ИЗМЕРЕНИЕ МАССОВОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ИОНОВ НИКЕЛЯ В ПРОБАХ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ МЕТОДОМ ИНВЕРСИОННОЙ ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИИ

Неоспоримо велика роль воды в жизни человека. Она – основа функционирования всего его организма, а соответственно, главная составляющая здоровья. На сегодняшний день качество питьевой воды является очень важной экологической проблемой. Так, данные приведенные ВОЗ свидетельствуют о том, что постоянные сбросы промышленно-бытовых отходов в реки и иные водоемы достигают на сегодняшний день уже свыше 450 миллиардов кубических метров, а загрязнению подвержены не только поверхностные, но и подземные воды. В связи с чем в нашей стране и мире в целом стабильно растет число общей заболеваемости людей, ежегодно отмечаются вспышки кишечных инфекций, а нередко и эпидемий, которые самым непосредственным образом связаны с употреблением питьевой воды, несоответствующей санитарно-гигиеническим нормам. Однако необходимо учитывать, что риск для здоровья, определяемый уровнем микробного загрязнения питьевой воды кардинально отличается от риска, который обусловлен наличием в ней же химических веществ. Так, присутствие в питьевой воде многих химических элементов приносит человеческому организму несомненную пользу, в то время как их переизбыток может являться следствием серьезных заболеваний. Например, такой химический элемент как никель принимает участие в организации структуры и в функционировании главных компонентов клетки – РНК, ДНК, белка, стимулирует процессы кроветворения, активизирует действие инсулина, участвует в гормональной регуляции организма и др. Однако, никель принадлежит к третьему умеренно опасному классу токсичности и является канцерогенным элементом. Именно его наличие или отсутствие мы попытаемся выявить в процессе исследования питьевой воды в г. Санкт-Петербурге, используя метод инверсионной вольтамперометрии.

Инверсионная вольтамперометрия – это высокочувствительный экспресс метод, направленный на определение наличия в каком-либо органическом/ неорганическом объекте минимальной концентрации имеющихся в нем примесей или веществ. Указанный метод широко применяется при исследовании фармацевтических, химических, биологических, медицинских и других объектов, а также при изучении свойств твердых электродов, механизмов электродных реакций, адсорбции веществ и др. В частности, с помощью инверсионной вольтамперометрии определяют наличие следов тяжелых металлов в воде. Российские и международные стандарты качества питьевой воды также основаны на результатах использования вольтамперометрических методик, достоинством которых является возможность определения ионов металлов, что позволяет оценить качество питьевой воды, поскольку разные металлы обладают разной степенью токсичности, а соответственно, различаются по степени негативного влияния как на состояние окружающей среды, так и на здоровье человека в целом.

Метод инверсионной вольтамперометрии основан на зависимости величины тока окисления (восстановления) определяемого вещества от его концентрации в пробе. Инверсионная вольтамперометрия является аналитическим методом определения содержания электроактивных веществ, присутствующих в растворах в низких концентрациях от 10^-8 до 10^-12. Главными отличиями от классической полярографии (прямой вольтамперометрии) являются: наличие стадии накопления (электроконцентрирования) определяемого вещества; применение стационарных (обычно твердых) электродов вместо ртутных капающих [2].

Электролиз проводят при потенциале предельного тока восстановления или окисления вещества при энергичном перемешивании раствора. Для полного выделения вещества из раствора понадобилось бы бесконечно большое время, что непригодно для анализа, поэтому электролиз ведут в течение какого-то строго контролируемого времени. Для проведения эксперимента используют стандартную электрохимическую ячейку. При этом выделяется пропорциональная часть анализируемого вещества, хорошо воспроизводящаяся при соблюдении условий эксперимента постоянными [3].

Регистрируемые анодные пики на вольтамперограмме позволяют проводить качественный и количественный анализ. Высота пика (величина максимального тока окисления) пропорциональна концентрации определяемых компонентов в растворе, а потенциал пика Еп характеризует природу определяемого элемента [2].

Эксперимент выполняется в соответствии с «Методикой выполнения измерений массовой концентрации ионов никеля в пробах питьевых, природных и очищенных сточных вод».

Используемое оборудование: Вольтамперметр с электрохимическим датчиком «Модуль ЕМ-04», компьютер и необходимое программное обеспечение.

Перед началом эксперимента готовим все необходимые растворы. Готовим пробы воды, которую отбираем из-под крана.  Рабочую пробу воды объемом 20 см³ переносят в кварцевую пробирку, добавляют 0,2 см³ 1 моль/дм³ соляной кислоты и 0,1 см³ концентрации H2O2 перекиси водорода. Пробирку помещают в фотолизную камеру ФК-12М (производство НТФ «ВОЛЬТА») и облучают 1 час. После полного остывания пробу 6 из пробирки переносят в мерную колбу вместимостью 25 см³, добавляют 5 см³ концентрированного фонового раствора и 0,1 см³ раствора гидроксида натрия с концентрацией 2,5 моль/дм³ (значение рН должно быть 9,4 ед. рН) и доводят до метки бидистиллированной водой.

После приготовления всех сопутствующих растворов, приступаем к самой части эксперимента. Все рабочие параметры, оптимальные для анализа по предложенной методике и выполняемые по умолчанию, внесены в компьютерную программу, с которой работает полярограф.

Данный эксперимент будет проводиться методом стандартных добавок, растворы которых мы приготовили. Таким образом из пробы воды берут аликвоту 1мл. и переносят в колбу объемом 25мл, разбавляя до метки разбавленным фоновым раствором. Запускаем прибор. Проводим три эксперимента. Далее вводим стандартный раствор 1 г\мл NiCl₂ и проводим еще три опыта с добавкой. Получаем следующую вольтамперограмму (Рис.1).

Рисунок 1 Вольтамперограмма никеля

Примечание. Пики, которые находятся правее цинка, предположительно, пики Fe ³⁺, так как дистиллированная вода, которой промывались мерные пипетки и проводились наборы проб стандартных растворов, была получена из дистиллятора с железным корпусом. Следовательно, ионы железа могли попасть в дистиллят.

После проведения опыта, прибор проводит расчеты, которые представлены нами на Рисунке 2

Рисунок 2. Расчеты концентрации никеля

Исходя из расчетов, проведенных программой, получаем концентрацию ионов Никеля в исходной пробе питьевой воды 0.0001863 мг/ л.

Таблица 1.

Нормативное содержание никеля в воде по СанПиНу

Сравнив полученные результаты с установленными нормами по питьевой воде, согласно СанПиНу 2.1.4.1074-01 Минздрава РФ от 2002 г., пришли к выводу, что концентрация ионов Никеля в питьевой воде существенно превышает норму и составляет 0.0001863 мг./л. вместо положенных по нормам 0.0001мг/л. В связи с чем считаем, что пить ее без предварительной обработки не следует.

В результате проделанной работы, можно сделать следующие выводы:

1. Инверсионная вольтамперометрия обладает рядом преимуществ перед другими методами определения следовых количеств неорганических и органических веществ в растворах, в частности, минимальные время затраты (3…5 мин.). Применение современной электронной аппаратуры позволяет использовать этот метод для автоматического контроля производственных процессов.

2. Использование инверсионной вольтамперометрии позволяет обнаружить следы веществ (10–5…10–6 моль/дм³, в некоторых случаях до 10–9 моль/дм³), поэтому её применяют для определения примесей в различных особо чистых объектах. Достаточная точность ≈ 3 %. Так же имеется возможность одновременного определения нескольких компонентов без их предварительного разделения.

3. Имеется возможность автоматизации и компьютеризации процесса.

Подводя итог вышесказанному отметим, что на сегодняшний день инверсионная вольтамперометрия является наиболее оптимальным методом исследования массовой концентрации ионов никеля в пробах питьевой воды, считаясь надежным и точным при проверке результатов анализа, полученных методом атомной абсорбционной спектроскопии и хроматографии.

Список литературы:

1. ГОСТ Р 52180-2008 Определение содержания элементов методом инверсионной вольтамперометрии. Взамен ГОСТ 52180-2003; Введ. 2005-01-01. - Томск: ИПК Издательство стандартов. 2004. 20 с.
2. Демин В.А. Инверсионная вольтамперометрия: Методическое пособие / В.А. Демин С.В. Харитонов, В.И Зарембо - Спб.: СПбГТИ (ТУ), 2004. 29 с.
3. Иванов А.В. Введение в электрохимические методы анализа: конспект лекций / А.В. Иванов. - М.: МГУ, 2013. 176 с.
4. Луцик В.И. Инверсионная вольтамперометрия: методические указания к лабораторной работе по дисциплине «Аналитическая химия и физико-химические методы анализа» / В.И. Луцик, А.Е. Соболев – Тверь: ТГТУ, 2013. - 22 с.