Нейтронно-активационный метод анализа определения химических элементов в подземных и производственных сточных водах

АННОТАЦИЯ

В данной статьи приведены результаты определения химических элементов в подземных и производственных сточных водах нейтронно-активационным методом анализа. Изучение валового содержания и изменение их концентрации в подземных и производственных сточных водах позволяет определить их полный химический состав и степень загрязненности за счет производственных процессов. Определение концентрации химических элементов в подземных и производственных сточных водах предоставляет возможность в разработке мероприятий по предотвращению загрязнения данных вод и дает возможность повторного использования в производстве.

ABSTRACT

This article presents the results of the determination of chemical elements in underground and industrial wastewater by neutron activation methods of analysis. The study of the gross content and the change in their concentration in groundwater and industrial wastewater makes it possible to determine their full chemical composition and degree of pollution due to production processes. Determination of the concentration of chemical elements in groundwater and industrial wastewater to provide an opportunity in the development of measures to prevent the pollution of these waters and reuse in production.

Ключевые слова: нейтронно-активационный метод, подземная вода, валовое содержание, изменение химического состава, полный химический анализ, загрязняющие факторы, производственные сточные воды, повторное использование.

Keywords: Neutron activation method, ground water, gross content, changes in chemical composition, complete chemical analysis, polluting factors, industrial waste water, reuse.

Актуальность. Исследования, проведенные в последние годы, показывают, что в подземных и производственных сточных водах присутствует более 60 химических элементов. Для определения этих химических элементов применяют различные химические, физические, физико-химические и ядерно-физические методы анализа. Из этих методов ядерно-физические методы анализа в инструментальном нейтронно-активационном варианте являются приемлемыми для количественного определения содержания химических элементов в подземных и производственных сточных водах [1; 6; 2; 5; 7].

Целью исследования является разработка нейтронно-активационного метода анализа определения химических элементов в подземных и производственных сточных водах и рекомендация ее к внедрению в практику.

Техника и методы эксперимента. Пробы подземных и производственных сточных вод к анализу подготовили путем упаривания растворов до сухого остатка на водяной бане по традиционной методике. Для легко летучих элементов применяли методы предварительного концентрирования. Сухой остаток облучали на реакторе типа ВВР-СМ АН РУз с выходом нейтронов 5*10¹³ нейтр/сек*см² и на ²⁵²Cf-источнике нейтронов с выходом нейтронов 1*10¹⁰ нейтр/сек. Концентрацию элементов определяли гамма-спектрометрическим измерением наведенной активности с использованием эталонов с известным содержанием исследуемых элементов, состоящий из Gе(Li)-детектора с разрешающей способностью 2,7 кэВ по линии 1170 кэВ ⁶⁰Со и многоканального программируемого анализатора типа LP-4900В. Исследовали воспроизводимость методики путем 5-кратного повторения однотипных проб на примере сурьмы. Определено, что при этом среднеквадратическое отклонение средних результатов составляет не более 10 относительных процентов.

Пробы воды для анализа отобрали из наблюдательных скважин вокруг хвостохранилища гидрометаллургического завода, пробуренных на расстояние 0,3; 0,6 и 1,0 км от хвостохранилища. Пробы производственных сточных вод отобрали от пульпы провода и от хвостохранилища [7].

Оценки величин техногенного влияния хвостохранилища промышленных предприятий на окружающую среду и анализ состояния хвостохранилища проводится путем изучения миграции химических элементов путем отбора проб из наблюдательных скважинах, пробуренных вокруг хвостохранилища. [8; 9; 4; 3].

Для определения формы нахождения химических элементов в пробах воды применяются сорбционные и электродиализные методы исследования с использованием ионообменных мембранных фильтров. В последнее годы стало известно о получении ядерных фильтров различных пор на основе полиэтилентерефталата [7], но их применение для изучения форм нахождения химических элементов в подземных и производственных сточных водах мало изучено.

Актуальной аналитической и радиоэкологической задачей является разработка методики определения форм нахождения химических элементов в подземных и производственных сточных водах с использованием метода электродиализа с применением ядерных фильтров.

Методика определения форм нахождения химических элементов в подземных и производственных сточных водах.

Для определения форм нахождения химических элементов в подземных и производственных сточных водах исследуемую порцию воды разбавляли дистиллированной водой до суммарного содержания солей ~1 г/л, вносили радиоактивный изотоп (радиоактивная «метка») исследуемого химического элемента. Приготовленный раствор с «меткой» контактирует 24 часа для достижения изотопного равновесия. Собранная нами блок-схема трехкамерного электродиализатора изображена на рис. 1.

Рисунок 1. Блок-схема трехкамерного электродиализатора

Обозначение на рис. 1 следующие: 1 – универсальный источник питания; 2 – амперметр постоянного тока; 3 – вольтметр; 4 – камеры диализатора; 5 – ядерный фильтр; 6 – радиометр; 7 – металлический собиратель; 8 – трансформатор; 9 – электромагнит; 10 – радиоиндикатор; 11 – приготовленный раствор; 12 – катод из нержавеющую стали; 13 – анод из платины.

Исследованы потери химических элементов при получении сухого остатка. Найдено, что ртуть, бром, йод практически улетучиваются при упаривании жидких проб. Определено валовое содержание скандия, хрома, железа, кобальта, цинка, серия, серебра, сурьмы, селена, европия и золота в подземных водах, отобранных из наблюдательных скважин.

В табл. 1 приведен интервал фактических содержаний элементов в подземных водах. Повышенное содержание элементов в подземных водах проявляется за счет техногенного влияния гидрометаллургического завода, а также за счет естественного растворения элементов, содержащихся в породах.

Изучено изменение валового содержания элементов в подземных водах, которые отбирались из наблюдательных скважин ежеквартально в течение двух лет. Сравнение результатов анализа показывает, что концентрация Cr, Fe уменьшается в водах наблюдательных скважин на 30–50 % в зависимости от расстояния удаления от хвостохранилища завода.

Таблица 1.

Содержание некоторых химических элементов в подземных и производственных сточных водах (мг/л)

Во всех наблюдательных скважинах хвостохранилища наблюдается увеличение содержания золота, селена, сурьмы (на 50–60 отн. %). Данный факт подтверждает, что явно оказывается техногенное влияние производственными сточными водами хвостохранилища. В наблюдательных скважинах вокруг хвостохранилища фиксируется уменьшение содержания скандия, железа на 20–40 отн. %, что объясняется природными фильтрационными процессами. Определение валового содержания химических элементов не предоставляет исчерпывающей информации при исследовании экологического состояния хвостохранилища заводов. Это связано с разнообразием подземных пластов, где в той или иной форме находятся исследуемые элементы.

Таблица 2.

Вероятные формы нахождения элементов в подземных водах

Более детальное исследование форм нахождения химических элементов позволяет сделать заключение, что ряд элементов, например золото, сурьма и хром, могут служить индикаторами-мигрантами при изучении степени техногенного влияния хвостохранилища на окружающую среду. На основании этого для оценки миграции элементов в подземных водах в районе хвостохранилища изучена анионная, катионная, нейтральная и коллоидная форма нахождения химических элементов с помощью электродиализа с использованием ядерных фильтров.

Для контроля величины форм нахождения золота и железа использовали ионообменные способы с использованием смол типа АМ-2Б и КУ-2. Наблюдается идентичное поведение элементов. В табл. 2 приведены преимущественные вероятные формы нахождения некоторых химических элементов в подземных водах.

Из проведенных исследований (табл. 2) видно, что преимущественно в катионной форме находятся Fe, Ce, Eu, в анион-катионной форме – Cr, анион-нейтральной форме – Сr, Se, Ag, Sb, Au и катион-нейтральной форме – Sc, Cr, Co, Zn.

Таким образом, на основании проведенных исследований определено изменение валовое содержание 13 химических элементов в подземных и производственных сточных водах, изучены возможности применения ядерных фильтров с диаметрами пор 0,16–0,20 мкм для определения форм нахождения химических элементов в подземных и производственных сточных водах с целью оценки величин техногенного влияния хвостохранилища завода на окружающую среду. Исследование форм нахождения химических элементов позволяет сделать заключение, что ионы ряда элементов, например золота, сурьмы, хрома, могут служить индикаторами-мигрантами при изучении вклада техногенного влияния хвостохранилищ на окружающую среду. В подземных водах преимущественно в катионной форме находятся Fe, Ce, Eu, в анион-катионной форме – Cr, анион-нейтральной форме – Сr, Se, Ag, Sb, Au, катион-нейтральной форме – Sc, Cr, Co, Zn. В трехкамерном электродиализаторе проведена имитация процесса миграции химических элементов, находящихся в подземных водах, для изучения их закономерности.

 Список литературы:

1. Грушко Я.М. Вредные неорганические соединения в промышленных сточных водах. – Л. : Химия, 1979. – 160 с.
2. Исаматов Э.Е. Исследование по разработке ядерно-физических методов определения форм нахождения микроэлементов в природных водах аридной зоны : дис. … канд. физ.-мат. наук. – Ташкент, 1988. – С. 152.
3. Исследование возможности использования подземных минерализованных вод для технологического процесса ГМЗ-3 / О.М. Мустакимов, Г.С. Саттаров, Г.И. Акиньшина, А.М. Музафаров // Горный вестник Узбекистана. – 2011. – № 3 (46). – С. 65–68.
4. Кочетов А.В., Давронбеков Р.У. Вероятность экологического влияния хвостохранилища ГМЗ-2 на близлежащие водоисточники // Горный вестник Узбекистана. – 2001. – № 2. – С. 94–97.
5. Кулматов Р.А. Закономерности распределения и миграции токсичных элементов в окружающую среду аридной зоны СССР : дис. … д-ра хим. наук. – Ташкент : ДСП, 1988. – 420 с.
6. Кулматов Р.А., Кист А.А., Каримов И.И. Нейтронно-активационная оценка распределения элементов в водах // ЖАХ. – 1980. – Т. 35. – № 2. – С. 254–259.
7. Музафаров А.М., Саттаров Г.С. Электродиализный метод-определение форм нахождения элементов в подземных водах // Известия вузов. – 2003. – № 1–2. – С. 92–96.
8. Охрана окружающей среды при разработке гидрогенных месторождений урана подземным выщелачиванием / Е.А. Толстов, М.Г. Першин, Р.А. Ганджумян, С.А. Филиппов. – М. : ООО Геоинформцентр, 2003. – 44 с.
9. Шербанев Ю.А., Дустмурадов С.Д. Водоснабжение Зарафшан-Учкудукского промышленного региона: проблемы и решение // Горный журнал. – 2010. – № 12. – С. 37–39.