Применение центрифугирования для разделения взвешенных и коллоидных форм химических элементов при анализе речных вод: возможности и ограничения

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Показаны возможности использования центрифугирования при сепарации взвешенных форм от растворенных и коллоидных при химическом анализе речных вод на примере рек юга Дальнего Востока РФ. Для характеристики содержания коллоидных и взвешенных частиц в нефильтрованных водах, а также в центрифугатах и фильтратах использован метод динамического рассеяния света (ДРС). Исходя из сравнения интенсивности ДРС в центрифугатах и в фильтратах 0.45 мкм рассчитана нативная плотность пелитовых и крупно-коллоидных частиц речной взвеси, что позволило соотнести режимы центрифугирования с размером осаждающихся частиц в диапазоне от 0.45 до 3 мкм. Химический анализ супернатантов речных вод, полученных при различных режимах центрифугирования, позволил оценить распределение химических элементов между растворенными/коллоидными (< 0.45 мкм), крупно-коллоидными (0.45–1 мкм) и пелитовыми (1–3 мкм) фракциями. Обнаружена значимая линейная связь между интенсивностью ДРС и концентрацией в центрифугатах Fe, Al, Ti, Th, Sc, РЗЭ–химических элементов с высокой долей крупно-коллоидных и взвешенных форм, что подтверждает возможность оценки содержания коллоидных частиц в центрифугатах по интенсивности ДРС. Недостаток центрифугирования – сложность его использования в полевых условиях.

Full Text

Restricted Access

About the authors

В. М. Шулькин

Тихоокеанский институт географии ДВО РАН

Author for correspondence.
Email: shulkin@tigdvo.ru
Russian Federation, Владивосток

References

  1. Гордеев В.В., Лисицын А.П. Геохимическое взаимодействие пресноводной и морской гидросфер // Геология и геофизика. 2014. Т. 55. № 5–6. С. 721–744.
  2. Михайлик Т.А., Тищенко П.Я., Колтунов А.М., Тищенко П.П., Швецова М.Г. Влияние реки Раздольной на экологическое состояние вод Амурского залива (Японское море) // Вод. ресурсы. 2011. № 4. С. 474–484.
  3. РД 52.24.353-2012 Отбор проб поверхностных вод суши и очищенных сточных вод. М.: Росгидромет, ГХИ, 2012. 35 с
  4. РД 52.24.468-2019 Массовая концентрация взвешенных веществ и сухого остатка в водах. М.: Росгидромет, ГХИ, 2019. 23 с
  5. Савенко В.С. Химический состав взвешенных наносов рек мира. М.: ГЕОС, 2006. 175 с.
  6. Шулькин В.М., Богданова Н.Н., Перепелятников Л.В. Пространственно-временная изменчивость химического состава речных вод юга Дальнего Востока РФ // Вод. ресурсы. 2009. № 4. С. 1–12.
  7. Шулькин В.М., Богданова Н.Н., Еловский Е.В. Влияние кольматирования фильтров на определение концентрации истинно-растворенных и коллоидных форм миграции химических элементов в речных водах // Вод. ресурсы. 2022. Т. 49. № 1. С. 91–102. doi: 10.31857/S0321059622010163
  8. Шулькин В.М. Использование метода динамического рассеяния света для оценки эффективности разделения взвешенных и коллоидных частиц речных вод фильтрацией и центрифугированием // Изв. Томского политех. ун-та. Инжиниринг георесурсов. 2023. Т. 334. № 10. С. 88–97.
  9. Bhattacharjee S. DLS and zeta potential – What they are and what they are not // J. Controlled Release. 2016. V. 235. P. 337–351.
  10. Buffle J., Wilkinson K.J., Stoll S., Filella M., Zhang J. A generalized description of aquatic colloidal interactions: the three-colloidal component approach // Environ. Sci. Technol. 1998. 32. Р. 2887–2899.
  11. Cuss C.W., Donner M.W., Grant-Weaver I., Noernberg T., Pelletier R., Sinnatamby R.N., Shotyk W. Measuring the distribution of trace elements amongst dissolved colloidal species as a fingerprint for the contribution of tributaries to large boreal rivers // Sci. Total Environ. 2018. V. 642. P. 1242–1251.
  12. Droppo I.G., Nackaerts K., Walling D.E., Williamset N. Can flocs and water stable soil aggregates be differentiated within fluvial systems? // Catena. 2005. V. 60. P. 1–18.
  13. Drozdova O.Yu., Aleshina A.R., Tikhonov V.V., Lapitskiy S.A., Pokrovsky O.S. Coagulation of organo-mineral colloids and formation of low molecular weight organic and metal complexes in boreal humic river water under UV-irradiation // Chemosphere. 2020. 250. 126216. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2020.126216
  14. Filella M., Zhang J., Newman M.E., Buffle J. Analytical applications of photon correlation spectroscopy for size distribution measurements of natural colloidal suspensions: capabilities and limitations // Colloids Surfaces A. Physiсochem. Eng. Aspects. 1997. V. 120. P. 27–46.
  15. Gimbert L.J., Haygarth P.M., Beckett R., Worsfold P.J. Comparison of centrifugation and filtration techniques for the size fractionation of colloidal material in soil suspensions using sedimentation field-flow fractionation // Environ. Sci. Technol. 2005. V. 39. № 6. P. 1731–1735.
  16. Goldberg E. D., Baker M., Fox D. L. Microfiltration in oceanographic research // J. Mar. Res. 1952. V. 11. P. 194–203.
  17. Horowitz A.J., Lum K.R., Garbarino J.R., Hall G.E.M., Lemieux C., Demas C.R. Problems associated with using filtration to define dissolved trace element concentrations in natural water samples // Environ. Sci.Technol. 1996. V. 30. 954.
  18. Langevina D., Raspauda E., Mariota S. Towards reproducible measurement of nanoparticle size using dynamic light scattering: Important controls and considerations // NanoImpact. 2018. V. 10. P. 161–167.
  19. Morrison M., Benoit G., Filtration artifacts caused by overloading membrane filters // Environ. Sci. Technol. 2001. V. 35. P. 3774–3779.
  20. Nguen D. N., Grybos M., Rabiet M., Deluchat V. How do colloid separation and sediment storage methods affect water mobilizable colloids and phosphorus? An insight into dam reservoir sediment // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2020. V. 606. P. 125505.
  21. Pokrovsky O.S., Schott J. Iron colloids/organic matter associated transport of major and trace elements in small boreal rivers and their estuaries (NW Russia) // Chem. Geol. 2002. V. 190. P. 141–179.
  22. Schmitz K.S. An Introduction to Dynamic Light Scattering by Macromolecules. Boston: Acad. Press, 1990. 472 p.
  23. Shiller A.M. Syringe filtration methods for examining dissolved and colloidal trace element distributions in remote field locations // Environ. Sci. Technol. 2003. V. 37. P. 3953–3957.
  24. Tang Z., Wu L., Luo Y., Christie P. Size fractionation and characterization of nanocolloidal particles in soils // Environ. Geochem. Health. 2009. V. 31. P. 1–10. doi: 10.1007/s10653-008-9131-7
  25. Wilde F.D., Radtke D.B., Gibs Jacob, Iwatsubo R.T. Processing of water samples (ver. 2.2). U.S. Geological Survey Techniques of Water-Resources Investigations. 2004 with updates through 2009. Book 9. Chap. A5. April 2004. 2015. http://pubs.water.usgs.gov/twri9A5
  26. Xu. R. Light scattering: A review of particle characterization applications // Particuol. 2015. V. 18. P. 11–21.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Schematic of river water sampling points, R 223-226 - sampling location for centrifugation under different modes (a); schematic of river water sample processing (b)

Download (203KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. DRS intensity (I, cps, counting per sec, imp/s) of initial river water samples with different suspended sediment content (SS, mg/l), rhombuses indicate samples used for centrifugation

Download (58KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. DRS intensity (I, cps) in initial water samples of the Razdolnaya River (susp) and at different regimes of centrifugation and filtration through a capsule filter (0. 45_GWV), vertical lines - standard deviation of parallels and repetitions (a); Comparison of DRS intensity (I, cps) in supernatants obtained by 30′ centrifugation at 4500 rpm (CF 0.45) and in filtrates through capsule filters (GWV 0.45) in all studied rivers of the southern Far East of the Russian Federation sampled from September 2022 to May 2023 (b)

Download (129KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Dynamics of DRS intensity decrease with decreasing diameter of particles remaining in the supernatant for samples of the Razdolnaya River with different suspended sediment content

Download (93KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Change of concentration (µg/l) in centrifugates with decreasing minimum size of precipitating particles (CF µm) for chemical elements (Na, Sr, ROS, Mo, Ni, As) existing in river water mainly in dissolved forms

Download (165KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Change of concentration (µg/L) in centrifugates with decreasing minimum precipitable particle size (CF µm) for chemical elements with high proportion of suspended and coarse-colloidal forms in river water (Fe, Al, Sc, Ce, Dy, Th)

Download (189KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Dependence of concentration in centrifugates on DRS intensity (I, cps/imp/s) for chemical elements (µg/L) with high proportion of suspended and coarse-colloidal forms (Fe, Al, Sc, Ce, Dy, Th)

Download (197KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Change in concentration (µg/l) of dissolved/colloidal (0.45 µm), coarse-colloidal (0.45-1 µm), fine-pelitic (1-3 µm) forms of some chemical elements in the waters of the Razdolnaya River from autumn flood (R223) to pre-winter low water (R226) against the background of sediment content (SS) decrease from 126 to 14 mg/l (a)

Download (309KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».