Проблемы пробоотбора. Концентрирование. Превращение примесей в ходе пробоотбора и анализа

Важное место в аналитической химии занимают методы концентрирования микрокомпонентов. Иногда применяют так называемое абсолютное концентрирование – перевод микрокомпонентов из большого объема раствора в малый; это в ряде случаев позволяет снизить предел обнаружения. Однако гораздо большее значение имеет относительное концентрирование – это отделение определяемых микрокомпонентов от основы, от мешающих макрокомпонентов. Относительное концентрирование называют также обогащением. Этот вид концентрирования используют при анализе чистых веществ, а также металлов и сплавов, в ряде случаев при анализе минерального сырья. Относительное концентрирование можно осуществить двумя способами: либо путем выделения нужных для последующего определения микроэлементов, либо путем удаления основных компонентов.

В настоящее время роль концентрирования возрастает. Концентрирование часто способствует снижению относительного предела обнаружения в 100 – 1000 раз, а иногда и больше. Примером могут служить химико-спектральные методы; использование концентрирования ставит эмиссионный спектральный анализ вровень с такими высокочувствительными методами, как нейтронный активационный анализ. В отдельных случаях концентрирование обеспечивает снижение и абсолютного предела обнаружения. Так, в атомно-абсорбционном анализе введение в пламя горючего экстракта, являющегося концентратом микроэлементов, обычно благоприятно сказывается на условиях распыления и процессе атомизации, что в свою очередь и приводит к снижению предела обнаружения.

Применение концентрирования может увеличить точность определений за счет устранения различных мешающих влияний, но может и снижать ее из-за потерь определяемых компонентов или загрязнений извне. Суммарный эффект определяется рациональным подбором операций.

Концентрирование эффективно, когда необходимо применять стандартные образцы с известным содержанием компонентов, а анализировать приходится разнообразные по природе объекты. Если состав анализируемых материалов сильно различается, обеспечение стандартными образцами становится сложной проблемой. Предварительное концентрирование позволяет эту проблему полностью снять и проводить анализ с привлечением унифицированных стандартных образцов.

Концентрирование облегчает пробоотбор. Ошибка отбора средних проб твердых веществ возрастает с уменьшением размера аналитической пробы. Для некоторых методов малый размер пробы является существенным фактором, например, для масс-спектрометрии с искровым источником ионов, оперирующей с пробами в 10-20 мг. Концентрирование позволяет выделять определяемые компоненты из большой навески образца, что способствует уменьшению ошибки пробоотбора и в значительной мере устраняет влияние неоднородности образцов.

Предварительное концентрирование микрокомпонентов расширяет круг объектов, которые можно анализировать выбранным методом. В отдельных случаях концентрирование расширяет число компонентов, которые можно определять данным методом, хотя иногда число компонентов, напротив, снижается.

Но у концентрирования есть и недостатки. В большинстве случаев оно удлиняет анализ, а также часто усложняет его. Для осуществления концентрирования нужны реактивы высокой чистоты (когда определяются распространенные элементы, например железо, фосфор), причем иногда в немалых количествах; в отдельных случаях требуется специальная аппаратура и освоение специфических приемов работы. Процесс концентрирования может сопровождаться потерями определяемых элементов или внесением загрязнений извне. Однако достоинства концентрирования перекрывают его недостатки.

В настоящее время наибольшее распространение получили следующие методы предварительного концентрирования:

· экстракция (в том числе экстракционная хроматография);

· соосаждение и осаждение;

· дистилляционные методы (отгонка, фракционное испарение, сублимация);

· адсорбционная, распределительная, осадочная хроматография и ионный обмен;

· электрохимические методы (электроосаждение, электродиализ, цементация, ионофорез);

· зонная плавка, озоление.

Известны и другие методы – ультрацентрифугирование, диализ, диффузия и термодиффузия, электродиффузия, флотация.

При выборе приема концентрирования важна информация или предположения о формах существования микрокомпонентов, присутствующих в пробе, степени окисления элементов, равномерности распределения их по объему, однородности природы (минеральной или органической), состоянии в растворе (ионное или коллоидное).

Следует остановиться на некоторых особенностях отдельных методов предварительного концентрирования.

Экстракция– наиболее важный и распространенный метод концентрирования. Он отличается универсальностью, пригоден и для сброса матрицы, и для отделения микрокомпонентов, обеспечивает довольно высокую эффективность концентрирования. В зависимости от поставленной задачи концентрацию можно применять для группового и избирательного концентрирования. Метод прост, в большинстве случаев экспрессен, сравнительно легко поддается автоматизации. Недостаток метода – относительно невысокая степень концентрирования; правда, экстракционная хроматография обеспечивает очень высокую степень абсолютного концентрирования.

Соосаждение,основанное на выделении в осадок микрокомпонентов с органическим или неорганическим коллектором, не нашло столь широкого распространения, как экстракция, из-за большей трудоемкости и длительности. Микрокомпоненты часто выделяются не полностью. Однако по степени абсолютного концентрирования, простоте операции и аппаратурного оформления соосаждение является одним из лучших методов.

Дистилляционные методыконцентрирования, основанные на разнице в температурах испарения (возгонки) матрицы и микрокомпонентов, получили широкое распространение благодаря простоте, большой степени абсолютного концентрирования, экспрессности, малой поправке на холостой опыт.

Достоинствами некоторых хроматографических методов являются возможность осуществления в одном приборе метода концентрирования и метода определения, а также экспрессность определения, возможность разделения компонентов с близкими свойствами. Методы используются даже для анализа микроколичеств веществ.

С помощью электрохимических методов можно осуществлять и групповое, и избирательное концентрирование. В отдельных вариантах (электроосаждение на ртутном и твердом катоде, цементация) достигаются большие коэффициенты концентрирования. Оборудование для концентрирования несложное, поправка на холостой опыт невелика, так как электрохимические методы не требуют применения большого количества вспомогательных реактивов.

Как видим, не существует универсального метода предварительного концентрирования. Каждый метод имеет свою сферу применения в зависимости от поставленных перед химиком-аналитиком задач, свои достоинства и ограничения.

Особое место занимает так называемый пробирный метод концентрирования, используемый при определении благородных металлов в различных объектах, например в рудах. В нем объединено разложение анализируемого объекта и концентрирование определяемых элементов. Суть этого очень старого приема состоит в том, что анализируемый образец сплавляют со свинцом, в расплав свинца переходит золото и большинство платиновых металлов. Королек застывшего после плавки свинца и есть концентрат; его извлекают и после некоторых промежуточных операций анализируют каким-либо методом. Теория пробирной плавки пока не очень хорошо разработана, метод можно, видимо, рассматривать с позиций экстракции расплавленным металлом. Несмотря на неполное теоретическое обоснование пробирный метод очень широко распространен. Вместо свинца используют и другие металлы и их соединения, например сульфид никеля.

Наилучший метод наблюдений –метод мониторинга на определенных стационарах с использованием современных датчиков, дистанционного зонирования.

Когда экосистему изучают без нарушения ее функционирования, это относится к наблюдениям, даже если в исследованиях применяют какую-либо аппаратуру, например датчики. Исследования, связанные с вмешательством состав или структуру экосистемы (введение дополнительных факторов – внесение удобрений, химических средств борьбы с вредными видами, орошение, осушение и др.), относятся к экспериментам. Они могут быть однофакторными или многофакторными (изучают один или несколько изменяющихся факторов), непреднамеренными антропогенными.

Наблюдаемые факторы проверяют на математических моделях, Часто применяют и биологические модели – экосистемы из организмов, создаваемых в лабораториях. Это промежуточный этап между природными экосистемами и математическими моделями.

Моделирование– основа научного анализа системной экологии. Процесс перевода физических, биохимических, биологических представлений об экосистемах в ряд зависимостей и операции над полученной математической системой называют системным анализом.

При моделировании стремятся создать упрощенную модель, сходную с оригиналом. Свойства и поведение модели можно эффективно исследовать, а результаты применить к оригиналу. Для моделирования используют различные методы, в том числе модели идеализированных экосистем.

Моделирование природных процессов– метод анализа результатов исследований экологических проблем путем упрощения сложных экосистем, применения математических методов, кибернетики, ЭВМ. Степень детализации моделей зависит от уровня их вхождения в общую структуру системы, конкретных пространственно-временных характеристик моделируемых на определенных уровнях природных процессов. Модели общего характера отражают информационную взаимосвязь различных уровней экосистем, включают многофункциональные проявления объектов среды для прогнозирования путей эволюции экологических систем, создания моделей более совершенных экосистем по сравнению с существующими.

В экологии часто применяют колориметрические, хроматографические, спектрометрические, изотопные методы исследований.

Количество и периодичность отбора проб воды в местах водозабо­ра устанавливаются с учетом требований, указанных в табл. 9.2.2.

Таблица 9.2.2

Техника отбора проб воды в местах водозабора

Виды показателей

Количество проб в течение одного года,

не менее

 

для подземных источников

для поверхностных

источников

Микробиологические

4 (по сезонам года)

12 (ежемесячно)

Паразитологические

не проводятся

-"-

Органолептические

4 (по сезонам года)

12 (ежемесячно)

Обобщенные

-"-

-"-

Неорганические и орга-нические вещества

1

4 (по сезонам года)

Радиологические

1

1

Виды определяемых показателей и количество исследуемых проб питьевой воды перед ее поступлением в распределительную сеть устанавливаются с учетом требований, указанных в таблице 9.2.3.

Таблица 9.2.3

Требования к технологии контроля качества питьевой воды

Виды показателей

Количество проб в течение одного года

Для подземных

источников

Для поверхностных

источников

Численность населения, обеспечиваемого водой из данной системы водоснабжения, тыс. чел.

до 20

20- 100

свыше 100

до 100

свыше 100

Микробиологические

50

150

365

365

365

Паразитологические

не проводятся

12

12

Органолептические

50

150

365

365

365

Обобщенные показа­тели

4

6

12

12

24

Неорганические и органические вещества

1

1

1

4

12

Показатели, связан­ные с технологией водоподготовки

Остаточный хлор, остаточный озон – не реже одного раза в час, остальные реагенты не реже одного раза в смену

Радиологические

1

1

1

1

1