ОСНОВНОЙ ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И СОДЕРЖАНИЕ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ В МИНЕРАЛЬНЫХ ВОДАХ ШАДРИНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 615.83:547

ОСНОВНОЙ ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И СОДЕРЖАНИЕ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ В МИНЕРАЛЬНЫХ ВОДАХ ШАДРИНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

© 2013 г. З.М. Жернакова1, Н.Н. Деева1, Н.В. Смагина1, Т.В. Слышкина1, Е.Г. Печерских2

1 Федеральное бюджетное учреждение науки «Екатеринбургский медицинский научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промпредприятий» Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека, г. Екатеринбург

2 Институт фундаментального образования, Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, г. Екатеринбург

Ключевые слова: мониторинг, минеральные воды, перманганатная окисляемость, химическое потребление кислорода (ХПК), общий органический углерод, минерализация.

Представлены результаты исследования основного химического состава, содержания органических веществ в углекислых минеральных водах восьми скважин Шадринского месторождения за 2005-2012 гг. Органические вещества определяли тремя методами: перманганатной окисляемостью, бихроматной окисляе-мостью (ХПК) и инструментальным на анализаторе ТОС-ЬСШ (Сорг). Результаты мониторинга показали, что по минерализации, содержанию основных ионов, перманганатной окисляемости, органическому углероду исследуемые минеральные воды удовлетворяют нормам, установленным для минеральных питьевых лечебно-столовых вод Шадринского месторождения.

Мониторинг природных лечебных ресурсов и необходимость его ведения закреплены в законодательных документах [1-3]. Мониторинг минеральных вод Шадринского месторождения Курганской области проводится на протяжении многих лет в Федеральном бюджетном учреждении науки «Екатеринбургский медицинский научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промпредприятий» Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека (далее - Центр).

Углекислые, хлоридно-гидрокарбонатные натриевые воды Шадринского месторождения, относящиеся к ХХУ в группе согласно ГОСТ Р 5434162011 [4], широко используются в питьевых целях для профилактики и лечения ряда заболеваний. В основу российской классификации минеральных вод в качестве основных критериев, определяющих лечебную направленность воды, а также возможность ее использования как столового напитка, положены:

- основной ионно-солевой состав воды, определяемый величиной общей минерализации (М, г/дм3), содержанием и соотношением основных ионов;

Водное хозяйство России № 4, 2013

Водное хозяйство России

Основной химический состав и содержание органических веществ в минеральных водах Шадринского месторождения

- содержание биологически активных компонентов: органические вещества; газовый состав; специфические свойства.

Указанные критерии оценки, определения категорий минеральных питьевых вод приняты в нормативных документах [4, 5], а также в документах государств ЕврАзЭС [6].

Цель данной работы - анализ результатов мониторинга основного ионного солевого состава и содержания органических веществ в углекислых минеральных водах Шадринского месторождения, проведенного в 2005-2012 гг.

Лабораторные исследования проведены титриметрическими и фотометрическими методами. В качестве контрольного метода определения органических веществ использовали инструментальный метод определения общего органического углерода (ООУ или ТОС - Total organic carbon) на анализаторе ТОС-Ьср№срм (изготовитель Shimadzu, Япония) [7, 8]. Химический анализ проводили как в нативных (непосредственно из скважины), так и в бутилированных газированных минеральных водах восьми скважин Шадринского месторождения в период 2005-2012 гг. в различное время года (зимой, весной, летом, осенью).

Состав органических веществ в минеральных водах формируется под влиянием многих факторов, в частности, биохимических процессов продуцирования и трансформации. Для развития биохимических процессов органические вещества являются энергетическим материалом (аминосоедине-ния, соли жирных кислот, ароматические производные и др.)

Окисляемость характеризует общее содержание органических веществ в природных водах. Наиболее распространен перманганатный метод определения окисляемости воды, основанный на окислении органических веществ перманганатом калия при нагревании. Перманганатную окисля-емость минеральных вод Шадринского месторождения определяли в щелочной среде [9], т. к. массовая концентрация хлорид-ионов в этих водах превышает 300 мг/дм3. Бихроматную окисляемость определяли кипячением с добавлением концентрированной особо чистой серной кислоты [10]. Мешающее влияние хлоридов устраняли добавлением сульфата ртути (2+), в качестве катализатора использовали сернокислое серебро. После окисления избыток бихромата определяли титрованием раствором соли Мора.

Процедура определения ООУ состояла из следующих стадий.

1. Подкисление пробы соляной кислотой до рН < 2 и продувка очищенным газом-носителем (очищенным воздухом) для удаления неорганического углерода.

2. Термическое каталитическое окисление оставшегося в пробе органического углерода до СО2 - сжигание в токе кислородсодержащего газа.

3. Охлаждение, освобождение от водяных паров газовой смеси в электронном осушителе.

Водное хозяйство России № 4, 2013

Водное хозяйство России

З.М. Жернакова, Н.Н. Деева, Н.В. Смагина, Т.В. Слышкина, Е.Г. Печерских

4. Поглощение хлора и других галогенов в ловушке галогенов.

5. Детектирование образующегося СО2 на недисперсионном ИК-детекторе.

В таблице приведены диапазоны колебаний основных компонентов, перманганатной окисляемости, бихроматной окисляемости (при которой достигается более глубокая степень окисления), органическому углероду (Сорг). Данные о минерализации, основном химическом составе, содержании органических веществ по интегральным показателям качества воды получены в результате обработки результатов 30-70 химических анализов по каждой скважине за рассматриваемый период.

Расхождения контролируемых показателей несущественны, поэтому не представляется необходимым дифференцировать их по годам. Окисля-емость вод Шадринского месторождения подвержена сезонным колебаниям, а также различна в бутилированных и нативных минеральных водах. Перманганатная и бихроматная окисляемости в бутилированных минеральных водах часто выше их значений в нативных водах. Характер сезонных колебаний зависит от гидрогеологического, гидробиологического режимов, т. е. изменения во времени процессов продуцирования, превращения и минерализации органических веществ. В интенсивно эксплуатируемых в последние годы скважинах № 315 и № 10 наблюдается изменение содержания органических веществ. Например, в минеральных водах из скважины № 315за 2005 г. перманганатная окисляемость составляла 0,64-0,96 мгО/дм3,а в бутилированной 1,92-2,51 мгО/дм3. В 2008-2009 гг. перманганатная окисляемость нативной воды 0,5-0,8 мгО/дм3, а бутилированной 1,12-2,56 мгО/дм3. В 2011-2012 гг. перманганатная окисляемость минеральных вод не превышала 1,28 мгО/дм3, в бутилированной отмечено снижение значений до 0,96 мгО/дм3, при этом наблюдалось уменьшение значений ХПК до 2,47 мгО/дм3, а Сорг до 0,93 мгО/дм3. По данным, полученным с помощью анализатора ТОС-ЬСР№СШ, Сорг < 1 мг/дм3 (0,71 мг/дм3).

Перманганатная окисляемость минеральных вод из скважины № 10 за эти годы колебалась от 0,5 до 0,8 мгО/дм3, а в бутилированной от 1,28 до 2,88 мгО/дм3 в 2012 г., ХПК снизилось до 7,84 мгО/дм3, Сорг - до 2,94 мг/дм3 (по данным ТОС 2,43-2,59 мг/дм3).

Органические вещества разнообразны по своей химической природе и свойствам, в т. ч. по устойчивости к воздействию разных окислителей. Согласно ГОСТ [4] на воды минеральные питьевые лечебные и лечебно-столовые, массовая концентрация органических веществ в расчете на углерод (Сорг) в лечебных водах не должна превышать 15 мг/дм3, а в лечебно-столовых 10 мг/дм3. Этот показатель входит в группу интегральных показателей качества воды, таких как перманганатная, бихроматная окис-ляемость (ХПК), биохимическое потребление кислорода (БПК). Часто со-

Водное хозяйство России № 4, 2013

Водное хозяйство России

сю

о

8 О

Таблица. Нормируемое и найденное в течение 2005-2012 гг. содержание элементов в Шадринского месторождения

минеральных питьевых лечебно-столовых водах

Наименование воды, эксплуатируемая скважина Общая минерализация, г/дм3 Содержание ионов, мг/дм3 Перманга-натная окисля-емость, мгО/дм3 Бихро-матная окисля-емость, мгО/дм3 с орг

№++К+ мё2+ Са2+ С1" 8042- нсо3-

«Шадринская 319», скв. №319 6,0 -9,5 7,7-8,0 1500-2500 1950-2100 50-170 109-120 110-210 150-170 800-1800 1250-1330 <25 <2 3600^1600 4090^1300 0,5-5,0 0,64-3,12 не нормир. 2,13-10,39 <10 0,8-3,9

скв. № 2Д 8,0-10,0 9,1-9, 7 2200-2600 2450-2620 90-120 90-99 100-150 118-123 1100-1500 1407-1420 3-5 <2 5000-5500 4950-5400 0,5-5,0 0,96-2,24 не нормир. 4,08-15,15 <10 1,53-5,68

«Шадринская 3», скв. № 317 7,0-10,0 9,0-9,7 2100-3100 2590-2710 30-150 75-92 50-170 106-116 1000-2000 1410-1530 <25 <2 4500-5500 4930-5300 0,5-5,0 0,80-2,56 не нормир. 6,35-17,94 <10 2,38-6,73

«Шадринская 3», скв. № 317Д 7,0-10,0 9,0-9,7 2100-3100 2590-2710 30-150 75-92 50-170 106-116 1000-2000 1410-1530 <25 <2 4500-5500 4930-5300 0,5-5,0 1,12-3,68 не нормир. 3,33-18,8 <10 2,08-7,05

«Шадринская 315», скв. №315 7,0-10,0 8,8-9,3 2100-2600 2180-2310 140-180 155-175 130-250 205-230 1200-1600 1430-1490 <15 <2 4500-5500 4880-5080 0,5-5,0 0,64-2,56 не нормир. 2,25-17,34 <10 0,84-6,5

скв. №312 10,5-11,9 11,1-11,4 2700-3400 3010-3060 90-150 112-114 50-150 132-140 1300-1600 1460-1480 <25 <2 5300-7000 6380-6590 0,5-5,0 0,77-1,44 не нормир. 3,43-6,53 <10 1,29-2,45

«Шадринская 1», скв. № 10 3,6-5,0 4,2^1,5 950-1400 1085-1189 <100 53-58 <100 80-83 650-1000 674-745 <10 <2 2000-2700 2257-2416 0,5-5,0 0,64-3,04 не нормир. 7,84-12,96 <10 2,94^1,86

скв. № 4Т 2,0-3,5 2,2-2,3 700-850 703-717 15-25 20-22 15-25 24-25 650-750 674-681 200-300 220-256 500-650 590-620 0,5-5,0 2,88-3,84 не нормир. 8,19-9,52 <10 3,07-3,57

О

о а: о

Ой

а: о

К'

Я

к

5: Л

!а (й О- О

а: рч о- с 3

§ § £ I

* а

¡5; е

О/

? 1

0 I ^ (й

Й >2

1 §

3, р

(й а

§ Ч 2 ¡§

Примечание: для каждой скважины в верхней строке указаны нормируемые значения показателей, в нижней - результаты лабораторных исследований.

З.М. Жернакова, Н.Н. Деева, Н.В. Смагина, Т.В. Слышкина, Е.Г. Печерских

держание Сорг составляет примерно 1/3 величины ХПК. По ГОСТ [4] пер-манганатная окисляемость минеральных вод должна находиться в пределах 0,5-5,0 мг/дм3 потребленного кислорода, в исключительных случаях может достигать 10,0 мг/дм3 потребленного кислорода.

Бихроматная окисляемость или ХПК по литературным данным близка к 100 % [11]. Величины ХПК служат для определения суммарного содержания ОВ. Последнее рассчитывается по формуле

С =

^орг

а-12

32 :

где а - величина ХПК.

Содержание органического вещества находят, умножая полученное значение на 2 [12, 13]. Отношение ХПК к Сорг используют для характеристики степени окисленности органических веществ, которая служит косвенным показателем их химической природы и происхождения [12]. Полученные данные (см. таблицу) свидетельствуют о стабильности минерализации, основного ионно-солевого состава минеральных вод Шадринского месторождения, что соответствует нормам, установленным для минеральных питьевых и лечебно-столовых вод. Значения перманганатной окисляемости, Сорг во всех исследуемых скважинах не выходят за пределы нормативов. Уменьшение содержания органических веществ за последние годы, по-видимому, связано с интенсивной эксплуатацией скважин.

В результате проведенных исследований минеральных вод Шадрин-ского месторождения подтверждается стабильность по минерализации, содержанию основных компонентов в различные сезоны года. Минеральный состав, перманганатная окисляемость, Сорг вод соответствуют нормируемым показателям. В скважинах с интенсивной эксплуатацией (№ 315 и № 10) за последние годы отмечено снижение содержание органических веществ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Правила разработки и охраны месторождений минеральных вод и лечебных грязей: Пос-

тановление Госгортехнадзора РФ от 06.06.2003 г. № 72. Зарегистрировано в Минюсте РФ 17 июня 2003 г. № 4698.

2. Положение о осуществлении государственного мониторинга водных объектов: Постанов-

ление Правительства РФ от 10 апреля 2007 г. № 219.

3. Водный кодекс Российской Федерации от 03.06.2006 № 74-Ф3. Принят ГД ФС РФ

12.04.2006.

4. ГОСТ Р 54316-2011 Воды минеральные природные питьевые. Общие технические усло-

вия. М.: Стандартинформ, 2011. 41 с.

5. СанПиН 2.1.4.1116-02 Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды, расфа-

сованной в емкости. Контроль качества.

6. Единые санитарно-эпидемиологические и гигиенические требования к товарам, подле-

жащим санитарно-эпидемиологическому надзору (контролю): Утверждены Решением

Водное хозяйство России № 4, 2013

зяйство России

Основной химический состав и содержание органических веществ в минеральных водах Шадринского месторождения

Комиссии таможенного союза от 28 мая 2010 года № 299/ глава II, раздел 9. Требования к питьевой воде, расфасованной в емкости.

7. ГОСТ Р 52991-2008 Вода. Методы определения содержания общего и растворенного ор-

ганического углерода. М. 2009. 25 с.

8. М-02-2405-09 Методика выполнения измерений массовой концентрации общего углерода,

общего неорганического углерода, общего органического углерода, неудаляемого органического углерода и общего азота в питьевых, природных (в том числе подземных), сточных и технологических (оборотных и рециркуляционных) водах с помощью анализатора ТОС «БЫша^и». СПб. 2009.

9. ГОСТ 23268.0-78 Воды минеральные питьевые, лечебные, лечебно-столовые и природные

столовые. Правила приемки и методы анализа. М. 1981. 101 с.

10. Унифицированные методы анализа воды / под ред. Ю.Ю. Лурье. М.: Химия, 1973.

11. Унифицированные методы исследования качества вод. Ч. 1. Методы химического анализа

вод. Изд. 2-е. М.: СЭВ, 1974. С. 126-134.

12. Алекин О.А. Основы гидрохимии. Л.: Гидрометеоиздат, 1970. 443 с.

13. Алекин О.А., Семенов А.Д., Скопинцев Б.А. Руководство по химическому анализу вод

суши. Л.: Гидрометеоиздат, 1973. С. 64-74.

Сведения об авторах:

Жернакова Зинаида Михайловна, к. х. н., старший научный сотрудник, отдел физико-химических методов исследований, ФБУН «Екатеринбургский медицинский научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промпредприятий» Роспотребнадзора (ФБУН ЕМНЦПОЗРПП Роспотребнадзора), 620014, г. Екатеринбург, ул. Попова, 30

Деева Надежда Николаевна, научный сотрудник, отдел физико-химических методов исследований, ФБУН ЕМНЦПОЗРПП Роспотребнадзора, 620014, г. Екатеринбург, ул. Попова, 30

Смагина Наталья Викторовна, младший научный сотрудник, отдел физико-химических методов исследований, ФБУН ЕМНЦПОЗРПП Роспотребнадзора, 620014, г Екатеринбург, ул. Попова 30

Слышкина Татьяна Вадимовна, к. т. н., заведующая отделом физико-химических методов исследований, ФБУН ЕМНЦПОЗРПП Роспотребнадзора, 620014, г. Екатеринбург, ул. Попова, 30

Печерских Елена Глебовна, к. х. н., доцент, ФГАОУ ВПО УРФУ им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира 19; e-mail: u721@ya.ru

Водное хозяйство России № 4, 2013

Водное хозяйство России