Henryk Zbigniew WREMBEL EXCHANGE OF MERCURY
Transkrypt
Henryk Zbigniew WREMBEL EXCHANGE OF MERCURY
Henryk Zbigniew WREMBEL U niversity of Education in Słupsk EXCHANGE OF MERCURY BETWEEN WATER AND THE WALL OF A VESSEL AND ITS EFFECT ON THE RESULTS OF DETERMINATIONS Contents: ferences. 1. Introduction, 2. Experim ental, 3. Conclusions; 4. Streszczenie; R e 1. INTRODUCTION E xtrem ely high biological activity of m ercury necessitates the assaying of low levels of the elem ent in the n atu ral environm ent. Assaying v ery low levels of m ercury in w ater is of particu lar im portance. There are, however, various processes w hich contribute to the vitiation of th e r e sults of m ercury determ inations in aqueous solutions [2, 4, 5]. In p a rti cular. m igration of m ercury from w ater to the walls of vessels used for sam pling and storage of sam ples as w ell as the reverse process — the release of m ercury from the walls have a m arked effect on the results of m ercury determ inations in w ater [1. 6]. This paper presents th e results of investigations (in phenom enolo gical form) of the kinetics of exchange of m ercury betw een the w all of a vessel and its aqueous solution caused by th e physical sorption of m er cury on the wall, and th e kinetics of the reverse process — desorption of m ercury from the wall, for various surface densities of solution. T he se processes w ere studied by using th e previously described [7, 8] ato mic emission spectrom etry w ith a low -pressure ring discharge. 2. EXPERIMENTAL The kinetics of the sorption of m ercury from an aqueous solution on th e w all of a vessel was studied indirectly by analysing variations in th e m ercury concentration in a sam ple of w ater placed in a proper vessel. For this purpose, a m ethod described in [6] and the equipm ent reported in [7] w ere applied. Oceanologia nr 13(1980) 8 — O ceanologia The investigations w ere carried out using vessels made from various m aterials, for various surface densities, the surface_density, dp being defined by d p = Vr J P z , w here Vr is th e volum e of the aqueous solu tion of m ercury and P z is the surface area of th e vessel moistened by the solution. C urves shown in Fig. 1 illu strate th e losses of m ercury in time, from distilled w ater to which given quantities of m ercury w ere added (w ithout preservatives) due to sorption of m ercury on the w all of the Time t , hr' Upływ czasu t, godz. Fig. 1. V ariations in the m ercury level due to physical sorption in sodium glass vessels, in distilled w ater (without preservatives, at concentration C = 1 ng dm-3 at 20°) for: 1 — dp = 1.66 cm3 cm -2; 2 — dp = 0.34 cm 3cm-2; 3 — dp =* 0.12 cm 3 cm-2 Rys. 1. Zm iany zawartości rtęci spowodow ane sorpcją fizyczną, w naczyniach ze szkła sodowego, dla w ody destylow anej (bez środków stabilizujących, przy stę żeniu C = 1 ng/dm 3, itemiperaitiuira t = 20^ 0 dla: 1 — dp = 1,66 cm 3/cm 2; 2 — dp = 0,34 cm 3/am 2; 3 — dp = 0,12 em 3/cm 2 vessel. The initial concentration of m ercury, C, was 1 ng dm"3 and the experim ent was carried out at a tem p eratu re of 20°C. W ith various su r face densities, th e highest diurnal losses due to this phenom enon, re a ching 40 per cent of the initial m ercury content, occurred at d p — = 0.12 cm3 cm '2. It was found th a t w ith subm icro trace levels of m ercury in w ater a decrease in th e m ercury level by one or even two orders of m agnitu de m ay occur w ithin a relatively short period. This w as illustrated in the experim ental curves shown in Fig. 2 obtained for distilled w ater Reproducibility of signal Powtarzalność sygnału Fig. 2. S ignal for a m ercury solution in d istilled w ater (without preservatives) stored in a sodium glass vessel at C = 0.1 ng dm-3; dp = 0.34 cm3 cm-2; t — 20°C: 1 — in freshly prepared solution; 2 — after 24-hr storage; 3 — after 1-week storage. R ys 2. S ygnał otrzym any dla rozrtiworu mtęci w w odzie destylow anej (bez środ ków stabilizujących, przechow ywanej w naczyniu ze sakla sodowego, przy C = 0,1 ng/idm3, cip = 0,34 cm 3/cm 2 oraz t = 20°C: 1 — iw roztworze śiwieżyim, 2 — po dobowym przechow yw aniu, 3 — po tygodniow ym przechow ywaniu. Time, t, hr Upł y w c z a s u t , go dz . Fig. 3. Losses of m ercury due to sorption on the w alls of th e velsisels for C = 1 ng dm-3, dp = 0.34 cm 3 cm -2 and t = 20° łn: 1 — sodium g la ss vessels; 2 — polyethytlene vessels; 3 — siliconized vessels; 4‘— quartz vessels. Rys. 3 W ielkość strat rtąci spow odow anych sorpcją w ściance naczynia, dla C = 1 ng/dm s, dp — 0,34 cmVorn* oraz t = 20° pow stające w: 1 — naczyniach ze szklą sodoiwego, 2 — naczyniach polietylenow ych, 3 — naczyniach szklanych silikonow anych, 4 — naczyniach ze szkła kwarcow ego. Reproducibility of sigr.?.l P o w ta r z a ln o ś ć s y g n a łu Fig. 4. Curvies of a signal after repetition of the m easurem ents w ith sam ples of fresh ly prepared solution (1), that stored for 24 hrs. in a quartz v essel (2), in a polyethylene vessel (3), in a sodium glass vessel (4). Ryis 4. K rzyw e sygnału otrzym ane przy powtórzeniu pom iarów na próbkach sporządzonych z roztworu świeżego. (2) oraz z roztwo.ru przechow yw anego przez jedną dobę w naczyniach ze szkła kw arcow ego (2), polietylenu (3) i szkła sodowego ( 4 ). w ith an initial m ercury concentration of 0.1 ng d m '3 in freshly prepared solution, after 24 hrs and after keeping th e solution in a sodium glass vessel for one week, respectively. The signal obtained after one-v/eek storage corresponds to a decrease of its content by approxim ately two crders of m agnitude. The sorption kinetics of m ercury on th e w alls of vessels was stu died by using vessels made from sodium glass, glass siliconized with chlorosilanes, polyethylene vessels, and quartz vessels at dp = 0.34 cm3 cm-2. The highest losses of m ercury from solution, due to sorption on the walls, took place w ith sodium glass vessels and th e lowest w ith quartz vessels (Fig. 3). V ariations in m ercury concentrations in w ater due to its sorption on the walls of the vessels are p articu larly large in th e submicro trace levels (0.01— 1 ng dm-3) of m ercury. The largest variation of a signal for distilled w ater, free of preservatives, occurs w ith w ater samples Time, t, Up-V’W hr t, q c d r . Fig; 5. The effect o f the addition of 0 1 g dm*3 of stabilization of • a solution of m ercury in distilled w ater = 1 ng dm-3, t — 20°C, dp = 1.06 cim3 cm_! 1 — variations of the m ercury concentration in a solution dm3 2 — variations of the m ercury concentration in a solution KI. Rys. 5. W pływ dodatku rtęci w w odzie destylow anej dp — 1,66 cta’/cm 1; 1 — zm iany stężenia, rtęci w 2 — zm iany stężenia rtęci w potassium iodide on the in a glass vessel at C containing 0.1 g KI per w ithout the addition of 0,1 g/dm 3 jodku potasow ego na stabilizację roztworu w naczyiniu szklanym przy C = 1 n^'/drn1, t = 20°C roztw orze z dodatkiem 0,1 g / d m 3 KJ, roztw orze bez dodatku KJ. stored in sodium glass vessels. W ith the initial m ercury concentration C = 0.1 ng dm-3, at dp = 0.34 cm 3 cm '2, at 20°C, th e drop in th e m er cury concentration over 24 hrs. m ay be as high as 1—2 orders of m a‘ gnitude. These variations have been shown in th e form of analytical curves in Fig. 4, taken in a series of m easurem ents of a freshly prep a red solution of m ercury in distilled w ater w ithout preservatives, stored in vessels made from sodium glass, polyethylene and quartz glass. The efficiency of the addition of potassium iodide to aqueous solu tion of m ercury was also investigated. This salt has been known to p re vent sorption on th e wall. The addition of 0.1 g of potassium iodide to 1 dm 3 of a solution of m ercury in distilled w ater reduced m ercury losses due to sorption considerably, sim ilar to [3]. Curves shown in Fig. 5 illustrate the losses of m ercury in distilled w ater (initial m ercury con- T im e U p ły w c z a s u . „ * 3° Fig. 6. Variations of the m ercury concentration in distilled w ater (with preser vatives added, a t dp = 0.34 cm 3 cm-2, t = 20°C) caused by desorption of m ercury from the waills of a vessel p reviously contam inated w ith m ercury: 1 — in a sodium glass vessel, 2 — in a polyethylene vessel, 3 — in a quartz vessel. Rys 6. Zm iana stężenia rtęci w w odzie destylow anej (z dodatkiem substancji stabilizujących, przy dp = 0,34 cm’ /om 2, i = 20°C) w skutek uw alniania rtęci ze ścianek naczynia skażonego uprzednio rtęcią 1 — w naczyniu ze szkła sodowgeo 2 — w naczyniu polietylenow ym , 3 — w naczyniu ze szkła kwarcowego. centration C = 1 ng dm"3; d p = 1.66 cm! cm-2; t = 20°C) sabilized and not stabilized w ith potassium iodide, stored in a glass vessel. A reverse process, i.e. desorption of m ercury from the w all of the vessel and its m igration into the bulk of the solution, was also studied. By analogy to the sorption, the desorption process was studied by mo nitoring variations in the m ercury level in w ater. To contam inate the vessels w ith m ercury, th ey w ere filled w ith a solution of m ercury (C = 1 g dm '3) in distilled w ater for 24 hrs. The solution was free of preservatives. Subsequently the vessels w ere filled w ith distilled w a te r w ith the addition of concentrated nitric acid (p.a.) at a ratio of 1 : 9 and 0.1 g d m '3 of potassium iodide. In Fig. 6 th e corresponding v aria tions in m ercury concentration in w ater due to desorption have been shown. It was found th a t upon prolonged storage of w ater containing u l tram icro traces of m ercury (10— 1000 ng d m '3) a gradual decrease in m ercury concentration occurred even in the presence of preservatives. A certain anom aly was observed in polyethylene vessels. W ith m ercu- ry levels of th e order of 10 ng d m '3 in w ater stored in these ves sels, a distinct drop occurred in the m ercury level during first days followed by a gradual increase. W ith a solution of th e ini tial m ercury level of 20 ng dm '3 kept in polyethylene vessels, th e m ercury content increased tw ice w ithin tw o months, w hereas in th e glass and quartz vessels the content decreased during this period (Fig. 7). The reason for this was probably leaching by nitric acid of m ercury left after washing in deeper layers of the wall. However, th e diffusion of m ercury through th e w all from th e surrounding air can not be ruled out. Time t , risys U p ły w C2s s u t, dni Fig. 7. Variations of the m ercury concentration in aqueous solution w ith p re servatives added, at an in itial m ercury concentiraiton of C = 20 ng dm-3 -duiring prolonged storage of w ater in 1 — tpolyethylene vessels, 2 — quartz vessels, 3 — sodium glass vessels. Ry.s. 7. Zm iany stężenia rtęci w roztworze w odnym z dodatkiem środków stabilizujących, przy początkowej zaw artości rtęci C = 20 n g /d m 3 przy długotrw a łym przechow ywaniu w ody w 1 — pojem nikach polietylenow ych, 2 — naczyniu ze szkła kwarcow ego, 3 — naczyniu ze szkła sodowego 3. CONCLUSIONS The results of this study reveal the possibility of large errors of de term ination of ultram icro- and particu larly submicro trace am ounts of m ercury in w ater due to m igration of th e m etal betw een th e w all of the vessel. Of th e vessels tested, the largest errors w ere observed in the case of the polyethylene vessels. In these vessels, under favo urable conditions, the diurnal losses of m ercury may am ount to 50 per cent and even more over the range of ultram icro trace amounts. The kinetics of th e exchange of m ercury betw een the solution and the w all of the vessel depends largely on the surface density of the solu" tion and the m aterial w hich th e vessel is made. Q uartz vessels proved the most suitable for prolonged storage of w ater containing m ercury, w he reas the polyethylene vessels contributed most to errors in th e m e' asurem ents. H enryk Zbigniew WREMBEL W yższa Szkoła Pedagogiczna w Słupsku WYMIANA RTĘCI MIĘDZY WODĄ A ŚCIANKĄ NACZYNIA I JEJ WPŁYW N A WYNIKI OZNACZEŃ Streszczenie Na w yniki oznaczeń rtęci w w odzie w zakresie ultram ikrośladów poważny w pływ w yw iera sorpcja i desorpcja fizyczna rtęci w ściankach naczynia. W ykonano ba dania tego zjaw iska dla naczyń szklanych, polietylenow ych i kwarcow ych, przy różnych gęstościach powierzchniowych roztworów rtęci, w w odzie destylow anej. Przy długotrw ałym przechow ywaniu wodnego roztworu rtęci w naczyniach z od powiednich m ateriałów obserwuje się dość znaczne zm iany stężenia rtęci w roz tworze, spowodowane zarówno przez sorpcję, jak i desorpcję rtęci w ściankach naczynia. Badania świadczą o m ożliw ości pow staw ania w zakresie ultram ikrośladowych, a zwłaszcza subm ikrośladow ych stężeń rtęci w w odzie naw et bardzo dużych błędów oznaczeń, spowodow anych m igracją rtęci m iędzy roztworem, a ścianką naczynia użytego do pobierania i przechow ywania próbki. Stw ierdzo no, że najw iększe m ożliw ości pow staw ania błędów oznaczeń spowodowanych przez te zjaw iska w ystępują przy użyciu naczyń polietylenu. W naczyniach sporządzo nych z tego m ateriału, w sprzyjających warunkach dobowe zm iany zaw artości rtęci w zakresie ultram ikrośladów m ogą w ynosić 50%» i w ięcej stanu pierwotnego. K inetyka w ym iany rtęci m iędzy roztworem a ściankam i naczynia w ykazuje przy tym dużą zależność od gęstości powierzchniowej roztworu, tem peratury m ateriału z którego sporządzono naczynie itd. Spośród badanych naczyń użytych do długotrw ałego przechow ywania wody zaw ierającej rtęć najkorzystniejsze okazały się naczynia ze szkła kwarcow ego. U życie do tego celu naczyń polietylenow ych znacznie zw iększa ryzyko pow sta nia przypadkowych błędów, spowodow anych stratam i rtęci w w yniku jej m igra cji z roztworu do ścianki lub też procesu przeciwnego, m ianow icie w zrostu stę żenia rtęci w skutek procesów desorpcji rtęci ze ścianek naczynia do roztworu. REFERENCES 1. B o t h n e r M. H., M ercu ry Contamination of Sea W ater Sam ples S tored in P olyeth ylene Containers, A nalytical Chem istry, 47 (3), 1975, p. 592-5Ö5. 2. D y b c z y ń s 'k i R., T u g s a v u l A., S u s c h n y S., P roblem s of Accuracy and Precision in the D etermination of Trace Elements in W ater as Show n b y Recent International A tom ic Energy Agency Intercomparison Tests, A nalyst, 1978, 103, p. 733-741. 3. K a i s e r G. (et al.), Em issionsspektrometrische Elem entbestim m ung in Nanound Picogram-Bereich nach Verflüchtigung der Elemente in m it M ikrowellen induzierte Gasplasmen, Talanta, 1975, 22, p. 889-899. 4. M a i e n t h a 1 E. J., B e c k e r D. A., A S u r v e y of Current Literatu re on Sampling, Sam ple Handling and Long T erm Storage for Environm ental Ma terials, Natl. Bureau Stand. W ashington, Tech. N ote 926, 1976. 5. M o o d y J. R., L i n d i s t r o m R. M., Selection and Cleaning of Plastic Con tain ers for Storage of Trace Elem ent Samples, A nalytical Chem istry, 1977, 49 (14), p. 2264-2267. 6. S t o e p p l e r M., M a t t h e s W., Storage Behaviour of Inorganic Mercury and >Methylmercury Chloride in Sea Water, A nalytica Chimica Acta, 1978, 98, p. 389-392. 7. W r e m b e l H. Z., Z astosow anie em isy jn e j analizy do w y k r y w a n ia śladow ych ilości rtęci w wodzie, Studia i M ateriały Oceanologiczne, 1977, 17, p. 415-438. 8. W r e m b e l H. Z., Z astosow anie optyczn ej analizy em isy jn e j do w y k r y w a n i a śladow ych ilości rtęci w wodzie, Studia i M ateriały Oceanologiczne, 1977, 19, p. 128-135.