УДК 628.166.094.3

Методы определения остаточного хлора в питьевой воде в ходе водоподготовки

Цепелев Егор Николаевич – магистрант Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета.

Аннотация: В статье представлен критический обзор стандартных тестов на остаточный хлор и избранных новых методов. Новые методы были выбраны для этого обзора на основе новизны базовой технологии и для демонстрации диапазона технологий, разрабатываемых для качественного исследования. В этом обзоре представленные здесь методы обнаружения хлора разделены на реагентные методы, которые отражают основные отрасли исследования новых методов. Пределы обнаружения и линейные диапазоны перечисленных здесь методов используются в единицах ppm хлора (при необходимости с переводом из исходных данных). Предлагаемые новые технологии осуществляются в лабораторных условиях.

Ключевые слова: реагенты, методы определения, остаточный хлор, водоподготовка.

Реагентные методы оценки качества воды, помимо хорошо зарекомендовавших себя титриметрических методов, в широком смысле являются либо колориметрическими, либо люминесцентно/флуоресцентными. Колориметрические методы — это методы, которые вызывают изменение цвета раствора, интенсивность которого соответствует количеству присутствующего хлора или указывает на конечную точку титрования. Люминесцентные методы производят свет, интенсивность которого используется в качестве индикатора остаточного хлора, тогда как флуоресцентные методы измеряют повторное излучение падающего электромагнитного излучения.

Титрование тиосульфатом натрия

Титрование тиосульфатом натрия используется для измерения общего хлора в пробах водопроводной воды. В присутствии гипохлорита или связанного хлора йод высвобождается из подкисленного раствора йодида калия, что приводит к истощению трийодида и полученному желтому цвету.

Диапазон применения составляет от 1 до 20 частей на миллион, хотя разбавление образцов может эффективно расширить верхний предел. Существует смещение в сторону титрования немного раньше конечной точки, что приводит, по оценкам, к 10%-ной ошибке в концентрациях хлора в пределах 0,025–1 ppm [1].

Титрование с помощью FACTS (сирингалдазин)

3,5-диметокси-4-гидроксибензалдазин (сирингалдазин) в растворе с 2-пропанолом известен как тест на свободный хлор с сирингалдазином. При реакции с хлором наблюдается пурпурно-красный цвет с максимумом поглощения при 530 нм. Проблемы этого метода включают нестабильность реагента, который в значительной степени нерастворим в воде и лишь частично в 2-пропаноле при регулярной обработке ультразвуком в течение нескольких часов. FACTS также нестабилен в УФ-свете и его следует готовить при комнатной температуре, чтобы не снизить его чувствительность. Метод также чувствителен к растворам слабых кислот, и попытки контролировать это с помощью буферов не рекомендуются. Данный метод применим в диапазоне 0,1–10 ppm с максимальной погрешностью 10%. Реагент чувствителен к другим окислителям, таким как ионы марганца [2].

Количественная и кинетически быстрая реакция между окислительными дезинфицирующими средствами (включая озон, бром и свободный хлор) и фенольными соединениями недавно была использована в качестве аналитического метода. В этом методе используется высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ) для количественного определения образовавшихся 2-хлорфенола и 4-хлорфенола. Для озона и брома предложены другие фенольные гасители (коричная кислота и 2-бромдихлорфенол соответственно), позволяющие проводить одновременный количественный анализ на этапе ВЭЖХ. Эти методы использовались для анализа окислителей и побочных продуктов дезинфекции.

Амперометрическое титрование

Конечная точка титрования тиосульфата натрия также может обнаружить амперометрически. Образцы титруют тиосульфатом, поскольку через платиновый электрод подается постоянный отрицательный потенциал, который способствует восстановлению гипохлорита до хлорида, как показано в уравнении. Это приводит к увеличению тока по мере увеличения объема титранта. Когда конечная точка будет достигнута, скорость изменения тока будет равна нулю. Этот метод используется для анализа хлора в пробах сточных вод, поскольку образование йода подвержено помехам. Можно провести обратное титрование, чтобы предотвратить влияние распада хлора на образцы; это делается путем добавления известного объема избытка тиосульфата натрия и титрования непрореагировавшего тиосульфата раствором йода. Этот метод чувствителен к 0,01 ppm. Для выполнения этого вручную требуется высокая степень квалификации, хотя для точного контроля объема титранта доступны амперометрические анализаторы с моторизованными ступенчатыми насосами для титранта. Тестирование с использованием стандартных методов имеет ряд преимуществ перед амперометрическим титрованием, включая портативность, простоту использования и сопоставимую точность.

Нанокластеры золота, покрытые альбумином бычьей сыворотки

Стабилизированные альбумином нанокластеры золота были приготовлены из золотохлористоводородной кислоты (HAuCl4) и альбумина бычьей сыворотки (BSA) перед использованием для анализа свободного хлора или хранением при 4°C. Нанокластеры ранее использовались для избирательного обнаружения тяжелых металлов в воде, глюкозе и аминокислотах, а теперь адаптированы для использования с хлором. Свободный хлор избирательно окисляет аминокислотные остатки на поверхности нанокластеров, что тушит красную флуоресценцию, видимую при возбуждении на длинах волн 480, 619 и 837 нм. Предел обнаружения составляет 5,2 ppb. Тест на интерференцию проводился путем добавления различных ионов в концентрации [1].

Сенсорные матрицы на основе полилюминола)

Полилюминол представляет собой проводящий полимер, который ранее использовался в ряде электрохимических применений. Осуществлена электрополимеризация люминола на прозрачных электродах из оксида индия-олова.

Были подготовлены электроды с микролунками для проб воды, представляющие собой серию одноразовых реакционных сосудов. Люминол реагирует с гипохлоритом с образованием диазохинона, который затем реагирует с перекисью водорода с образованием аминофталатов, которые можно обнаружить с помощью хемилюминесценции. Сенсоры, полимеризованные полилюминолом, имеют срок хранения не менее одного года, что намного больше, чем у некоторых реагентов, используемых в ранее обсуждавшихся колориметрических методах.

Линейный диапазон составляет от 0,03 до 21 ppm с погрешностью 6%, что типично для описанных здесь стандартных методов. Стабильность реагента и чувствительность к pH могут ограничивать возможности его применения за пределами лаборатории.

Квантовые точки  

Квантовые точки (КТ) — это полупроводниковые нанокристаллы, обладающие квантовыми свойствами. Их электронное поведение зависит от размера образующихся нанокристаллов и нанокластеров и считается промежуточным по поведению отдельных молекул и объемных полупроводников. Ян и др. разработали вододиспергируемые точки селенида кадмия (CdSe)-сульфида цинка (ZnS) с проводящими слоями для свободного хлора. Как и в случае нанокластеров золота, точки создают флуоресценцию (λmax = 590 нм) при возбуждении лазером с длиной волны 405 нм, которая гасится при реакции со свободным хлором, поэтому степень тушения позволяет рассчитать концентрацию свободного хлора. Чувствительность и селективность КТ находятся на верхнем уровне диапазона, к которому приближаются другие методы, перечисленные здесь. Стандартная ошибка 8–11% также характерна для существующих методов обнаружения хлора [3].

Углеродные точки

Углеродные точки состоят из sp2-гибридизированного углерода, а не тяжелых металлов, используемых в КТ, для снижения токсичности. Углеродные точки производят синюю флуоресценцию при 420 нм при возбуждении при 345 нм в растворе. Добавленный хлор гасит эту реакцию, поэтому свободный хлор можно определить флуорометрически. Погрешность от 0,1 мМ Fe3+ были существенными (40% интенсивности флуоресценции гипохлорита при 10% концентрации гипохлорита). Предел обнаружения этого метода является самым низким из рассмотренных методов. Впечатляюще широкий линейный диапазон составляет от 0,35 до 3,5 частей на миллион с погрешностью 2,5–3,8%, хотя для стабилизации реакции гашения требуется от 10 минут до 1 часа [4].

Для некоторых методов также характерны помехи, вызванные изменениями температуры и pH, ионами переходных металлов и окислителями. Эти методы имеют погрешность не более 10%, и большинство из них имеют диапазон применения, охватывающий решающий диапазон 0,2–2 ppm. Пределы обнаружения этих методов обычно превосходят показатели, необходимые для анализа питьевой воды, однако препятствия в использовании реагентов для дистанционного мониторинга и непрерывного анализа остаются проблематичными.

Идеальный определитель хлора сочетает в себе простоту и безреагентную работу электрохимических датчиков с надежностью автономных методов. Такой определитель можно было бы установить в любом месте сети распределения питьевой воды с минимальными ручными операциями и обслуживанием. Это обеспечит непрерывный мониторинг запасов питьевой воды, что позволит избежать неточностей при моделировании и лучше защитить потребителей от потенциально вредных колебаний концентрации дезинфицирующих средств.

Список литературы

  1. Жолдакова З.И., Харчевникова Н.В., Полякова Е.Е., Синикова Н.А., Лебедев А.Т. Экспериментальная оценка и прогноз образования хлорорганических соединений при хлорировании воды, содержащей промышленные загрязнения // Гигиена и санитария. 2002. № 3. С. 26-29.
  2. Вишневецкий В.Ю., Ледяева В.С. К вопросу гигиенической оценки содержания хлорорганических соединений в питьевой воде // ИВД. 2015. №4-2. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/k-voprosu-gigienicheskoy-otsenki-soderzhaniya-hlororganicheskih-soedineniy-v-pitievoy-vode (дата обращения: 16.05.2024).
  3. Мифтахова К.Р., Пьянкова О.Г., Рудакова Л.В., Глушанкова И.С. Хлорирование как основной метод обеззараживания питьевой воды // Экология и научно-технический прогресс. Урбанистика. 2015. Т. 1. С. 233-242.
  4. Муллина Э.Р. Химические аспекты процесса хлорирования воды // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2016. № 12 (ч. 4). С. 609-613.