VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Содержание

Введение…………………………………………………………………………..5

Глава 1. Литературный обзор………………………………………………….7

1.  

   1. Краткая характеристика озер, их классификация, источники загрязнения…………………………………………………………………7

   2. Химический состав природных вод и условия его формирования………………………………………………………………9

   3. Основные источники загрязнения озер………………………………….13

   4. Возможности комплексной экологической классификации природных вод и оценки их качества……………………………………….………...14

   5. Химический состав донных отложений и условия его формирования……………………………………………………………..18

   6. Тяжелые металлы в донных отложениях и в природной воде, формы нахождения и источники их поступления………………………………19

Глава 2. Экспериментальная часть………………………………………….29

2.1. Аппаратура…………………………………………………………………29

2.2. Приготовление растворов………………………………………………...31

2.2.1. Приготовление растворов для атомно-абсорбционного определения металлов на атомно-абсорбционном спектрофотометре с термической атомизацией пробы “спираль-17”………………………………………………31

2.2.2. Приготовление растворов для атомно-абсорбционного определения металлов на атомно-абсорбционном спектрофотометре SHIMADZU AA-6300……………………………………………………………………………….33

2.2.3. Приготовление растворов для фотометрического определения фосфора…………………………………………………………………………..36

2.2.4. Приготовление растворов для турбидиметрического определения сульфатов…………………………………………………………………………37

2.2.5. Приготовление растворов для титриметрического определения перманганатной окисляемости………………………………………………….38

2.2.6. Приготовление растворов для титриметрического определения кальция и магния………………………………………………………………………….38

2.2.7. Приготовление растворов для титриметрического определения хлоридов………………………………………………………………………….39

2.2.8. Приготовление растворов для потенциометрического определения гидрокарбонатов и карбонатов………………………………………………….39

2.2.9. Приготовление растворов для метода жидкостной хроматографии…………………………………………………………………..40

2.2.10. Приготовление растворов для метода капиллярного электрофореза……………………………………………………………………40

2.3. Методика пробоподготовки донных отложений………………………42

2.3.1. Приготовление водной и кислотной вытяжки ДО ……………………..42

2.3.2. Озоление донных отложений…………………………………………….42

2.4. Методики определения……………………………………………………43

2.4.1. Методика определения металлов Fe, Mn, Cu, Pb, Ni, Zn, Cr и Cd, в золе донных отложений и в воде методом атомно-абсорбционной спектроскопии……………………………………………………………………43

2.4.2. Определение фосфора фотометрическим методом………………….....44

2.4.3. Определение сульфатов турбидиметрическим методом……………….45

2.4.4. Определение перманганатной окисляемости титриметрическим методом…………………………………………………………………………...45

2.4.5. Определение хлоридов титриметрическим методом………………...........................................................................................46

2.4.6. Определение кальция и магния титриметрическим методом…………………………………………………………………………...47

2.4.7.Определение гидрокарбонатов и карбонатов методом потенциометрического титрования…………………………………………….49

2.4.8. Определение pH и УЭП водной вытяжки донных отложений………………………………………………………………………..50

2.4.9. Определение анионов методом жидкостной хроматографии…………………………………………………………………...50

2.4.10. Определение катионов методом капиллярного электрофореза……………………………………………………………………50

2.5. Математическая обработка результатов……………………………….51

Глава 3. Результаты эксперимента и обсуждение………………………….52

Выводы…………………………………………………………………………..72

Список литературы…………………………………………………………….73

Введение

Вода – единственная природная жидкость, имеющаяся на поверхности земли в огромном количестве. Она находится не только в гидросфере, но и в атмосфере, литосфере. Рациональное использование и охрана водных ресурсов – одна из важнейших проблем современности, решение которой невозможно без всестороннего исследования водоемов. Растущие масштабы хозяйственной деятельности человека ведут к резкому увеличению использования ресурсов поверхностных пресных вод. Важнейшее значение в современных условиях придается изучению экологического состояния водных ресурсов, связанного с антропогенным загрязнением [1].

Загрязнение представляет собой качественное истощение вод, основной, но не единственной, причиной которого является поступление неочищенных или недостаточно очищенных стоков.

Рациональное использование и охрана водных ресурсов – одна из важнейших проблем современности, решение которой невозможно без всестороннего исследования водных объектов. Поверхностные воды в большей степени подвержены антропогенному вмешательству в виду растущих масштабов хозяйственной деятельности человека. В связи с этим очевидна необходимость адекватной оценки состояния водных ресурсов.

Один из наиболее объективных и надежных показателей загрязнения водоема и общей антропогенной нагрузки на него – содержание тяжелых металлов (ТМ), в воде, в почве и донных отложениях (ДО) [2]. При организации экологического мониторинга необходимо изучать содержание ТМ, возможные пути и факторы их поступления в водные объекты.

Целью данной работы являлось проведение комплексного химико-экологического мониторинга вод озер Среднее и Большое Песьяное Упоровского района.

Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

• Изучить гидрохимический состав поверхностных вод озер Среднее и Большое Песьяное Упоровского района и факторы, влияющие на его формирование;

• Провести отбор и пробоподготовку проб воды, колонок донных отложений;

• Определить основные геохимические показатели: (pH, электропроводность, ППП) и содержание некоторых тяжелых металлов в исследуемых объектах;

• Провести оценку качества поверхностных вод доступными методами по результатам исследований;

• Проанализировать результаты, полученные в ходе исследования водных объектов Упоровского района.

Глава 1. Литературный обзор

1.  

   1. Краткая характеристика озер, их классификация, источники загрязнения

Озеро – компонент гидросферы, представляющий собой естественно возникший водоём с замедленным водообменом, расположенный в углублениях суши (котловинах), заполненных в пределах озёрной чаши (озёрного ложа) водой и не имеющий непосредственного соединения с морем (океаном) [3]. Озёра регулируют сток рек, задерживая в своих котловинах полые воды и отдавая их в другие периоды. Заполняющее озера вещество обновляется значительно реже, чем в реках, а имеющиеся в нём течения не являются преобладающим фактором, определяющим его режим. Благодаря значительной тепловой инерции водной массы крупные озера смягчают климат прилегающих районов, уменьшая годовые и сезонные колебания метеорологических элементов. Зарастание озер создает новые формы рельефа, равнинные или даже выпуклые. Озера и, особенно, водохранилища часто создают подпор грунтовых вод, вызывающий заболачивание близлежащих участков суши. В результате непрерывного накопления органических и минеральных частиц в озерах образуются мощные толщи донных отложений. Эти отложения видоизменяются при дальнейшем развитии водоемов и превращении их в болота или сушу. При определенных условиях они преобразуются в горные породы органического происхождения [3]. Форма, размеры и рельеф дна озёрных котловин существенно меняются при накоплении донных отложений.

Различные типы озер различаются по происхождению озерной котловины, водному режиму, минерализации и химическому составу озерных вод, температурному режиму, органическому миру и другим признакам [4]. К настоящему времени опубликовано множество классификации, основанных на различных принципах и имеющих разное практическое применение и значение.

По происхождению озёра делятся на:

• Тектонические: образуются путем заполнения трещин в земной коре.

• Ледниковые: образуются тающим ледником.

• Речные (или старицы).

• Приморские (лагуны и лиманы)

• Провальные (карстовые, термокарстовые)

• Завально-запрудные: образуются при обрушении части горы.

• Горные: расположенные в горных котловинах.

• Кратерные: расположены в кратерах потухших вулканов и трубок взрыва.

• Искусственные (водохранилища, пруды).

По происхождению котловин все озера делятся на:

• Платинные, образующиеся путем перегораживания речной долины.

• Котловинные, расположенные в углублениях поверхности суши.

По термической классификации выделяют:

• Полярные озера - поверхностные температуры не превышают 40 ⁰C.

• Умеренные поверхностные температуры могут быть выше и ниже 40 ⁰C.

• Тропические поверхностные температуры всегда выше 40 ⁰C [5].

По водному балансу озера делятся на:

• Сточные (имеют сток преимущественно в виде реки).

• Бессточные (не имеют поверхностного стока или подземного отвода воды в соседние водосборы; расход воды происходит за счёт испарения)

По питательности содержащихся в озере веществ (трофности) различают 3 типа озер:

• Олиготрофные (с малым содержанием питательных веществ).

• Эвтотрофные (с большим содержанием питательных веществ).

• Дистрофные (бедные питательными веществами).

В современной гидрологии и гидроэкологии выделяют промежуточные уровни трофической классификации: мезотрофные (между олиготрофными и эвтотрофными) и гипертрофные [3].

1.  

   1. Химический состав природных вод и условие его формирования.

Формирование химического состава природных вод – это процесс обмена химическими веществами природных вод с другими природными средами (атмосфера, породы, почвы, растительный и животный мир) в различных физико-географических условиях, в результате чего в природные воды переходят или извлекаются из них растворенные, газообразные, коллоидные и взвешенные вещества. Формирование химического состава природных вод – процесс сложный, многогранный, зависящий от комплекса разнообразных факторов, связанных с функционированием водных экосистем и от окружающего водоем ландшафта.

При формировании состава вод выделяют главные и второстепенные факторы, а также прямые и косвенные.

К главным факторам относят те, которые определяют состав вод, то есть способствуют формированию вод конкретного гидрохимического типа (хлоридного, сульфатного, и т.д.).

Второстепенные факторы способствуют появлению в воде компонентов, придающих определенному типу воды некоторые особенности, но тип воды при этом остается неизменным.

Прямые факторы, непосредственно воздействуют на воду (то есть воздействие веществ, которые могут обогащать воду растворенными соединениями или наоборот, выделять их из воды): состав горных пород, живые организмы, хозяйственная деятельность человека;

Косвенные факторы, определяющие условия, в которых протекает взаимодействие веществ с водой: климат, рельеф, гидрологический режим, растительность, гидрогеологический и гидродинамические условия и прочее.

По характеру факторы, определяющие формирование химического состава природных вод, делятся на такие группы:

• Физико-географические (рельеф, климат, выветривание, почвенный покров).

• Геологические (состав горных пород, тектоническое строение, гидрогеологические условия)

• Физико-химические (химические свойства элементов, кислотно-щелочные и окислительно-восстановительные условия, смешивание вод и катионный обмен)

• Биологические (жизнедеятельность живых организмов и растений).

• Антропогенные (искусственные) - все факторы, связанные с деятельностью человека.

Условия формирования природных вод зависят от соотношения и последовательности проявления указанных факторов. Их роль для поверхностных и подземных вод неодинакова.

Химический состав природных вод представляет собой сложный комплекс растворенных газов, различных минеральных солей и органических соединений. В природных водах растворены почти все известные на земле химические элементы. Химический состав внутренних вод, на которые сильнее всего оказывает воздействие человек, зависит еще и от дождевых осадков, температуры, типа почвы и пород дна водоема, морфологии флоры и фауны, а также от длительности воздействия перечисленных факторов [6].

Химический состав природных вод по предложению советского ученого О.А. Алекина условно делят на пять групп [17]:

1. Главные ионы. К числу главных ионов, содержащихся в природных водах, относятся ионы: Cl^-, SO₄^2-, HCO₃^-, Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺ и K⁺, который образуют основную часть их минерального состава.

2. Растворенные газы. Во всех природных водах растворены те или иные газы. Наиболее широко распространены в поверхностных водах кислород O₂ и диоксид углерода CO₂ а в подземных – сероводород H₂S и метан CH₄. Кроме того во всех природных водах постоянно присутствует азот N₂ [7].

3. Биогенные вещества. К биогенным веществам относятся соединения кремния, азота и фосфора. Азот и фосфор являются составной частью всех тканей живых организмов и поэтому, им принадлежит ведущая роль в развитии жизни в водоемах. Концентрация этих элементов и их режим целиком зависят от интенсивности биохимических и биологических процессов, происходящих в водоемах.

4. Органическое вещество. Химический состав органических веществ весьма сложен и зависит от их происхождений. Суммарное количество, содержащегося в воде органического вещества, определяют: по разности между сухим остатком и потерей при прокаливании (с учётом изменения ионного состава воды) или по окисляемости воды.

5. Микроэлементы (микрокомпоненты). Микрокомпонентами называют такие элементы, среднее содержание которых в водах обычно составляет менее 10 мг/дм³. Но такое отнесение компонентов природных вод является абсолютно условным.

Формы нахождения микрокомпонентов в растворе многообразны. Они могут присутствовать в природных водах в виде взвесей, коллоидов (гидроксиды металлов), в форме комплексов, образуемых с гумусовыми и другими органическими кислотами в виде недиссоциированных молекул¸ ионов, продуктов гидролиза, свободного иона и т.д. [7,11-12].

В настоящее время существуют несколько классификаций вод по химическому составу. Все используемые классификации учитывают только главные анионы и катионы, присутствующие в природных водах.

Классификация природных вод О.А. Алекина (1946 г.) применяется наиболее широко [17]. В ее основу положены 2 принципа: преобладающих ионов и соотношений между ионами.

Преобладающими считаются ионы с наибольшим относительным содержанием в процентах в пересчете на количество вещества эквивалента. Все природные воды по преобладающему аниону делят на 3 класса: гидрокарбонатные и карбонатные, сульфатные, хлоридные. Каждый класс по преобладающему катиону делят на 3 группы вод: кальциевую, натриевую и магниевую. Каждая группа в свою очередь подразделена на 4 типа вод, определяемых соотношением между ионами в эквивалентах.

Возможность существования природных вод других классов (нитратно-боратный) не исключена, но маловероятна. Более реально преобладание в некоторых природных водах кремниевой кислоты, но она почти полностью не диссоциирована и не уравновешивает катионы. Выделение в отдельный класс природных вод с преобладанием органического вещества невозможно, так как органическое вещество природных вод обладает весьма сложным составом [11,18].

Классификация вод по минерализации. Единого мнения о принципах подразделения природных вод по минерализации нет. Общепринятым является только значение минерализации, характеризующая границу пресных вод, то есть 1г/дм³. Граничные значения минерализации природных вод обосновывают либо с теоретической позиции (М.Г. Валяшко, И.К. Зайцев), либо на основании региональных исследований (Н.И. Толстихин), либо с учетом практического использования воды.

Таблица 1.3. Классификация природных вод по минерализации (Посохов Е.В., 1966 год) [11,18].

Воды	Минерализация, ‰ (г/кг)
Пресные воды а) сверхпресные б) весьма пресные в) очень пресные г) особо пресные д) умеренно пресные е) пресноватые Соленые воды а) слабосолоноватые б) среднесолоноватые в) сильносолоноватые г) слабосоленые д) среднесоленые е) нормальносоленые Рассолы а) крепкосоленые воды-очень слабые рассолы б) слабые в) средние г) крепкие д) очень крепкие е) очень крепкие ж) сверхкрепкие

Код для цитирования: Скопировать