Метрологическое обеспечение контроля очистки воды для питьевого водоснабжения

Оглавление
1.Введение: качество важно, но контроль должен быть точным.
2.Метрологическое обеспечение контроля качества воды для питьевого водоснабжения
2.1.Основные химические показатели качества воды для питьевого водоснабжения
2.2.Методы определения химических веществ в питьевой воде и обеспечение точности результатов измерений
2.3.ГОСТы
3.Средства контроля правильности
4.Заключение
5.Список литературы

Метрологическое обеспечение контроля очистки воды для питьевого водоснабжения

Рисунок 3
Свет от галогенной малогабаритной лампы (1) проходит последовательно через систему линз, теплозащитный (2), нейтральный (3), выбранный цветной (4) светофильтры, кювету с раствором (5), попадает на пластину (6), которая делит световой поток на два: 10% света направляется на фотодиод при измерениях в области спектра 590-540 нм) и 90% — на фотоэлемент (при измерениях в области спектра 315-540 нм).
Характеристики светофильтров представлены в таблице 1.
Таблица 1
Важную роль для выполнения анализа играет выбор стандартных образцов. Для методики по РД 52.24.516-2006 необходимы государственные стандартные образцы состава водных растворов ионов меди ГСО 7255-96 и ионов цинка ГСО 7256-96. Также в качестве средств измерений и оборудования необходимы весы, рН-метр или иономер, термометры, лабораторная посуда и т.д.
Недостатком приборов фотометров считается отсутствие монохроматора, то есть отсутствие селективности измерений. В качестве достоинств фотометров можно назвать простоту конструкции, высокую чувствительность, широкий измеряемый диапазон оптической плотности (0,05-3,0), который позволяет определять элементы и их соединения в широком интервале содержаний − от 10-6 до 50% по массе. При соответствующем подборе реагентов, состава реагентов и условий измерений можно дополнительно повысить селективность и чувствительность определений. Погрешности определения составляют около 5%.
Обычно относительная погрешность фотометрических методик анализа составляет 20-25 % за счет возникновения большого числа погрешностей, возникающих при приготовлении растворов, перевода определяемого компонента в фотометрируемое соединение, влияния различных факторов и посторонних элементов и др. При этом погрешность применяемого средства измерения существенно мала (около 1%).
С помощью фотометрических методов анализа определяют содержание многих неорганических веществ в питьевой воде (азота, алюминия, бария, бериллия, бора, железа, меди, кадмия, марганца и др.) и вредных химических веществ, поступающих и образующихся в процессе обработки воды (хлора, озона, формальдегида, полифосфатов и др.).
Хроматографический метод (хроматография) – это метод разделения смесей на составляющие компоненты при прохождении подвижной фазы через (или над) стационарную фазу. Исследуемый образец вводится в подвижную фазу и при помощи нее переносится вдоль стационарной фазы. При этом компоненты образца постоянно взаимодействуют с неподвижной фазой до тех пор, пока не становятся разделенными. Подвижная фаза может быть жидкостью или газом, неподвижная фаза – жидкостью или твердым веществом [3].
Если на мелко измельченный носитель, которым заполняют колонку хроматографа, нанести жидкость в виде равномерной тонкой пленки, разделяющей системой станет газ-жидкость. Такая система положена в основу газо-жидкостной хроматографии (ГЖХ) [4].
Методы газожидкостной хроматографии (ГЖХ) получили широкое распространение благодаря тому, что они позволяют разделить и количественно определить компоненты в сложных смесях даже тогда, когда они сходны по химическим свойствам, а температуры кипения различаются на десятые доли градуса. Анализ может проводиться даже при очень малых количества вещества, к тому же в течение нескольких минут.
На рисунке 4 показан газожидкостный хроматограф Кристалл 4000Люкс М, применяемый для анализа хлорорганических соединений и пестицидов. Именно на этом приборе определяется содержание в хлорированной водопроводной воде одного из самых токсичных веществ хлороморма.
Рисунок 4
Разделение смеси анализируемых веществ осуществляется в колонках-трубках, заполненных твердым пористым сорбентом, на который нанесена жидкая нелетучая стационарная фаза. Через колонку движется поток паров анализируемых веществ, смешанных с газом-носителем. Между подвижной газовой и жидкой стационарной фазами за счет многократных процессов растворения и испарения происходит многократное установление равновесия. Вещества, которые лучше растворяются в стационарной фазе, длительнее удерживаются ею, благодаря чему и происходит разделение смеси анализируемых веществ на отдельные компоненты, которые выходят из колонки-трубки раздельно и регистрируются в виде выходной кривой.
На повышение эффективности метода ГЖХ влияют выбор жидкой фазы, размеров частиц и природы твердого носителя, скорости и природы газа-носителя, температуры, количества вводимой пробы, длины колонки и других факторов.
Схема газового хроматографа приведена на рисунке 5.
Рисунок 5
1-баллон с инертным газом; 2-устройство для ввода пробы в хроматографическую колонку; 3-хроматографическая колонка; 4-термостат; 5-детектор; 6-преобразователь сигналов; 7-регистратор.
Ввод пробы (газообразной или жидкой) может выполняться вручную (газовым шприцем или микро-шприцем) или автоматически (микродозатором). В детекторе происходит изменение теплопроводности, фиксируется изменение концентрации выходящих компонентов: происходит преобразование в электрический сигнал и запись в виде выходной кривой.
Основными системами любого газового хроматографа являются колонка и детектор. Хроматографическая колонка-трубка разделяет, а детектор количественно определяет компоненты проходящей через них газовой смеси вещества и газа-носителя.
Детекторы хроматографов бывают двух видов: дифференциальные и интегральные. Дифференциальные детекторы реагируют и фиксируют мгновенное изменение характеристики, интегральные построены на принципе суммирования изменений измеряемой характеристики за какое-то время. Дифференциальные детекторы показывают изменение концентрации вещества на выходе или произведение концентрации на скорость.
В зависимости от принципа действия детекторы бывают пламенно-ионизационные (ПИД), электронно-захватные, аргоновые. Например, чувствительным элементом является вольфрамовая нить, которая нагревается постоянным током. Протекающий над нею газ-носитель отводит тепло с постоянной скоростью. Когда в смеси появляются молекулы анализируемого вещества, то изменяется скорость отвода тепла от нити и, как следствие, изменяются температура и электрическое сопротивление нити, которое пропорционально концентрации компонента в газовой смеси. Электрическая схема прибора регистрирует разницу в показаниях до и после прохождения измеряемого компонента. Этот детектор практически универсален, с его помощью можно определить концентрацию вещества в пределах 0,1–0,01%.
Газа-носитель обычно выбирают аргон, гелий, азот, водород, воздух. Чем больше относительная молекулярная масса газа-носителя, тем выше качество разделения компонентов анализируемой смеси (благодаря уменьшению их диффузии). При меньшей молекулярной массе газа-носителя улучшается чувствительность детектора по теплопроводности.
Газы для хроматографии подвергаются тщательной осушке, потому что частицы воды отрицательно влияют на точность измерения, ухудшают стабильность показаний и чувствительность детекторов. Другие примеси также оказывают влияние на эти показатели.
В качестве примера методики измерений можно привести методику, разработанную Лимонологическим институтом Сибирского отделения РАН «Хроматографические и спектральные параметры УФ-поглощающих веществ. Методика выполнения измерений методом высокоэффективной жидкостной хроматографии» (свидетельство № 38-03).
В качестве основного средства измерений используется хроматограф жидкостный "Милихром А-02" с колонкой хроматографической из нержавеющей стали, заполненной обращенно-фазовым сорбентом С18, тип «БД-2003» (см. рисунок 6).
Рисунок 6
Для проведения анализа также необходимы реактивы и материалы: вода дистиллированная, ацетонитрил, метанол, кислота соляная, натрия гидроокись, реактивы производства "ALDRICH", США, перхлорат лития, кислота хлорная, калий бромистый, уридин, кофеин, 2-Нитроанилин, 3-Нитроанилин, лабораторная посуда, мембраны.
Основа метода – измерение хроматографических (удельных площадей и высот хроматографических пиков, объемов удерживания, т.е. объема подвижной фазы, пропущенной через колонку от начала ввода смеси до появления данного компонента на выходе из колонки) и спектральных параметров (спектральных отношений) аттестованных растворов с массовой концентрацией УФ-поглощающих веществ 0,2 мг/мл на колонке-трубке с обращенной фазой С18 «БД-2003» и с УФ-детектированием на 8 длинах волн: 210, 220, 230, 240, 250, 260, 280 и 300 нм. Значения объемов удерживания, удельных площадей пиков и спектральных отношений, полученные в результате измерения, используют для формирования базы данных «БД-2003».
Далее можно применить метод внутренней нормализации, когда за 100% принимают сумму каких-либо параметров пиков, например сумму высот всех пиков или сумму их площадей. В этом случае получаем отношение высоты отдельного пика к сумме высот или отношение площади одного пика к сумме площадей, умножаем на 100 и получаем массовую долю компонента в смеси, выраженную в %. Ограничение при использовании метода внутренней нормализации состоит в том, чтобы зависимость величины измеряемого элемента от концентрации была одинаковой для всех составляющих смеси.
С помощью метода газожидкостной хроматографии определяется содержание в питьевой воде линдана, ДДТ, бензола, безапирена и других органических веществ.
ГОСТы
В качестве нормативных документов метрологического обеспечения контроля качества воды для питьевого водоснабжения применяется ряд государственных стандартов. Остановимся на некоторых из них.
ГОСТ 2874-82. Вода питьевая. Гигиенические требования и контроль за качеством. Стандарт распространяется на питьевую воду, подаваемую централизованными системами хозяйственно-питьевого водоснабжения, а также централизованными системами водоснабжения, подающими воду одновременно для хозяйственно-питьевых и технических целей, и устанавливает гигиенические требования и контроль за качеством питьевой воды.
В документе приведены гигиенические требования, в том числе микробиологические, токсикологические, органолептические показатели воды с указанием химических веществ и их допустимых концентраций. Изложены основные принципы и положения контроля за качеством питьевой воды.
ГОСТ 4011-72. Вода питьевая. Методы измерения массовой концентрации общего железа. Стандарт устанавливает колориметрические методы измерения массовой концентрации общего железа. В документе подробно описан метод измерения массовой концентрации общего железа с сульфосалициловой кислотой.
ГОСТ 4389-72 Вода питьевая. Методы определения содержания сульфатов. Стандарт устанавливает методы определения содержания сульфатов: весовой (арбитражный), турбидиметрический и комплексонометрический. Приведены сущность каждого метода, аппаратура, материалы и реактивы, порядок проведения анализа.
ГОСТ Р 52180-2003 Вода питьевая. Определение содержания элементов методом инверсионной вольтамперометрии. Стандарт устанавливает метод определения концентрации висмута, кадмия, марганца, мышьяка, меди, ртути, свинца, сурьмы и цинка с использованием инверсионной вольтамперометрии в питьевой воде, включая минеральную, воду поверхностных и подземных источников.
ГОСТ Р 51232-98 Вода питьевая. Общие требования к организации и методам контроля качества. Стандарт устанавливает общие требования к организации и методам контроля качества питьевой воды. В нормативном документе описан производственный контроль качества воды для питьевого водоснабжения, приведен обзор методов определения показателей.
В России пересмотр нормативов качества питьевой воды осуществлялся примерно каждые 10 лет. Обновлению подвергается нормативная база документов, соответствующее методическое обеспечение выполняемых определений. В основном затрагиваются методики выполнения анализов микробиологических и физико-химических параметров. А вот органолептические показатели не подвергались рассмотрению уже в течение нескольких десятилетий. Между тем, выполнение анализов на мутность, цветность и контроль запаха вызывают определенные трудности в практике производственного контроля технологии водоподготовки. Кроме того, нет чётких нормативов на состав питьевой воды (солевой, микроэлементный, микробиологический), характеризующий ее биологическую активность [5].
Интересно, что существует разница ПДК на бактериальное загрязнение в нормативах ЕС, США, ВОЗ и в нашей стране. Зарубежные нормативные документы определяют, что бактериального загрязнения в воде вообще не должно быть. Согласно российскому стандарту должно быть не более ста микроорганизмов на один кубический сантиметр и не более трех бактерий типа кишечных палочек в одном литре воды. Хотя по сути дела с помощью современных методов практически невозможно убедиться, что они полностью и с гарантией отсутствуют в воде
3. Средства контроля правильности