Методи за контрол на промишлени отпадни води – част I

Сред основните методи, използвани за изследване на количествения и качествен състав на отпадните води от промишлеността, са спектроскопичните. Основават се на измененията в енергетичните характеристики на съответния материал в резултат на излъчването или поглъщането на електромагнитно лъчение от атомите/молекулите на изследваното вещество. 

Известно е, че енергетичните преходи в атомите имат електронен произход и се дължат предимно на преход на електрон между две орбитали. Същността на енергетичните преходи в молекулите е много по-сложна. Обект на разглеждане от страна на атомната спектрометрия са енергетичните преходи в атомите с цел получаване на информация за количествения и качествен състав на изследваните вещества. 

Според използваните начини за възбуждане, атомните спектрометрични методи се разделят в две основни групи:

• пламъкова фотометрия и
• спектрометрия с използване на електричен разряд.

Атомно-абсорбционната спектрометрия разглежда поглъщането на електромагнитно лъчение от атомите (във видимата и UV области на спектъра). Молекулната спектрометрия се основава на енергийните преходи в молекулите. На практика се изследва поглъщането на светлина с дължина, съответстваща на видимата и ултравиолетовата част на електромагнитния спектър от материала.

Поглъщането на електромагнитното лъчение от инфрачервената област на спектъра е обект на изследване на инфрачервената спектрометрия. Абсорбцията на електромагнитното лъчение от радиочестотната област е основа на ядрено-магнитната спектрометрия.

Масспектрометрията е деструктивен метод, при който отделните фрагменти от молекулите служат за определяне на емпиричната формула на молекулните тегла и за установяване на структурните особености на веществата. От спектрометричните методи за контрол на промишлени отпадни води в действащата в момента нормативна база се препоръчва използването на атомно-абсорбционна спектрометрия и газова хроматография.

Атомно-абсорбционна спектрометрия

Базира се на поглъщането на електромагнитна енергия от свободни атоми в структурата на изследваното вещество. Информация за количественото съдържание на даден елемент се получава чрез измерване на абсорбцията. Установено е, че тя зависи правопропорционално от концентрацията на поглъщащите атоми.

Приложението на атомно-абсорбционно спектрометричния метод се базира на следната схема. Първоначално анализираният материал се разтваря. Впоследствие чрез специално устройство полученият разтвор се впръсква в пламъка на газова горелка под формата на аерозол. Разтворителят се изпарява в пламъка. Поради високата температура, най-малките твърди частици се разпадат до свободни атоми. Малка част от тях преминават във възбудено състояние, приемайки енергия от пламъка. Останалата част от свободните атоми остават в основното си състояние. Възбуждат се от насочен към пламъка фотонен поток с честота, съответстваща на енергетичния преход на атомите от основно във възбудено състояние.

Като източник на енергия с такава честота, наречена резонансна, се използва електронна лампа. Анодът на лампата се изработва от волфрам, а катодът има формата на кух цилиндър. Електродите на лампата се монтират в стъклен балон, напълнен с хелий или аргон под налягане. 

При подаване на напрежение между електродите, газът се йонизира. За определени стойности на напрежението катионите поглъщат достатъчно количество енергия, за да избият атоми от повърхността на катода. Атомите поглъщат енергия от междуелектродното пространство, при което се възбуждат. Връщайки се в нормално си състояние, те излъчват електромагнитна енергия, чиято честота се определя от електронната конфигурация.

Лампите с описаното устройство се наричат газоразрядни с кух катод. За постигане на оптимални резултати при приложението на метода катодът се изработва от изследвания елемент.

Атомно-абсорбционната спектрометрия налага определени изисквания към използвания източник на енергия - да излъчва електромагнитния спектър на изследвания елемент; линиите на излъчване да са достатъчно тесни; интензивността на резонансното излъчване да е постоянна и фоновата емисия да е минимална. Газоразрядните лампи с кух катод по принцип се захранват с променливо напрежение. Излъчват значителен брой линии, което налага използването на монохроматор, чрез който към пламъка се насочва само линията с резонансна честота.

Устройство на приборите

Основните елементи в схемата на атомно-абсорбционните спектрофотометри са газоразрядна лампа с кух катод, горелка, монохроматор, процеп, фотоелектричен детектор, усилвател за променлив ток с детектираща схема и измервателен уред, който отчита интензивността на резонансното лъчение. Мярка за абсорбцията, а следователно и за концентрацията на определяния елемент, е разликата в интензивността на лъчението преди и след впръскване на анализирания разтвор в пламъка. 

Факторите с най-голяма значимост за постигане на максимална атомизация на изследваното вещество са съставът на газовете, скоростта на изтичане на газовете, видът и размерът на горелката, положението на пламъка спрямо преминаващия лъч, пулверизацията на пробата и вискозитетът на разтвора.

Характеристики на метода

Атомно-абсорбционната спектрометрия намира приложение за определяне на малки концентрации от метали. Чувствителността на метода зависи от концентрацията на използвания разтвор, която се определя в зависимост от конкретните условия (даден пламък, дължина на оптичния път, тип на уреда и др). От чувствителността на метода зависи работния диапазон от концентрации (обикновено максималната определяема концентрация не превишава повече от 100 пъти чувствителността). По принцип чувствителността при метода на атомната абсорбция е от порядъка на 10-4%.

Сред основните предимства на метода е голямата му селективност, която позволява малки концентрации от един елемент да бъдат определени при наличието на големи концентрации от други елементи. Друго предимство на атомно-абсорбционната спектрометрия е малкото количество на изследваното вещество, с което се работи. Също така предварителната обработка на пробата е минимална.

Методът е по-трудно приложим при изследване на метали, които образуват термоустойчиви съединения, като берилий, алуминий, ванадий, титан и др. Друг проблем при използването на метода създават вещества, които образуват с определяния елемент трудно атомизиращи се съединения. За отстраняването на подобен проблеми се добавят реактиви, разрушаващи термоустойчивите съединения.

Методи за анализ

В атомно-абсорбционната спектрометрия се използват два метода за анализ - на калибрационната крива и на стандартната добавка, които са базирани на зависимостта между абсорбцията и концентрацията.

Калибрационната крива представлява функционална зависимост между концентрацията и абсорбцията на определени стандартни разтвори, т.е. на разтвори с позната концентрация на изследвания елемент. При метода на калибрационната крива в пламъка последователно се въвеждат разтвори с позната концентрация на определяния елемент. Измерват се абсорбциите на стандартните и на анализирания разтвор. По резултантната калибрационна крива се съди за концентрацията на изследваното вещество.

При метода на стандартната добавка концентрацията на изследваното вещество се пресмята емпирично, на базата на измерените стойности на абсорбцията на стандартен и анализиран разтвор.

Тази таблица предоставя основна информация за всякакъв метод за контрол на промишлени отпадни води и се фокусира върху принципа на работа и общата ефективност на методите.

Метод на обработка	Принцип на работа	Ефективност
Физико-химическа обработка	Комбинира физико-химически процеси за премахване на замърсители	Висока ефективност при премахване на различни замърсители
Биологична обработка	Използва живи микроорганизми или бактерии за разграждане на органични замърсители	Ефективно премахва органични замърсители
Мембранна филтрация	Използва специални мембрани за задържане на замърсителите	Висока ефективност при премахване на различни замърсители
Химическа обработка	Използва химически процеси за обработка на отпадните води	Ефективно премахва определени замърсители
Физическа обработка	Използва физически процеси като флотация и сортиране за отстраняване на замърсители	Ефективно премахва определени замърсители

Източник: TLL Media; Снимки: Dreamstime

Ключови думи: Промишлени отпадъчни води   контрол   анализ на отпадъчни води   обработка на отпадъчни води  

Област: ВиК