СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФРАКЦИОННОГО СОСТАВА ОКИСЛЕННЫХ ВЕЩЕСТВ ОТВАЛОВ КАМЕННОУГОЛЬНЫХ РАЗРЕЗОВ
METHOD OF DETERMINING FRACTIONAL COMPOSITION OF OXIDISED SUBSTANCES FROM COAL DUMPS

Изобретение относится к области экологии и почвоведения и может быть использовано для определения фракционного состава окисленных веществ отвалов каменноугольных разрезов.
Известен способ определения окисленных веществ, включающий воздействие раствора йодистого калия на усредненные образцы медных руд и добавление серной кислоты (В.Н.Алексеев. Определение меди. Количественный анализ, М., 1972, С.408-409).
Наиболее близким к предлагаемому является метод определения валового количества окисленных веществ, включающий воздействие 0,1 н раствором йодистого калия на усредненные образцы анализируемого материала отвалов, добавление концентрированной серной кислоты, перемешивание в течение 30 минут, фильтрование и титрование 0,01 н раствором тиосульфата натрия с добавлением 2-3 мл свежеприготовленного 1% раствора крахмала, с последующим определением количества тиосульфата натрия, израсходованного на титрование раствора после восстановления образца, и расчетом количества окисленных веществ (В.И.Савич, О.Д.Сидоренко, Е.В.Трубицина, Н.Г.Улько. Оценка окислительно-восстановительного состояния в системе почва-растение. Методические указания для студентов факультета агрохимии и почвоведения в системе СНО, М., 1984, С.28-29).
Недостатком известных способов является то, что не возможно разделение окисленных веществ на фракции. Кроме того, при анализе материала отвалов каменноугольных разрезов не обеспечивается полное восстановление веществ, что снижает достоверность способа.
Функционирование всех окислительно-восстановительных систем обеспечивается за счет протекания двух разнонаправленных групп процессов, сопровождающихся переносом электронов от одних веществ к другим. Поэтому в окислительно-восстановительных системах при окислении (восстановлении) одних соединений обязательно восстанавливаются (окисляются) другие. В почвах, как сложных окислительно-восстановительных системах процессы окисления, как правило, сопровождаются восстановлением атомов кислорода, входящих в состав молекул углекислого газа и воды. Однако в почвах сформированных на поверхности отвалов каменноугольных разрезов, характеризующихся избыточным содержанием восстановленных веществ, процессы окисления сопровождаются восстановлением также и других элементов, например железа. Закисные формы этих элементов часто являются более активными, чем окисные, что, в свою очередь, обусловливает большую их способность к миграции и способствует ухудшению экологической обстановки региона. В связи с этим необходимо знать содержание, состав и свойства веществ, способных к восстановлению в отвалах каменноугольных разрезов.
Задачей предлагаемого изобретения является определение фракционного состава окисленных веществ отвалов каменноугольных разрезов и повышение достоверности способа.
Для достижения технического результата в предлагаемом способе определения фракционного состава окисленных веществ в отвалах каменноугольных разрезов, включающем воздействие 0,1 н раствором йодистого калия на усредненные образцы анализируемого материала отвалов, добавление концентрированной серной кислоты, перемешивание в течение 30 минут, фильтрование и титрование 0,01 н раствором тиосульфата натрия с добавлением 2-3 мл свежеприготовленного 1% раствора крахмала, с последующим определением количества тиосульфата натрия, израсходованного на титрование раствора после восстановления образца, и расчетом количества окисленных веществ, берут три усредненных образца анализируемого материала отвалов и к первому образцу добавляют концентрированную серную кислоту до pH 1,0-1,2, ко второму образцу добавляют концентрированную серную кислоту до pH 1,9-2,1, а к третьему образцу добавляют концентрированную серную кислоту до pH 4,9-5,1, при этом содержание трудновосстанавливаемой фракции пропорционально разнице значений количества тиосульфата натрия, израсходованного на титрование растворов, полученных после восстановления первого и второго образцов, содержание средневосстанавливаемой фракции пропорционально разнице значений количества тиосульфата натрия, израсходованного на титрование растворов, полученных после восстановления второго и третьего образцов, а содержание легковосстанавливаемой фракции пропорционально количеству тиосульфата натрия, израсходованного на титрование третьего образца.
Экспериментально было установлено, что в растворе серной кислоты при pH 1,0-1,2 и перемешивании в течение 30 мин происходит полное восстановление окисленных веществ, при pH выше 1,2 и перемешивании в течение 30 мин не происходит полного восстановления веществ, а при pH ниже 1,0 начинает разлагаться тиосульфат натрия, что снижает достоверность способа. Полученные данные принимаются как валовое количество окисленных веществ в мг экв. на 100 г образца.
Также экспериментально было установлено, что для разделения трудно- и средневосстанавливаемых фракций материалов отвалов наиболее оптимальным является pH 1,9-2,1. Для разделения средне- и легковосстанавливаемых фракций материала каменноугольных отвалов наиболее оптимальным является значение pH 4,9-5,1.
На чертеже представлена гистограмма полноты восстановления окисленных веществ при pH 1,0-1,2, где по вертикали - количество окисленных веществ в мг экв. на 100 г навески, а по горизонтали - номера образцов (1…3). На гистограмме каждому образцу соответствует 2 колонки. Первая (светлая) отражает количество окисленных веществ при pH 1,0-1,2, вторая (темная) показывает количество окисленных веществ при pH 1,9-2,1. Более высокие значения в первой колонке каждого образца, свидетельствуют о том, что при pH 1,0-1,2 происходит более полное восстановление окисленных веществ, чем при pH 1,9-2,1. Что подтверждает большую достоверность предлагаемого способа.
Ход анализа
Перед анализом готовят 0,1 н раствор йодистого калия. Для определения фракционного состава одного образца берут 6 колбочек емкостью 50…100 мл. В 3 колбы вносят по 1 г навески материала отвала, высушенные до воздушно-сухого состояния и просеянные через сито 0,25 мм. Затем в каждую колбу с навеской добавляют по 25 мл 0,1 н раствора йодистого калия. После этого к содержимому каждой колбы приливают концентрированную серную кислоту (уд. вес 1,84), соответственно, до pH 1,0-1,2, 1,9-2,1 и 4,9-5,1, закрывают воронками и помещают на известное перемешивающее устройство. Перемешивание проводят в течение 30 минут, затем содержимое колб помещают в стеклянную воронку с простым бумажным фильтром и промывают дистиллированной водой. К полученному фильтрату приливают 2-3 мл свежеприготовленного 1% раствора крахмала. Титрование проводят 0,01 н раствором тиосульфата натрия до перехода окраски из синей в бесцветную. Для приготовления холостых проб с 3 колбами без навесок проводят те же операции.
Количество миллилитров раствора тиосульфата натрия, пошедшее на титрование после восстановления навески, соответствует количеству йодистого калия, которое вступило в реакцию с почвой. Расчет количества окисленных веществ ведется по формуле
где,
X - количество окисленных веществ, в мг. экв на 100 г образца;
а - количество миллилитров раствора тиосульфата натрия, пошедшее на титрование йода, образовавшегося в ходе реакции холостой пробы;
в - количество миллилитров раствора тиосульфата натрия, пошедшее на титрование йода, образовавшегося в ходе реакции с навеской;
N - нормальность раствора тиосульфата натрия;
С - навеска образца в граммах.
При добавлении концентрированной серной кислоты до pH 1,0-1,2 происходит восстановление всех окисленных веществ, поэтому полученные данные принимаются как валовое количество окисленных веществ в мг. экв на 100 г образца.
При добавлении концентрированной серной кислоты до pH 1,9-2,1 после реакции восстанавливается большинство окисленных веществ, поэтому содержание невосстановившихся веществ, то есть фракции трудновосстанавливаемых соединений, определяют вычитанием значений, полученных при pH 1,0-1,2, от значений при pH 1,9-2,1.
При добавлении концентрированной серной кислоты до pH 4,9-5,1 в навеске восстанавливаются наиболее неустойчивые к восстановлению вещества, и полученные значения являются содержанием фракции легковосстанавливаемых соединений. Отнимая эти значения от значений, полученных при pH 1,9-2,1, получают содержание фракции средневосстанавливаемых веществ.
Пример
Анализируемые образцы были отобраны на отвалах Ольжерасского углеразреза в 15 км к северо-востоку от г.Междуреченска Кемеровской области.
Полученные в ходе анализа данные приведены в таблицах 1, 2.
Таблица 1
№ образца
Количество мл раствора тиосульфата натрия
pH
0,9
1,0-1,2
1,4
1,6
1,9-2,1
2,5
4,5
4,9-5,1
5,5
1
13,9
14,1
12,1
11,0
10,0
9,7
6,3
6,0
5,9
2
16,0
16,1
14,9
13,9
10,8
9,9
7,5
7,2
6,9
3
24,2
25,0
19,7
16,1
15,0
13,7
8,0
7,8
7,6
4
33,1
34,0
29,2
23,0
19,2
17,2
9,9
9,6
9,4
5
2,0
2,3
2,0
1,7
1,2
1,0
0,7
0,3
0,3
6
1,8
2,1
1,7
1,5
1,2
1,0
0,9
0,5
0,3
7
3,1
3,5
3,0
2,7
2,3
2,4
1,0
0,7
0,4
8
2,4
2,6
2,2
2,0
1,4
1,2
0,8
0,6
0,6
9
3,9
4,2
3,5
2,7
2,2
1,8
0,9
0,7
0,6
10
5,3
5,6
4,2
3,0
2,8
2,5
1,3
1,1
1,0
Таблица 2
№ образца
Содержание фракций окисленных веществ мг. экв. на 100 г.почвы
Валовое количество
Трудно
Средне-
Легко-
восстанавливаемые вещества
1
11,48
3,43
3,15
4,90
2
13,12
4,28
2,95
5,89
3
20,36
8,21
5,84
6,31
4
27,67
12,03
7,82
7,82
5
1,86
0,86
0,72
0,28
6
1,74
0,74
0,59
0,42
7
2,83
0,96
1,34
0,53
8
2,14
1,03
0,65
0,47
9
3,45
1,64
1,33
0,48
10
4,57
2,31
1,39
0,87
Из таблиц видно, что предлагаемый способ позволяет выделить четыре фракции, легко-, средне-, трудновосстанавливаемых и фракцию валового количества окисленных веществ в материале отвалов каменноугольных разрезов, отличающихся друг от друга устойчивостью к восстановлению.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет определять фракционный состав окисленных веществ отвалов каменноугольных разрезов и повышает достоверность их определения.