Методы атомной спектроскопии почвы

Методы атомной спектроскопии в анализе почв, природных и промышленных вод

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 08 Декабря 2011 в 21:36, курсовая работа

Краткое описание

Целью моей курсовой работы является изучение методов атомной спектроскопии в анализе природных и промышленных вод, а также почв.
Объектом исследования в моей работе являются методы атомно-спектроскопического анализа, а именно атомно-абсорбционный и атомно-эмиссионный спектральный анализ.
Соответственно поставленной цели были поставлены следующие задачи:
— Изучить сущность и характеристику методов атомной спектроскопии.
— Охарактеризовать применяемые приборы.

Содержание работы

СОДЕРЖАНИЕ
Введение………………………………………………………………………………..4
1 Сущность и характеристика методов атомной спектроскопии…………………. 5
1.1 Атомно-эмиссионный анализ………………………………………………..5
1.1.1 Метод пламенной фотометрии………………………………………. 8
1.2 Атомно-абсорбционный анализ……………………………………………..9
2 Преимущества и недостатки методов атомной спектроскопии…………………13
3 Применение атомно-спектроскопических методов ……………………………. 15
3.1 Анализ сточных вод…………………………………………………………15
3.1.1 Прямое определение железа, кадмия, кальция, кобальта, магния, марганца, меди, никеля, свинца, серебра, хрома и цинка………………16
3.1.2 Определение алюминия, бария, бериллия, молибдена, ванадия с использованием пламени: ацетилен – оксид азота (N2O)……………….16
3.1.3 Определение ртути беспламенным методом…………………………17
3.1.4 Анализ методом фотометрии пламени………………………………..17
3.2 Анализ природных вод………………………………………………………18
3.2.1 Определение щелочных металлов методом фотометрии пламени. 19
3.2.2 Пламенно-фотометрические методы анализа определения лития, рубидия, цезия и стронция……………………………………………….20
3.3 Анализ почв………………………………………………………………….21
3.3.1 Определение в почвах щелочных металлов методом пламенной фотометрии………………………………………………………………21
3.3.2 Определение подвижных форм соединений Мn, Zn, Си, Со в почвах……………………………………………………………. 23
4 Приборы используемые в АС……………………………………………………. 25
4.1 Спектрографы…………………………. 25
4.2 Пламенные фотометры……………………………………………………..27
Выводы………………………………………………………………………………..29
Используемые источники……………………………………………………………31

Содержимое работы — 1 файл

новый курсач.docx

Наиболее распространенными отечественными приборами для пламенной фотометрии являются:

а) фильтровой пламенный фотометр типа ФПЛ-1 для определения Na, K, Ca из одного раствора прямым методом;

б) пламенный фотометрический анализатор жидкости ПАЖ-1 для определения микроколичеств Na, K, Ca и Li при их совместном присутствии в растворе;

в) пламенный фотометр FLAPHO-4 для определения Li, Na, K, Ca и Rb.

Газовое пламя – разновидность низкотемпературной плазмы. Оно позволяет возбуждать эмиссионные спектры элементов с малыми потенциалами возбуждения. В разных пламенах в зависимости от их температуры возбуждаются различные элементы (таб.3.1) [1].

Таблица 1.1 Возбуждение элементов в пламени

Горючий газ	Окислитель	Температура, 0 С	Возбуждаемые элементы
Светильный газ	Воздух	1800	Щелочные металлы
Ацетилен	Воздух	2200	Щелочные и щелочно-земельные металлы
Водород	Кислород	2780	ЩМ,ЩЗМ,Ag,Cu,Mn,Ni…
Ацетилен	Кислород	3100	Практически все металлы

Атомно-абсорбционный анализ (атомно-абсорбционная спектрометрия), метод количественного элементного анализа по атомным спектрам поглощения (абсорбции). Через слой атомных паров пробы, получаемых с помощью атомизатора, пропускают излучение в диапазоне 190-850 нм. В результате поглощения квантов света атомы переходят в возбужденные энергетические состояния. Этим переходам в атомных спектрах соответствуют резонансные линии, характерные для данного элемента. Согласно закону Бугера-Ламберта-Бера, мерой концентрации элемента служит оптическая плотность A = lg(I0/I), где I0 и I-интенсивности излучения от источника соответственно до и после прохождения через поглощающий слой [1].

Приборы для атомно-абсорбционного анализа — атомно-абсорбционные спектрометры — прецизионные высокоавтоматизированные устройства, обеспечивающие воспроизводимость условий измерений, автоматическое введение проб и регистрацию результатов измерения. В некоторые модели встроены микро ЭВМ. В качестве примера на рис.1.3 приведена схема одного из спектрометров. Источником линейчатого излучения в спектрометрах чаще всего служат одноэлементные лампы с полым катодом, заполняемые неоном. Для определения некоторых легколетучих элементов (Cd, Zn, Se, Те и др.) удобнее пользоваться высокочастотными безэлектродными лампами.

Рис.1.3 Принципиальная схема пламенного атомно-абсорбционного спектрометра:

1-источник излучения; 2-пламя; 3-монохроматор; 4-фотоумножитель; 5-регистрирующий или показывающий прибор.

Перевод анализируемого объекта в атомизированное состояние и формирование поглощающего слоя пара определенной и воспроизводимой формы осуществляется в атомизаторе — обычно в пламени или трубчатой печи. Наиболее часто используют пламя смесей ацетилена с воздухом (максимальная температура 2000°С) и ацетилена с N2O (2700°С). Горелку со щелевидным соплом длиной 50-100 мм и шириной 0,5-0,8 мм устанавливают вдоль оптической оси прибора для увеличения длины поглощающего слоя.

Трубчатые печи сопротивления изготавливают чаще всего из плотных сортов графита. Для исключения диффузии паров через стенки и увеличения долговечности графитовые трубки покрывают слоем газонепроницаемого пироуглерода. Максимальная температура нагрева достигает 3000 °С. Менее распространены тонкостенные трубчатые печи из тугоплавких металлов (W, Та, Мо), кварца с нихромовым нагревателем. Для защиты графитовых и металлических печей от обгорания на воздухе их помещают в полугерметичные или герметичные камеры, через которые продувают инертный газ (Аr, N2).

Введение проб в поглощающую зону пламени или печи осуществляют разными приемами. Растворы распыляют (обычно в пламя) с помощью пневматических распылителей, реже — ультразвуковых. Первые проще и стабильнее в работе, хотя уступают последним в степени дисперсности образующегося аэрозоля. Лишь 5-15% наиболее мелких капель аэрозоля поступает в пламя, а остальная часть отсеивается в смесительной камере и выводится в сток. Максимальная концентрация твердого вещества в растворе обычно не превышает 1%. В противном случае происходит интенсивное отложение солей в сопле горелки.

Термическое испарение сухих остатков растворов — основной способ введения проб в трубчатые печи. При этом чаще всего пробы испаряют с внутренней поверхности печи; раствор пробы (объемом 5-50 мкл) вводят с помощью микропипетки через дозировочное отверстие в стенке трубки и высушивают при 100°С. Однако пробы испаряются со стенок при непрерывном возрастании температуры поглощающего слоя, что обусловливает нестабильность результатов. Чтобы обеспечить постоянство температуры печи в момент испарения, пробу вводят в предварительно нагретую печь, используя угольный электрод (графитовую кювету) графитовый тигель (печь Вудриффа), металлический или графитовый зонд. Пробу можно испарять с платформы (графитового корытца), которую устанавливают в центре печи под дозировочным отверстием. В результате значительного отставания температуры платформы от температуры печи, нагреваемой со скоростью около 2000 К/с, испарение происходит при достижении печью практически постоянной температуры.

Для введения в пламя твердых веществ или сухих остатков растворов используют стержни, нити, лодочки, тигли из графита или тугоплавких металлов, помещаемые ниже оптической оси прибора, так что пары пробы поступают в поглощающую зону с потоком газов пламени. Графитовые испарители в ряде случаев дополнительно подогревают электрическим током. Для исключения механических потерь порошкообразных проб в процессе нагрева применяются испарители типа цилиндрических капсул, изготовленные из пористых сортов графита.

Иногда растворы проб подвергают в реакционном сосуде обработке в присутствии восстановителей, чаще всего NaBH4. При этом Hg, например, отгоняется в элементном виде, As, Sb, Bi и др. — в виде гидридов, которые вносятся в атомизатор потоком инертного газа. Для монохроматизации излучения используют призмы или дифракционные решетки; при этом достигают разрешения от 0,04 до 0,4 нм [2].

При атомно-абсорбционном анализе необходимо исключить наложение излучения атомизатора на излучение источника света, учесть возможное изменение яркости последнего, спектральные помехи в атомизаторе, вызванные частичным рассеянием и поглощением света твердыми частицами и молекулами посторонних компонентов пробы. Для этого пользуются различными приемами, например модулируют излучение источника с частотой, на которую настраивают приемно — регистрирующее устройство, применяют двухлучевую схему или оптическую схему с двумя источниками света (с дискретным и непрерывным спектрами). наиболее эффективна схема, основанная на зеемановском расщеплении и поляризации спектральных линий в атомизаторе. В этом случае через поглощающий слой пропускают свет, поляризованный перпендикулярно магнитному полю, что позволяет учесть неселективные спектральные помехи, достигающие значений А = 2, при измерении сигналов, которые в сотни раз слабее [6].

2 ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ МЕТОДОВ АТОМНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

Сравнительная оценка возможностей и характеристик различных оптических методов не может носить абсолютного характера в связи с большим разнообразием и спецификой задач анализа. Различными могут быть требования к концентрационному диапазону, точности и нижним границам количественных определений. В зависимости от массы анализируемой пробы существенно различны требования к характеристике пределов обнаружения, достигаемых применяемым методом анализа. Так, располагая большой массой пробы, можно решить задачу определения микропримесей с помощью методов анализа, характеризуемых низкими относительными пределами обнаружения. Если же в распоряжении аналитика имеется лишь малая масса пробы, метод анализа должен характеризоваться низкими абсолютными пределами обнаружения интересующих элементов-примесей. Не последнюю роль в оценке недостатков и достоинств различных методов играет экономичность этих методов: стоимость аппаратуры, расход энергии, трудовые затраты, продолжительность анализа [1].

Атомно-эмиссионный спектральный анализ — практически самый распространенный экспрессный высокочувствительный метод идентификации и количественного определения малых содержаний элементов. Важным достоинством метода по сравнению с другими оптическими спектральными, а также многими химическими и физико-химическими методами анализа является возможность одновременного количественного определения большого числа элементов в широком интервале концентраций с приемлемой точностью при использовании малой массы пробы [6].

Достоинства атомно-абсорбционного анализа — простота, высокая селективность и малое влияние состава пробы на результаты анализа. Ограничения метода — невозможность одновременного определения нескольких элементов при использовании линейчатых источников излучения и, как правило, необходимость переведения проб в раствор.

Атомно-абсорбционный анализ применяют для определения около 70 элементов. Не определяют газы и некоторые другие неметаллы, резонансные линии которых лежат в вакуумной области спектра (длина волны меньше 190 нм). С применением графитовой печи невозможно определять Hf, Nb, Та, W и Zr, образующие с углеродом труднолетучие карбиды. Пределы обнаружения большинства элементов в растворах при атомизации в пламени 1-100мкг/л, в графитовой печи в 100-1000 раз ниже. Абсолютные пределы обнаружения в последнем случае составляют 0,1-100 пг. Относительно стандартное отклонение в оптимальных условиях измерений достигает 0,2-0,5% для пламени и 0,5-1,0% для печи. В автоматическом режиме работы пламенный спектрометр позволяет анализировать до 500 проб в час, а спектрометр с графитовой печью-до 30 проб. Оба варианта часто используют в сочетании с предварительным разделением и концентрированием экстракцией, дистилляцией, ионным обменом, хроматографией, что в ряде случаев позволяет косвенно определять некоторые неметаллы и органические соединения [2].

Методы атомно-абсорбционного анализа применяют также для измерения некоторых физических и физико-химических величин — коэффициент диффузии атомов в газах, температур газовой среды, теплот испарения элементов и др.; для изучения спектров молекул, исследования процессов, связанных с испарением и диссоциацией соединений.

Методы атомной спектроскопии постоянно совершенствуются, в первую очередь это относится к источникам возбуждения спектров [6].

3 ПРИМЕНЕНИЕ АТОМНО-СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

3.1 Анализ сточных вод

Сточные воды – стоки бытовые, производственные и атмосферные, содержащие обычно множество неорганических и органических компонентов, причем точный состав их, даже в качественном отношении, не всегда можно заранее предвидеть. Последнее особенно справедливо в отношении сточных вод, прошедших через химическую или биохимическую очистку. Даже при простом смешении стоков от разных цехов предприятия происходят химические реакции между компонентами этих стоков, приводящие к образованию новых веществ. Поэтому при появлении нового вида сточных вод, возникающих не только при создании новых производств, но и при внедрении нового технологического процесса, требуется предварительное исследование. В ход определения того или иного компонента, казалось бы, хорошо разработанный и постоянно применяющийся. Приходится вносить изменения, а иногда и совершенно менять метод химического анализа.

Способ отбора пробы сточной воды зависит от цели, которая ставится перед исследователем в каждом случае. Надо следить за тем, чтобы отбираемая проба сточной воды не оказалась случайной.

Состав сточных вод обычно сильно колеблется и всецело зависит от технологического процесса производства. Поэтому необходимо перед отбором пробы подробно изучить этот процесс и брать средние или среднепропорциональные пробы в течение суток или нескольких суток, в зависимости от условий спуска сточных вод, так как некоторые цехи спускают сточные воды не ежедневно и не регулярно.

Основные методы определения неорганических компонентов сточных вод – атомно-абсорбционная спектрометрия и пламенно- эмиссионная спектрометрия.

Рассмотрим ряд конкретных примеров использования ААС в исследовании сточных вод [3].

Источник

Методы атомной спектроскопии в анализе почв, природных и промышленных вод

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 08 Декабря 2011 в 21:36, курсовая работа

Краткое описание

Содержание работы

Содержимое работы — 1 файл

новый курсач.docx

3.3.2 Определение подвижных форм соединений Мn, Zn, Си, Со в почвах

Атомно-абсорбционный метод анализа впервые был предложен в 1955 г. И сразу же нашел самое широкое применение в почвенно-агрохимических исследованиях.

Этот метод выгодно отличается от традиционных аналитических методов универсальностью, простотой выполнения анализа и высокой производительностью. Атомно-абсорбционный метод обеспечивает предел обнаружения многих элементов порядка 0,1-0,01 мкг/мл и ниже, что практически оказывается достаточным в почвенных исследованиях.

Атомно-абсорбционные методы позволяют определить обменные основания и емкость поглощения, исследовать состав и количество водорастворимых катионов в почве. При контроле загрязнения почв тяжелыми металлами атомно- абсорбционный метод занимает ведущее положение, особенно для таких металлов, как Pb, Zn, Cd, Hg, As, Se. Однако атомно-абсорбционный метод на сегодняшний день еще не обеспечивает определения ряда элементов, и в частности очень важных для почвоведения – азота, углерода, хлора, бора и йода.

Подвижные формы соединений Мn, Zn, Си и Со извлекают ацетатно-аммонийным буферным раствором с ph= 4,8. Отношение почвы к раствору 1:10, время взаимодействия 1 ч при взбалтывании на ротаторе или кратковременное встряхивание и настаивание в течение суток. Метод пригоден как для некарбонатных, так и для карбонатных почв и принят агрохимической службой для оценки обеспеченности почв микроэлементами.

Пробу почвы массой 5 г, растертой и пропущенной через сито с отверстиями 1 мм, помещают в колбу емкостью 100 мл, приливают 50 мл ацетатно-аммонийного буферного раствора с рН 4,8. Суспензию взбалтывают 1 ч (или настаивают в течение суток). Вытяжку фильтруют через сухой складчатый фильтр в пробирку, первыми порциями споласкивают пробирку и их выбрасывают. В полученном фильтрате определяют микроэлементы атомно-абсорбционным методом в пламени ацетилен —воздух или в смеси пропан — бутан — воздух. Градуировочные графики строят по эталонным растворам соответствующих микроэлементов, приготовленных на ацетатно-аммонийном буфере.

Реактивы для приготовления буфера должны быть квалификации «особой чистоты» или в крайнем случае «х. ч.», вода должна быть бидистиллированной. Одновременно ставят холостой опыт, проводя ею через все стадии анализа, исключая взятие пробы почвы. Для приготовления 1 л буферного раствора с рН 4,8 необходимо 108 мл 98%-ной СН₃СООН и 75 мл 25%-ного раствора NН₄ОН добавить к 800—900 мл бидистиллированной воды, перемешать, измерить рН и, если необходимо, довести его до 4,8, после чего раствор водой довести до 1 л.

Определение кобальта и меди в некоторых почвах в ацетатно-аммонийном буферном растворе прямым методом невозможно из-за очень низких концентраций. В этих случаях применяют предварительное концентрирование. Для определения меди достаточным бывает простое выпаривание вытяжки и растворение осадка в меньшем объеме (10-кратное концентрирование). Универсальным методом концентрирования является экстракция дитизонатов меди и кобальта из вытяжки объемом 100—150 мл [5].

ПРИБОРЫ ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В АТОМНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

Спектрографы

Одними из наиболее часто используемых приборов в атомной спектроскопии являются спектрографы. Спектрограф имеет коллиматорную (от S до D) и камерную части (D—Р) (рис. 7.1). Главнейшими узлами прибора являются щель (S), линза кол-лиматорной части (L₁), диспергирующее устройство (D), линза (линзы) камеры L₂, в фокальной плоскости камеры (Р) расположены кассета с фотографической пластинкой или другой приемник света. Входная щель пропускает узкий параллельный пучок света, ширину и высоту щели можно изменять. Обычная ширина щели — сотые доли миллиметра, высота — доли или целые миллиметры в зависимости от задач анализа [1].

Рис.4.1 Принципиальная схема спектрального прибора

Линза L₁, в фокусе которой расположена щель, подает на диспергирующее устройство параллельный пучок света. Диспергирующее устройство расчленяет сложную совокупность световых колебаний на составляющие (λ₁ + λ₂ + λз …) и далее такие монохроматические лучи идут параллельно друг другу и собираются линзой камерного объекта (L₂) на фокальной плоскости (Р). Таким образом, в фокальной плоскости камеры получают спектр — сочетание монохроматических несколько увеличенных изображений входной щели спектрографа.

На фотопластинке, поставленной в фокальной плоскости, после экспозиции, проявления и закрепления появятся темные параллельные линии, составляющие эмиссионный спектр вещества.

Атомные спектры элементов состоят из отдельных линий, так как в излучении атомов имеются только некоторые определенные волны (рис. 4.2, а). В излучении раскаленных твердых или жидких тел присутствует свет любой длины волны. Отдельные линии в спектральном аппарате сливаются друг с другом. Такое излучение имеет сплошной спектр (рис. 4.2, в). В отличие от линейчатого спектра атомов, молекулярные спектры испускания веществ, которые не распались при высокой температуре, являются полосатыми (рис. 4.3, б). Каждая полоса образована большим числом близко расположенных линий.

Рис. 4.2 Типы спектров:

а — линейчатый; б — полосатый; видны отдельные линии, составляющие полосу; в—сплошной.

Наиболее темным местам в спектре соответствует наибольшая интенсивность света (негативное изображение) [6].

Большинство задач атомно- спектроскопического анализа решается при использовании спектральных линий, расположенных в видимом, ближнем ультрафиолетовом и инфракрасном участках спектра. В соответствии с этим чаще всего применяют спектрографы, работающие в интервале длин волн 200—1000 нм. Спектральные приборы с кварцевой оптикой позволяют работать в области 200—700 нм, со стеклянной — в области 400—1000 нм. Разрешающая способность призменных приборов меняется по спектру. Приборы с дифракционной решеткой могут дать спектр обеих указанных областей с практически одинаковым разрешением по спектру. Это существенное преимущество дифракционных приборов перед призменными.

Затем находят длину волны линии по ее положению в спектре, а с помощью таблиц определяют ее принадлежность тому или иному элементу [2].

Пламенные фотометры также широко применяемы. Для целей фотометрического анализа широкое применение получили отечественные пламенные фотомеры ФПЛ-1 (фотомер пламенный лабораторный) и ПФМ (фотомер фотоэлектрический пламенный).

Фотометр пламенный лабораторный предназначен для количественного определения Na, К, Са в растворах. Его горелка обеспечивает работу на горючей смеси пропан — бутан — воздух. Допустимый суммарный дрейф электрического и фотометрического нуля в течение 1 ч не превышает 3% от верхнего значения шкалы. Нижний предел измерений составляет для Na и К — 0,5 мг/л, для Са — 5 мг/л. Верхний предел измерений для этих элементов — около 100 мг/л.

Более совершенен фотоэлектрический фотометр ПФМ, он дает возможность определить Na, К, Са, Sr, Li, Rb, Сs, Ва, Мn. Чувствительность определения щелочных металлов на этом приборе почти на два порядка выше, чем на ФПЛ-1. Прибор комплектуется интерференционными светофильтрами для выделения излучения Na (λ_mах — 589±5 нм); К (λ_mах — 766±5 нм); Ca (λ_mах – 620±5 нм) и Li (λ_mах — 671±5 нм).

Принципиальная схема пламенного фотометра показана на рис. 4.2 . Анализируемый раствор из стаканчика 1 засасывается в распылитель 2 током воздуха, который поступает из компрессора 3 через фильтр 4. Давление воздуха измеряется манометром 5. Распыленный раствор проходит через смеситель 6 и подается в горелку 7. Горючий газ также проходит через редуктор и фильтр и смешивается с аэрозолем в смесителе 6. Крупные капли осаждаются сепаратором, а мелкие вместе с газом и воздухом поступают в горелку прибора и испаряются в пламени. Оптическая система состоит из следующих элементов: отражательного зеркала 8 и конденсора 9, проектирующих изображение источника эмиссии (пламени) на фотоэлемент. Излучение проходит через тепловой фильтр, предохраняющий оптические узлы и фотоэлемент, адсорбционные и интерференционные светофильтры 10, 11, 12 для монохроматизации эмиссии исследуемых элементов. Сигнал с фотоэлемента поступает на усилитель 14 и фиксируется микроамперметром 15 [2].

Рис. 4.2 Принципиальная схема пламенного фотометра:

1 — испытуемый раствор, 2 — распылитель, 3 — компрессор, 4 — фильтр для воздуха, 5 — манометр для воздуха, 5а — манометр для газа, 6—камера смесителя, 7 — горелка, 8 — зеркало, 5 — конденсор, 10, 11, 12 — светофильтры, 13 — фотоэлемент, 14 — усилитель, 15 — гальванометр, 16 — стабилизатор, 17 — баллон для газа

В ходе моей курсовой работы я выполнила все поставленные задачи и добилась поставленной цели. Поэтому я делаю следующие выводы.

Под спектральным анализом понимают совокупность приемов, с помощью которых в результате измерения спектров исследуемого образца количественно определяют содержание в нем интересующих элементов. Практической целью методов атомной спектроскопии при анализе вещества является качественное, полуколичественное или количественное определение элементного состава анализируемой пробы.

Методы атомной спектроскопии делятся на атомно-абсорбционные и атомно- эмиссионные методы анализа. Первый основан на резонансном поглощении света свободными атомами, возникающем при пропускании света через слой атомного пара. Второй же основан на способности возбужденных атомов испускать свет. Этот свет регистрируется специальными приборами, снимаются показания и сравниваются со справочными данными.

С помощью атомно-спектроскопических методов анализа стало возможным качественное и количественное определение содержания тех или иных элементов в природных, сточных водах и почвах.

Основные методы определения неорганических компонентов сточных вод атомно-абсорбционная спектрометрия и пламенно- эмиссионная спектрометрия. Исследование природных вод с помощью методов атомной спектроскопии имеет очень большое значение, т.к. с его помощью возможно оценить состав и свойства воды для питьевого, технического, сельскохозяйственного, лечебного и других видов использования. Наиболее используемый метод – метод фотометрии пламени. При анализе почв наибольшее распространение получил атомно-абсорбционный метод.

Из всего вышесказанного следует, что методы атомной спектроскопии в анализе природных, промышленных вод и почв очень применимы и чрезвычайно важны. Поэтому их следует и дальше продолжать использовать, только совершенствуя технологии.

Источник