Введение к работе
Актуальность работы. На протяжении едва ли не всей истории аналитической химии одна из самых важных ее задач состояла и состоит в том, чтобы устанавливать связи между составом и каким-либо легко измеряемым свойством, а в дальнейшем использовать выявленные закономерности для разработки способов определения концентрации и соответствующих устройств. К этим устройствам относятся датчики, или химические сенсоры, которые дают прямую информацию о химическом составе среды (раствора), в которую погружен датчик, без отбора анализируемой пробы и ее специальной подготовки.
Ионоселективные электроды позволяют специфически и количественно определять очень большое число веществ, в том числе простые неорганические ионы, аминокислоты и сложные органические соединения. Широкие возможности применения, небольшой расход исследуемого вещества, а также простота процесса измерения позволяют использовать ИСЭ в качестве вспомогательного средства в исследованиях по физиологии, медицине, биологии, при изучении окружающей среды и др.
Ионоселективные электроды (ИСЭ) имеют ряд следующих несомненных достоинств: а) они не оказывают воздействия на исследуемый раствор; б) портативны; в) пригодны как для прямых определений, так и в качестве индикаторов в титриметрии; г) недороги.
Нельзя точно указать, сколько ионов можно определить при помощи коммерческих ионоселективных электродов, так как число их непрерывно возрастает. Если учесть только те ионы и анионы, к которым эти электроды более или менее специфичны, то можно назвать цифру ~30. К этому можно добавить те катионы и анионы, которые можно определить косвенно при помощи этих же 30 электродов, используя, например, химические реакции комплексообразования, осаждения или биохимические реакции, в результате которых меняется активность определяемых ионов.
Ионоселективные электроды, которые используют в качестве специфических анионных детекторов, в этом отношении почти вне конкуренции, если учесть высокую стоимость сложных измерительных устройств и точность (<1%), достигаемую при их использовании в качестве индикаторных электродов при определении конечной точки титрования. Кроме того, при анализе объектов, связанных с охраной окружающей среды, несомненный интерес представляет тот факт, что при помощи ИСЭ можно установить форму соединения измеряемых ионов. При анализах на открытой местности (например, при исследовании почвы, воздуха и растений) относительная точность составляет 1-10%, что в большинстве случаев бывает достаточным. Ионоселективные электроды могут быть полезны при отборе проб в качестве анализаторов, что трудно осуществить другими техническими средствами.
Пределы обнаружения ионоселективных электродов колеблются в интервале 10-5 – 10-19 мольл-1, а минимальное количество пробы, необходимое для одного измерения, составляет 0,05-1 мл. Процесс измерения в этом случае не связан с разрушением и расходом пробы, а это раскрывает новые аспекты в области анализа следовых количеств вещества.
Пока еще селективность всех электродов не так велика, чтобы проводить непосредственные измерения определяемых ионов в присутствии почти всех основных ионов. Поэтому, в настоящее время, разработка высокоселективных ИСЭ и оценка мешающего влияния различных анионов и катионов на стабильность электродных характеристик является актуальной задачей.
Цель настоящей работы заключалась в технологии изготовления корпусных Cd-CЭ, селективных к катионам Cd2+, Zn2+, исследовании электрохимического поведения и механизма работы твердоконтактных сенсоров.
В связи с этим потребовалось решить следующие задачи:
-
определить термодинамические характеристики модельных растворов (сточных вод), содержащих сульфаты меди и цинка;
-
установить влияние состава и концентрации компонентов активной массы при изготовлении твердоконтактных ионоселективных электродов на их свойства;
-
исследовать влияние концентрации и физико-химических свойств электролитов на основе сульфатов кадмия, меди, цинка на электрохимические характеристики, термодинамические закономерности и механизм процессов, протекающих на сульфидных и модифицированных терморасширенным графитом (ТРГ) ионоселективных электродах;
-
определить основные электрохимические параметры разрабатываемого потенциометрического сенсора различных конструкций;
-
изучить влияние природы и концентрации мешающих анионов и катионов в составе раствора на электродные характеристики исследуемых электродов;
6) разработать технологические рекомендации по изготовлению корпусных твердоконтактных потенциометрических сенсоров, селективных к тяжелым металлам.
Работа выполнена на кафедрах «Технология электрохимических производств» и «Экология и охрана окружающей среды» СГТУ в соответствии с планами НИР СГТУ по основным направлениям: 10 В.02 «Разработка новых технологий получения современных материалов и покрытий многофункционального назначения» и 14 В.03 «Разработка экологосберегающих технологий, способов контроля, очистки и обеззараживания воды, почвы, переработки и утилизации техногенных образований и отходов в товары народного потребления».
Научная новизна диссертационной работы подтверждается следующими положениями, выносимыми на защиту:
-
Изучением термодинамических характеристик растворов на основе сульфатов меди, кадмия и цинка.
-
Выбором оптимальных соотношений компонентов для изготовления многофункционального корпусного ионоселективного электрода на основе сульфидов металлов (CdS, CuS), ТРГ и связующего БФ-2.
-
Выбором материала конструкции токоотвода корпусного твердотельного датчика.
-
Получением новых экспериментальных данных по влиянию концентрации (100-10-8 мг/л) и природы анионов (Cl-, I-, CH3COO-, SO4-2, NO3- ) и катионов ( Zn+2, Ni+2, Cu+2 ) в составе раствора на электродные характеристики, стабильность и устойчивость параметров при работе ионоселективного электрода.
-
Разработкой технологических рекомендаций по изготовлению ионоселективных электродов, проведением макетных испытаний и установлением их аналитических возможностей.
Практическая значимость определяется разработкой технологических рекомендаций по изготовлению корпусных ионоселективных электродов с оптимальными электрохимическими и аналитическими характеристиками и апробированием потенциометрических сенсоров для определения ионов в сточных водах.
Разработаны и апробированы модельные корпусные твердотельные датчики, показавшие механическую и адгезионную прочность, электрохимическую стабильность характеристик и удовлетворительную работу в качестве потенциометрических сенсоров для определения ионов кадмия, цинка и меди в гидросферных комплексах в составе сточных вод предприятия ООО «Маслосырбаза «Энгельсская». Разработанные ионоселективные электроды внедрены в учебный процесс по дисциплинам «Основы водоподготовки и водоочистки», «Химия окружающей среды», «Техника защиты окружающей среды», «Основы токсикологии», дипломное проектирование.
Публикации и апробация работы. По материалам диссертации опубликовано 12 статей, включая 2 статьи в центральной печати по списку ВАК РФ. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международных, Российских, региональных научных конференциях и совещаниях. Получен патент на изобретение № 2381493 «Способ изготовления твердотельного ионоселективного электрода». Список публикаций приведен в конце автореферата.
Объем диссертации. Диссертации состоит из введения, 4 глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 165 страницах, содержит 24 таблицы, 65 рисунков и 141 литературный источник.
