г. кристаллический бесцветный фенол растворяют в 150мл концентрированной серной кислоте и нагревают на водяной боне в течение 6 часов в колбе с обратным холодильником. Хранят в темной склянке с притертой пробкой, серебро сернокислое ч.д.а. натрий сернокислый ГОСТ 4166-66, 10% раствор.

Ход анализа.

Свежеотобранную пробу почвы 10г помещают в плоскодонную колбу, содержащую 50мл 0,05% раствора сернокислого калия. Содержимое колбы взбалтывают в течение 3 мин и фильтруют через предварительно промытый безаммиачной водой бумажный фильтр «синяя лента». Первые порции фильтрата (5-10мл) отбрасывают. Мутный раствор несколько раз перефильтровывают. Одновременно берут навеску исследуемой почвы для определения содержания в ней влаги.

Перед определением нитратов необходимо сделать качественное испытание вытяжки на содержание в ней аммонийных солей и хлоридов. В присутствии значительного количества аммонийных солей к вытяжке добавляют несколько капель 10% раствора сернокислого натрия. Хлориды осаждают сернокислым серебром. В зависимости от ожидаемого содержания нитратов берут 20мл подготовленной вытяжки, помещают в фарфоровую чашку соответствующего объема и выпаривают на водяной бане с электрическим подогревом. После выпаривания чашки охлаждают до комнатной температуры и прибавляют по 0,5мл дисульфофенолового реактива, растирают сухой остаток стеклянной палочкой. Растирание следует проводить не только на середине чашки, но и по бокам ее, где осадка не видно. Через 10 мин в чашку приливают 7,5мл дистиллированной воды, смачивая водой всю поверхность чашки. Нейтрализуют кислый раствор 20% раствором едкого натрия до щелочной среды, т.е. до появления стойкой желтой окраски. Окрашенный раствор переливают в мерную колбу емкостью 50мл обмывают чашку вместе с стеклянной палочкой 3-4 раза дистиллированной водой и прибавляют эту воду к основному раствору. Доводят раствор в колбе до метки дистиллированной водой, перемешивают и фотометрируют относительно контроля при длине волны 400-450 нм, кювета 50, раствор сравнения дистиллированная вода. Если интенсивность окраски анализируемого раствора для непосредственного сравнения берут его определенную часть и разбавляют до нужного объема. В этом случае результаты определения вычисляют с учетом разбавления.

Содержание изучаемого вещества в пробе определяют по калибровочному графику.

Калибровочный график.

Для построения калибровочного графика готовят шкалу стандартов. Для этого в мерные колбы емкостью 100мл вносят по 25мл дистиллированной воды и по 0; 0,25; 0,5; 1; 1,75; 3; 5; 6,25; 7,5мл рабочего стандартного раствора азотнокислого калия. В каждую колбу вносят по 0,5мл дисульфофенолового реактива и по 5мл 20% раствора едкого натрия, объем доводят водой до метки. Содержимое колб тщательно перемешивают и фотоколориметрируют относительно контроля при длине волны 400-450нм.

Шкала стандартов соответствует содержанию нитратов: 0,5; 1; 2; 3,5; 6; 10; 12,5; 15 мкг/мл.

По средним данным, полученным из 3-5 измерений каждого стандарта строят калибровочный график зависимости «оптическая плотность - содержание нитратов».

2.3. Математическая обработка результатов.

Любые экспериментальные данные должны быть подвергнуты математической обработке, что позволит судить об их достоверности. Вычисляют среднее арифметическое значение экспериментальных данных Х_n, полученных при анализе параллельных проб. Затем находят среднее квадратичное отклонение для n определений по формуле

(3.1)

Полученную величину отклонения S_n используют для вычисления абсолютной и относительной погрешности анализа с заданной степенью надежности (а =0,95) по формуле

, (3.2)

где tаn -коэффициент распределения Стьюдента, который определяют по таблице (2) для а =0,95 и числа определений n без промахов.

Таблица 2.

Коэффициенты Стьюдента при а =0,95

Относительная погрешность рассчитывается по формуле

(3.3)

Полученные и вычисленные экспериментальные данные записывают в виде таблицы.

Таблица 3

Полученные и вычисленные экспериментальные данные

2.4. Исследование влияния концентраций загрязняющих веществ в почвенной вытяжке на территории парка Фрунзе.

В ходе исследования почвенные вытяжки анализировались на величину рН (кислотоосновные свойства почвы). В таблице 1 (пункт 2.2.3) приведены критерии оценки степени химического загрязнения объектов окружающей среды. По этой таблице можно провести ранжирование территории по величине рН.

Анализ значений рН почвенных вытяжек по критериям степени химического загрязнения объектов ОС показал, что на расстоянии 0м и 10м от полотна дороги со стороны ул. Чичерина территория характеризуется как зона критической экологической ситуации (значение рН лежит в пределах от 6,71 до 6,84), а на расстоянии 5м от полотна дороги - как территория с относительно удовлетворительной ситуацией (рН=7,75).

Газообразные загрязняющие вещества, выделяемые автотранспортом при движении по дороге, трансформируются в атмосфере в кислотообразующие ионы, затем вымываются из атмосферы осадками и попадают в почву придорожных территорий, где накапливаются и вызывают закисление почвенного покрова. Поэтому нами был проведен анализ почвенных вытяжек на содержание в них кислотообразующих ионов таких как карбонат- и гидрокарбонат-ионов, хлорид-ионов, ионов кальция и магния, сульфид- и гидросульфид-ионов, нитрат-ионов, ионов цинка, ионов аммония и сульфат-ионов.

Из анализа проб почвенных вытяжек, отобранных в придорожной территории на ул. Чичерина (в парке Фрунзе), получены следующие данные (таблица 4.) Графики зависимости содержания кислотообразующих соединений приведены на стр. 50-51.

Таблица 4.

Концентрации загрязняющих веществ на различных расстояниях от дороги.

Данные таблицы показывают, что максимальная концентрация загрязняющих веществ преобладает преимущественно на расстоянии 0м от полотна дороги. По мере удаления от дороги концентрация загрязняющих веществ уменьшается, это говорит о том, что рассеивания этих веществ не происходит на большие расстояния.

Приоритетной примесью на расстоянии 0м от полотна дороги являются хлориды, а также их максимальная концентрация содержится на 10м от полотна дороги, по сравнению с другими примесями.

На расстоянии 5м от полотна дороги лидирующее место занимают ионы кальция.

Повышенное содержание хлорид-ионов и ионов кальция зависит от применения противогололедных смесей (NaCl, CaCl2) на магистралях, которое ведет к загрязнению почвенного покрова, грунтовых и поверхностных вод, угнетению растительности и т.д. Повышенное содержание Са также может зависеть от строительных работ, которые велись в парке Фрунзе во время отбора проб.

При сопоставлении значений рН и суммарных концентраций кислотообразующих соединений наблюдается следующая закономерность: увеличение концентрации кислотообразующих ионов ведет к снижению рН среды, а значит, и к закислению почв придорожных территорий.

Так, суммарные концентрации ионов в почвенном покрове парка Фрунзе со стороны ул. Чичерина составляют 1183,083 мг/кг на 0м от полотна дороги; 670,043 мг/кг - на 5м; 923,687 мг/кг - на 10м.

2.5. Расчет показателя химического загрязнения (ПХЗ) и исследование влияния на территорию парка им.Фрунзе.

При исследовании антропогенного воздействия загрязняющих веществ на почвенный покров необходимым является комплексная оценка степени загрязнения почвы. О химическом загрязнении почвы судят по концентрации тяжелых металлов, соединений серы и азота, хлоридов, карбонатов и гидрокарбонатов, взвешенных частиц и т.д. Поэтому степень загрязнения почвы оценивается по коэффициенту концентрации (К) и по суммарному показателю химического загрязнения (ПХЗ_с), который определяется по формуле

, (2.17)

где К_i - коэффициент концентрации i-го загрязняющего вещества

, (2.18)

где С_i - концентрация загрязняющего i-го компонента, мг/кг;

С_ф - фоновая концентрация загрязняющего i-го компонента, мг/кг.

Таблица 5.

Фоновые концентрации загрязняющих веществ, мг/кг

По ПХЗ почв можно проводить ранжирование территории, подвергающейся воздействию со стороны загрязняющих веществ (таблица 1).

В результате проведенных расчетов были получены следующие данные (таблица 6)

Таблица 6.

ПХЗ почв придорожной зоны на различных расстояниях от дороги.

Проанализировав результаты расчетов ПХЗ, можно провести ранжирование. По значению суммарного показателя химического загрязнения почв, имеющемуся от 8,891 до 33,942, почвы придорожной территории парка им. Фрунзе со стороны ул. Чичерина можно отнести к зоне критической экологической ситуации.

По коэффициенту концентрации приоритетной примесью на всех исследуемых расстояниях являются хлорид-ионы.

Выводы по второй главе.

В ходе проведенных исследований почвенных вытяжек на территории парка им. Фрунзе были определены величины рН среды и концентрации кислотообразующих ионов. В результате чего было выявлено, что ранжирование территории по рН определило следующее: на расстоянии 0м и 10м от дороги со стороны ул. Чичерина территория характеризуется как зона критической экологической ситуации, а на расстоянии 5м от дороги как территория с относительно удовлетворительной ситуацией.

Ранжирование по ПХЗ показано, что почвы придорожной территории парка им. Фрунзе отнесены к зоне критической экологической ситуации. Это связано с выбросами загрязняющих веществ автотранспортом. Поэтому возникла острая необходимость разработки таких мероприятий, которые бы позволили снизить выбросы автотранспорта или ослабить их негативное воздействие на качество среды исследуемого объекта (парк им. Фрунзе).

Градостроительные мероприятия. Наибольший выброс выхлопных газов имеет место при задержках машин у светофоров, при стоянке с невыключенным двигателем в ожидании зеленого света, при трогании с места и форсировании работы мотора. Поэтому в целях снижения выбросов необходимо устранить препятствия на пути свободного движения потока автомашин. В частности, сооружают специальные автомагистрали, не пересекающиеся на одном уровне с движением машин или пешеходов, специальные переходы для пешеходов на всех пунктах скопления машин, а также эстакады или тоннели для разгрузки перекрывающихся потоков транспорта.

Контроль выброса токсичных веществ. Для снижения загазованности воздушной среды необходимо ограничить количество вредных веществ, выделяемых каждым автомобилем, т.е. установить нормы выброса токсичных веществ с выхлопными газами. Соответствие автомобилей указанным стандартам (в частности, по содержанию оксида углерода и углеводородов в выхлопных газах) проверяют инспекторы ГИБДД.

Отметим при этом, что такое простое мероприятие, как регулировка двигателей, может резко снизить токсичность выхлопных газов.

Разработка эффективных способов и методов зимнего и летнего содержания дороги.

Это использование экологически безопасных химических реагентов, автоматизированных систем раннего оповещения об образовании гололеда, средств распределения противогололедных материалов с малыми расходами (5 - 20 г/м2), специальных покрытий с антигололедными свойствами и саморегулирующимися электронагревателями, аккумулированной теплоты.

Уничтожение нежелательной древесно-кустарниковой и травянистой растительности экологически безопасными, в том числе биологическими методами. Основной метод - ручная или механизированная рубка (уборка) растительности с утилизацией порубочных остатков (изготовление стеновых панелей, топливных брикетов и др.).

Использование методов защитного и эколандшафтного озеленения и благоустройства придорожной полосы. В придорожной полосе зеленые насаждения оказывают влияние на снижение уровня транспортного загрязнения по двум направлениям:

- поглощение вредных веществ листьями растений, смывание веществ с листьев, коры и осаждение их в почве;

- турбулизация приземных слоев воздуха.

Метод экстремального озеленения применяется при рекультивации и служит для восстановления почвенного и растительного покрова в неблагоприятных природно- климатических условиях. Включает органический питательный компонент (жидкий коллоидный концентрат) - носитель азота, фосфора сахара; сухие гранулы органического медленно действующего удобрения (почвенные грибки и бактерии); органический стабилизатор почвы для склеивания частиц почвы и компонент системы экстремального озеленения, а также средство защиты от эрозии на основе растительного волокна и семена трав.