МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

 

 
«РОЛЬ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА СЕЛЬСКИХ ТЕРРИТОРИЙ В ОБЕСПЕЧЕНИИ УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ АПК»
 
(МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ)
 
Москва 2007


УДК 502.55


ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОДАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФОТОКОЛОРИМЕТРА «ЭКОТЕСТ 2020»

В.А. Власов
ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»,
г. Москва, Россия

1. Назначение и область применения


Фотоколориметры «ЭКОТЕСТ-2020» предназначены для измерения зональных коэффициентов пропускания, оптической плотности и массовых концентраций веществ в водных и неводных растворах по соответствующим методикам выполнения измерений (МВИ).
Фотоколориметр представляет собой малогабаритный переносной прибор, выполненный на микропроцессоре с автономным питанием и индикацией результатов измерений на жидкокристаллическом дисплее.
Принцип действия фотоколориметров основан на измерении зональных коэффициентов пропускания водных и неводных растворов с последующим определением массовых концентраций веществ по градуировочным графикам.
В качестве источников излучения используется 1 или 4 высокостабильных полупроводниковых светодиода (модификации «ЭКОТЕСТ-2020-1» и «ЭКОТЕСТ-2020-4» соответственно), определяющих рабочий диапазон длин волн излучения. В качестве приемника излучения используется фотодиод.
Фотоколориметр имеет интерфейс RS232 для связи с IBM-совместимыми компьютерами.
Управление и обработка информации может проводиться как при помощи встроенной клавиатуры, так и внешнего компьютера со специализированным программным обеспечением.

Фотоколориметры используются в промышленных, лабораторных и полевых условиях в химико-технологических, агрохимических, экологических и аналитических лабораториях промышленных предприятий, научно-исследовательских учреждениях, органах контроля, инспекции и надзора для анализа природных и сточных вод, технологических растворов и экстрактов проб растительной и пищевой продукции.

Рабочие условия применения фотоколориметров:
температура окружающего воздуха,…………………………… °С           +10 - +40;
относительная влажность воздуха при 25°С, %.......................... не более           90;
атмосферное давление, кПа……………………………………...  84 - 106,7;
                                                  (мм. рт. ст.)    ……………………… (630 - 800).

2. Технические характеристики


1. Рабочие длины волн, нм:……………………………………...400±5; 430±5; 470±5;
.............................................................................................................502±5; 525±5; 565±5;
.............................................................................................................595±5; 620±5; 660±5;
.............................................................................................................850±5.


2. Диапазон измерений, дискретность представления результатов на дисплее и пределы допускаемой абсолютной погрешности соответствуют табл. 1.

Таблица 1

Измеряемая
величина

Диапазон
измерения

Дискретность

Пределы допустимой
абсолютной
погрешности,

Коэффициент пропускания (Т), %

 

от 1,00 до 99,00

 

0,01

не более ± 2,0

Оптическая плотность (А)

От 0,000 до 2,000

0,001

-

3. Пределы допускаемого среднеквадратического
отклонения случайной составляющей абсолютной
погрешности измерения коэффициента пропускания, %.........................не более        0,5.
4. Максимальная длина оптического пути, мм      …………………………..10.
5. Время установления рабочего режима, с…    …………………………не более        30.
6. Продолжительность непрерывной работы от одного
комплекта элементов питания при выключенной подсветке, ч……..не менее       24.
7. Питание фотоколориметров осуществляется от 4-х  гальванических элементов типа АА напряжением 1,5В каждый или от внешнего блока питания БПС 6 – 0,35.
8. Потребляемый ток не превышает 0,13А (при выключенной подсветке дисплея).
9. Потребляемая мощность от внешнего блока питания не превышает 1,5ВА.
10. Габаритные размеры, мм………………………………………не более         230х120х70.
11. Масса, кг………………………………………………………………не более           0,6.
12. Значение показателей надежности в заданных режимах и условиях эксплуатации:
средняя наработка на отказ, ч……………………………………….не менее           5000.
вероятность безотказной работы……………………………………не менее           0,9.
средний полный срок службы, лет………………………………….не менее           8.
среднее время восстановления работоспособного состояния, ч………не более    4.

3 Принцип работы и устройство
3.1 Принцип работы фотоколориметра


Принцип действия фотоколориметра основан на сравнении светового потока I0, прошедшего через раствор сравнения (фоновый), и светового потока I, прошедшего через исследуемый раствор.
Отношение I/I0 называется коэффициентом пропускания T(или просто пропусканием), а десятичный логарифм величины, обратной пропусканию - оптической плотностью А (поглощением). Оптическая плотность A раствора прямо пропорциональна концентрации растворенного вещества:
A = – log(I/I0) = e?C?l,                                                    (1)
где   e – молярный коэффициент поглощения;   С – концентрация анализируемого раствора, мг/л;   l – длина оптического пути (толщина слоя раствора), см.
Световые потоки I0, I и (световой поток при неосвещенном фотоприемнике) преобразуются фотоприемником в электрические сигналы: V0 – сигнал при максимальной освещенности фотоприемника (при прохождении света через чистый растворитель), V – сигнал при текущем измерении и – сигнал при неосвещенном фотоприемнике. Электрические сигналы обрабатываются микропроцессором прибора и отображаются на дисплее фотоколориметра в виде коэффициента пропускания и оптической плотности.
При измерении коэффициента пропускания T микропроцессор ИП производит вычисления по формуле
T = I/I0 ? 100 % = (V-VТ)/(V0-VТ) ? 100%                           (2)
При измерении оптической плотности А по формуле
        А = log(1) = log((V0-VТ)/(V-VТ))                                     (3)
Если оптическая плотность раствора подчиняется уравнению (1) во всей области исследуемых концентраций, для градуировки фотоколориметра достаточно использовать один стандартный раствор. В наиболее общем случае зависимость между А и концентрацией раствора не является линейной. В этом случае для градуировки фотоколориметра используют два или три стандартных раствора.
Определение массовой концентрации вещества в соответствии с выбранной методикой выполнения измерений (МВИ) проводят по градуировочному графику зависимости измеренного значения оптической плотности (коэффициентов пропускания) от концентрации определяемого вещества, построенному по указанным в МВИ контрольным растворам. Градуировочный график строят либо вручную, либо с помощью программного обеспечения для персонального компьютера, прилагаемого в комплекте с прибором.

3.2. Устройство фотоколориметра


Фотоколориметры «Экотест-2020» относятся к малогабаритным переносным приборам с автономным питанием. Прибор состоит из оптического блока, блока управления и обработки информации, блока индикации с подсветкой, клавиатуры, кюветного отсека и кюветы.
Оптический блок включает в себя в качестве источников излучения 1 или 4 высокостабильных полупроводниковых светодиода (модификации «ЭКОТЕСТ-2020-1» и «ЭКОТЕСТ-2020-4» соответственно), определяющих рабочий диапазон длин волн излучения. В качестве приемника излучения используется фотодиод.
Блок управления и обработки информации выполнен на микропроцессоре и обеспечивает режим самоконтроля с выводом информации о готовности к работе на жидкокристаллический индикатор (дисплей).
Фотоколориметр имеет интерфейс RS232 для связи с IBM-совместимыми компьютерами.

  • В верхней части лицевой панели фотоколориметра расположен дисплей; под дисплеем – клавиатура с шестью кнопками, под клавиатурой расположен кюветный отсек.
  • На нижней стенке расположен отсек с крышкой для элементов питания.

На верхней торцевой стенке фотоколориметра расположены разъемы для подсоединения внешнего источника питания и подключения к компьютеру [1].
Внешний вид прибора представлен на рисунке.

Внешний вид фотоколориметра ЭКОТЕСТ-2020

Рассмотрим действие фотоколориметра «Экотест – 2020» на примере определения содержания железа общего в поверхностной воде.
Пробы воды были отобраны из Большого Садового пруда (в 5-ти створах), расположенного на территории парка Сельскохозяйственной академии им. К.А.Тимирязева.
В соответствии с «Санитарными правилами и нормами охраны поверхностных вод от загрязнения» данный тип водоема относится к I виду водопользования – водоемы хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования (II категория – водные объекты, используемые для купания, занятия спортом и отдыха населения) [2].
Для определения содержания железа в водном растворе использовался фотометрический метод с роданидом (нормативный документ ГОСТ 4011 – 72), основанный на взаимодействии в сильнокислой среде железа (III) и роданида с образованием комплексного соединения красного цвета.
В соответствие с МВИ был приготовлен стандартный раствор при содержании Fe3+ в нем 0,5; 1,0; 2,0; 3,0; 4,0 мл и определена оптическая плотность (А1) каждого образца.

Концентрация Fe3+ в каждом образце стандартного раствора (С) рассчитана по формуле

(4)

где m  – массовое содержание в стандартном растворе Fe3+, г (при ); M  – молярная масса железа, M = 56; V  – объем образца стандартного раствора,  V = 250 мл.
Аналогичным образом определена оптическая плотность исследуемого раствора (А2) [3].
Результаты вычислений представлены в табл. 2.
В соответствии с тем, что оптическая плотность исследуемого раствора оказалась намного меньше оптической плотности стандартного раствора, следовательно, концентрация железа общего в исследуемой воде намного меньше его ПДК = 0,3 мг/л для водоемов культурно-бытового водопользования. Этот вывод можно сделать, не строя градуировочный график зависимости А = f(С), так как оптическая плотность исследуемого раствора А2 стремится к нулю (табл. 2).

Таблица2
Оптическая плотность стандартного раствора (А1), исследуемого раствора (А2) и
концентрация Fe3+ в стандартном растворе

Содержание Fe3+ в стандартном
растворе, мл

Оптическая плотность стандартного раствора А1

Оптическая плотность исследуемого раствора А2

Концентрация Fe3+ в стандартном
растворе СFe3+, мкг/л

0,5

0,090

0,005

3,571

1,0

0,206

0,015

7,142

2,0

0,372

0,006

14,285

3,0

0,710

0,014

21,428

4,0

0,730

0,002

28,571

Таким образом, в Большом Садовом пруде не обнаружено железо общее в количестве, позволяющем сравнивать его концентрацию с ПДК.

Библиографический список

    •    Фотоколориметры «Экотест 2020». Руководство по эксплуатации КДЦТ. 414212.010 РЭ. – М., 2006.
    •    Инженерная защита окружающей среды: Учебное пособие. /Под ред. О.Г. Воробьева. – СПб.: Изд-во «Лань», 2002.
    •    Справочник. Контроль качества воды. Методики аналитических исследований. /Под ред. академика РАСХН В.Г. Минеева. – М., 2004. Ч. 1.

    Статья написана под научным руководством д.т.н., профессора Сметанина В.И.