Методы ускоренного определения ХПК воды в лабораторных условиях

Известно, что типовое время, требуемое на получение достоверного значения ХПК воды бихроматным методом — от момента поступления пробы до выдачи протокола анализа — составляет  приблизительно 4-5 часов.

Это относится как к титриметрическому методу определения ХПК, так и к фотометрическому, несмотря на то, что фактические затраты времени персонала в методиках с фотометрическим окончанием в варианте с использованием готовых реагентов существенно меньше.

Титриметрический метод  во всем мире считается устаревшим, по основным двум причинам. Во-первых, он экономически расточителен, т.к. требует в 10 раз больше реактивов, чем фотометрический. Плюс, метод подразумевает много ручных операций, что при большом потоке проб ведет к большому расходу рабочего времени. Во-вторых, продуцируется большое количество опасных отходов, требующих утилизации, и связанных с ней затрат. В связи с такими особенностями экспресс-вариантов определения ХПК титриметрией не разработано.

Основное время при фотометрическом анализе на ХПК уходит на:  

1. разложение пробы, которое длится 2 часа, и  
2. охлаждение виал с обработанной пробой и отстаивание осадка, что требует еще от 1 до 4 часов 

Виалы ХПК с пробой, готовые для измерений на фотометре; осадок полностью осел.

Для измерений на фотометре пригодны только остывшие обработанные виалы, в которых раствор полностью прозрачен, и осадок полностью осел на дно; в противном случае на этапе фотометрии в результат будет внесена существенная дополнительная ошибка. Разные пробы дают осадок разной природы, и время его оседания значительно варьируется. Однако для большинства проб, особенно с невысоким значением ХПК, на оседание осадка требуется не более часа.

Существует 2 группы экспресс-методов анализа воды по ХПК.

Группа 1. Ускоренное разложение.

Принцип ускоренного метода тот же, что и в стандартном варианте с фотометрией: разложение пробы воды → остывание/отстаивание виал → измерение на фотометре.

Отличие в том, что стадию разложения пробы проводят не при 150°С 2 часа, а при 170°С, но в течении всего 15 минут. В результате общее время анализа сокращается до 1...2 часов, и даже менее 1 часа — в зависимости от того, насколько быстро раствор над осадком станет прозрачным. Для ускорения осаждения твердой фазы можно использовать лабораторную центрифугу.

Установлено, что при указанных условиях полнота окисления всех органических компонентов пробы практически не ниже, чем при стандартизированных условиях 150°С/2 часа (ГОСТ 31859, ПНД Ф 14.1.2.4.210-05, ASTM D 1252, ISO 15705, EPA 410.4).

Для реализации данного метода используются только готовые реагенты, в особых виалах, выдерживающих высокое давление, а также специальный высокотемпературный термостат с функцией ускоренного охлаждения после термообработки.

Преимущества:

• высокая скорость получения результата - 1...2 часа, для некоторых типов воды - менее 1 часа;
  
• высокая сходимость со стандартизированными фотометрическими методиками
  
• независимость от типа анализируемой воды - можно выполнять анализ любых проб без дополнительных настроек и калибровок
  

Недостатки:

• высокая стоимость оборудования и расходных материалов.

 Группа 2. Альтернативное определение

Лучшими вариантами в группе 2 являются безреагентные методики, в которых используется УФ-спектроскопия образца воды. ХПК воды определяется косвенно, т.е. измеряется не фактическая окисляемость, а величина, связанная с уровнем ХПК определенной зависимостью. Специальная подготовка образца обычно не требуется. Спектрофотометр требует обязательную предварительную калибровку и настройку с помощью традиционных методик с реагентами, для того, чтобы результаты стали сопоставимы.

Самый простой способ, известный много лет, предполагает измерение удельного поглощения на 254 нм (SAC 254). Метод SAC 254 нечувствителен к некоторым классам органических веществ, а также «видит» только растворенные соединения. Поэтому его применение ограничено. Но есть и более новые  способы. Например, фирмой WTW предлагается метод "OptRF" , реализуемый в фотометре photoLab 7600. Проба воды помещается в прямоугольную кварцевую кювету, снимается спектр 200...390 нм, производятся вычисления, и результат выводится на дисплей прибора.

У косвенного метода UV-VIS-спектроскопии есть существенное ограничение. На месте работы прибор должен быть специально настроен только на одну анализируемую среду, т.е. на определенный тип воды, состав основных загрязнений в которой примерно один и тот же.

Настройка и калибровка такого анализатора проводится и использованием обычного прямого фотометрического метода (с реагентами, термореактором и фотометром), и может потребовать проведения несколько десятков анализов в течение нескольких дней.

Преимущества:

• наивысшая скорость получения результата - приблизительно 1-2 минуты
  
• почти отсутствуют  затраты на реагенты (только для перекалибровки и контроля точности)
  

Недостатки:

• необходимость тщательной настройки прибора под конкретный тип и источник анализируемой воды
  
• высокий риск получения неверных результатов при изменении характеристик проб
  
• высокая стоимость оборудования

Стоит также упомянуть о методике ускоренной оценки ХПК, которая иногда применяется в практике экологического контроля.

Методика представляет из себя модифицированный титриметрический способ определения ХПК, с упрощенным этапом разложение пробы. Проводят  смешивание пробы воды с компонентами реагента-окислителя таким образом, что последней добавляется концентрированная серная кислота. При этом происходит кратковременный разогрев реакционной смеси до примерно 100 °С, и постепенное остывание. Далее остывший раствор титруют и рассчитывают величину окисляемости. Проба воды в данных условиях окисляется не полностью, причем полнота окисления значительно изменяется, от пробы к пробе.

Методика предлагается для выполнения экспресс-тестов работы очистных сооружений или состояния воды в одном и том же водоеме.

Результаты оценки ХПК по данной методике всегда занижены по сравнению со стандартизированными методиками. Хорошей повторяемости результатов также добиться непросто а часто просто невозможно. Единственное преимущество такой методики оценки ХПК - невысокая стоимость оборудования.

Во многих лабораториях по всему миру химики ведут поиски новых методов определения ХПК, которые имели бы хорошие метрологические характеристики, не требовали опасных и ядовитых реагентов, обеспечивали быстрое получение результата. Об этом - в наших будущих публикациях.