Файл: Методические указания к изучению дисциплины Особенности пробоотбора и пробоподготовки объектов окружающей среды.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.01.2024
Просмотров: 51
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
«Особенности пробоотбора и пробоподготовки объектов окружающей среды»
ǼȟȜȏȓțțȜȟȠȖȝȞȜȏȜȜȠȏȜȞȎȖ
ȝȞȜȏȜȝȜȒȑȜȠȜȐȘȖȜȏȨȓȘȠȜȐȜȘȞȡȔȎȬȧȓȗ
ȟȞȓȒȩ
ʚʞʌʈʔʕʌGʖʕʘʕʈʏʌ
Методические указания к изучению дисциплины
«Особенности пробоотбора и пробоподготовки объектов окружающей среды»
Пробоотбор и пробоподготовка являются основой современной аналитической химии.
Первичная цель, которой необходимо руководствоваться при исследовании веществ - тех, что окружают человека, и тех, которые он использует в той или иной форме в своей деятельности, - заключается во всестороннем изучении свойств веществ и материалов. Свойства материалов определяются их составом, причем учитывая как основные компоненты, так и примеси. Более того, часто свойства материалов зависят от распределения примесей или компонентов по объему вещества (материала). Если химик- аналитик не учитывает эти трудности при пробоотборе, то вероятность получить удовлетворительные результаты стремится к нулю.
Прежде чем приступить непосредственно к пробоотбору и пробоподготовкке образца, необходимо четко сформулировать цель
анализа. Например, следует ответить на такие вопросы:
• Что следует проанализировать? Иными словами, что представляет собой объект анализа? В простейшем случае это может быть индивидуальное химическое соединение, строение которого необходимо установить. Однако, если речь идет о более сложном образце — промышленном материале, почве, воздухе, пищевых продуктах - необходимо прежде всего решить, как произвести отбор пробы и как обеспечить ее представительность.
• Какую информацию следует получить в результате анализа? Требуется ли установить состав образца в целом или строение его поверхности? Следует ли проводить полный анализ образца или можно ограничиться определением примесей? От этих факторов также зависит выбор методов отбора пробы и ее вскрытия.
Таким образом, аналитик должен уметь не только разрабатывать методику, но и выполнять собственно анализ. Его участие необходимо в
процессе постановки конкретной задачи, при пробоотборе и интерпретации
результатов.
Введение
Задача количественного химического анализа состоит в определении содержания тех или иных элементов в анализируемом материале; при этом главное требование заключается в том, чтобы результаты отражали истинное содержание этих элементов. Достигнуть этого можно только в том случае, если все операции анализа выполнены правильно.
При аналитическом исследовании выполняется ряд последовательных равнозначных операций, в результате чего получают достоверные данные по качественному и количественному составу материала. Любое аналитическое определение включает четыре этапа: 1) пробоотбор; 2) пробоподготовка. 3) собственно химический анализ (измерение аналитического сигнала как функции содержания в пробе интересующих компонентов); 4) статистическая
результатов.
Введение
Задача количественного химического анализа состоит в определении содержания тех или иных элементов в анализируемом материале; при этом главное требование заключается в том, чтобы результаты отражали истинное содержание этих элементов. Достигнуть этого можно только в том случае, если все операции анализа выполнены правильно.
При аналитическом исследовании выполняется ряд последовательных равнозначных операций, в результате чего получают достоверные данные по качественному и количественному составу материала. Любое аналитическое определение включает четыре этапа: 1) пробоотбор; 2) пробоподготовка. 3) собственно химический анализ (измерение аналитического сигнала как функции содержания в пробе интересующих компонентов); 4) статистическая
обработка результатов анализа. При этом этап пробоподготовки делится на две стадии. Целью первой предварительной стадии является получение пробы определенной массы и гранулометрического состава; основные операции на этой стадии — измельчение пробы и ее сокращение. Целью второй, окончательной стадии пробоподготовки является переведение пробы в такое состояние, которое требуется для анализа при помощи аналитического прибора; операции на этой стадии — вскрытие пробы, разделение и концентрирование компонентов. Весь комплекс операций на этапах пробоотбора и пробоподготовки называется опробованием.
Все эти этапы аналитического исследования равнозначны и каждый из этапов несет в себе объективные и субъективные источники неопределенности.
Этапы аналитического исследования
Первый этап:
пробоотбор
Второй этап:
пробоподготовка
Третий этап: химический анализ
Четвертый этап: обработка информации
При выполнении анализа стремятся к получению результата с минимальной погрешностью. Общая погрешность результатов аналитического исследования равна сумме погрешностей на каждом из его этапов.
Следовательно, при правильном выборе метода анализа достоверность результатов химического анализа в значительной мере зависит от правильного отбора пробы и ее подготовки для анализа, поскольку погрешности, допущенные на этих этапах, приводят к искажению конечных результатов химического анализа даже при самом тщательном выполнении этого этапа исследования.
На практике работа при любом аналитическом исследовании обязательно начинается с отбора проб. Необходимость пробоотбора объясняется тем, что при добыче ископаемых или в производственных процессах, а также при исследованиях объектов окружающей среды, обычно участвуют большие партии материалов, нередко в десятки или сотни тонн (например, если это продукция горнодобывающих предприятий, обогатительных фабрик,
Все эти этапы аналитического исследования равнозначны и каждый из этапов несет в себе объективные и субъективные источники неопределенности.
Этапы аналитического исследования
Первый этап:
пробоотбор
Второй этап:
пробоподготовка
Третий этап: химический анализ
Четвертый этап: обработка информации
При выполнении анализа стремятся к получению результата с минимальной погрешностью. Общая погрешность результатов аналитического исследования равна сумме погрешностей на каждом из его этапов.
Следовательно, при правильном выборе метода анализа достоверность результатов химического анализа в значительной мере зависит от правильного отбора пробы и ее подготовки для анализа, поскольку погрешности, допущенные на этих этапах, приводят к искажению конечных результатов химического анализа даже при самом тщательном выполнении этого этапа исследования.
На практике работа при любом аналитическом исследовании обязательно начинается с отбора проб. Необходимость пробоотбора объясняется тем, что при добыче ископаемых или в производственных процессах, а также при исследованиях объектов окружающей среды, обычно участвуют большие партии материалов, нередко в десятки или сотни тонн (например, если это продукция горнодобывающих предприятий, обогатительных фабрик,
металлургических и химических комбинатов), в то время как в лабораторию для последующих анализов направляют сравнительно небольшие количества этих материалов массой не более 1-2 кг; анализу же подвергается еще гораздо меньшее количество материала, как правило, не более нескольких граммов.
Так, при анализе объектов черной металлургии с использованием спектральных методов в генерировании аналитического сигнала участвует количество вещества массой всего в десятки миллиграммов, что при массе плавки 100 т составляет от партии продуктов лишь десятимиллионную-миллионную часть.
Поэтому возникает необходимость во взятии из огромной массы исследуемого объекта небольшого его количества для проведения этапа химического определения состава, т. е. необходимо провести отбор так называемой средней
пробы.
Понятие проба подразумевает представительную часть исследуемого объекта. И действительно, основное требование к пробе — это ее представительность, т. е. химический состав пробы и всего исследуемого объекта должны быть идентичными. Другими словами, представительная проба должна адекватно отражать общий состав анализируемого объекта с учетом особенностей распределения всех компонентов, т. е. информация, полученная от пробы, должна в математическом смысле точно отражать информацию, заложенную в объекте исследования. При строгом математическом подходе последнее требование выполнимо, лишь когда анализу подвергают весь исследуемый материал или когда объект однороден по химическому составу.
Для случая однородного материала достаточно взять в любом месте объекта любое количество этого материала и провести анализ, чтобы получить правильные данные о составе всего объекта. На практике этому условию удовлетворяют лишь хорошо перемешанные газы или жидкости (однородные смеси). Во всех остальных случаях, т. е. почти всегда, в силу того, что исследуются весьма разнообразные объекты, которые, кроме того, сильно различаются по своей однородности (горные породы, рудные и полезные нерудные ископаемые, продукты и отходы металлургических и химических
Так, при анализе объектов черной металлургии с использованием спектральных методов в генерировании аналитического сигнала участвует количество вещества массой всего в десятки миллиграммов, что при массе плавки 100 т составляет от партии продуктов лишь десятимиллионную-миллионную часть.
Поэтому возникает необходимость во взятии из огромной массы исследуемого объекта небольшого его количества для проведения этапа химического определения состава, т. е. необходимо провести отбор так называемой средней
пробы.
Понятие проба подразумевает представительную часть исследуемого объекта. И действительно, основное требование к пробе — это ее представительность, т. е. химический состав пробы и всего исследуемого объекта должны быть идентичными. Другими словами, представительная проба должна адекватно отражать общий состав анализируемого объекта с учетом особенностей распределения всех компонентов, т. е. информация, полученная от пробы, должна в математическом смысле точно отражать информацию, заложенную в объекте исследования. При строгом математическом подходе последнее требование выполнимо, лишь когда анализу подвергают весь исследуемый материал или когда объект однороден по химическому составу.
Для случая однородного материала достаточно взять в любом месте объекта любое количество этого материала и провести анализ, чтобы получить правильные данные о составе всего объекта. На практике этому условию удовлетворяют лишь хорошо перемешанные газы или жидкости (однородные смеси). Во всех остальных случаях, т. е. почти всегда, в силу того, что исследуются весьма разнообразные объекты, которые, кроме того, сильно различаются по своей однородности (горные породы, рудные и полезные нерудные ископаемые, продукты и отходы металлургических и химических
производств, вторсырье, технологические растворы и пульпы, воздух, природные и сточные воды, почвы, корнеплоды, зерно, сено, объекты медицинских и биологических исследований, лекарственные препараты и др.), пробы, как правило, лишь в большей или меньшей степени приближаются к представительным.
Соответствие составов пробы и исследуемого объекта определяет качество пробы, которое зависит от состава и гомогенности объекта, размеров объекта и пробы, выбранного метода пробоотбора, числа отобранных проб, разложения или загрязнения проб, метода пробоподготовки (гомогенизация пробы, уменьшение ее размера). Условия хранения и правильная маркировка проб влияют на идентичность определяемых составов и являются не количественными (неизмеряемыми) характеристиками качества пробы. Проба должна сохранить те свойства объекта, которые последний имел в момент отбора, или же изменять эти свойства идентично объекту. Главная характеристика качества пробы является ее представительность. К вторичным характеристикам (параметрам) относятся размер пробы, ее стабильность и стоимость.
Значение пробоотбора трудно переоценить. При неправильно проведенной операции пробоотбора результат анализа, как бы точно и аккуратно он ни был затем произведен, может быть отнесен только к анализируемому количеству пробы, но не ко всей массе исследуемого материала, и в результате анализа такой пробы создается неверное представление о химическом составе исследуемого материала. Несоответствие результатов анализа действительному составу объекта может повлечь неверные решения. Поэтому при выполнении аналитического исследования этап пробоотбора имеет особо важное значение и в известной мере является его
«больным» местом.
Итак, пробоотбор — это такая операция, при которой происходит отбор достаточного количества представительной части исследуемого материала
Соответствие составов пробы и исследуемого объекта определяет качество пробы, которое зависит от состава и гомогенности объекта, размеров объекта и пробы, выбранного метода пробоотбора, числа отобранных проб, разложения или загрязнения проб, метода пробоподготовки (гомогенизация пробы, уменьшение ее размера). Условия хранения и правильная маркировка проб влияют на идентичность определяемых составов и являются не количественными (неизмеряемыми) характеристиками качества пробы. Проба должна сохранить те свойства объекта, которые последний имел в момент отбора, или же изменять эти свойства идентично объекту. Главная характеристика качества пробы является ее представительность. К вторичным характеристикам (параметрам) относятся размер пробы, ее стабильность и стоимость.
Значение пробоотбора трудно переоценить. При неправильно проведенной операции пробоотбора результат анализа, как бы точно и аккуратно он ни был затем произведен, может быть отнесен только к анализируемому количеству пробы, но не ко всей массе исследуемого материала, и в результате анализа такой пробы создается неверное представление о химическом составе исследуемого материала. Несоответствие результатов анализа действительному составу объекта может повлечь неверные решения. Поэтому при выполнении аналитического исследования этап пробоотбора имеет особо важное значение и в известной мере является его
«больным» местом.
Итак, пробоотбор — это такая операция, при которой происходит отбор достаточного количества представительной части исследуемого материала
(объекта), состав и свойства которой идентичны составу и свойствам материала как целого.
Процесс взятия представительной пробы затруднен из-за того, что для отбора такой пробы нет универсального правила, одинаково пригодного для различных материалов. Методы отбора проб весьма разнообразны и зависят от агрегатного состояния материала, характера материала (сыпучий или кусковой), степени его однородности. Существенно различаются операции пробоотбора для расплавленного и застывшего металла, а также для материалов, находящихся в движении (перемещаемых на ленте транспортера, перевозимых в вагонах или баржах, поступающих по трубам или желобам) и неподвижных (в штабелях, отвалах, находящегося в вагонах или собранных в отстойник). Методика пробоотбора диктуется также задачей анализа, которая может состоять в определении среднего содержания одного или нескольких компонентов в объеме объекта, установлении распределения компонентов в пространстве (в частности, по глубине слоя) или во времени (например, в ходе технологического процесса в реакторе). Регламент методики пробоотбора (т. е. конкретные операции и их число) зависит от требований по достоверности установления химического состава объекта анализа, а также от вида других испытаний и от экологических, биологических или других требований.
При взятии пробы необходим учет всех этих факторов. Поэтому для каждого конкретного материала разработаны правила и приемы пробоотбора, причем часть из них находит широкое применение в анализе, другие же используются ограниченно. Эти правила, включающие способ отбора, вид пробоотборника, глубину его погружения, число точек отбора, размер проб и другие детали, устанавливают ГОСТ, ТУ и специальные инструкции для данного объекта. Отбор проб необходимо производить в точном соответствии с нормативными документами (НД).
1. ПРОБООТБОР
1.1. Виды проб
Отбор проб при анализе материала, представленного в больших количествах (вода, почвы, руда, концентрат, уголь, шлак и др.), начинают с составления генеральной (первичной, начальной, общей, суммарной, объединенной, исходной) пробы. Генеральную пробу, характеризующую данную партию материала, получают объединением необходимого числа точечных (разовых, частных, единичных) проб (см. схему).
Виды проб
Точечная проба — это часть объекта, которую отбирают за один прием (за одну операцию) из разных точек и из различных по глубине слоев в определенный момент времени. Она характеризует качество опробуемого материала в одном месте или на определенном уровне. Это наиболее трудоемкая и сложная часть процесса пробоотбора.
Поскольку масса отобранной генеральной пробы почти всегда бывает значительной (несколько сотен килограммов или 2-3% общего количества материала), ее подвергают разделке (операции дробления, перемешивания, сокращения) по определенным правилам.
При использовании одного или нескольких циклов разделки получают
промежуточные (или частичные) средние пробы, которые разделывают так же как и генеральную пробу, в результате чего масса их последовательно уменьшается до тех пор, пока не будет получена готовая (средняя, сокращенная, товарная) проба.
Путем сокращения готовой пробы получают лабораторную (паспортную, сертификатную) пробу, предназначенную для проведения всех видов лабораторных испытаний и контрольную (арбитражную, архивную, дубликатную, резервную) пробу, которую хранят на случай проведения повторных, арбитражных или других контрольных испытаний.
Лабораторная (или паспортная) проба — это конечная промежуточная проба или, другими словами, сокращенная генеральная проба, поступающая в лабораторию для анализа. Состав ее должен быть тождествен среднему составу как всех промежуточных и генеральной проб, так и всей партии опробуемого материала. В зависимости от назначения масса лабораторной пробы различна.
В среднем она колеблется от 0,5 до 2 кг (по другим данным от 25-30 г до 1 кг).
Готовую пробу помещают в два чистых и сухих герметично закрывающихся сосуда (обычно металлические, стеклянные или пластмассовые банки), один из которых направляют в лабораторию для анализа, а второй хранят в течение 1,5-
6 мес на случай проверки (контрольная или арбитражная проба). Пробы хранят по видам материала в спецшкафах, устанавливаемых в отапливаемых помещениях, в условиях, исключающих воздействие света, влаги, кислорода и диоксида углерода, которые могут вызвать в пробах изменения.
При хранении растворов может происходить сорбция компонентов пробы стенками сосуда из-за протекающих в растворе процессов гидролиза или образования нерастворимых соединений
(осаждение осадков).
Для предотвращения порчи проб используют подкисление раствора или добавление комплексантов, если они не мешают последующему ходу анализа. Существуют и другие способы консервации проб. Биологические материалы (кровь, ткани, моча) и скоропортящиеся продукты, если их анализируют не сразу, хранят в
холодильнике. Если в пробе при хранении происходят изменения, то устанавливают срок годности пробы, анализируя ее периодически в течение определенного времени и наблюдая за изменением состава. Пробы газов не хранят.
Каждый сосуд с пробой маркируют, т. е. снабжают этикеткой (бланком), где указывают наименование продукта, его сорт или марку, наименования предприятия-изготовителя, с которого отпущен продукт, номер партии с указанием места взятия пробы, дату отбора пробы, фамилию и подпись пробоотборщика (лица, отобравшего пробу). Сосуды с пробами пломбируют.
Из присланной в аналитическую лабораторию лабораторной пробы готовят аналитическую пробу в количестве, достаточном для выполнения определений всех контролируемых компонентов (согласно заказа). Для этого лабораторную пробу после внешнего осмотра и регистрации в журнале
(порядковый номер, дата поступления, номер и дата сопроводительного документа, состояние укупорки пробы, фактическая масса пробы и пр.) подсушивают на противне в сушильном шкафу при 50±5°С в течение 3 ч, после чего подвергают дальнейшей обработке. Одна из целей обработки заключается в получении материала такой степени гомогенности, чтобы любая небольшая порция, взятая для анализа, была идентична по составу любым другим порциям. Для этого лабораторную пробу измельчают до требуемого анализом размера частиц, перемешивают и сокращают до тех пор, пока не достигнут минимально необходимой при данном измельчении массы, которая определяется по специальным таблицам или рассчитывается по приближенным формулам. Обычно масса аналитической пробы составляет 10-20 г. Этого количества бывает достаточно не только для выполнения определения, но и на случай повторного и арбитражного анализа. Измельчение проводят в стальной, фарфоровой, яшмовой или агатовой ступке с последующим просеиванием порошка через набор сит с постепенно уменьшающимися размерами отверстий.
Сита характеризуются размером сторон отверстий в миллиметрах или числом отверстий на 1 см
2
, а иногда в мешах (меши — число отверстий в сите на один
Каждый сосуд с пробой маркируют, т. е. снабжают этикеткой (бланком), где указывают наименование продукта, его сорт или марку, наименования предприятия-изготовителя, с которого отпущен продукт, номер партии с указанием места взятия пробы, дату отбора пробы, фамилию и подпись пробоотборщика (лица, отобравшего пробу). Сосуды с пробами пломбируют.
Из присланной в аналитическую лабораторию лабораторной пробы готовят аналитическую пробу в количестве, достаточном для выполнения определений всех контролируемых компонентов (согласно заказа). Для этого лабораторную пробу после внешнего осмотра и регистрации в журнале
(порядковый номер, дата поступления, номер и дата сопроводительного документа, состояние укупорки пробы, фактическая масса пробы и пр.) подсушивают на противне в сушильном шкафу при 50±5°С в течение 3 ч, после чего подвергают дальнейшей обработке. Одна из целей обработки заключается в получении материала такой степени гомогенности, чтобы любая небольшая порция, взятая для анализа, была идентична по составу любым другим порциям. Для этого лабораторную пробу измельчают до требуемого анализом размера частиц, перемешивают и сокращают до тех пор, пока не достигнут минимально необходимой при данном измельчении массы, которая определяется по специальным таблицам или рассчитывается по приближенным формулам. Обычно масса аналитической пробы составляет 10-20 г. Этого количества бывает достаточно не только для выполнения определения, но и на случай повторного и арбитражного анализа. Измельчение проводят в стальной, фарфоровой, яшмовой или агатовой ступке с последующим просеиванием порошка через набор сит с постепенно уменьшающимися размерами отверстий.
Сита характеризуются размером сторон отверстий в миллиметрах или числом отверстий на 1 см
2
, а иногда в мешах (меши — число отверстий в сите на один
линейный дюйм; 1 дюйм
≈ 25,4 мм). Остаток на сите подвергают дополнительному истиранию и вторичному просеиванию через сито.
Измельчение считается законченным, когда полученный порошок втирается в поры пальцев как пудра, не давая ощущения, что в нем содержатся крупные частицы. Степень измельчения пробы имеет большое значение для полноты ее вскрытия: чем мельче проба, тем быстрее и полнее ее можно перевести в раствор обработкой кислотами или сплавлением. В свою очередь, полное разложение пробы является необходимым условием получения воспроизводимых результатов анализа.
Однако измельчать пробу до более тонкого состояния (пыль!), чем необходимо для применяемого метода анализа, нежелательно, так как это может привести к изменению состава пробы. Объясняется это тем, что при более тонком, а следовательно, и более длительном измельчении, существует большой риск загрязнения пробы материалом ступки. При истирании могут происходить и другие процессы, например процессы окисления Fе(II), Мn(II) и других элементов, адсорбция, а также потеря или приобретение влаги. Обычно конечная крупность частиц аналитической пробы составляет 0,05-0,08 мм.
После измельчения лабораторной пробы ее сокращают методом
квадратования. Для этого пробу высыпают на лист плотной бумаги и после тщательного перемешивания расплющивают кучку вещества на бумаге.
Вещество делят взаимно перпендикулярными линиями на 15-20 равных квадратов со стороной 50 мм, после чего из середины квадратов отбирают плоским шпателем в шахматном порядке порции по всей глубине слоя (рис. 1).
Отобранные порции объединяют, перемешивают и вновь сокращают тем же методом, пока не достигнут необходимой массы пробы.
Полученную в результате операций измельчения и сокращения
аналитическую пробу помещают в герметичную упаковку, например стеклянную баночку с притертой пробкой или бюкс и передают в лабораторию.
Перед взятием навески аналитическую пробу хорошо перемешивают встряхиванием сосуда, в котором она находится, а сам отбор навески
≈ 25,4 мм). Остаток на сите подвергают дополнительному истиранию и вторичному просеиванию через сито.
Измельчение считается законченным, когда полученный порошок втирается в поры пальцев как пудра, не давая ощущения, что в нем содержатся крупные частицы. Степень измельчения пробы имеет большое значение для полноты ее вскрытия: чем мельче проба, тем быстрее и полнее ее можно перевести в раствор обработкой кислотами или сплавлением. В свою очередь, полное разложение пробы является необходимым условием получения воспроизводимых результатов анализа.
Однако измельчать пробу до более тонкого состояния (пыль!), чем необходимо для применяемого метода анализа, нежелательно, так как это может привести к изменению состава пробы. Объясняется это тем, что при более тонком, а следовательно, и более длительном измельчении, существует большой риск загрязнения пробы материалом ступки. При истирании могут происходить и другие процессы, например процессы окисления Fе(II), Мn(II) и других элементов, адсорбция, а также потеря или приобретение влаги. Обычно конечная крупность частиц аналитической пробы составляет 0,05-0,08 мм.
После измельчения лабораторной пробы ее сокращают методом
квадратования. Для этого пробу высыпают на лист плотной бумаги и после тщательного перемешивания расплющивают кучку вещества на бумаге.
Вещество делят взаимно перпендикулярными линиями на 15-20 равных квадратов со стороной 50 мм, после чего из середины квадратов отбирают плоским шпателем в шахматном порядке порции по всей глубине слоя (рис. 1).
Отобранные порции объединяют, перемешивают и вновь сокращают тем же методом, пока не достигнут необходимой массы пробы.
Полученную в результате операций измельчения и сокращения
аналитическую пробу помещают в герметичную упаковку, например стеклянную баночку с притертой пробкой или бюкс и передают в лабораторию.
Перед взятием навески аналитическую пробу хорошо перемешивают встряхиванием сосуда, в котором она находится, а сам отбор навески