Производство  ->  Химическая промышленность  | Автор: | Добавлено: 2015-05-28

Изучение очистки почвы от промышленных загрязнений с помощью камыша

Здоровая природная среда – основа реализации стратегии «Казахстан 2030»

Цель нашего исследования заключается в разработке эффективного, доступного метода очистки почвы от ионов хрома, марганца, свинца на основе биологической рекультивации с применением аборигенной флоры загрязненной территории.

Задачи:

1. Изучить литературу по данной теме

2. Исследовать процесс адсорбции ионов тяжёлых металлов высшими растениями

3. Рассмотреть методики применения данного способа для очистки загрязнённой почвы

4. Рекомендовать изученные методики для применения в промышленных регионах

Проблема очистки загрязнённых промышленными отходами почв от ионов тяжелых металлов является не региональной, а общегосударственной. Решение её связано с разработкой новых технологий, разработкой новых способов, позволяющих эффективно извлекать из сточных вод и почвы тяжелые металлы. Поскольку некоторые растения могут накапливать огромное количество ионов некоторых тяжёлых металлов из сточных вод, рассмотреть возможность биологической рекультивации почвы с применением аборигенной флоры. Все это позволит улучшить экологические параметры состояния окружающей среды.

Этапы исследования:

1. Изучение специальной литературы

2. Планирование эксперимента

3. Проведение экспериментов по определению способности камыша адсорбировать ионы тяжёлых металлов из почвы(посадка камыша в чистую и загрязнённую почву)

4. Исследование образцов природного камыша

5. Исследование образцов экспериментального камыша

6. Описание проведённого эксперимента, формулирование выводов

Специфика исследования определила выбор методов исследования: а) описательный б) экспериментальный в) аналитический

Научная новизна исследования заключается в исследовании возможности применения камыша для очистки почвы от загрязнений ионами тяжёлых металлов. Результатом работы является разработка дешёвого способа рекультивации почвы, который можно применять на дачных участках и в промышленных масштабах.

Главная опасность тяжёлых металлов в том, что они способны постепенно концентрироваться в пищевых цепях и таким образом воздействовать на биосферу и человека. Попадая в природную среду, даже в небольших количествах, они накапливаются в ней и практически не выводятся.

Металлы – токсиканты вездесущие, в различных формах они способны загрязнять воздух, почву и воду. Человек, являющийся конечным звеном пищевой цепи кумулирует в своём организме эти ядовитые металлы.

Хром и марганец образуют ядовитые соединения, поражающие печень, ЦНС, ССС. Отравление происходит при вдыхании пыли, образующейся при размоле и посеве руды, при выплавке в электропечах их сплавов в виде аэрозолей.

В настоящее время техногенно загрязнённые почвы используются для нужд населения в так называемых пригородных зонах. Но большинство техногенных ландшафтов в теперешнем состоянии явно неблагоприятны и даже опасны для здоровья человека. Вблизи многих промышленных предприятий расположены дачные участки горожан, где в больших количествах выращиваются различные овощи, фрукты, ягоды. Почвы этих участков подвергаются загрязнению со стороны заводов, особенно металлургических. Наличие ионов хрома, марганца и свинца в почвах дачных участков, расположенных напротив ферросплавного завода города Аксу было экспериментально определено учеником нашего лицея Караченцевым Михаилом при выполнении научного проекта «Содержание ионов тяжёлых металлов в почвах».

Основная задача нашего исследования – устранить вредоносное воздействие данных земель на здоровье горожан. Для этого необходимо разработать дешёвый, доступный способ рекультивации земли, чтобы восстановить биологическую продуктивность и хозяйственную ценность загрязнённой почвы, а также улучшить экологическую ситуацию в нашем регионе.

Аналитический обзор литературы

Токсичность тяжелых металлов

О токсичности тяжелых металлов человечество знает достаточно давно. Тяжёлые металлы включаются в круговорот через микроорганизмы, растения и животные в виде продуктов питания поражают людей. Попадают эти металлы в почву и водоёмы из атмосферы, в виде промышленных выбросов.

Токсические свойства металлов

Металлы Класс опасности Токсические действия. ПДК,

Кадмий 1 Действует на нервную систему, почки, обмен веществ, канцероген. 0,001

Кобальт 2 Действует на дыхательную систему, обмен веществ, аллерген. 0,1

Марганец 2 Действует на дыхательную систему, обмен веществ, аллерген. 0,1

Медь 2 Действует на дыхательную систему, обмен веществ, аллерген. 0,1

Никель 2 Действует на обмен веществ, аллерген, канцероген. 0,1

Ртуть 1 Действует на обмен веществ, аллерген, канцероген. 0,005

Свинец 1 Поражает центральную систему, почки, кумулятивное действие. 0,1

Марганец 2 Действует на дыхательную систему, обмен веществ, аллерген. 0,1

Применяющиеся на локальных очистных сооружениях химические методы осаждения тяжелых металлов в виде гидроксидов способствуют образованию высокотоксичных осадков и не обеспечивают достаточно полного удаления этих токсичных соединений из воды.

Очистка воды биогенным способом

Цикл естественной очистки длится 12—14 дней. Традиционный метод, которым пользуются в больших городах, очищает сточные воды за 18—20 часов. Но, как известно, традиционная система тесно завязана на использовании электроэнергии, мощных насосов и прочего дорогостоящего оборудования плюс работа обслуживающего персонала. В данном же случае ничего такого не нужно.

Во многих странах довольно широко используются системы очистки шахтных вод на плантациях камыша и тростника. Описаны сооружения с камышовой растительностью для очистки хозяйственно-бытовых сточных вод в Нидерландах, Японии, Китае; для очистки загрязненного поверхностного стока в Норвегии, Австралии и в других странах. Стойкость камыша к действию больших концентраций загрязняющих веществ позволила довольно успешно использовать его для очистки сточных вод свиноводческих комплексов в Великобритании.

В г. Бентоне (США) с населением 4700 человек с 1985 г. осуществляется очистка бытовых сточных вод в прудах с зарослями камыша и других водных растений. Подсчитано, что стоимость такой системы очистки в 10 раз меньше, чем стоимость традиционных систем при удовлетворительном качестве очистки воды от соединений азота, фосфора, взвешенных и органических веществ. В Ирландии, г. Вильямстоуне, успешно эксплуатируется система совместной очистки хозяйственно-бытовых вод (72%) и поверхностного стока (28%), сконструированная в виде трех мелководных лагун, две из которых засажены камышом и рогозом, а третья представляет собой биопруд с плавающими водными растениями — лилией и ряской. В процессе очистки вода очищается до следующих показателей (мг/л): ПДК— 9, взвешенные вещества — 9, полный азот — 14,2, аммиак — 0,8, нитраты— 9,2, полный фосфор — 4,45, ортофосфаты — 3,15. Среднее процентное уменьшение концентраций загрязняющих веществ в системе за двухлетний период изучения составляет: 48% для БПК, 83% для взвешенных веществ, 51% для общего азота, 13% для общего фосфора, удаление патогенных организмов достигает 99,77%.

Очистные системы вторичной и третичной очистки бытовых сточных вод, основанные на использовании элодеи, пригодны для использования в умеренном климате, где могут круглый год удалять биогенные элементы из сточных вод.

По результатам промышленно-экспериментальных исследований процесса очистки бытовых сточных вод с использованием водного гиацинта в США, степень очистки по БПК5 достигает 97–98%. В Китае водный гиацинт используется для очистки сточных вод кинофабрики от серебра. Установлено, что эффективность очистки воды от серебра, взвешенных веществ, соединений фосфора и азота, соответственно, составляла 100%, 91%, 53,9%, и 92,9%, при этом БПК и ХПК уменьшалaсь на 98,6% и 91%. Предложенный метод позволяет отказаться от использования сорбционной очистки.

В России, в Институте цитологии и генетики, разработана технология очистки сточных вод с использованием водного гиацинта. Экспериментальная работа была проведена для сточных вод комплекса по разведению свиней. Очистка проводилась в биопрудах. Концентрация азота аммонийного снижалась (мг/л) с 30–50 до 4–5, БПК5 — со 150 до 20–30, ХПК — с 300 до 25–30, концентрация растворенного кислорода возрастала от 0,5 до 2–5 (мг •О2)/л.

В Норвегии в 40 км на юг от Осло для очистки сельскохозяйственного поверхностного стока построено экспериментальное биоплато, которое представляет собой сконструированный из восьми параллельных полос (каждая размером 3x40 м) фильтр глубиной 0,5 м, площадью 1200 м2. Площадь водосбора составляет 0,8 км2. Предварительные исследования показали значительную эффективность удаления взвешенных веществ — 45–75%, фосфора — 21–44%, азота — 15%. Исследования очистки сточных вод данным способом продолжаются.

Австралийские ученые разработали способ очистки поверхностного стока от автомагистралей. Дороги не обустраиваются бордюрами, сбор стока осуществляется фильтрационными траншеями (рис. 2), заполненными на глубину 0,8 м гравием. На дне траншеи прокладываются пластиковые сборные трубопроводы диаметром 150 мм, которые транспортируют сток для дальнейшей очистки в биоплато.

При очистке сточных вод чаще всего используют такие виды высших водных растений (ВВР), как камыш, тростник озерный, рогоз узколистый и широколистый, рдест гребенчатый и курчавый, спироделла многокоренная, элодея, водный гиацинт (эйхорния), касатик желтый, сусак, стрелолист обычный, гречиха земноводная, резуха морская, уруть, хара, ирис и многие другие высшие растения.

Как показали исследования, корневая система рогоза имеет высокую аккумулирующую способность относительно тяжелых металлов. Концентрация металлов в корневой системе рогоза, который рос на берегах шламонакопителей электростанций, достигала (мг/кг): железа— 199,1, марганца — 159,5, меди — 3,4, цинка — 16,6.

Известно, что камыш имеет высокие адаптивные свойства и способен прорастать в очень загрязненных промышленными сточными водами водоемах. Он способен удалять из воды ряд органических соединений, в т. ч. фенолы, нафтолы, анилины и прочие органические вещества. Удельное поглощение минеральных веществ камышом достигает (грамм на 1 г сухой массы): кальция — 3,95, калия — 10,3, натрия — 6,3, кремния— 12,6, цинка — 50, марганца — 1200, бора — 14,6.

В работе оценена способность трех видов высших водных растений (камыш, тростник и рогоз) удалять из загрязненных вод азот и снижать БПК. Установлено, что при средней концентрации аммония в сточных водах 24,7 мг/л, после очистки с использованием ВВР его концентрация составляла (мг/л): для камыша — 1,4, тростника — 5,3, рогоза — 17,7. Эффективность снижения БПК также была наиболее высокой у камыша, немного ниже у тростника и рогоза. Замечено, что накопление растениями биогенных элементов стимулируется увеличением их концентрации в среде, увеличивается под действием света, зависит от рН воды, а также от видовых особенностей растений, густоты биомассы и ряда других факторов, а именно — температуры и кислородного режима.

Биоочистка воды наоснове закрытого биоплато гидропонного типа (ЗБГТ). ЗБГТ используется в разработках и технологиях очистки сточных вод как водоохранное сооружение, которое объединяет основные элементы очистки с использованием иммобилизованной на инертном субстрате микрофлоры и высших водных растений и водоотведение доочищенных возвратных вод в водоем непосредственно или опосредствованно (через поток грунтовых вод) при наличии благоприятных гидрогеологических условий площадки, на которой обустраивают закрытое плато биогенного типа (ЗПБГ)

Биологическая борьба с загрязнением почвы

Загрязнение почвы тяжелыми металлами– одна из серьёзных экологических проблем, с которой столкнулся современный человек. До недавнего времени для удаления этих ядов использовался дорогостоящий способ. Отравленный тяжёлыми металлами слой почвы сначала срезают, а затем промывают в гигантских моечных машинах или выжигают в специальных печах при температуре свыше +800 градусов. Понятно, что после такого очищения почва биологически мертва, ведь микроорганизмы, населяющие её, погибают.

С недавних пор учёные предложили оздоравливать почву с помощью биометода, используя некоторые виды растений, обладающие способностью избирательно накапливать в своих клетках определённые виды тяжёлых металлов.

Как-то раз немецкий биолог Роланд Мегнет обнаружил на свалке огромные травянистые растения с белоснежными цветками. Другие растения на свалке не росли, потому что почва была отравлена тяжёлыми металлами. Как выяснилось позже, это была сахалинская гречиха, которая в конце прошлого века попала туда из России.

Удивлённый учёный пересадил несколько растений к себе в лабораторию и начал эксперименты. Сначала он поместил отдельные клетки гречихи в питательную среду, где они размножались. Затем начал подкармливать полученную клеточную культуру питательными растворами с большим содержанием кадмия и свинца. Из огромного количества клеток выжили не многие. Именно из них вновь выросли целые растения, настоящие пожиратели тяжёлых металлов. Как показывали опыты, такие быстроразвивающиеся растения, за год в состоянии извлечь с каждого гектара земли 1,3 килограмма кадмия, 24 килограмма свинца,322 килограмма цинка.

Эти удивительные растения были с успехом использованы для очистки отравленной мышьяком почвы на военном полигоне, где раньше использовали химическое оружие. Через два года после посадки ядовитые вещества полностью извлекли из почвы загрязняющие компоненты.

Сахалинская гречиха не единственное растение, которое поглощает тяжёлые металлы. Прекрасно извлекает кадмий и цинк альпийская ярутка, а индийская горчица предпочитает свинец и хром. Сегодня учённые занимаются активными поисками растений, способных избирательно накапливать большие количества токсичных металлов.

Растения- гигиенисты

Наиболее перспективным методом очистки почвы является очистка с помощью растений – фиторемедиеция ( от греческого photon – растения и англ. remediation – направление) – очистка почвы с помощью растений.

Основным преимуществом данного метода является экономическая большая эффективность при сохранения высокого уровня эффективности очистки. Обнаружено, что некоторые виды растений способны не только выдерживать наличие, но и поглощать, накапливать в десятки, сотни и тысячи раз ионов свинца, ртути, цинка и др. токсичных металлов, чем остальные.

Это позволило теперь для очистки почвы засеять поле нужным видом растения, а в конце сезона собрать «урожай» тяжёлых металлов и вывезти на специальный полигон.

Преимущества метода:

1. Обеспечивают высокую степень очистки.

2. Дешевизна эксперимента. Энергетические затраты и необходимое оборудование минимальны.

3. металлгипераккумулирующие растения.

Корни камыша, который обильно произрастает на болотах, содержат большое количество крахмала. Этот крахмал предлагают извлекать, подвергать гидролизу и использовать для производства спирта в качестве моторного топлива.

Экспериментальная часть

Посадка камыша в образцы подготовленной почвы

Пригодны для разведения камыша песок, глина, подзол и торф и наименее тонкий ил. То есть, он может расти на такой почве, которая есть на дачных участках нашего района. Посев возможен только на почвах, не покрытых водой; на покрытых же необходимо обратиться к посадке с корнями. Для посадок на более плотных почвах пригодны толстые корни - корневища, или плетки прикрываемыми песком; 2) черенками - частями стебля с корневыми мочками и срезанными 2-3 верхними узлами, опускаемыми в ямки на 8-10 см; б) пеньками - нижними частями стеблей с корнями. Образцы камыша для наших опытов мы взяли в пойме реки Белая. Анализ на наличие ионов марганца, хрома и свинца в этом материале дал отрицательный результат. Для исследования способности камыша извлекать ионы тяжёлых металлов из почвы были подготовлены в вёдрах четыре образца почвы: № 1- внесено 5 г сульфата марганца; № 2 – внесено 5 г сульфата хрома (II); № 3 – внесено 5 г нитрата свинца (II); № 4 – почва с минимальным содержанием исследуемых компонентов. В эти вёдра были высажены образцы камыша.

Изучение способности камыша накапливать ионы тяжелых металлов

После завершения вегетативного периода развития камыша, проведён анализ на определение содержания металлов марганца, хрома, свинца в различных частях растения. Растения высушили, затем измельчили. Отдельно листья, стебли, корневища растворили в азотной кислоте при нагревании в течение 30 минут. Так как образцы камыша произрастали на почвах, в которые вносили соли марганца, хрома и свинца, то велось определение именно этих металлов. Определение металлов проводилось по следующей методике. Наличие и относительное содержание ионов металлов оценивалось по качественным реакциям на данные ионы. Результаты анализа отображены на рисунке № 4

Обнаружение ионов свинца Pb2+

При действии на раствор соли свинца раствора хромата или бихромата калия выпадает жёлтый осадок хромата свинца:

Pb2+ + CrO42- → ↓PbCrO4

Реакцию следует проводить в присутствии СН3СООН при рН< 7, так как PbCrO4 в уксусной кислоте нерастворим.

Листья Стебли Корневище

Обнаружение Cr3+ - ионов

При действии перекиси водорода в щелочной среде ионы трёхвалентного хрома окисляются до хромат-ионов (CrO42-), окрашенных в жёлтый цвет:

2Cr(OH)3 + 3 H2O2 + 4OH- → 2CrO42- + 8 H2O

листья стебли корневище

Обнаружение Mn2+- ионов

При действии в щелочной среде перекиси водорода бесцветные ионы двухвалентного марганца (Mn2+) окисляются до нерастворимых соединений марганца (IV) H2MnO3 или MnO2, окрашенные в бурый цвет:

Mn2+ + H2O2 + 2OH- → ↓ H2MnO3 + H2O

листья стебли корневище

В образце почвы № 4 проведён анализ на содержание свинца, хрома, марганца.

Результаты анализа отрицательные. Данный образец не содержит ионы этих металлов.

Результаты проведённых исследований занесены в таблицу № 2

Содержание ионов марганца, хрома, свинца

Части камыша Марганец Хром Свинец

Mn2+ Cr3+ Pb2+

Корневище +++ +++ +

Листья - - -

Стебель + + -

Затем в образцы были внесены по 5 г. солей – сульфата марганца (II), нитрата свинца (II), сульфат хрома (III). Во все образцы были высажены ростки камыша.

После завершения вегетативного периода был произведён анализ корневищ камыша. Данные приведены в таблице №3.

Содержание марганца, хрома, свинец в корневище камыша на 1 кг сухого веса

Марганец Хром Свинец

Mn2+ Cr3+ Pb2+

Содержание в корневище 4783 мг / кг 3759 мг /кг 5369 мг /кг камыша

Одновременно был проведён анализ сухого корневища камыша в эталонном образце и образцах камыша, взятых на участке поймы реки Белая (около водозабора города Аксу) и около завода ферросплавов.

Содержание марганца, хрома, свинца в эталонном и природных образцах камыша

Марганец Хром Свинец

Mn2+ Cr3+ Pb2+

В эталонном образце не обнаружен не обнаружен не обнаружен

В корневище камыша в пойме реки не обнаружен не обнаружен не обнаружен

В корневище камыша около

АЗФ обнаружен обнаружен обнаружен

Количественное определение Mn2+ -ионов

Количественное определение - Mn2+ионов проводилось методом перманганатометрии. Перманганатометрический метод прямого титрования марганца (II) стандартным раствором перманганата в кислой среде (рН=5-6) в присутствии оксида цинка. При этом протекают следующие реакции:

3 Mn2+ + 2MnO4- + 7 H2O → 5H2MnO3 + 4H+

ZnO + 2 H+ → Zn2+ + H2O

ZnO + H2MnO3 → ZnMnO3 + H2O

Прибавление оксида цинка способствует поддержанию требуемой кислотности среды и полному окислению Mn2+ в Mn4+.

Приготовление стандартного (титрованного) раствора перманганата калия.

Эквивалент перманганата калия при титровании в кислой среде равен его молекулярному весу, делённому на 5. Для приготовления 1 л 0,01 н раствора перманганата калия из КMnO4, предназначенного для титрования кислых растворов, сначала рассчитывают значение навески по формуле:

М(КMnO4) · 0,05/5= 158,03 · 0,05/5 = 1,5803г.

На аналитических весах в стеклянном бюксе взвешивают приблизительно 1,6 г исходного перманганата. Навеску перманганата растворяют в 1 л дистиллированной воды, нагревают до кипения, охлаждают и оставляют в колбе на несколько дней (10-12 дней).

Для установки титра раствора перманганата калия мы применяли оксалат аммония (NH4)2C2O4. Оксалат аммония обладает некоторыми преимуществами по сравнению с другими установочными веществами, применяемыми для установки титра перманганата: он хорошо кристаллизуется, отвечает определённому химическому составу, не изменяющемуся при хранении, не содержит примесей, относительно легко растворяется в воде, не подвергается действию углекислого газа и кислорода воздуха. Пользуясь оксалатом аммония мы выполнили установку титриметрических характеристик перманганата методом отдельных навесок.

Рассчитали навеску оксалата аммония, необходимого для приготовления 20 мл 0,05 н раствора (т. е. раствора, концентрация которого равна приблизительно концентрации перманганата калия). 0,05 н раствор в 1000 мл содержит 0,05 · 62,07 = 3,1035 г оксалата аммония.

М((NH4)2C2O4 ) = 124,13 г/моль, Э((NH4)2C2O4 ) = 124,13/2 = 62,07

Масса навески NH4)2C2O4 для приготовления 20 мл 0,05 н раствора 0. 05· 62,07 · 20 / 1000 = 0,062 г.

На аналитических весах в бюксах взвесили три навески оксалата аммония и рассчитали объём его 0. 05 н раствора.

Перенесли эти навески в три конические колбы. Навески растворили в 10 мл дистиллированной воды, добавили 2 мл 2 н раствора серной кислоты, нагрели на водяной бане до 70-80° С и оттитровали оксалат приготовленным раствором перманганата, который налили в бюретку. Для более чёткого фиксирования конца титрования по появлению бледно-розовой окраски раствора под колбу подкладывают лист белой бумаги. Отсчёт израсходованного на титрование оксалата перманганата по бюретки производился с точностью до сотых долей миллилитра.

m1 = 0, 068 г V1 (NH4)2C2O4) = 0,068· 1000 / 3,1035 =21,90 мл m2 = 0,085 г V2 (NH4)2C2O4) = 0,085· 1000 / 3,1035 = 29,45 мл m3 = 0,070 г V3 (NH4)2C2O4) = 0,070· 1000 / 3,1035 =21,55 мл.

Перенесли эти навески в три конические колбы. Навески растворили в 10 мл дистиллированной воды, добавили 2 мл 2 н раствора серной кислоты, нагрели на водяной бане до 70-80° С и оттитровали оксалат приготовленным раствором перманганата, который налили в бюретку. Для более чёткого фиксирования конца титрования по появлению бледно-розовой окраски раствора под колбу подкладывают лист белой бумаги. Отсчёт израсходованного на титрование оксалата перманганата по бюретки производился с точностью до сотых долей миллилитра.

Результат титрования:

V1 (КMnO4) = 26,40 мл

V2 (КMnO4) = 35,15 мл

V3 (КMnO40 = 23,20мл.

Рассчитываем концентрацию раствора перманганата:

N1(КMnO4) = 0,05·21,90 / 26,40 = 0,042

N2(КMnO4) = 0,05· 29,45 /35,15 = 0,042

N3(КMnO4)= 0,05∙ 21,55 / 23,20 = 0,046

Установленная нормальность раствора перманганата калия 0,042 н.

Результаты титрования раствора перманганата аммония оксалатом аммония

№ опыта Масса навески V (NH4)2C2O4) V (КMnO4) N(КMnO4)

(NH4)2C2O4)

1 0, 068 г 21,90 мл 26,40 мл 0,042

2 0,085 г 29,45 мл 35,15 мл 0,042

3 0,070 г 21,55 мл. 23,20мл. 0,046

Установленная нормальность раствора перманганата калия 0,042 н.

Определение марганца в корневище камыша

Высушенные корневища камыша массой 100 г прокалили в фарфоровом тигле на электроплитке 1 час для удаления органических веществ, остаток растворили в 2 н растворе серной кислоты и прокипятили 30 минут для перехода ионов металлов в раствор. Полученный раствор перенесли в мерную колбу 100 мл и довели объём до метки.

Аликвоту 20 мл перенесли в коническую колбу, добавили оксид цинка, воды, нагрели на водяной бане 5 минут. Горячий раствор оттитровали раствором перманганата до появления розовой окраски.

V1 (КMnO4) = 32,45мл N1(Mn2+) = 0,012·32,45/20 = 0,019

V2 (КMnO4) = 28,80мл N2(Mn2+) = 0,012·28,80/20 = 0,017

V3 (КMnO40 = 28,40мл. N3(Mn2+) = 0,012· 28,40/20 = 0,017

V4 (КMnO4) = 30,35мл N4(Mn2+) = 0,012·30,35/20 = 0,018

V5 (КMnO4) = 27,40 мл N5(Mn2+) = 0,012 ·27,40/20 = 0,016

Определение марганца

Произведём перерасчёт на сухое вещество:

Э(Mn2+) = 54,95/2 = 27,48 г.

Масса марганца в исследуемой массе сухого корневища (100 г) составляет:

Э(Mn2+) = 54,95/2 = 27,48 г.

m1(Mn2+) = 0,019 ·27,48 = 0,5223 г m2(Mn2+) = 0,017· 27,48 = 0,4673 г m3(Mn2+) = 0,017· 27,48 = 0,4673 г m4(Mn2+) = 0,018 ·27,48 = 0,4948 г m5(Mn2+) = 0,016 ·27,48 = 0,4397 г

Определение содержания марганца в корневище камыша

№ опыта V (КMnO4) N(Mn2+) m(Mn2+)

1 32,45мл 0,019 0,5223 г

2 28,80мл 0,017 0,4673 г

3 28,40мл 0,017 0,4673 г

4 30,35мл 0,018 0,4948 г

5 27,40 мл 0,016 0,4397 г

Количественное определение Cr2+ -ионов в корневище камыша

Высушенные корневища камыша массой 100 г прокалили в фарфоровом тигле на электроплитке 1 час для удаления органических веществ, остаток растворили в 2 н растворе серной кислоты и прокипятили 30 минут для перехода ионов хрома в раствор. Полученный раствор перенесли в мерную колбу 100 мл и довели объём до метки.

Аликвоту 20 мл перенесли в коническую колбу, добавили пероксид водорода, воды, нагрели на водяной бане 5 минут. Горячий раствор оттитровали раствором перманганата до появления розовой окраски.

V1 (КMnO4) = 24,80 мл N1(Cr2+) = 0,012·24,80/20 = 0,0149

V2 (КMnO4) = 23,60 мл N2(Cr2+) = 0,012·23,60/20 = 0,0142

V3 (КMnO4) = 23,45 мл. N3(Cr2+) = 0,012· 23,45/20 = 0,0141

V4 (КMnO4) = 24,65 мл N4(Cr2+) = 0,012·24,65/20 = 0,0148

V5 (КMnO4) = 23,85 мл N5(Cr2+) = 0,012 ·23,85/20 = 0,0143

Произведём перерасчёт на сухое вещество:

Э(Cr2+) = 52,00/2 = 26,00 г.

Масса хрома в исследуемой массе сухого корневища (100 г) составляет m1(Cr2+) = 0,0149 ·26,00 = 0,3874 г m2(Cr2+) = 0,0142· 26,00 = 0,3692 г m3(Cr2+) = 0,0141· 26,00 = 0,3666 г m4(Cr2+) = 0,0148 ·26,00 = 0,3848 г m5(Cr2+) = 0,0143 ·26,00 = 0,3718 г

Определение содержания хрома в корневище камыша

№ опыта V (КMnO4) N(Cr2+) m1(Cr2+)

1 24,80 мл 0,0149 0,3874 г

2 23,60 мл 0,0142 0,3692 г

3 23,45 мл 0,0141 0,3666 г

4 24,65 мл 0,0148 0,3848 г

5 23,85 мл 0,0143 0,3718 г

Количественное определение Pb2+ -ионов в корневище камыша

Высушенные корневища камыша массой 100 г прокалили в фарфоровом тигле на электроплитке 1 час для удаления органических веществ, остаток растворили в 2 н растворе азотной кислоты и прокипятили 30 минут для перехода ионов свинца в раствор. Полученный раствор перенесли в мерную колбу 100 мл и довели объём до метки.

Аликвоту 20 мл перенесли в коническую колбу, добавили 5 капель нитрата серебра в качестве индикатора, воды, оттитровали раствором бихромата калия до появления розовой окраски.

Определение свинца

V1 (К2Cr2O7) = 15,65 мл N1(Pb2+) = 0,01·15,65/20 = 0,0078

V2 (К2Cr2O7) = 13,80 мл N2(Pb2+) = 0,01·13,80/20 = 0,0066

V3 (К2Cr2O7) = 14,35 мл. N3(Pb2+) = 0,01· 14,35/20 = 0,072

V4 (К2Cr2O7) = 15,40 мл N4(Pb2+) = 0,01·15,40/20 = 0,0077

V5 (К2Cr2O7) = 14,15 мл N5(Pb2+) = 0,01 ·14,15/20 = 0,0071

Произведём перерасчёт на сухое вещество:

Э(Pb2+) = 147,1 г.

Масса свинца в исследуемой массе сухого корневища (100 г) составляет m1(Pb2+) = 0,0078 ·147,1 = 1,1621г m2(Pb2+) = 0,0066 · 147,1 = 0,9709 г m3(Pb2+) = 0,0072· 147,1 = 1,0591 г m4(Pb2+) = 0,0077 ·147,1 = 1,1327 г m5(Pb2+) = 0,0071 ·147,1 = 1,0444 г

Определение содержания свинца в корневище камыша

№ опыта V (К2Cr2O7) N(Pb2+) m(Pb2+)

1 15,65 мл 0,0078 1,1621г

2 13,80 мл 0,0066 0,9709 г

3 14,35 мл. 0,072 1,0591 г

4 15,40 мл 0,0077 1,1327 г

5 14,15 мл 0,0071 1,0444 г

Статистическая обработка результатов эксперимента

Результаты статистической обработки данных титриметрического анализа определения содержания марганца

№ V1 (КMnO4) m(Mn2+)=x d=(x-x) d 2

1 32,45 0,5223 г + 0,044 19,36·10 -4

2 28,80 0,4673 г - 0,011 1,21· 10 -4

3 28,40 0,4673 г - 0,011 1,21· 10 -4

4 30,35 0,4948 г + 0,0165 2,72 ·10 -4

5 27,40 0,4397 г - 0,0396 15,68 ·10 -4

n=5 X=0,4783 Ξd= - 0,0011 Ξd 2=40,19· 10 -4

S =√ Ξd 2 / n-1 =√ 40,19· 10 -4 /5-1 = √10,05· 10 -4 =

=3,17· 10 -2

2S = 2 ∙ 3,17· 10 -2= 0,0634. В нашем исследовании таких результатов нет.

V = S2 = 10,05· 10 -4

Sx = √ Ξd 2 / (n-1) n =

√ 10,05· 10 -4 /(5-1) 5= 0,71∙ 10-2

α= 0. 95 N=5 t =2,57

ε α = Sx t α K= 0,71 · 10 -2 · 2,57 = 1,8247· 10 -2

Расчётные формулы

Стандартное отклонение S =√ Ξd 2 / n-1 =√ 40,19· 10 -4 /5-1 = √10,05· 10 -4 =

=3,17· 10 -2

Если отклонение d=(x-x) по абсолютной величине превышает удвоенное значение стандартного отклонения S, т. е. d >2 S, то такой результат относят к грубой ошибке и исключают из ряда вариант, подлежащих статистической обработке.

2S = 2 ∙ 3,17· 10 -2= 0,0634. В нашем исследовании таких результатов нет.

Дисперсия V = S2 = 10,05· 10 -4

Стандартное отклонение среднего Sx = √ Ξd 2 / (n-1) n =

√ 10,05· 10 -4 /(5-1) 5= 0,71∙ 10-2

Доверительный интервал ε :

Доверительная вероятность α= 0. 95, коэффициент Стьюдента при N=5, t =2,57

ε α = Sx t α K= 0,71 · 10 -2 · 2,57 = 1,8247· 10 -2 m(Mn2+)= 0,4783 +/-0,018247 г в 100 г сухого вещества. Пересчитаем на 1000 г сухого вещества m(Mn2+)= 0,4783 ∙1000/100 = 4,783 г = 4783 мг

В почву было помещено всего 5 г сульфата марганца (II). В таком количестве соли содержалось 5 ∙ 54,94 / 151,01 = 1,82 г ионов марганца.

Это составляет ПДК= 1,82г /0,1∙ 10-3 г =18 200

Общая масса сухих корневищ в данном образце составила 270 г. Если в 100 сухих корневищ накоплено 0,4783 г марганца, то в 270 г корневища – 1,29 г марганца извлечено из почвы. Из всего внесённого в почву марганца 1,29 ∙100 /1,82 = 70,88 %.

Результаты статистической обработки данных титриметрического анализа определения содержания хрома

№ V1 (КMnO4) m(Cr2+)=x d=(x-x) d 2

1 24,80 0,3874 г - 0,0057 32,49·10 -6

2 23,60 0,3692 г - 0,0083 68,89· 10 -6

3 23,45 0,3666 г + 0,0199 396,01· 10 -6

4 24,65 0,3848 г - 0,0031 9,61 ·10 -6

5 23,85 0. 3718 г + 0,0225 506,25 ·10 -6

n=5 X=0,3759 Ξd =+ 0,0243 Ξd 2=1013· 10 -6

S =√ Ξd 2 / n-1 =√ 1013· 10 -6 /5-1 = √2,2325· 10 -4 =

=1,5914· 10 -2

2S = 2 ∙1,5914· 10 -2 =0,0318. В нашем исследовании таких результатов нет.

V = S2 = 2,2325· 10 -4

Sx = √ Ξd 2 / (n-1) n = √ 2,2325· 10 -4/(5-1) 5= 1,591∙ 10-2

α= 0. 95 N=5 t =2,57

ε α = Sx t α K= 1,591· 10 -2 · 2,57 = 4,296· 10 -2 m(Cr2+)= 0,3759г +- 0,04296 в 100 г сухого вещества. Пересчитаем на 1000 г сухого вещества m(Cr2+)= 0,3759г ∙1000/100 = 3,759г = 3759 мг на 1 кг сухого корневища.

В почву было помещено всего 5 г сульфата хрома (II). В таком количестве соли содержалось 5 ∙ 52,00 / 148,066 = 1,75 г ионов хрома. Это составляет

ПДК= 1,75 г/ 0,1∙ 10-3 г = 17 500

Общая масса сухих корневищ в данном образце составила 220 г. Если в 100 сухих корневищ накоплено 0,3759 г хрома, то в 220 г корневища – 0,83 г хрома извлечено из почвы. Из всего внесённого в почву хрома 0,83∙100 /1,75 = 53,14 %.

Результаты статистической обработки данных титриметрического анализа определения содержания свинца

№ V1 (К2Cr2O7) m(Pb2+)=x d=(x-x) d 2

1 15,65 1,1621 г + 0,0883 77,97·10 -4

2 13,80 0,9709г - 0,1029 105,88· 10 -4

3 14,35 1,0591 г - 0,0147 2,16· 10 -4

4 15,40 1,1327 г + 0,0589 34,69 ·10 -4

5 14,15 1,0444 г - 0,0294 8,64 ·10 -4

n=5 X=1,0738 Ξd= 0,007 Ξd 2= 229,34· 10 -4

S =√ Ξd 2 / n-1 =√ 229,34· 10 -4 /5-1 = √57,34· 10 -4 =

=7,57· 10 -2

2S = 2 ∙7,57· 10 -2 =0,1514. В нашем исследовании таких результатов нет.

V = S2 = 57,34· 10 -4

Sx = √ Ξd 2 / (n-1) n = √ 57,34· 10 -4/(5-1) 5= 2,867∙ 10-2

α= 0. 95 N=5 t =2,57

ε α = Sx t α K= 2,867· 10 -2 · 2,57 = 7,378· 10 -2 m(Pb2+)= 1,0738 + 0,07378 г в 100 г сухого вещества. Пересчитаем на 1000 г сухого вещества m(Pb 2+)= 1,0738 г ∙1000/100 = 10,738 = 10738 мг

В почву было помещено всего 5 г нитрата свинца (II). В таком количестве соли содержалось 5 ∙207,2/ 331,2 = 1,25 г ионов свинца.

Это составляет ПДК=1,25 г / 0,1∙ 10-3 г = 12 500

Общая масса сухих корневищ в данном образце составила 110 г. Если в 100 г сухих корневищ накоплено 1,0738 г хрома, то в 180 г корневища – 1,1813 г свинца извлечено из почвы. Из всего внесённого в почву свинца

1,1813 ∙100 /1,25 = 94,50 %.

Большой интерес в последнее время вызывает использование искусственных (созданных человеком) заболоченных территорий для удаления загрязнителей из воды муниципальных или частных сточных систем, промышленных и сельскохозяйственных сточных вод или кислотных шахтных водоотливов. Специалисты по проблемам окружающей среды называют заболоченные территории «почками» природы. Целью нашего исследования найти такое растение нашего региона, которое смогло бы извлекать токсичные металлы не только из воды, но и из почвы. Наиболее интересным с этой точки зрения нам показался камыш.

. Исследование содержания ионов марганца, хрома и свинца в опытных образцах камыша.

Результаты исследования аккумулятивных свойств камыша

Элемент Внесено в почву ионов Извлечено из почвы, г Процент извлечения из Обнаружено в 100 г сухогоВ пересчёте на 1 кг металла, г почвы корневища сухого корневища

Марганец 1,82 1. 29 70,88 0,4783 4,783

Хром 1,75 0,8300 53,14 0,3759 3,759

свинец 1,25 1,1813 94,50 1,07 10,738

В результате произведённого исследования мы выяснили, что камыш имеет высокие адаптивные свойства и способен прорастать в очень загрязнённых промышленными отходами почвах. Он способен удалять из воды марганец, хром, свинец. Наибольшая концентрация этих металлов обнаружена в корневище.

Замечено, что накопление биогенных элементов увеличивается при увеличении их концентрации в среде

Извлечено из почвы, г Внесено в почву ионов металла, г Процент извлечения из почвы

Марганец 1. 29 1,82 70,88

Хром 0,8300 1,75 53,14

свинец 1,1813 1,25 94,50

Комментарии


Войти или Зарегистрироваться (чтобы оставлять отзывы)