Оценка результатов выполненной лабораторной работы

Каждая лабораторная работа оценивается в 10 баллов. Оценка складывается из трех составляющих:

- подготовка к лабораторной работе, включая оформление (ведение тетради), знание теоретической части и расчеты к работе – максимум 5 баллов;

- выполнение лабораторной работы (получение экспериментальных данных) – максимум 3 балла;

- защита лабораторной работы (умение обосновать ход и результаты работы) – максимум 2 балла.

Вопросы для самоконтроля по теме 2а

1. Какие методы используются для глубокой очистки природной воды?

2. Какие сорбенты применяют для очистки природных вод от соединений железа?

3. Какие сорбенты применяют для глубокой очистки природных вод от водорастворимых органических веществ с кислотными свойствами?

4. Какие методы применяют для дезинфекции природных вод перед водопотреблением?

5. Для каких целей проводят центрифугирование и диализ природной воды?

6. С какой целью проводят озонирование и известкование природных вод перед водопотреблением?

Приведите примеры возможных химических реакций.

1. Взаимодействие СаСО₃ с органической кислотой:

2. Взаимодействие кальцита с гидрозолем гидроксида железа:

Тема №2а

«Аналитическая технология глубокой очистки воды от примесей, ионов, коллоидов, органических лигандов, экотоксикантов, болезнетворных микроорганизмов, вирусов и простейших паразитов».

Экологи, токсикологи и гидрохимики отмечают, что в водных источниках заметно возросла концентрация различных возбудителей заболеваний. Это связано с изменением гидрохимического состава поверхностных природных вод и микробиологическим загрязнением за счет привноса бытовых стоков и фекальных масс. Известно, что в бытовых и сточных водах встречаются микроорганизмы, вызывающие инфекционные (и эпидемиологические) заболевания: дизентерию, брюшной тиф, гепатит, лямблиоз, сальмонеллез. Из кишечника и моче – половых путей человека выделяется более 100 видов вирусов, которые проходят через простые очистные сооружения и попадают в водоемы. В курортных городах подобные стоки очень часто сбрасываются вблизи пляжей неочищенными в морской бассейн. Коммунальные службы, по-видимому, предполагают их естественную дезинфекцию и самоочищение в соленой воде. Однако на мелководье, даже в морской воде, инфекция сохраняется довольно длительное время, достаточное для заражения людей (туристов и отдыхающих) в жаркие летние месяцы курортного бума, особенно в тропиках и субтропиках. Установлено, например, что за сутки больной или инфицированный человек выделяет 2-7 x 10⁸ шт. болезнетворных микробов, а в 1г фекалий содержится в среднем 2000 тыс. цист лямблий. Этот пример наглядно показывает, с одной стороны, насколько важен здесь экологический мониторинг за эко-токсикологическим состоянием почв, стоков и природных вод, а с другой – какие высокие требования должны предъявляться к обеззараживанию и очистке сточных вод.

Методы, используемые при очистке и дезинфекции природных вод

Промышленные сточные воды зачастую биологическим путем не очищаются, поэтому существенное значение имеет их локальная физико-химическая обработка до сброса в общегородской коллектор. Бытовые сточные воды обычно хлорируют, озонируют, обрабатывают пероксидом водорода (это экологически «чистый» окислитель), а также подвергают воздействию УФ - света и гамма-излучению.

Хлорирование – один из самых распространенных методов дезодорации сточных и бытовых вод. Несмотря на простоту и компактность установок для хлорирования, доступность и дешевизну хлора и его производных (CLO₂ , HOCL…) очистка воды активным хлором может иметь ограниченное применение. Связано это с недостаточной глубиной окисления растворимых органических веществ (нативных и искусственных), образованием токсичных хлорорганических соединений, необходимостью применения высоких доз хлора, токсичностью самого реагента – хлора.

Озонирование – технологический прием, при котором происходит одновременное окисление органических веществ, растворенных в воде, обесцвечивание, дезодорация, обезвреживание стоков и насыщение воды кислородом. Озон используется также для очистки вод от цианидов, роданидов, сероводорода, мышьяка и иных экотоксикантов, а также от гумусовых веществ, пестицидов, фенолов и углеводородов. Озон эффективен при водоподготовке питьевых вод. Озон представляет собой модификацию О₂, но сильно от него отличается: он интенсивно окрашен, токсичен и взрывоопасен. ПДК для озона в рабочей зоне составляет 0,0001 мг/л. Эффективность использования озона резко возрастает в присутствии сорбентов, например, активированного угля.

Пероксид водорода – по сравнению с озоном имеет следующие преимущества: он хорошо растворим в воде, устойчив в водных растворах, окисляет широкий спектр органических соединений при различных величинах pH, нетоксичен. В силу своих технологических преимуществ H₂O₂ нашел широкое применение в зарубежной практике очистки сточных и бытовых вод. Метод отличает дефицит реагента и его высокая стоимость. Вернемся к теме № 2.

Предлагаемая лабораторная работа включает ряд этапов на пути использования физико-химических методов и обеззараживания воды:

первый - отстаивание, аэрация, озонирование и обработка Н₂О₂;

второй – коагуляция коллоидов кремния, железа, алюминия, марганца…коагулянтами, а также флокуляция и флотация;

третий – центрифугирование;

четвертый - фильтрация и ультрафильтрация;

пятый - сорбция растворимых (ионно-молекулярных) форм химических соединений различными сорбентами: оксидом алюминия, активированным углем, порошком кальцита (или доломита).

В теоретической части работы особое внимание уделяется свойствам активированных углей - уникальным поглотителям различных классов веществ из водных растворов, а также анализу математических уравнений изотерм сорбции – по Лэнгмюру, Фрейндлиху, Генри…

Литература: А.А. Лурье «Хроматографические материалы». М. Химия. 1978.

Лабораторная работа №2

«Изучение влияния компонентов «кислотных дождей» на экологическое состояние и функции почв таежных (и иных) экосистем».

Вопросы для самоконтроля

1. Как возникают в ландшафтах «кислотные дожди»? Какие компоненты они содержат?

2. Как влияют «кислотные дожди» на компоненты почвы?

3. Могут ли улучшать почвенное плодородие агроэкосистем «кислотные дожди»?

4. Какие технологические методы можно рекомендовать для уменьшения масштаба «кислотных дождей»?

5. Что происходит при контакте «кислотных дождей» с гумусовыми веществами почвы?

6. Что такое техногенная кислотность ландшафтов?

7. Объясните термин «биогенная кислотность» таежной экосистемы.

В теоретической части работы рассматривается химическое воздействие водных растворов некоторых минеральных кислот (H₂SO₄, HCL, HF, HNO₃…) на состав обменных катионов почв подзолистого типа, емкость поглощения и свойства почвенно-поглощающего комплекса (ППК), кислотность почвы и подвижность гумусовых соединений. Отмечаются функции и роль ионов водорода и алюминия в формировании свойств почв подзолистого типа.

Лабораторные опыты проводятся в статике и динамике (в хроматографических колонках) с образцами почв, известняка и сорбентов. Техника постановки опытов может быть заимствована из предыдущих лабораторных работ.

Студентам предлагается самостоятельно провести эксперимент по влиянию водных растворов сильных минеральных кислот на ППК подзолистой почвы и чернозема выщелоченного (учхоз «Муммовское» Саратовская область). Определить концентрации в элюатах ионов кальция и мобильного гумуса. Сделать экологические выводы: в чем отличие, например, воздействия слабых водных растворов азотной и серной кислот на почвы?

Лабораторная работа № 3

Тема: «Оценка экологических функций мобильных гумусовых соединений в экосистемах тайги».

Данная работа реализуется по следующим направлениям (по выбору студентов или предлагается преподавателем):

а) мобильные гумусовые соединения как дополнительные источники ионов водорода (гидроксония) в почвах;

в) мобильные гумусовые вещества как уникальные природные лиганды, играющие важную роль в комплексообразовании;

с) мобильные гумусовые вещества, участвующие в окислительно-восстановительных реакциях;

d) роль мобильных гумусовых веществ в трансформации и водной миграции ионов металлов в почвах таежной зоны.

Студентам выдаются задания по указанным выше вопросам. Предлагается самостоятельно дать им теоретическое обоснование и наметить план выполнения лабораторной работы.

Вопросы для самоконтроля

1. Объясните экологические функции мобильных групп гумусовых соединений (в частности, фульвокислот) в экосистемах тайги.

2. Назовите основные процессы формирования мобильных групп гумусовых веществ в таежных экосистемах.

3. Охарактеризуйте основные компоненты, входящие в состав мобильных гумусовых соединений.

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4. Объясните, почему в составе мобильных гумусовых соединений почв тайги содержатся органические вещества кислотной природы?

5. Какую роль играют органические кислоты в функционировании таежной экосистемы?

6. Охарактеризуйте аналитическую схему W. Forsyth – И.М. Яшина (1974), используемую для фракционирования мобильных гумусовых соединений почв таежных ландшафтов.

7. Объясните основные аналитические операции, которые были заменены в схеме W. Forsyth (1947) И.М. Яшиным в 1973 г. и почему?

Диализ –

Использование высокозольного активированного угля БАУ -

Применение химически высоко активных водных растворов - минеральной кислоты HCL и щелочи NaOH -

8. На основе, каких опытов при исследовании состава и свойств ВОВ и фульвокислот Яшиным И.М. были сделаны вышеуказанные выводы?

Тема 3.1

«Определение коэффициента мобилизации k _моб некоторых химических элементов (С_орг, ионов Fе²⁺, Сd²⁺, Са²⁺) из различных труднорастворимых веществ: органогенных субстратов, известковых мелиорантов, фосфоритной муки и ряда продуктов антропогенеза (мартеновских шлаков, осадков сточных вод, вскрышных пород и отвалов...)».

Рассчитывается коэффициент мобилизации на основании результатов лабораторного опыта или литературных сведений (см. статьи И.М. Яшина с соавт., 1989, 1993, 1996, 2000, 2003).

Тема 3.2

«Использование известной аналитической схемы W . Fors y th - И.М. Яшина для диагностики состава и свойств водорастворимых органических веществ (ВОВ) с кислотными и комплексообразующими свойствами путем их сорбции и фракционирования на низкозольном активированном угле «карболен».

Рассчитывается константа равновесия k_равн.между индивидуальной (простые органические вещества фотосинтетической природы) и специфической – фульвокислотами - группами ВОВ. Оценивается роль ионов Fe³⁺ в формировании новых специфических компонентов ВОВ. Делается вывод о направленности процесса гумификации органогенных субстратов (растительного опада и лесной подстилки) в почвах таежной зоны.

Тема 3.3

«Исследование молекулярно-массового состава компонентов ВОВ с кислотными свойствами с помощью метода гель-хроматографии».

Продолжается изучение выделенных из органогенных субстратов групп ВОВ индивидуальной и специфической (фульвокислоты) природы. В работе используются гели - декстрана Молселект и Сефадекс: G-10, G-25 и G-50.

Предварительно проводится калибровка хроматографических колонок, рассчитывается ряд их рабочих параметров и диагностируются молекулярные массы (ММ) ряда стандартных (сложных) природных органических веществ. См. научные работы А.И. Карпухина, 1986.

Тема 3.4

«Определение состава и устойчивости некоторых мобильных органоминеральных соединений с помощью метода систематизированной гель-хроматографии».

В данной лабораторной работе целесообразно выполнить следующие этапы: 1-й - получить мобильные формы, например Fe - и Cd -органических соединений, в результате взаимодействия, например, мобильных органических лигандов с почвой, Fe(OH)₃ и т.д.; 2-й - определить в их составе массы ионов металла и С_орг; 3-й - фракционировать, в частности, водорастворимые Fe-фульватные комплексные соединения на системе гелей: G-10, G-25, G-50; 4-й - изучить их устойчивость при прохождении через колонку с ионообменной смолой (или образцом почвы) и определить величину сорбции указанных соединений в статике (или динамике) тонкодисперсным порошком СаСО₃. В последнем случае важно установить мобилизацию в раствор ионов кальция.

Тема 3.5

«Характеристика и оценка экологической кислотности конкретной таежной экосистемы».

Данная тема представляет собой расчетно-аналитическую работу.

Согласно И.М. Яшину и И.С. Кауричеву (1996, 2002) экологическая кислотность - это один из механизмов адаптации групп живых организмов к суровым условиям тайги. В принципе биогенное кислотообразование – это уникальный механизм функционирования таежной экосистемы. Студентам объясняется данный экологический механизм. Отмечается его важность и уникальность. Рассчитываются дополнительные массы ионов водорода из разных источников и потоки ВОВ в таежной экосистеме. Обращается внимание, что экологическая кислотность тесно связана с химической, диагностируемой обычно в твердой фазе (образце) почвы конкретного горизонта. Констатируется: функционирование реальной таежной экосистемы должно оцениваться по 3-м составляющим кислотности:

- экологическая (биогенная),

- химическая (почвенная) и

- антропогенная (кислотные дожди);

Суммарный параметр характеризуется как общая кислотность экосистемы. Указанные положения очень актуальны, особенно при расчете параметров почвенно-геохимических потоков мигрантов, а также при усовершенствовании методологии оценки и технологии известкования почв подзолистого типа. Необходимо подчеркнуть, что тема лабораторной работы 3.5. является новой и приоритетной в почвенно-экологических изысканиях. До сих пор совершенствование методологии исследования кислотности проводилось на нуль-мерном пространстве почвенного образца путем унификации методов диагностики в почве массы протонов.

Новый экологический подход при оценке кислотности состоит в том, что почва нами рассматривается не только как самостоятельное естественно-историческое природное тело, но и как компонент реальной экосистемы и ее продукт. Следовательно, формирование и эволюция почвы неразрывно связаны как с процессами почвообразования, так и с функционированием конкретной экосистемы – биогеохимическим круговоротом веществ.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое метод сорбционных лизиметров? Для каких целей он применяется?

2. Какие типы лизиметров (кроме сорбционных) вы знаете?

Назовите недостатки плоского лизиметра Шиловой -

3. Нарисуйте схему сорбционного лизиметра с приемником вод и объясните его принцип действия в почве.

Схема сорбционного лизиметра:

сорбционная колонка - приемник лизиметрических вод:

4. Охарактеризуйте методику химической очистки кварцевого песка (традиционную и по методу И.М. Яшина, 1991).

5. Как «набивают» сорбционную колонку песком и сорбентами? Нарисуйте схему сорбционной колонки для изучения восходящей миграции веществ. Какую роль в функционировании сорбционной колонки играет песок?

6. Нарисуйте схему установки сорбционных лизиметров в почвенном профиле:

7. Какие типы сорбентов и для каких целей применяют в почвенно-экологических исследованиях?

__________________________________________________________________Гидрофобные____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Гидрофильные_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________Ионообменники _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

8. Какие сорбенты применяют в колонках для сорбции органических кислот из почвенных растворов?

9. Какие сорбенты используют в колонках для сорбции Fe-, Cd,- Zn-, Pb-органических комплексных соединений из почвенных растворов подзолистых почв тайги?

__________________________________________________________________

10. Охарактеризуйте методику расчета масштаба миграции веществ в почве с помощью метода сорбционных лизиметров.

Масштаб миграции, например, углерода ВОВ можно рассчитать на основе ...

11. Какие процессы лежат в основе хроматографического анализа?

12. Кто из специалистов РГАУ-МСХА внес весомый вклад в совершенствование метода хроматографии и его практическое применение в почвоведении, экологии, биохимии, физиологии растений?

Охарактеризуйте приоритеты научных исследований проф. И.С. Кауричева и его учеников – проф. А.Д. Фокина, А.И. Карпухина, И.М. Яшина

Тема 3.6

«Особенности применения метода сорбционных лизиметров в экологических исследованиях»

Студентам предлагается на выбор ряд научных задач, которые изложены в учебном пособии И.С. Кауричева, И.М. Яшина и В.А. Черникова «Теория и практика метода сорбционных лизиметров в экологических исследованиях» (1996,143 с.)

В указанном пособии рассматриваются следующие вопросы: методология постановки модельных лабораторных экспериментов; закладка стационаров; физико-химические свойства сорбентов; аналитические схемы разделения и диагностики веществ в почвенных растворах; техника подготовки сорбционных лизиметров; фактический материал по вопросам трансформации и миграции веществ в почвах и почвенном покрове; поля миграции; параметры миграции, например ВОВ с кислотными свойствами и органо-минеральных соединений для уточнения параметров экологической кислотности. Каждый из этих вопросов может быть выбран в качестве темы для написания курсовой работы. Информация темы 3.6 тесно связана с практикой хроматографического анализа в почвоведении и экологии.

Таким образом, малый лабораторный практикум по курсу МЭИ позволяет студентам, обучающимся по специальности «Агроэкология», полнее ознакомиться с теоретическими и практическими аспектами хроматографии, ионометрии, фракционированием, фильтрацией и комплексообразованием. Девиз практикума можно охарактеризовать так: «Сорбенты – основа качества жизни и экологической безопасности».

Обучающиеся будут оценивать экологическую ситуацию ландшафтов и административных районов, в частности, Подмосковья. Интерпретация результатов опытов по хроматографии позволит студентам-экологам понять вклад почвенного покрова в формирование химического состава природных вод. Так, в таежной зоне формируется масштабный биогенный и абиотический поток органических лигандов с кислотными свойствами, являющихся движущей силой миграции различных химических элементов. Поэтому природные воды тайги содержат в растворимом (ионно-молекулярном) состоянии большое количество фульвокислот и иных органических веществ, а также органоминеральные соединения железа, алюминия кремния при дефиците кальция. Качество таких вод для питья явно неудовлетворительное и требует обязательной очистки путем последовательных технологических операций: отстаивание, аэрация, коагуляция, фильтрация через песчано-карбонатные, целлюлозные и иные абсорберы…, обеззараживание и т.д. В зоне степей, где распространены черноземы, ситуация совершенно другая: химический состав поверхностных природных вод отличается очень низким содержанием ионных форм железа, алюминия и кремния. В водах преобладают растворимые гидрокарбонаты кальция. Содержание С_орг также крайне низкое. Качество питьевой воды – чаще всего хорошее (если нет антропогенного загрязнения).

Отметим, что проблема глубокой очистки природных вод для населения является одной из приоритетных, получивших поддержку в одном из национальных проектов Президента Российской Федерации на период 2006 -2015 гг. В этой связи особое внимание следует уделять не только очистке воды и водоподготовке, но и предупредительным мерам: улучшить эколого-химический контроль за деятельностью различных производств, предприятий, свалок и очистных сооружений. Например, в Подмосковье более 80% свалок расположены в поймах рек, что недопустимо из-за химического загрязнения пойменных почв и природных вод. Овощная продукция и рыба оказываются опасными для употребления в пищу.

Лабораторные работы выполняются в лаборатории агроэкологии, в 6-м учебном корпусе РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева. Студенты работают на занятиях в халатах, знакомятся с техникой безопасности и охраной труда, правилами проведения опытов в химических лабораториях.

Выносить из лаборатории любые химические реактивы строго запрещается. Не разрешается также принимать пищу и пить воду на рабочем месте. К концу семестра рабочая тетрадь должна быть аккуратно оформлена. Каждое задание принимается преподавателем. Студенты представляют рабочую тетрадь к экзамену (зачету).

___________________

ЗАДАЧИ

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 5 6 789 10 Следующая ⇒

Последнее изменение этой страницы: 2019-04-10; Просмотров: 330; Нарушение авторского права страницы