Inovace tohoto předmětu je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky VZORKOVÁNÍ SEDIMENTŮ Roman Prokeš Úvod • heterogenní polyfázový systém • bahno, písek, štěrk • sekundární zdroj znečištění • potencionální odpad • volba vhodného postupu a techniky – hodnocení toxicity sedimentu • správné vzorkování – reprezentativní vzorek • nesprávné vzorkování – zkreslení až úplné znehodnocení konečného výsledku analýzy • vyhláška č. 257/2009 Sb., o používání sedimentů na zemědělské půdě • ČSN ISO 5667-12, 5667-13, 5667-15 • metodika US EPA Výběr vzorkovacích zařízení • účel vzorkování (čerstvý sediment, svrchní vrstva dnového sedimentu, horizontální profil, vertikální profil – historie kontaminace) • typ analýzy • fyzikálně-chemické parametry a heterogenita (zrnitost, stratifikace, pH, redoxní potenciály, kohezivita) • dostupnost odběrových míst (hloubka, šířka toku, rychlost proudění) • množství odebraného vzorku Postup odběru vzorků Volba místa odběru:  volba místa odběru – lokalizace vzorkovacího profilu  přesné určení bodu na místě odběru volba závisí na: • dosažitelnosti lokality při opakovaných odběrech (vliv přílivu a odlivu) • sezónní dostupnosti (bezpečnost v rámci záplav) • vliv námořní dopravy Volba bodu odběru:  účel průzkumu (geofyzikální mapování, chemické složení)  fyzikální zábrany (velikost člunu, hloubka vody)  ostatní faktory: vegetace, blízkost vyústění řeky, vliv mísení Postup odběru vzorků Volba způsobu odběrů - požadavek: • odběr neporušeného vzorku • přijatelnost porušeného vzorku odebraného blíže povrchu  použitelnost daného vzorkovače na daný druh sedimentu Četnost a doba odběrů: • časová změna složení sedimentů mnohem delší než je změna složení vody (netýká se estuária) • systematický odběr nesmí splývat s jevy přírodního cyklu – zvýšení četnosti odběrů • četnost – výpočet pomocí statistiky viz ČSN ISO 5667-1 Postup odběru vzorků Postup odběru vzorků Podmínky v místě odběru: • klimatologické • hydrografické • geologické • dopravně plavební Postup odběru vzorků Klimatologické podmínky: • teplota • směr a síla větru • vlnobití • ledový pokryv • bouře Hydrografické podmínky: • příliv/odliv – změna hloubky vody, odběr při odlivu podobně jako odběr vzorků půdy • řeky – odběry při nízkém průtoku, ovlivňuje provoz zdymadel • stojaté vody – zanedbatelné proudění=minimální vliv hydrografických podmínek Postup odběru vzorků Plavební podmínky: • nelze odebrat vzorky ze zakotvené lodi v ústí přístavů nebo frekventovaných plavebních drahách • požadavek na rychlý odběr • dodržení platných předpisů Geologické podmínky – stav sedimentu: • charakter vrstvy sediment – volba přístroje • využití geologický map • vizuální posouzení – potápěč, sonar, podvodní kamera Vodní flora: • možnost vyčištění vlečným lanem – potenciální zkreslení údajů Směsné vzorky • dva a více prostých nebo dílčích vzorků • sediment musí být geologicky slučitelný, ze dna stejného charakteru, ekvivalentní hloubky • při odběru trubicí musí být stejná délka – odběr podle nejkratšího vzorku • odběr drapákem se nehodí – různá hloubka průniku • vhodné podmínky ke smísení  jednotlivé prosté vzorky se zhomogenizují  od každého vzorku se odeberou stejné objemy, spojí se a zhomogenizují Materiály a druhy vzorkovnic vzorkovnice: • skleněné (borosilikátové, sodné) – výhodnější sledování vnitřního povrchu, možnost sterilizace pro účely mikrobiologických rozborů, organická analýza • polyethylenové – analýza prvků, jež jsou součástí skla Na, K, B, Si ...) nebo stanovení Hg, možnost zmrazení • polykarbonátové  vychází z požadavků laboratoře v souladu s normami  čištění vzorkovnic  kapacita 500 – 1000 g Materiály a druhy vzorkovnic Příprava vzorkovnic: • omytí roztokem detergentu bez obsahu fosforečnanů, opláchnutí horkou vodou a vodou neobsahující analyty, poté propanol • víčko je nasazen již během oplachování • těkavé org.l. – detergent, vodovodní voda, 2x oplach vodou bez analytů a vysušení při teplotě 105°C a více, oplach MeOH • kovy – detergent, máčení v 10% HNO3 nebo 25% HCl po min. 24 hod, oplach vodou bez kovů • mikrobiologie – detergent, deionizovaná voda a sterilizace v autoklávu nejméně 15 min. (121 ± 3°C) • biologické vzorky – detergent, 3x oplach horkou vodou a 4%HCl příp. vzorkovnice na jedno použití Kritéria pro volbu vzorkovací techniky Druh zkoumání: • chemický rozbor – kvalita a kvantita látek vázaných na sediment • fyzikální rozbor – struktura, textura a utváření vrstev dna • biologický rozbor – klasifikace druhů, zjišťování početnosti flory a fauny obávající povrch a horní vrstvu sedimentu (max. do 50 cm) bez drapáku lze rozlišit: • uchování sedimentu bez změny stratifikace • volba sedimentární vrstvy • odběr v požadované hloubce Hloubka vody v místě odběru: • do 4 m – ruční ovládané vzorkovače • nad 4 m – vzorkovače ovládané spouštěcími nebo vodícími mechanizmy Druhy vzorkovací techniky - DRAPÁKY • systém: jedna nebo více zavěšených čelistí • uzavření vytahováním vzorkovače – sediment zachycen v čelistech • odběr porušeného vzorku • záběr drapáku 5 - 50 cm – dle velikosti zařízení a struktury sedimentu • možná ztráta části jemnějšího podílu nebo i celé vrchní vrstvy (vymývání) • nelze určit hloubku průniku čelistí • vhodný pro odběr vzorků bahnitého, písčitého nebo štěrkopískového sedimentu • nevhodný pro odběr rašeliny, jílů, štěrkového dna v peřejnatých oblastech • použití: mělké i hluboké vody s pomalým i rychlým prouděním - velikost a konstrukce drapáku Druhy vzorkovací techniky - DRAPÁKY Nůžkový čelisťový drapák – van Veenhapper • dvě oboustranně zavěšené čelisti, spouštění v otevřené poloze, po dosažení dna uvolnění západky – vzorek odebrán • kapacita 0,5 – 25 l, váha 1 – 100 kg • ovládání ručně nebo jeřáb (naviják) • materiál pozinkovaná nebo korozivzdorná ocel • modifikace: drapák s těsnícími stěnami po stranách – zábrana úniku sedimentu Druhy vzorkovací techniky - DRAPÁKY Drapák Ponar • modifikace van Veen drapáku • k odběrům z oceánského dna (písek, štěrk, jíl) • vyrobený z nerezové oceli • dvě velikosti 2,4 l (14 kg) a 8,2 l (34 kg) • vzorkovač je spuštěn otevřený, nárazem do dna dojde k uvolnění závlačky a čelisti se uzavřou • v horní části vyměnitelné přepážky – voda může jimi volně proudit Druhy vzorkovací techniky - DRAPÁKY Drapák Petersen • odběry makroskopické fauny z písečného, štěrkového nebo jílovitého udusaného dna • vhodný pro více jak 7 m lodě s jeřábem • průduchy umožňují volné proudění vody – odolává lépe vlnám • ovládání pomocí bajonetové zarážky • pro použití ve slaných vodách opatřen nátěrem • váhá 30 kg, objem 9,89 l Druhy vzorkovací techniky - DRAPÁKY Drapák Ekman-Birge • odběr kalů z různých výšek • krabice z mosazného nebo ocelového plechu, spodní otvor uzavírán lopatkovými čelistmi taženými ocelovými péry • horní část – dva pohyblivé poklopy umožňující odtok vody, zvíření a odplavení svrchní vrstvy • čelisti se otvírají tahem za lanko • uzavření pomocí spuštěného závaží po mosazném lanku Druhy vzorkovací techniky - DRAPÁKY Lelákova modifikace zonačního Lenzova drapáku • stejný princip jako Ekman • uzavírací mechanizmus je zesílen druhým pásem pružin – dokonalé sevření i velmi hutného materiálu • drapák upevněn a ovládán pomocí tyče s bajonetovým uzávěrem • pootočením tyče dojde k uvolnění uzávěru a zavření čelistí Druhy vzorkovací techniky - DRAPÁKY Macanův drapák • vhodný pro odběr vzorků v nižších vrstvách (kalová pole) • plechová krabice opatřená dole čelistmi, uzavření pomocí dlouhých rukojetí • víko plechové nebo sítko propouštějící pouze vodu, nikoliv kaly • drapák se posadí na dno a zavře tahem rukojetí Druhy vzorkovací techniky - DRAPÁKY Friedingerův drapák • odběr kalů ve velkých hloubkách • dvě válcové výseče na společné ose, spouští se otevřený na závěsu 4 lanek • při dopadu na dno – samočinné sklopení závěru • při tahu za nosné lano přitáhnutí čelistí a odebrání vzorku kalu Druhy vzorkovací techniky – JÁDROVÉ VZORKOVAČE • zavedení duté trubice do dna – sediment je vtlačen dovnitř • po vytažení trubice se získá vzorek • vzorkování – ruční, vlivem vlastní hmotnosti nebo vibračním mechanizmem • odběr neporušeného vzorku – přesný popis vrstev • vhodný pro odběr vzorků z písčitého dna, jílovité nebo rašelinovité hmoty, zpevněného bahna • ruční vzorkovače nepoužitelné při rychlém proudu a silném větru, nehodí se pro štěrky • stěsnávání = deformace vrstev stlačením uprostřed jádra a ztrátou pohybu na jeho obvodu tzn. průnik trubice je větší než je hloubka stlačených vrstev vzorku v trubici, vydutý vzhled směr od dna vzorku výše • odběr ze člunu – stabilizace člunu na stejném místě, nesmí dojít k odsouvání stranou během zarážení Druhy vzorkovací techniky – JÁDROVÉ VZORKOVAČE Zarážecí vzorkovač s pístem • korozivzdorná ocelová nebo plastová trubice s pístem – zaražení do dna • během zarážení se píst vytahuje – usnadnění vstupu sedimentu snížením tlaku a omezení stěsnávání • píst se při vytahování drží ve stejné poloze • píst lze též využít k vytlačení sedimentu po odběru – odběr dílčích vzorků • odběr vzorků do hloubky max. 3 m, využití prodlužovací tyče Druhy vzorkovací techniky – JÁDROVÉ VZORKOVAČE Jádrový vzorkovač obsluhovaný potápěčem • zkušený potápěč zarazí otáčením plastovou trubici do dna • použití čerpadla ke snížení tlaku při zarážení – menší odpor • po dosažení potřebné hloubky odběru – uzavřen ventilu čerpadla, vytažení a zazátkování trubice • čirá trubice: průměr 70 mm, délka 1 až 3 m Druhy vzorkovací techniky – JÁDROVÉ VZORKOVAČE Vzorkovač Beeker • průhledná PVC trubice doplněna nožovou hlavou • průnik do sedimentu usnadňuje píst – snížení tlaku • po dosažení požadované hloubky nafouknutí pryžové ucpávky – uzavření přístupu a vytažení vzorkovače • trubice se vyjme a uzavře • rozměry trubice: délka až 2 m, vnitřní průměr 63 mm • vhodný pro chemické, fyzikální i biologické průzkumy • použití nezpevněné i zpevněné písčité dno • vzorkovač musí setrvat v bodě odběru  vzorkovač s prodlužovacími tyčemi  vzorkovač v rámu Druhy vzorkovací techniky – JÁDROVÉ VZORKOVAČE Vzorkovač Beeker s prodlužovacími tyčemi • vzorkování ze břehu nebo člunu (ustálené poloha, bezvětří) • ideální použití do hloubky vody 3 m • před odběrem je nutné zjistit hloubku vody a připojit potřebný počet tyčí • vhodný pro měkké dnové sedimenty Druhy vzorkovací techniky – JÁDROVÉ VZORKOVAČE Vzorkovač Beeker v rámu • nutnost jeřábu o nosnosti 150 kg a dostatečného prostoru • pro odběry ve větších hloubkách • možnost připojení sonaru – řízený odběr povrchové vrstvy • spuštění rámu do hloubky, měkké usazení vzorkovače na dně, povolení závěsného lanka • zaváděcí skříňka je zatížena podle požadované hloubky Druhy vzorkovací techniky – JÁDROVÉ VZORKOVAČE Uzavřený jádrový vzorkovač • trubice z korozivzdorné oceli s vložkou z plexiskla a nožovou hlavou • nahoře i dole uzavření pomocí pryžových ucpávek • zarážení pomocí tyčí, v potřebné hloubce nafouknutí ucpávek • po odběru vytlačení sedimentu zezhora • délka 70 cm, průměr 5,8 cm, hmotnost 15 kg, průnik 60 cm Druhy vzorkovací techniky – JÁDROVÉ VZORKOVAČE Vrijwitova sonda – klínový jádrový vzorkovač • vzorkování pobřežních vod s kořeny • vzorkovač z nerezové oceli – z jedné strany otevřená trubice s posuvným jezdcem • zarážení pomocí tyčí, po dosažení potřebné hloubky se trubice pomocí jezdce uzavře • po vytažení se jezdec odsune – odkrytý vzorek k popisu nebo odběru dílčích vzorků Druhy vzorkovací techniky – JÁDROVÉ VZORKOVAČE Kontinuální vertikální sonda podle Welche • pro vzorkování kalů • silnostěnná skleněná trubice v ochranném ocelovém pouzdře, pryžové prstence na obou koncích • proniká volný spuštěním nebo pomocí závaží příp. je zatlačena nebo zavrtána • v horní části sondy je automatická záklopka, po naplnění se uzavře • nehodí se pro řídký materiál Druhy vzorkovací techniky – MECHANICKY PRACUJÍCÍ VZORKOVAČE Vzorkovač na principu „padající bomby“ • trubice z organického skla upevněná na zatíženém nosiči, po uvolnění z jeřábu padá volným pádem ke dnu • průnik vlivem vlastní hmotnosti a rychlosti • po vytažení – uzavření balónkem, podtlak udržuje vzorek v trubici • po uvolnění balónku a odsátí vody – jímání vzorku do vzorkovnice • vhodný pro směsi písku s bahnem i s podílem organické hmoty • nehodí se pro hrubé písky, štěrky nebo tvrdý materiál a nezpevněný dnový sediment Druhy vzorkovací techniky – MECHANICKY PRACUJÍCÍ VZORKOVAČE Vzorkovač Jenkins pro odběr rašeliny • uzavíratelná trubice (z obou stran) na kovovém podstavci • průnik vlastní hmotností – záklopky otevřené • po odběru se mechanickými rameny hydraulicky uzavřou pryžové záklopky Druhy vzorkovací techniky – MECHANICKY PRACUJÍCÍ VZORKOVAČE Jádrový vzorkovač Craib • plastová trubice volně se pohybující v kovovém rámu • vrchní vrstva sedimentu neporušená • nehodí se pro měkká dna a pro vratká plavidla • nejprve je nutné naplnit píst vodou v rámci zkušebního odběru • odběr po uvolnění západek po 5 cm zanoření pomocí hydraulického pístu, po odběru balónek na dně Druhy vzorkovací techniky – MECHANICKY PRACUJÍCÍ VZORKOVAČE Pístový jádrový vzorkovač • zatížená jádrová trubice (s kříidélky) s možností vložení vzorkovací trubice, nosič trubice a spouštěcí mechanizmus • po doteku protiváhy dna, uvolnění trubice z určité výšky a volným pádem dojde k odběru • délka řetízku-(délka trubice+hmotnost)=výška volného pádu • píst v trubici zabraňuje stěsnávání • nevhodný pro tvrdé písky a štěrky Druhy vzorkovací techniky – MECHANICKY PRACUJÍCÍ VZORKOVAČE Jádrový vzorkovač rašeliny (vzorkovač institutu pro rašeliny P.I.) • tvořen břitovou čelistí, jádrem a prorážecí lopatkou • vzorkovač se zavřenou nádobou se silou zarazí do sedimentu o 30 cm méně než je hloubka vzorku, v dané hloubce se otočením držadla otevře nádoba a zatlačí se hlouběji do vrstvy odběru, otočením se nádoba uzavře • odběr rašeliny z neporušené usazené vrstvy Druhy vzorkovací techniky – MECHANICKY PRACUJÍCÍ VZORKOVAČE Zmrazovací metody • zanoření přístroje do sedimentu – vymražení určité části • vyseknutí zmraženého bloku sedimentu Druhy vzorkovací techniky Odběr svrchní vrstvy sedimentu • nerezová či plastová lopatka → menší mocnost vrstvy sedimentů (malé toky) → menší hloubka → menší množství materiálu Druhy vzorkovací techniky Odběr čerstvého sedimentu • sedimentová past → vzorkování (sedimentace částic) probíhá určitou dobu – zachycený materiál reprezentuje aktuální přírůstek za danou dobu → toxikologický potenciál nasedimentovaného materiálu → náchylnost k resuspendaci a znovu znečištění toku Druhy vzorkovací techniky vzorkování plavenin • vodní sonda watertrap (měření přenosu pevných částic) • typ Delftská láhev (měření přenosu sedimentů) • Arhemský typ (měření plavenin štěrkopísků) Druhy vzorkovací techniky Coriho nasávač – odběr kapalných vzorků kalu Rawsonuv nasávač – orientační odběr vzorků kalu v povrchu Lenzova sonda – odběr v tvrdém písčitém materiálu Pravidla Zpracování vzorků a analýza: • síto 20 nebo 63 µm • zamražení suchého a zhomogenizovaného sedimentu (víko s malými dírkami) • částečné vyhnívání (teplota, tlak, HNO3) • analýza jemné frakce • organické polutanty – extrakce org. rozpouštědlem • analýza elementárního uhlíku Pravidla Nové trendy: • odběr větších celků • skladování vzorků  lepé skladovat než za dvacet let provádět analýzu profilů Pasivní vzorkování - SPME Sediment Water shaking GC and detector Pasivní vzorkování - SPE-POM Sediment Water shaking Solvent extraction Analysis Pasivní vzorkování - SR Pasivní vzorkování – lahve s SR Film ze silikonové gumy Skleněná láhev naplněná sedimentem 10-25 μm (300mg) 400g sediment Skladování, doprava a stabilizace vzorků (ČSN EN ISO 5667-15) • doprava (2-8°C), uchování (1-5°C) – záznam o teplotě, max. 1 měsíc • uskladnění více jak měsíc – zamražení (pozor na ovlivnění fyzikálně chemické změn při odvodňování – koloidy) • dlouhodobé uchování v parách kapalného dusíku bez přístupu O2 ( • zajištění kontinuity anaerobních podmínek • převádění vzorků do vzorkovnic – plastové/kovové pomůcky viz analýza stopových kovů/organických polutantů • vzorkovnice – těsně uzavřené, chráněné před světlem a nadměrným ohřátím (možné změny v důsledku výměny plynů, chem.reakcí, metabolizmu organismů) • možnost vývinu tlaku plynů – periodické uvolňování během uskladnění • vzorek musí být před analýzou zcela rozmrazen – rozdíly v určitých složek v pórové vodě a vnitřní části (fosforečnany) • chemická konzervace minerální kyselinou – potlačení anaerobního rozkladu Skladování, doprava a stabilizace vzorků Skladování, doprava a stabilizace vzorků Skladování, doprava a stabilizace vzorků Skladování, doprava a stabilizace vzorků po odběru – odstranění nečistot (kameny, větve, listí)  transport vzorků– transportní lednice Identifikace vzorků a odběrový protokol štítek odolný proti zvlhnutí Bezpečnost • bezpečný přístup za každého počasí • tvrdost zamrzlého povrchu • brodění – nebezpečí: měkké bahno, pohyblivý písek, hluboké díry, prudké proudy • kontrola toku před samotným odběrem • použití tyče, pomocného lana kotveného k pevnému bodu na břehu • při nebezpečí pádu, v blízkosti hluboké vody nebo při práci na člunu – záchranná vesta • možnost chemického, mikrobiologického, virologického a zoologického ohrožení – bezpečnostní pomůcky (rukavice, holinky, respirátor, ochranný oděv apod.) Inovace tohoto předmětu je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky