Ртуть

Склонность ртути переходить из одной формы в другую и способность к кумулятивному накоплению имеет особенно важное значение в её техногенезе. Кроме того, ртуть вездесуща, сульфофильна, гидрофильна, многолика и присутствует во всех средах и типах окружающей среды, имеет много форм нахождения, что существенно затрудняет ее изучение. Она супертоксична и суперпатологична даже в очень низких концентрациях. Ртуть находится в литосфере и биосфере в виде твердых соединений, различных газообразных фазах и в растворенной форме, каждая из которых преобладает при конкретных физико-химических условиях, но легко переходят друг в друга. В техногенезе ртуть накапливается в отходах многих производств, обладая высокими показателями и деструктивной биологической активностью, способна давать скрытые антропогенные скопления, но человечество не может существовать без этого удивительного металла. Как осуществляется мониторинг и контроль ртути, какие методы и приборы её контроля существуют — предлагаю познакомиться под катом.

Из чего производят ртуть?

Взгляните на этот удивительно красивый минерал, который издревле интересовал людей. До сих пор он является популярным не только для главного его предназначения (получения ртути), но я для ювелиров.


Это киноварь — сульфид ртути (II). Минерал для производства ртути. Содержит порядка 85 процентов ртути, хрупкий материал с характерно красной окраской. Киноварь с древности применялась в качестве красной краски, как источник для получения ртути и как единственное существовавшее до изобретения антибиотиков надёжное (хотя и небезопасное) средство лечения инфекционных заболеваний. Как незаменимый ярко-алый минеральный пигмент киноварь применяли уже в Древнем Египте и в ранней Византии. Повсеместно с тех пор, как и в наши дни, натуральная киноварь широко используется в канонической иконописи. Но, конечно, самое главное применение этого минерала — промышленное получение ртути.

Ртуть, безусловно, удивительный материал. Это единственный металл, способный существовать в жидком виде при нормальных условиях. Это металл, поэтому электропроводен. Но если ртуть охладить до минус 39 гр.С — она становиться твердой и ничем уже особо не отличается от других металлов. Её можно даже ковать и точить. В сети есть интересное видео с рассказом об этом замечательном веществе. Ртуть применяется в самых разных технологических процессах, а также в производстве газоразрядных ламп, в микроэлектронике и приборостроении. Ртуть чрезвычайно технологически востребованное вещество и если бы ртуть не была бы так токсична — сферы её использования были бы даже шире. Надо сказать, что сама по себе ртуть не очень опасна — куда опасней её соединения и пары. Вот они и являются источниками основной опасности.

Ртуть под контролем

Ртуть способна накапливаться в почве, воде, пищевых продуктах, в организме человека и животных. Ртуть в виде паров всегда присутствует в окружающем воздухе, но её «фоновые» концентрации не велики. Кстати, какие? Достаточно жесткие российские стандарты для этого случая регламентируют концентрацию ртути в воздухе не более 0,0003 мг/м³. Конечно, регистрировать и контролировать такие концентрации не простая задача и для этого существуют более 25 методов регистрации.


К примеру, хроматография. В этом методе осуществляется процесс разделения, в котором исследуемое соединение распределяется между подвижной фазой (жидкой или газовой) и неподвижной (твердой или жидкой). Этот метод обеспечивает получение особо ценной информации о качественном и количественном содержании неорганических и органических форм ртути. При анализе ртути в природных объектах возможно определение галогенидов метил-, этил- и фенилртути, а также фенилртути, диметил- и диэтилртути, а также некоторых других менее распространенных органических форм ртути. Минусом данного метода анализа является технически сложное лабораторное оборудование и используется метод в основном для определения содержания ртути в промышленных и природных объектах с высоким содержанием ртути, а также в почве.


Существует ряд методов, связанных с применением радиоизотопов. Не смотря на грозное название, такие методы вполне безопасны, так как используются радиоизотопы в ничтожных концентрациях. Для проведения анализа к исследуемой пробе добавляется точно известное количество определяемого компонента, меченное радиоактивным изотопом с известной радиоактивностью. После гомогенизации пробы и прохождения изотопного обмена производится выделение ртути из среды (как правило химическим способом) и определяется её радиоактивность, по которой затем рассчитывается первоначальное количество ртути в исследуемой среде.

Данный метод обладает достаточно высокой чувствительностью, не требует дорогостоящей аппаратуры и позволяет работать с низкими концентрациями ртути.

Радиоиндикаторные методы анализа позволяют решать такие задачи, как определение следовых количеств ртути в веществах, мониторинг загрязнений окружающей среды при анализе состава атмосферных аэрозолей, выпадений природных и сточных вод, производить анализ почв, а также растительных и животных объектов. Радиационные методы надежно гарантируют идентификацию ртути, обладают достаточно высокой чувствительностью и позволяют повысить правильность и воспроизводилось результатов анализа. Кроме того, такие методы не требуют дорогостоящей аппаратуры, позволяют работать с низким уровнем радиоактивности, что делает их незаменимыми для использования в малых лабораториях, на научно-исследовательских судах, в условиях высокогорных станций, в экспедиционных и полевых условиях. Предел обнаружения методов — до 10^-6 – 10^-8 %

Если для определения ртути в жидких и твердых средах накоплен хороший арсенал методов контроля, то для анализа концентрации паров ртути в воздухе всё значительно сложнее. В первую очередь из-за малых концентраций паров в воздухе и из-за отсутствия достаточно простых методов регистрации. Наиболее перспективным является метод регистрации, основанный на Зеемановском методе. Рассмотрим его подробнее.

Ртуть в воздухе

Эффект Зеемана — расщепление линий атомных спектров в сильном магнитном поле. Так как любому веществу соответствует свой спектр, то если использовать спектр специальной ртутной лампы, но в присутствие сильного магнитного поля такой спектр исказится. В спектре появятся дополнительные компоненты, которые будут зеркально отстоять от основного спектра. Выглядит это примерно так


Изначальный спектр (черная кривая) при включении магнитного поля искажается на три. Центральный спектр (синий цвет) и два симметричных боковых спектра (показано красным цветом). Индукция магнитного поля в данном случае составляет 1,56 Тл. Этот эффект принципиально позволяет реализовать удобный метод регистрации ртути. Для этого необходимо проанализировать изменение амплитуд разделенных и основной компоненты, при этом чем больше концентрации ртути в исследуемом воздухе — тем выше будет одна из компонент расщепленного спектра и, одновременно — меньше другая. Конечно, воздух также имеет свой спектр поглощения на длине волны 254 нм (именно на этой длине волны светится ртутная лампа). Этот (в данном случае «паразитный») спектр необходимо убрать. Для этого используется «опорный» канал и специальные фильтры.



Опорный канал либо вовсе не содержит ртути, т.е. демеркуризирован, либо там находится точно известное значение концентрация ртути в виде эталонной. Излучение ртутной лампы с расщепленным спектром проходит через опорную и измерительную кювету, попадает на фильтр, который фильтрует паразитные спектры других молекул воздуха на длине волны 254 нм и поступает на спектрометр. После спектрометра опорный и исследуемые спектры поступают на матрицу, которая часто подвергается охлаждению с целью увеличения чувствительности и для температурной стабилизации. Результирующие спектры анализируются и окончательно определяется концентрация ртути в исследуемом воздухе.

Конечно, это самое общее представление схемы подобного прибора, на самом деле из-за крайне низкой концентрации ртути в образце, необходимо, чтобы оптическое излучение прошло по протяженному пути в измерительной кювете, для чего используются различные оптические схемы многократного прохождения оптического излучения. Это делается для того, чтобы с сохранением относительно небольших размеров прибора добиться значительного увеличения чувствительности за счет многократного прохождения светового луча. Это, в свою очередь, значительно усложняет и удорожает конструкцию из-за необходимость «тонкой» настройки прибора. Использование многопроходных кювет ужесточает требования по вибрации, также имеются уже значительные влияния температурные перепады. Однако, эти недостатки компенсируются значительным увеличением чувствительности, ведь луч в многопроходной кювете может «набежать» значительный путь. Иногда в десятки метров. В большинстве современных приборов используются именно многопроходные кюветы.

Конвенция по ртути

Не смотря на безусловную востребованность ртути для современных технологий, рассматриваются вопросы резкого сокращения её использования в ближайшем будущем. В 2013 году в ООН была принята достаточно жесткая и очень спорная Минаматская конвенция по ртути, которую поддержали многие страны. Согласно конвенции должно регулироваться использование ртути, сокращаться производство некоторых ртуть-содержащих приборов (медицинских, люминесцентных ламп). Также ограничивается ряд промышленных процессов и отраслей, в том числе горнодобывающая (особенно добыча золота) и производство цемента.


С 2020 года конвенция запрещает производство, экспорт и импорт нескольких различных видов ртутьсодержащих продукции, в том числе электрических батарей, электрических выключателей и реле, некоторых видов компактных люминесцентных ламп, люминесцентных ламп с холодным катодом или с внешним электродом, ртутных термометров и приборов измерения давления.

Инициаторы конвенции объясняют намеренье серьезно ограничить использование ртути с целью активизировать развитие современных технологий в условиях, когда использовать ртуть будет уже невозможно и тем самым значительно улучшить экологическую обстановку. Однако, некоторые критики конвенции высказывают мнение, что это лишь повод пересмотреть глобальные рынки производителей ртути и вытеснить с этого рынка многих игроков. Ведь при вступлении конвенции в силу в 2020 году цена на этот металл может неожиданно значительно вырасти, ведь от полного использования ртути человечество пока отказаться не может.