ОПТИЧЕСКИЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХИМИЧЕСКОГО ПОТРЕБЛЕНИЯ КИСЛОРОДА В ПРИРОДНЫХ ВОДАХ Российский патент 1997 года по МПК G01N21/27 

Изобретение относится к области оценки содержания растворенных органических веществ в водной среде и может быть применено в экологии, гидрохимии, аналитической химии.

Известен способ определения химического потребления кислорода (ХПК), заключающийся в обработке пробы воды бихроматом калия в присутствии большого количества серной кислоты. Метод требует довольно продолжительного времени и применения ряда химических реагентов, что не позволяет использовать его при производстве массовых анализов (например, при массовом контроле очистных сооружений или при определении ХПК на больших акваториях водоемов) [1]
Наиболее близким к предложенному является фотометрический способ определения ХПК для сточных вод процесса автоклавирования бурого угля, приведенный в работе [2] При его применении сначала строится градуировочный график ХПК= f(A), для чего параллельно измеряют ХПК бихроматным методом и оптическую плотность тех же проб в ультрафиолетовой области спектра (315 нм). В дальнейшем для всех проб измеряют только их оптическую плотность и по графику (или уравнению линейной регрессии ХПК= 59,9+83,3A, где A оптическая плотность) определяют значение ХПК. Способ экспрессный, анализ проводится за минуты, в то время как на обработку пробы бихроматным методом требуются часы.

Однако данный способ не может быть применен для других объектов с иным компонентным составом растворенных органических веществ, поскольку удельный показатель поглощения света различен для разных органических соединений, то уравнение регрессии или градуировочный график, предложенный в работе [2] может давать ошибку в сотни процентов из-за изменения состава органики.

Целью настоящего изобретения является повышение точности и расширение области применения оптического способа определения химического потребления кислорода на водные объекты и среды с различным составом растворенной органики.

Эта цель достигается тем, что сначала определяется удельный показатель поглощения света, а затем рассчитывается химическое потребление кислорода. Известно [3] что показатель поглощения света растворенными органическими веществами в природных водах аппроксимируется формулой
κ(λ) = K•e^-μλ (1)
где κ(λ) показатель поглощения света, K коэффициент пропорциональности, μ коэффициент, величина которого варьирует в зависимости от состава органики, l длина волны излучения.

Удельный показатель поглощения света определяется формулой

где C концентрация вещества (в данном случае значение ХПК), тогда из (1) и (2) имеем

Следовательно, зная зависимость κ_уд от μ для определения длины волны, можно непосредственно из спектра k(λ) находить κ_уд для данной длины волны. При этом значение μ вычисляется по формуле

Показатель поглощения на длине волны 800 нм используется для того, чтобы ввести поправку в показатели поглощения на длинах волн 400 и 500 нм, обусловленную рассеянием взвешенных в воде частиц и неселективным поглощением их минеральной компоненты. Поглощение растворенной органики на длине волны 800 нм заведомо близко к нулю [3]
В природных водах присутствуют компоненты с различными значениями μ и поэтому разное соотношение таких компонент будет искажать зависимость (3), что выразится в изменениях коэффициента K₁ и показателя степени в экспоненте. При этом наибольшая точность достигается, если k_уд в зависимости (2) определяется через разность κ(400)-κ(500), т.е.

Измерения на 12-и реках и водохранилищах показали, что зависимость κ_уд от μ аппроксимируется соотношением
κ_уд= 58,5•e^-380μ (5)
при этом μ определяется по формуле (4).

Метод заключается в следующем: измеряются показатели поглощения света пробой на трех длинах волн: 400, 500 и 800 нм, вычисляется показатель m по формуле (4), затем k_уд по формуле (5) и тогда значение ХПК будет равно

или, если объединить формулы (5) и (6), ХПК можно определить по следующему выражению:
ХПК = 0,017•[κ(400)-κ(500)]•e^3,80μ (7)
Коэффициент корреляции между величинами ХПК, полученными данным методом и бихроматной окисляемостью, составил r²=0,95 (количество обработанных проб равно 68), энтропийное значение относительной приведенной погрешности γ_э= 13 %.

Примеры. Во всех примерах показатели поглощения κ(λ) на длинах волн 400, 500 и 800 нм получены на спектрофотометре, а бихроматная окисляемость БО - стандартным классическим методом.

1. р. Ангара, , бихроматная окисляемость (БО)=14,7 мгO₂/л.

Вычисление по формулам (4) и (7) дает

ХПК=0,017(8,00-2,26)e³⁸⁰•^0,0138=18,5 мгO₂/л,
относительная погрешность γ = (18,5-14,7)100/18,5= 20,5 %.

2. р. Манзя, , БО=101,5 мгO₂/л. Вычисление по формулам (4) и (7) дает
,
ХПК=0,017(7,96-1,95)•e³⁸⁰•^0,0181=99,2 мгO₂/л,
γ = (99,2-101,5)100/99,2 = -2,3 %.

3. Красноярское водохранилище, залив Сыда , БО=7,5 мгO₂/л.

Вычисление по формулам (4) и (7) дает

ХПК=0,017(10,450-5,120)•e³⁸⁰•^0,0110=5,9 мгO₂/л,
γ = (5,9-7,5)100/5,9 = -26,8 %=.

Использование предложенного изобретения позволит существенно расширить область применения фотометрического способа определения химического потребления кислорода в сторону меньших значений ХПК (в прототипе все значения ХПК меньше 60 мгO₂/л исключаются из рассмотрения) и проводить измерения не только в сточных водах с большим содержанием органических веществ, но и на природных водоемах. Диапазон значений ХПК, использованных при разработке данного способа, включал величины от 6 до 101 мгO₂/л. Применение способа исключает построение предварительного градуировочного графика для каждого водоема или даже его отдельных частей с другим составом органики и, следовательно, резко сокращает время, необходимое для исследования водоемов, и расход химических реагентов, необходимых для определения ХПК бихроматным методом.

Литература.

1. Унифицированные методы анализа вод. /Под ред. Ю.Ю. Лурье. М. Химия, 1971. 375 с.

2. С. А. Бозин, А.Т. Ершова, В.И. Михайлов, В.С. Филимонов. Фотометрическое определение общего уровня органических загрязнений в сточных водах. /Химия и технология воды, 1990, т. 12, N 1, с. 45-46.

3. Шифрин К.С. Введение в оптику океана. Л. Гидрометеоиздат, 1983, 278 с.

Использование: аналитическая химия, охрана окружающей среды, а именно оптические способы определения химического потребления кислорода (ХПК) в природных водах. Сущность: способ заключается в том, что измеряют показатели поглощения света κ(λ) при длинах волн 400 нм, 500 нм и 800 нм и рассчитывают коэффициент μ по формуле m = -0,01 ln κ(400)-κ(800)/κ(500)-κ(800). Величину ХПК рассчитывают по формуле ХПК=0,017 [κ(400)-κ(500)]× e³⁸⁰μ. Достигаемый технический результат: повышение точности, расширение области использования среды с различным составом растворенной органики.

Способ определения химического потребления кислорода в природных водах, заключающийся в том, что измеряют показатель поглощения света на определенной длине волны κ(λ) в пробе воды, по величине показателя поглощения рассчитывают химическое потребление кислорода (ХПК), отличающийся тем, что показатель поглощения света измеряют при длинах волн 400 нм, 500 нм и 800 нм, рассчитывают коэффициент μ по формуле

а затем рассчитывают ХПК по формуле
ХПК = 0,017[κ(400)-κ(500)]•e^380μ.ч