Поделиться Поделиться

ХІМІЧНІ ПОКАЗНИКИ ЯКОСТІ ГРУНТУ ТА ЇХ ВИМІРЮВАННЯ

Оптична емісійна спектроскопія з індуктивно зв'язаною плазмою

Індуктивно-зв'язана плазма (ІЗП) – це тип газового розряду, що збуджується змінним (1-100 МГц) радіочастотним полем за допомогою індукційної котушки. Індуктивно-зв'язана плазма використовується в атомному емісійному аналізі чи мас- спектрометрії.

Оптична емісійна спектроскопія з індуктивно зв'язаною плазмою, ОЕС-ІЗП (чи атомна емісійна спектроскопія з індуктивно зв'язаною плазмою, АЕС-ІЗП) являє собою аналітичну техніку, призначену для детектування металів у слідових кількостях.

Емісійна спектроскопія вивчає спектри випромінювання атомів, молекул та іонів, збудженими різноманітними джерелами електромагнітного випромінювання, з метою якісного та кількісного визначення складу речовини.

Метод ОЕС-ІЗП передбачає збудження атомів та іонів індуктивно-зв'язаною плазмою, що супроводжується випромінюванням з певними довжинами хвиль, набір яких притаманний елементу, що досліджується. Інтенсивність випромінювання пропорційна концентрації цього елемента.

Система ОЕС-ІЗП складається з джерела плазми, яке містить три концентричних кварцових трубки та котушки, зв'язаної з джерелом радіочастотного поля. Через котушку пропускають газ аргон, котрий під впливом потужного радіочастотного поля та розрядника утворює факел (рис. 23.1)]

Внаслідок зіткнень нейтральних атомів та заряджених частинок утворюється стабільна високотемпературна (7000 К) плазма.

В область плазми накачується зразок, котрий взаємодіє з електронами та іонами плазми, через що сам розкладається на іони.

Рис. 23.1. Утворення факела у котушці під впливом радіочастотного поля

Процес руйнування молекул зразка в плазмі супроводжується випромінюванням на певних довжинах хвиль. Вимірювання довжин хвиль та інтенсивності спектральних ліній виконують за допомогою дифракційної решітки та фотоелектронного помножувача чи лінійки діодних детекторів, поєднаних з системою реєстрації (рис. 23.2).

Вимірювання аналітичних довжин хвиль та інтенсивності спектральних ліній дає можливість проаналізувати зразок.

Рис. 23.2. Принцип оптичної емісійної спектроскопії з індуктивно зв'язаною плазмою (ОЕС-ІЗП): 1 – джерело плазми; 2, 3 – дзеркала; 4 – дифракційна решітка; 5 – детектор

Метод ОЕС-ІЗП використовують для аналізу забруднень ґрунту (елементарний склад забруднюючих речовин ґрунту містиі алюміній, барій, берилій, бор, кадмій, кальцій, хром, кобальт, мід, залізо, магній, марганець, молібден, срібло, кремній, стронцій, олово, ванадій, цинк), визначення елементарних складових добрив (Са, Fe, К, Mg, Na, Р, та S). Границі детектування методу ОЕС-ІЗП становлять 0,2-100 ppb.

Перевагами методу ОЕС-ІЗП є можливість аналізувати невеликі за об'ємом зразки; невисока вартість обладнання; простота в експлуатації; придатність до автоматизованих вимірювань. Втім, метод вимагає застосування стандартів для кожного елемента, що аналізується.

Мас-спектрометрія з індуктивно-зв'язаною плазмою (ІСП-МС)

Даний метод ґрунтується на використанні індуктивно-зв'язаної плазми як джерела іонів та мас-спектрометра для їх розділення та детектування.

На відміну від методу ОЕС-ІЗП вимірювання довжин хвиль та інтенсивності спектральних ліній здійснюється за допомогою мас- спектрометра (рис. 23.3). Зразок, що аналізується, розміщують у центральному каналі у вигляді аерозолю, котрий одержується шляхом розпилення рідини. Коли аерозолі потрапляють у центральний канал, вони випаровуються та розпадаються на атоми. Завдяки високій температурі суттєва частина атомів іонізується та надходить на вхід мас-спектрометра. Тут іони розділяються згідно до відношення їх маси до заряду і детектор отримує сигнал, пропорційний концентрації частинок з таким відношенням.

Рис. 23.3. Принцип мас-спектрометрії з індуктивно зв'язаною плазмою (ІСП-МС): 1 – джерело плазми; 2 – мас-спектрометр; 3 – детектор

Мас-спектрометрія з індуктивно-зв'язаною плазмою є одним з типів мас-спектрометрії, котрий характеризується високою чутливістю та здатністю визначати метали та деякі неметали в концентраціях, що не перевищують 10-10 %, тобто одну частинку на 1012 (трильйон).

Метод ІСП-МС дає можливість ідентифікувати та кількісно оцінювати одночасно понад 60 елементів періодичної системи за дві хвилини з точністю 0,1 мкг/л; його використовують для аналізу забруднюючих речовин грунту, зокрема алюмінію, сурми, миш'якому, барію, берилію, кадмію, хрому, кобальту, міді, свинцю, марганцю, молібдену, нікелю, срібла, талію, урану, ванадію, цинку.

Перевагами методу ІСП-МС є можливість ідентифікувати та кількісно оцінювати всі (за винятком аргону) елементи; висока чутливість; швидкодія; здатність аналізувати ізотопний склад зразків. Недоліки цього методу – це його руйнівність та залежність сигналу від параметрів плазми.

Індукована лазером деструктивна спектроскопія

Індукована лазером деструктивна спектроскопія (ІЛДС) – метод атомно-емісійної спектроскопії, що ґрунтується на збудженні речовини інтенсивним лазерним імпульсом. Зазвичай Nd:YAG-лазер (довжина хвилі 1064 нм, інтенсивність 1 ГВт/м2, тривалість імпульсу 10 нс) використовується як джерело збудження. Лазерне випромінювання фокусується на невеликій площі, де утворюється плазма завдяки високій температурі. Після адіабатичного розширення плазма охолоджується. Даний процес супроводжується емісією характеристичних спектральних ліній речовини, що утворює плазму. Спектральні лінії окремих елементів аналізуються за допомогою спектрометра, котрий складається зі скануючого монохроматора Черні-Тернера та фотоелектронного помножувача. Типову схему спектрометра, що реалізує індуковану лазером деструктивну спектроскопію, наведено на рис. 23.4.

Рис. 23.4. Типова схема спектрометра, що реалізує індуковану лазером деструктивну спектроскопію

Практичне застосування техніки ІЛДС для аналізу таких хімічних елементів, як As, Ва, Са, Cd, Cr, Cu, Zn, Hg, Ni, Pb, Ті, Sr, Zn чи забруднюючих речовин у пробах грунту показало свою ефективність [Bublitz et al., 2001; Yamamoto et al., 2005; Li et al., 2008; Bousquet, 2007; Yang, 2009; Madhavi et al., 2013]. За винятком грунту, метод ІЛДС може бути застосований для аналізу води та аерозолів.

Серед інших методів аналізу забруднюючих речовин ґрунту дозволяється відмітити високоефективну рідинну хроматографію (феноли, ксиленоли, крезоли, нафтоли), газову хроматографію з полум'яним іонізаційним детектором (поліароматичні вуглеводні, поліхлоровані біфеніли, леткі органічні сполуки, пестициди), комбінацію газової хроматографії з мас-спектрометрією ГХ-МС (радіонукліди, леткі органічні сполуки, важкі метали).

БІОЛОГІЧНІ ПОКАЗНИКИ ЯКОСТІ ГРУНТУ ТА ЇХ ВИМІРЮВАННЯ

Дихання грунту

Дихання фунту – це респіраторні процеси в ґрунті, які пов'язані з продукцією СО2 завдяки біологічній активності мікроорганізмів, кореневої системи, ґрунтових організмів тощо. Дихання ґрунту залежить від вологості, температури, пори року, рівня кисню в ґрунті, через що важко кількісно оцінити даний процес. Дихання ґрунту є показником біологічної активності ґрунту та розкладання його органічної складової. Під час розкладання ґрунтової органічної речовини органічні сполуки (фосфор, азот, сірка) перетворюються у прості неорганічні форми, які споживаються рослинами. Даний процес відомий як мінералізація.

Для кількісного оцінювання респіраторних процесів у ґрунті використовують трубки Драгера, які містять хімічні реагенти, здатні змінювати колір під час взаємодії з СО2.

Розглянемо перспективні інструментальні методи вимірювання процесів дихання грунту.

Автоматизована система вимірювання потоку СО2 в грунті

Автоматизована система вимірювання потоку СО2 в грунті складається з замкнутої камери, блока управління, мембранного насоса, фільтра та газоаналізатора СО2 (рис. 24.1).

Рис. 24.1. Автоматизована система вимірювання потоку СО2 в грунті

Камеру встановлюють на поверхні грунту. Потік СО2 надходить із грунту в камеру за рахунок дифузії. Повітряний потік, котрий утворюється мембранним насосом, проходить камеру, фільтр та надходить в інфрачервоний газоаналізатор. Вимірювання СО2 здійснюється на основі порівняння інтенсивності випромінювання на двох довжинах хвиль: одна довжина хвилі (4,26 мкм) поглинається СО2, тоді як друга (3,95 мкм) є опорною. Рівень поглинання інфрачервоного випромінювання СО2 безпосередньо пов'язаний з концентрацією СО2. Потік СО2 оцінюється як швидкість зростання концентрації СО2 в камері.

Автоматизована система вимірювання потоку СО2 в грунті характеризується високою стабільністю, точністю, малим відношенням сигнал-шум, невисокою вартістю.

Похожие статьи