Ćwiczenie 3 Oznaczanie węglowodorów BTEX w glebie techniką

Pracownia dyplomowa
III rok Ochrona Środowiska Licencjat (OŚI)
Ćwiczenie 3
Oznaczanie węglowodorów BTEX w glebie techniką ekstrakcji do fazy
gazowej połączonej z analizą za pomocą chromatografii gazowej (HS/GC)
1.
Wstęp
Szybki rozwój cywilizacji, jaki nastąpił zwłaszcza w XX wieku, spowodował wiele
problemów, do których należą m.in. nadmierna eksploatacja surowców kopalnych, niedobór
czystej wody, globalna zmiana klimatu ziemskiego, niszczenie ozonu w stratosferze,
zanieczyszczenie i dewastacja biosfery, konieczność zapewnienia energii i żywności znacznie
większej populacji ludności. Troska o stan środowiska stała się coraz powszechniejsza,
dlatego też chemicy-analitycy dążą do coraz dokładniejszego jego opisu, biorąc pod uwagę
znacznie szerszą gamę analitów. Nastąpiły także zmiany w podejściu do działalności typowo
chemicznej. Obecnie dąży się aby była ona prowadzona w sposób przyjazny dla środowiska,
zgodnie z zasadami „zielonej chemii”.
Termin „zielona chemia” został wprowadzony przez po raz pierwszy przez P.T.
Anastasa w 1991 roku. Kierował się on zasadą Hipokratesa: primum non nocere (łac. po
pierwsze nie szkodzić), odniesioną zarówno do człowieka jak i jego środowiska
przyrodniczego. Drogowskazem dla osób uczestniczących w opracowywaniu nowych
procesów i produktów chemicznych stało się 12 ZASAD ZIELONEJ CHEMII
sformułowanych przez P.T. Anastas i J.C. Warnera w 1998 roku:
1. Zapobieganie (Prewencja). Lepiej zapobiegać wytwarzaniu odpadów niż prowadzić
utylizację po ich wytworzeniu.
2. Oszczędzanie surowców Metody syntezy powinny być tak zaprojektowane, aby
możliwe było maksymalne wykorzystanie i włączenie do produktu finalnego
wszystkich materiałów używanych w procesie.
3. Ograniczenie zużycia niebezpiecznych związków chemicznych. Używane w procesie
substraty lub wytwarzane produkty powinny być nietoksyczne bądź tylko
1
w niewielkim stopniu mogą niekorzystnie oddziaływać na środowisko i organizmy
żywe.
4. “Projektowanie” bezpiecznych produktów chemicznych. Uwzględnienie każdego
niekorzystnego wpływu produktu na środowisko.
5. Używanie bezpiecznych rozpuszczalników i odczynników. Eliminowanie użycia
rozpuszczalników i odczynników chemicznych tam gdzie to jest możliwe lub
zapewnienie by nie stanowiły zagrożenia podczas ich stosowania.
6.
Efektywne wykorzystanie energii. Zapotrzebowanie na energie powinno być
prowadzone przy uwzględnieniu aspektów środowiskowych i ekonomicznych i o ile to
możliwe reakcje powinny być prowadzone w warunkach otoczenia.
7.
Wykorzystanie surowców ze źródeł odnawialnych. Substraty używane w procesie
wytwarzania chemikaliów powinny pochodzić ze źródeł odnawialnych wszędzie tam,
gdzie jest to możliwe pod względem technologicznym i ekonomicznym.
8.
Organiczenie procesów derywatyzacji. Należy unikać lub ograniczać procesy
derywatyzacji, gdyż stanowią dodatkowe źródło odpadów.
9. Wykorzystanie katalizatorów w procesach i reakcjach chemicznych. Stosować
katalizatory, które zwiększają wydajność reakcji i pozwalają prowadzić proces
w łagodniejszych warunkach.
10. Poszukiwanie
możliwości
degradacji.
Produkty
chemiczne
winny
być
zaprojektowane w ten sposób by po okresie ich użytkowania nie stanowiły trwałych
zanieczyszczeń środowiska i możliwa była ich bezpieczna degradacja.
11. Wprowadzenie analityki procesowej w czasie rzeczywistym. Konieczny jest rozwój
procedur analitycznych, które będą umożliwiały kontrolę procesu w czasie
rzeczywistym, ze względu na możliwość tworzenia się niebezpiecznych substancji
w trakcie procesu niekontrolowanego
12. Zapewnienie właściwego poziomu bezpieczeństwa chemicznego. Substancje i forma
fizyczna substancji używanych w procesach chemicznych powinny być dobrane tak,
aby zapewnić bezpieczeństwo.
Termin „Zielona Chemia” obejmuje także pojęcie „Zielonej Chemii Analitycznej”. Reguły
determinujące „zielony” charakter chemii analitycznej są następujące:
•
eliminacja, lub przynajmniej znaczące ograniczenie, ilości zużywanych odczynników, w
szczególności rozpuszczalników organicznych;
•
redukcja emisji oparów i gazów, wytwarzania ciekłych i stałych odpadów w
2
laboratorium analitycznym;
•
eliminacja z procedur analitycznych odczynników wykazujących wysoką toksyczność
i/lub ekotoksyczność;
•
redukcja zużycia pracy i energii w procedurach analitycznych (w przeliczeniu na
pojedynczy analit).
W ostatnich latach obserwuje się znaczący rozwój technik bezrozpuszczalnikowego
przygotowania próbek do analizy, które spełniają w pełni zasady „zielonej” chemii.
Klasyfikacja
tych
technik
przedstawiona
jest
na
Rys.
1.
Zgodnie
z
nią
do
bezrozpuszczalnikowych technik ekstrakcji należy technika analizy fazy nadpowierzchniowej
(headspace –HS).
W technice statycznej ekstrakcji do fazy nadpowierzchniowej (HS) naczynko
wypełnione częściowo próbką ciekłą lub próbkę stałą zamyka się, a następnie ogrzewa do
stałej temperatury. Ponieważ stężenia składników w fazie gazowej są związane z ciśnieniem
cząstkowym, następuje wzbogacenie fazy gazowej w składniki bardziej lotne w porównaniu z
komponentami mniej lotnymi. Odpowiednia porcja fazy gazowej jest następnie pobierana i
pośrednio lub bezpośrednio wprowadzana do kolumny chromatograficznej. O składzie próbki
pierwotnej wnioskujemy zatem na podstawie wyników analizy fazy gazowej pozostającej z
nią w równowadze. Należy zaznaczyć, iż w metodzie tej eliminowane są problemy związane
z kondensacją rozpuszczalnika i osadzaniem się wielkocząsteczkowych składników w
układzie chromatograficznym.
Technika HS jest często łączona z chromatografią gazową (HS-GC). Ogólny schemat
postępowania przy analizie HS-GC jest przedstawiony na Rys. 2. Po napełnieniu naczynka
HS próbką należy je zamknąć szczelnie za pomocą uszczelki i kapsla używając kapslownicy.
Zamknięte naczynko wstawia się do termostatu, gdzie w czasie t i temperaturze T ustala się
stan
równowagi.
Optymalny
czas
i
temperaturę
termostatowania
należy
ustalić
eksperymentalnie dla każdego analitu. Po ustaleniu się stanu równowagi ekstrakt gazowy
pobiera się gazoszczelną strzykawką, która była termostatowana w tej samej temperaturze, co
próbka. Ogrzanie strzykawki do tej samej temperatury, co próbka zapobiega wykraplaniu się
analitów podczas pobierania ekstraktu gazowego oraz oczyszcza ją przez odparowanie
ewentualnych pozostałości po poprzednim użyciu.
3
Rys. 1. Klasyfikacja bezrozpuszczalnikowych metod przygotowania próbek do analizy (J. Namieśnik, W.Chrzanowski, P. Szpinek Nowe horyzonty i wyzwania w analityce i
monitoringu środowiskowym Centrum Doskonałości Analityki i Monitoringu Środowiskowego (CEERM), Gdańsk, 2003).
4
Rys. 2. Schemat postępowania w statycznej ekstrakcji do gazowej fazy nadpowierzchniowej (P. Stepnowski, E.
Synak, B. Szafranek, Z. Kaczyński. Techniki separacyjne.)
1.2. Analiza ilościowa
Analiza ilościowa w technice HS może być realizowana na kilka sposobów, przy czym
często stosuje się metodę dodatku wzorca w dwóch naczyniach HS (wariant analiz
równoległych). Polega ona na przygotowaniu dwóch naczynek HS z identycznymi
objętościami obu faz, jedno - zawierające pierwotną próbkę, drugie – zawierające próbkę
pierwotną z dodatkiem wzorca. Stężenie roztworu wzorcowego należy tak dobrać, aby jego
dodatek do drugiego naczynka nie zmieniał praktycznie objętości fazy ciekłej (np. 5 µL
roztworu wzorcowego do 5 mL próbki ciekłej).
Stężenie analitu można wyliczyć na podstawie równań;
Y0 = ac
(1)
Yi = a(c+cs)
(2)
w których Y0 oznacza pole powierzchni lub wysokość sygnału chromatograficznego analitu
zmierzony dla próbki bez dodatku wzorca, Yi – pole powierzchni lub wysokość sygnału
chromatograficznego analitu zmierzony dla próbki po dodaniu wzorca, c – stężenie analitu
w próbce, cs – stężenie wzorca w próbce. Z równania (1) obliczymy a :
a = Y0 / c
(3)
Po podstawieniu do równania (2) otrzymamy :
Yi = Y0 / c · (c + cs)
(4)
Po rozwiązaniu równania (4) względem c otrzymamy:
c = Y0 ·cs / (Yi – Y0)
(5)
5
2. Część eksperymentalna
2.1. Cel
Celem ćwiczenia jest oznaczenie wybranych węglowodorów BTEX (benzen, toluen,
etylobenzen) w glebie techniką ekstrakcji do fazy gazowej połączonej z analizą metodą
chromatografii gazowej (HS/GC).
2.2. Wykonanie
2.2.1. Warunki analizy chromatograficznej
Chromatograf GC z detektorem FID; Kolumna chromatograficzna RTX-5, długość 30 m; 0,25
mm średnica wewnętrzna; 0,25 µm grubość fazy stacjonarnej;
Analiza w warunkach izotermicznych (30°C) w ciągu 10 min a następnie w programowanej
temperaturze: 30-100°C, narost 6°C/min; temperatura dozownika: 200°C; temperatura
detektora: 220°C; gaz nośny: argon, stały przepływ 1 mL/min; dzielnik przepływu: 1:10;
powietrze: 350 kPa; wodór: 35 kPa.
2.2.2. Wyznaczenie suchej masy gleby
Naważyć około 5g próbki gleby do naczynka wagowego z dokładnością do 0,0001g
(zanotować tarę naczynka) i wysuszyć próbkę w suszarce w 105°C (4h). Analizę wykonać w
co najmniej dwóch powtórzeniach dla próbki. Po wystygnięciu naczynka w eksykatorze
ponownie je zważyć i wyznaczyć wilgotność wagową gleby określoną jako stosunek masy
wody zawartej w glebie Mw do suchej masy gleby Ms (%). Obliczyć zawartość suchej masy
gleby w próbce pobranej do analizy HS/GC w punkcie 2.2.4.
2.2.3. Analiza chromatograficzna wzorców
W celu identyfikacji sygnałów odpowiadających poszczególnym związkom wykonać analizę
chromatograficzną roztworów wzorcowych benzenu, toluenu i etylobenzenu. Wyznaczyć
czasy retencji substancji wzorcowych.
2.2.4. Ekstrakcja i analiza węglowodorów BTEX z próbki gleby
Do dwóch identycznych naczynek odważyć po 3g (z dokładnością 0,01g) próbki
badanej gleby. Naczynka natychmiast zamknąć za pomocą kapslownicy. Do jednego
naczynka dodać 5 µL dokładnością do 0,1 µL roztworu wzorcowego BTEX (benzen, toluen,
etylobenzen).
6
Naczynko z próbką gleby umieścić w termostacie na 1 godzinę w temperaturze 50 °C.
W termostacie umieścić również strzykawkę gazową. Po godzinie pobrać 500 µL fazy
nadpowierzchniowej i przeprowadzić analizę GC. Identycznie postąpić z drugą próbką z
dodatkiem wzorców. Uwaga: strzykawki gazowej nie wolno myć rozpuszczalnikiem.
Odczynniki i sprzęt laboratoryjny
• naczynka z kapslem 2 szt.,
• kapslownica 1 szt,
• strzykawka gazowa 500 µL - 1 szt,
• strzykawka do GC 10 µL - 1 szt,
• rozpuszczalnik do mycia strzykawki,
• waga analityczna 1 szt.,
• łopatka dentystyczna szt.,
• roztwór wzorcowy BTEX (benzen, toluen, etylobenzen) w metanolu,
• roztwory wzorcowe: benzenu (c=0,2 mg/mL), toluenu (c=0,2 mg/mL) oraz etylobenzenu (c=0,2 mg/mL),
• termostat
• naczynko wagowe – 2 szt
• suszarka
• eksykator zawierający CaCl2
• szczypce metalowe
Opracowanie wyników
W celu zidentyfikowania substancji obecnych w próbce badanej należy odczytać czasy retencji substancji
wzorcowych i porównać je z czasami retencji odczytanymi z chromatogramów uzyskanych dla próbki badanej.
Stężenia wymienionych związków w analizowanej glebie należy obliczyć na podstawie odczytanych pól
powierzchni sygnałów BTEX na chromatogramie uzyskanym dla próbki bez wzorca i kolejnym – otrzymanym
w wyniku analizy chromatograficznej próbki po dodaniu wzorców. W sprawozdaniu należy dokładnie opisać
część doświadczalną, zamieścić wszystkie wykonane obliczenia i podać wyniki analizy [mg/kg suchej masy
gleby].
Literatura
1. J. Namieśnik. Zielona chemia analityczna – Nowe podejście do analizy. Chem. Inż. Ekol., 4, 327-333, (2001).
2. J. Namieśnik, Z. Jamrógiewicz. Fizykochemiczne metody kontroli zanieczyszczeń środowiska. WNT,
Warszawa, 1998.
3. J. Namieśnik, W. Chrzanowski, P. Szpinek. Nowe horyzonty i wyzwania w analityce i monitoringu
środowiskowym. CEERM, Gdańsk, 2003.
4. P. Stepnowski, E. Synak, B. Szafranek, Z. Kaczyński. Techniki separacyjne. Wydawnictwo Uniwersytetu
Gdańskiego, Gdańsk 2010.
7