Сторінка
1

Розрахункові та експериментальні методи дослідження співіснуючих форм кобальту і нікелю у воді водосховищ Дніпра

Контроль за забрудненням поверхневих вод сполуками важких металів (ВМ) є важливим завданням екологічного моніторингу. У водному середовищі іони ВМ, зокрема кобальту й нікелю, знаходяться у різних співіснуючих формах, різноманітність яких залежить від хімічного складу природних вод та специфіки процесів, що відбуваються у водоймі [1–3]. Кожна з цих форм характеризується різною біодоступністю, що обумовлює різну їх токсичність для гідробіонтів. Найбільш токсичними для живих організмів вважаються “вільні” (гідратовані) іони металів. Зв’язування ВМ у комплексні сполуки, особливо з природними органічними речовинами, здебільшого призводить до зниження їх токсичності або взагалі до її зникнення. Тому особливу увагу потрібно приділяти не стільки визначенню загального вмісту того чи іншого металу у водоймі, скільки дослідженню його розподілу серед співіснуючих форм. Саме такі дані мають більший практичний інтерес, оскільки дають можливість прослідкувати шляхи трансформування сполук ВМ у водній екосистемі і об’єктивно оцінити її еколого-токсикологічний стан.

Методи дослідження співіснуючих форм металів у природних водах можна розділити на розрахункові та експериментальні [1, 4]. Розрахункові методи грунтуються на використанні констант стійкості комплексних сполук металів, величин концентрації комплексоутворюючих лігандів, характерних для досліджуваних водойм, та даних про розчинність малорозчинних сполук. Природні води – надзвичайно складні багатокомпонентні системи, які одночасно містять катіони, аніони та нейтральні частинки. Іони ВМ, потрапляючи у водойму, взаємодіють з великою кількістю неорганічних та органічних лігандів, колоїдними та завислими частинками. Провести коректні розрахунки дуже важко, оскільки часто відсутні константи рівноваг утворення комплексних сполук металів з високомолекулярними органічними лігандами, а деякі процеси, що відбуваються у водоймі, не завжди можна описати математично. Тому, розраховуючи співвідношення різних форм ВМ в природних водах, допускають ряд спрощень, що призводить до отримання лише орієнтовних даних про фізико-хімічний стан того чи іншого металу. Однак результати таких розрахунків можуть бути корисними для вибору напрямку подальшого експериментального дослідження.

Вивчення співіснуючих форм ВМ у природних водах експериментальними методами також має свої особливості. Як правило, більшість аналітичних методик (в тому числі й арбітражних) дозволяє визначати не окремі форми, а загальний вміст металів у воді. Одним з недоліків значної частини експериментальних методів є й те, що дуже часто має місце порушення рівноваги між співіснуючими формами і отримання внаслідок цього недостовірної інформації про стан елементів у природних водах. До факторів, що ускладнюють визначення окремих форм ВМ, потрібно також додати низькі концентрації досліджуваних металів в поверхневих водах, наявність “фонового електроліту” та високомолекулярних органічних сполук (насамперед гумусових і білковоподібних речовин, поліпептидів і т.ін.). Тому при виборі методу аналізу потрібно враховувати його чутливість та загальну концентрацію металу в досліджуваному об’єкті. У цьому плані найбільш перспективними та ефективними для вивчення розподілу іонів металів серед співіснуючих форм є каталітичні та потенціометричні методи, інверсійна анодна (катодна) вольтамперометрія, нейтронний активаційний аналіз та деякі інші [1]. Широко розповсюджений також хемілюмінесцентний метод, як різновид каталітичних методів аналізу [5]. Ці методи характеризуються високою чутливістю, а в деяких випадках і селективністю, що дозволяє використовувати їх при аналізі нанограмових концентрацій металів.

Розрахункові методи. Рівняння балансу всіх розчинених форм кобальту або нікелю в природній воді має вигляд:

;

де СМ(ІІ) – сумарна концентрація розчинених форм кобальту чи нікелю; [M2+] – концентрація незакомплексованих іонів кобальту або нікелю; [MLn] – концентрація комплексних сполук з неорганічними та органічними лігандами.

Частку кожної комплексної сполуки (неорганічної або органічної) кобальту або нікелю (, %), а також їх незакомплексованих іонів (, %) можна розрахувати за рівняннями:

; ;

Ф = 1 + b1[L1] + b2[L1]2 + . + b1[L2] + b2[L2]2 + . + b1[Ln] + b2[Ln]2 + . + bn[Ln]n,

де bn – константа стійкості комплексної сполуки [МLn]; [L] – рівноважна концентрація ліганда; Ф – функція Фронеуса; L1 . Ln – комплексоутворюючі ліганди.

Розрахунки співвідношення різних форм кобальту та нікелю у воді Київського та Каховського водосховищ виконували на основі констант стійкості комплексів даних металів (табл. 1) та типових для даних водойм концентрацій найбільш важливих комплексоутворюючих лігандів (табл. 2).

Таблиця 1. Логарифми констант стійкості комплексних сполук кобальту (ІІ) та нікелю (ІІ), використані для розрахунку співіснуючих форм Со (ІІ) та Ni (II) у воді Київського та Каховського водосховищ