Способ определения тяжелых металлов из растворов

 

Изобретение относится к области аналитической химии и может быть использовано для определения микроколичеств тяжелых металлов: Cd, Сu, Со, Ni, Zn в природных и сточных водах. Способ определения тяжелых металлов из растворов включает их сорбцию тонкодисперсным синтетическим гидросиликатом кальция (ГСК) при соотношении массы пробы и ГСК 2000-2200:1. Способ позволяет увеличить коэффициент концентрирования металлов и ускорить их соосаждение. 4 табл.

Изобретение относится к области аналитической химии и может быть использовано для определения микроколичеств тяжелых металлов: Сu, Zn, Cd, Pb, Co, Ni в природных и сточных водах.

Известен способ концентрирования Pb, Cu, Cd и их последующего определения атомно-абсорбционным методом из растворов (А.с. SU 1576852, G 01 N 1/28, 31/00. Способ концентрирования свинца, меди, кадмия из растворов), включающий соосаждение концетрируемых металлов с коллектором - смесью гидроксида магния и карбоната кальция в соотношение 1:(4-5) при воздействии ультразвуковых колебаний частотой 18-24 кГц, интенсивностью 1,4-2,5 Вт/см² в течение 20-25 с.

Вначале в анализируемую воду вводят сульфат магния, хлорид кальция, приливают карбонат натрия и гидроксид натрия до рН 14, получают коллектор-Mg(ОН)₂ и СаСО₃ и подвергают систему воздействию ультразвуковых (УЗ) колебаний частотой 18 кГц, интенсивностью 2,0 Вт/см² в течение 20 с. Осадку дают осесть, сифонируют прозрачную жидкость, а оставшуюся часть раствора отделяют от осадка центрифугированием. Осадок растворяют в соляной кислоте и устанавливают содержание Pb, Сu, Cd атомно-абсорбционным методом. При введении в раствор 1,5 мкг/л металлов, после концентрирования и растворения осадка-концентрата обнаружено, мкг/л: 1,46 Pb, 1,48 Сu, 1,57 Cd. Коэффициент концентрирования 1000; значение относительного стандартного отклонения при определении по 1,5 мкг/л свинца, меди и кадмия, %: 2,2; 1,5; 1,3. Время получения концентрата 0,8-1,0 ч.

Недостатками указанного способа являются многостадийность процесса концентрирования, связанная с введением в раствор сульфата магния, хлорида кальция, карбоната натрия, гидроксида натрия, переход матричных элементов в анализируемый раствор, что снижает воспроизводимость определения, обязательное воздействие ультразвука и высокое значение рН раствора.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ атомно-абсорбционного определения тяжелых металлов после их сорбционного концентрирования на композиционном сорбенте КХС-2 (А.с. SU 1606903, G 01 N 1/28. Способ определения тяжелых металлов). Способ заключается в сорбционном концентрировании Ni, Со, Cd, Сu на композиционном сорбенте КХС-2, представляющем собой смесь окисленного угля и полиакрилнитрильного волокна, модифицированную хиноксалин-2,3-дитиолом. Сорбцию проводят из растворов при рН 6,6-8,8 и соотношении массы сорбента и пробы 1:1000, перемешивают на электромеханическом вибраторе 45 мин. Затем сорбент отделяют, промывают его дистиллированной водой, подсушивают на воздухе и озоляют в фарфоровом тигле, сначала на электрической плите, а затем - в муфельной печи при 500-550^oС в течение 30-40 мин. Остаток в тигле после озоления растворяют в 5 мл свежеприготовленной смеси (1:3) хлороводородной и азотной кислот. Раствор упаривают до влажных солей. Соли растворяют в 5 мл 2М хлороводородной кислоты и определяют атомно-абсорбционным методом.

Коэффициент концентрирования 200-1000; относительное стандартное отклонение 0,04; степень извлечения металлов 98-99%; время анализа 1-3 ч.

Предел обнаружения, мкг/л: медь 0,008; кадмий 0,001; кобальт 0,03; никель 0,01.

Недостатками указанного способа является трудоемкость, низкая чувствительность, многостадийность, продолжительность анализа, невозможность многократного использования сорбента для анализа, а также недостаточно высокий коэффициент концентрирования (200-1000).

Техническим результатом, на достижение которого направлено настоящее изобретение, является увеличение коэффициента концентрирования, упрощение и ускорение анализа, многократное использование сорбента, уменьшение относительного стандартного отклонения, повышение чувствительности.

Поставленная цель достигается предлагаемым способом, включающим соосаждение Сu, Zn, Cd, Pb, Co, Ni из больших объемов природных и сточных вод на синтетическом гидросиликате кальция (ГСК), при рН раствора 5-8,5, соотношение массы сорбента и пробы 1:(2000-2200). Сорбцию осуществляют путем фильтрации пробы воды через навеску ГСК. Осажденные металлы легко десорбируются путем обработки сорбента НNO₃. Содержание металлов устанавливают из полученных растворов атомно-абсорбционным методом (Ю.А.Золотов, Н.М.Кузьмин. Концентрирование микроэлементов. М. : Химия, 1982). Выбор в качестве сорбента гидросиликата кальция обусловлен тем, что синтетический ГСК тонкодисперсен (размер частиц 3-12 мкм), имеет очень высокоразвитую поверхность (поверхность 1 г ГСК составляет 36-42 м²).

Синтетический гидросиликат кальция после выделения металлов и промывки его дистиллированной водой можно использовать многократно.

Предлагаемый способ позволяет определять тяжелые металлы в различных объектах: в сточных и природных водах, растворах солей щелочных и щелочноземельных металлов и т.д.

Предложенные условия проведения опыта и соотношение масс сорбента и пробы служат поставленной цели. При рН менее 5 не достигается количественного извлечения металлов из растворов. При рН более 8,5 степень извлечения металлов также снижается до 88-93%. Соотношение массы ГСК и пробы 1:(2000-2200) является оптимальным, т.к. при изменении границ интервала для сорбента менее 1: 2200 степень извлечения металлов снижается до 85%, а увеличение более 1: 2000 нерационально из-за уменьшения коэффициента концентрирования и перерасхода синтетического ГСК.

Для осуществления данного способа используют следующие реагенты: Синтетический ГСК: Патент 2090501 Способ получения тонкодисперсного волластонита. Размер частиц ГСК 3-25 ммк, нерастворим в азотной кислоте. Содержание СаО 46,2%, SiO₂ 53,2%; примеси Na, Mg, A1, К, Ti 0,5%; HNO₃ х.ч.; CuSО₄•5H₂O х.ч.; ZnSО₄•7H₂О х.ч.; 3CdSО₄•8H₂О х.ч.; Рb(NO₃)₂x.ч.; CoSО₄•7H₂О х.ч.; NiSО₄•7H₂О х.ч.

Концентрирование металлов из модельной пробы воды.

Пример 1.

Берут навеску синтетического ГСК 1 г, помещают его на фильтр (белая или синяя лента) и через ГСК фильтруют модельную пробу воды, приготовленную из дистиллата и содержащую 2 мкг/л Сu, Zn, Cd, Pb, Со, Ni, рН_{раствора} 6,3. Объем пробы 2000 мл. Время фильтрации 10 мин. Сорбент, содержащий металлы, обрабатывают 5 мл 2М азотной кислоты. В полученном азотнокислом растворе устанавливают содержание Сu, Zn, Cd, Pb, Со, Ni атомно-абсорбционным методом. В растворе обнаружено, мкг/л: 1,96 Сu; 2,02 Zn; 2,06 Cd; 1,97 Pb; l,95 Co; 2,04 Ni (введено по 2 мкг/л). Коэффициент концентрирования 2000; степень извлечения, %: 99,2 Cu; 99,l Zn; 99,5 Cd; 99,4 Pb; 99,3 Со. Время анализа 0,5 ч.

Пример 2. Концентрирование металлов из природной воды.

Опыт проводят так же, как описано в примере 1, с той разницей, что используют пробу природной воды, предварительно проанализированную, мкг/л: Cu 2,2; Zn 3,3; Cd 0,9; Pb 0,6; Co 0,5; Ni 0,4, в которую вводят по 2 мкг/л Сu, Zn, Cd, Pb, Со, Ni. Преимуществом предлагаемого способа концентрирования является исключение необходимости предварительной обработки пробы воды с целью разрушения металлоорганических соединений, так как они количественно соосаждаются на ГСК. Относительное стандартное отклонение при числе параллельных определений равном 10 составило не более 0,03-0,04. После проведения операций концентрирования в растворе обнаружено, мкг/л: Cu 4,2; Zn 5,3; Cd 2,9; Pb 2,6; Co 2,5; Ni 2,4 (введено по 2 мкг/л). Коэффициент концентрирования 2000; степень извлечения, %: 99,1 Сu; 99,2 Zn; 99,5 Cd; 99,3 Pb; 99,2 Co; 99,3 Ni. Время анализа 0,5 ч.

Пример 3. Многократное применение синтетического гидросиликата кальция.

Берут навеску синтетического ГСК, использованную в примере 1, помещают его на фильтр (белая или синяя лента) и через ГСК фильтруют модельную пробу воды, приготовленную из дистиллата и содержащую известное количество металлов 2 мкг/л: Cu, Zn, Cd, Pb, Co, Ni. Объем пробы 2000 мл. Время фильтрации 10 мин. Сорбент, содержащий металлы, обрабатывают 5 мл 2М азотной кислоты. В полученном азотнокислом растворе устанавливают содержание Сu, Zn, Cd, Pb, Со, Ni атомно-абсорбционным методом. В растворе обнаружено, мкг/л: 1,94 Сu; 2,03 Zn; 2,05 Cd; 1,96 Pb; 1,95 Со; 2,04 Ni. Соотношение массы ГСК и пробы 1:2000; степень извлечения, %: 99,1 Сu; 99,2 Zn; 99,5 Cd; 99,3 Pb; 99,2 Co; 99,3 Ni. Время анализа 0,5 ч.

Подобным образом сорбцию и десорбцию на одной и той же навеске синтетического ГСК осуществляли 10 раз в приведенных условиях. При этом сорбент не меняет своих свойств. В последнем анализе коэффициент концентрирования составил 2000, степень извлечения, %: 99,0 Сu; 99,1 Zn; 99,4 Cd; 99,1 Рb; 99,1 Со; 99,2 Ni. Время анализа 0,5 ч.

В табл. 1 приведены данные влияния рН растворов на степень извлечения металлов гидросиликатом Са при соотношении массы коллектора пробы 1:2000 (V - 2000 мл; m_{сорбента} - 1 г; концентрация металлов 2 мкг/л).

В табл. 2 представлены данные по влиянию соотношения объема исследуемой воды к массе гидросиликата Са на степень извлечения металлов из раствора.

В табл. 3 представлена зависимость степени извлечения металлов от условий десорбции тяжелых металлов HNO₃. Условия сорбции тяжелых металлов по примеру 1.

В табл. 4 дан сопоставительный анализ известного (прототип) и предлагаемого способов концентрирования металлов из водных растворов.

Таким образом, предлагаемый способ определения металлов по сравнению со способом-прототипом имеет следующие преимущества: 1) Сокращение трудоемкости анализа и исключение многочисленных операций.

2) Повышение коэффициента концентрирования.

3) Упрощение определения тяжелых металлов.

4) Многократное использование сорбента.

5) Снижение относительного стандартного отклонения.

6) Сокращение времени анализа в 2-3 раза.

7) Повышение чувствительности анализа.

Формула изобретения

Способ определения тяжелых металлов, включающий сорбцию металлов из растворов, извлечение сорбированных металлов для последующего количественного определения атомно-абсорбционным методом, отличающийся тем, что сорбцию проводят на синтетическом гидросиликате кальция при соотношении массы пробы и сорбента 2000-2200: 1, рН раствора 6,0-8,5, а десорбцию металлов осуществляют раствором азотной кислоты.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2