8.5. Методы анализа объектов окружающей среды

Токсиканты определяют в основном инструментальными методами. Они позволяют определять с необходимой точностью опасные токсиканты на уровне их ПДК, причем в присутствии избытка макрокомпонентов. Чаще всего отобранные пробы воздуха или воды анализируют методами газовой хроматографии и спектрофотометрии. Реже применяют атомно-абсорбцион- ный или атомно-эмиссионный спектральный анализ. Эти методы позволяют определять микропримеси на уровне 10^–4–10^–2 %, что соответствует содержанию многих токсикантов в образцах, полученных в ходе пробоотбора. Однако особо опасные микропримеси (супертоксиканты) необходимо определять на еще более низком концентрационном уровне. Так, ПДК 3,4-бенз- пирена в воде водоемов составляет всего 5·10^–10 %. Лишь немногие методы измерения аналитического сигнала настолько чувствительны, что с их помощью удается непосредственно (без дополнительного концентрирования) определять супертоксиканты на уровне ПДК и ниже. Это люминесцентный анализ, переменнотоковая и инверсионная вольтамперометрия, масс-спект- рометрия, нейтронно-активационный анализ и некоторые варианты хроматографии (с особо чувствительными детекторами). Все перечисленные методы требуют применения сложного и дорогого оборудования, для проведения массовых анализов они обычно неприменимы. Такие методы доступны пока лишь для некоторых научно-исследовательских лабораторий. Быстро развиваются и другие методы анализа объектов окружающей среды. Следует упомянуть кинетические методы, в первую очередь ферментативный анализ, сочетающий высокую чувствительность с простотой оборудования.

При выборе методики определения каждого токсиканта учитывают не только чувствительность, но и селективность методик. Определению микропримесей всегда мешает избыток других компонентов пробы, особенно тех, которые сходны по свойствам с определяемым веществом. Поэтому нередко приходится проводить предварительное отделение макрокомпонентов, а затем разделять микропримеси (экстракция, хроматография и т. п.).

Методы анализа воздуха. После доставки в лабораторию пористых (твердых) поглотителей или фильтров поглощенные из воздуха микропримеси токсикантов смывают подходящими растворителями. Полученные растворы упаривают, при необходимости разделяют микропримеси, а затем измеряют аналитический сигнал токсиканта. Градуировку проводят по стандартным растворам либо – что значительно надежнее – по эталонным газовым смесям с известным содержанием токсичных микропримесей.

Для определения токсикантов в газовых выбросах (например, в выхлопных газах автомобиля), концентрирование не обязательно, поскольку концентрации токсикантов там гораздо выше, чем в воздухе. Нередко небольшую пробу исследуемого газа (1–10 мл) доставляют в лабораторию, где вводят непосредственно в хроматограф. О присутствии токсикантов судят по появлению соответствующих пиков на хроматограмме. На той же хроматограмме проявляются и пики нетоксичных веществ – как макро-, так и микрокомпонентов воздуха, имеющих природное происхождение.

Примером определения индивидуальных токсикантов в воздухе может быть определение оксидов азота (NO + NO₂). Эти вещества присутствуют в виде смеси и легко переходят друг в друга. Данный токсикант особенно опасен из-за быстрого привыкания человека к его запаху. Затем наступает раздражение слизистых, отек легких, возможна смерть. В ходе анализа оксиды азота обычно поглощают, пропуская с заданной скоростью воздух через водные растворы (кислотные или щелочные). В поглотителе оксид азота окисляется до диоксида, а диоксид азота, взаимодействуя с водой, превращается в нитрит-ионы. Затем при добавлении необходимых реагентов нитрит превращается в интенсивно окрашенный азокраситель (реакция Грисса). Концентрацию красителя определяют спектрофотометрическим методом, по предварительно построенному градуировочному графику. Так можно определять оксиды азота при их содержании от 0,01 до 10 мг/м³. Чем больше оксидов азота в воздухе, тем меньше объем пробы, которую берут на анализ. Определению оксидов азота мешает только SO₂, который маскируют сулемой.

Методы анализа природных вод. Основными методами гидрохимического анализа, как видно из табл. 8.2, сегодня являются хорошо изученные и широко распространенные химические и физико-химические методы: спектрофотометрия, титриметрия, потенциометрия. В последние годы в практику работы отечественных лабораторий природоохранного профиля вошли более чувствительные и селективные методы инверсионной вольтамперометрии (ИВА) и атомно-абсорбционного спектрального анализа (ААС). Наиболее опасные токсиканты, имеющие особо низкие ПДК (диоксины, ПАУ, пестициды и т. п.) определяют лишь в крупных лабораториях, применяя особо чувствительные методы. Примерами анализа природных вод могут быть методы определения фенолов и ионов меди(II).

Таблица 8.2

Некоторые нормативы качества питьевой (водопроводной) воды и стандартные методы их определения

Показатель	Метод	Норматив, мг/л
Минерализация	Гравиметрия	< 1000
Хлориды	Аргентометрия	< 350
Активный хлор	Иодометрия, фотометрия	< 10
Медь	Фотометрия, ИВА, ААС	< 1,0
Фториды	Потенциометрия	< 0,7
Алюминий	Спектрофотометрия	< 0,5
Железо (суммарно)	Фотометрия, ААС	< 0,3
Нефтепродукты	Гравиметрия, ИК-спектрометрия	<0,1
Свинец	Фотометрия, ИВА, ААС	< 0,03
Фенолы	Спектрофотометрия	< 0,001
Кадмий	ИВА, ААС, фотометрия	< 0,001

Фенолы. Это целая группа органических веществ, содержащих ароматические кольца и соединенные с ними ОН-группы. Простейший фенол – С₆Н₅ОН. Фенолы попадают в водоемы из стоков химических, нефтеперерабатывающих, целлюлозно-бумажных и некоторых других производств. Все фенолы токсичны, но в разной степени. Обычно в водах определяют суммарное содержание фенолов в пересчете на С₆Н₅ОН. Фенолы неустойчивы (легко окисляются). После хлорирования воды многие фенолы превращаются в еще более опасные хлорфенолы. Сильно загрязненные фенолами пробы воды консервируют щелочью. Пробы, содержащие фенолы на уровне ПДК, необходимо анализировать сразу же после пробоотбора. Все фенолы взаимодействуют с нитритами и аминами, при этом образуются азокрасители желтого, оранжевого или красного цвета. Это та же реакция Грисса, которую используют для определения оксидов азота (в форме нитрит-иона). При определении фенолов методом спектрофотометрии в видимой области градуировочный график строят по растворам одного вещества – простейшего фенола С₆Н₅ОН. Все фенолы реагируют однотипным образом, но молярный коэффициент поглощения образующегося красителя при одной и той же длине волны может меняться в 2–3 раза в зависимости от того, какой именно фенол был в пробе. Если в пробе на самом деле был не простейший фенол, а какой-то другой, появится систематическая погрешность анализа. Более точные и надежные результаты получают при вольтамперометрическом, кулонометрическом или хроматографическом определении фенолов. В этих случаях аналитические сигналы разных фенолов при одном и том же их содержании приблизительно одинаковы.

Медь. Общепринятый метод определения ионов меди(II) в природных и сточных водах – обработка пробы карбаминатом натрия, при этом ионы меди образуют хорошо экстрагируемые, прочные и интенсивно окрашенные карбаминатные комплексы. Их экстрагируют хлороформом, доводят экстракт хлороформом до постоянного объема и фотометрируют в видимой области спектра. Результат анализа находят по методу добавок. Так можно определять медь при ее содержании от 0,05 до 1 мг/л, т. е. на уровне ниже ПДК. Анализу мешает присутствие органических веществ, связывающих ионы меди в более прочные комплексы. Для определения меди в природных водах лучше применять другие методики (более точные и экспрессные), являющиеся частными случаями инверсионной вольтамперометрии или атомно-абсорбционного спектрального анализа.