Wpływ metodyki przygotowania próbek na oznaczanie - Eko-DOk

Wpływ metodyki przygotowania próbek na oznaczanie - Eko-DOk

norma PN-EN ISO 9377-2
indeks oleju mineralnego
węglowodory aromatyczne
Ewa BADOWSKA, Dorota GRYGLIK*
WPŁYW METODYKI PRZYGOTOWANIA PRÓBEK
NA OZNACZANIE INDEKSU OLEJU MINERALNEGO
ZGODNIE Z NORMĄ PN-EN ISO 9377-2
Przygotowanie próbek do oznaczeń zgodnie z obowiązującymi normami pozwala po otrzymaniu
wyniku odnieść się do innych dostępnych rezultatów badań. Postępowanie według określonego
schematu powinno dać określone efekty, bowiem każdy etap w danej normie ma określone zadanie.
Przygotowanie próbek zgodnie z normą PN-EN ISO 9377-2 można podzielić na kilka etapów takich,
jak: utrwalanie, ekstrakcja, oczyszczanie oraz zatężanie. Każdy etap procedury może mieć wpływ na
następny, a w konsekwencji na ostateczny wynik. W artykule zwrócono uwagę na wynikające
w czasie badań problemy związane z przygotowaniem próbek, głównie związane ze znaczną ilością
etapów procedury oraz ich wpływ na otrzymane rezultaty. W omówieniu uwzględniono rodzaj próbki
z wyróżnieniem próbek pozyskanych ze ścieków deszczowych, proces utrwalania poprzez
zakwaszanie, etap ekstrakcji, oczyszczania na Florisilu oraz odparowania. Przedstawiono
przykładowe wyniki w postaci chromatogramów, jak i również wartości w mg/l, w celu ostatecznego
odniesienia do obowiązującego rozporządzenia, mówiącego o odprowadzaniu ścieków do wód lub do
ziemi. Zwrócono ponadto uwagę na sprawdzenie odzysku w badanych próbkach, jako podstawowego
czynnika interpretującego wyniki badań. Podsumowanie stanowi spis wytycznych związanych
z dalszym postępowaniem w badanych próbkach środowiskowych.
1. WSTĘP
Substancje ropopochodne to węglowodory o różnych właściwościach fizycznych,
chemicznych i biologicznych wchodzące w skład ropy naftowej.
Związki te o znanych właściwościach kancerogennych, neurotoksycznych,
hepatotoksycznych oraz teratogennych są uwalniane do środowiska w sposób ciągły.
__________
*
Politechnika Łódzka, Wydział Budownictwa, Architektury i Inżynierii Środowiska, Instytut Inżynierii Środowiska, Al. Politechniki 6, 90-924 Łódź.
36
E. BADOWSKA, D. GRYGLIK
Pochodzą przede wszystkim z materiałów pędnych, olejów, smarów, gazów spalinowych, ale także z kolizji oraz przeładunku tych substancji podczas ich transportu.
Trafiają do środowiska wodnego i glebowego głównie poprzez spłukiwanie ich
w trakcie opadu z zanieczyszczonych powierzchni uszczelnionych.
Z uwagi na coraz większą ilość węglowodorów ropopochodnych w środowisku
przyrodniczym konieczne jest monitorowanie ich obecności w wodach, glebach
i ściekach.
Próbki środowiskowe pochodzące z obszarów będących pod działaniem
szkodliwych czynników powinny być oznaczane w ściśle określony, przyjęty sposób.
Analizy przeprowadzane obecnie w dziedzinie inżynierii środowiska są bardzo
szerokie, niekiedy o skomplikowanym przebiegu. Niewystarczające jest więc podanie
suchych wyników, niezbędne jest także udowodnienie, iż analizy zostały wykonane
za pomocą sprawdzonych metod. Metoda oznaczenia jest bardzo istotna, bowiem dzięki
powtarzalności zadanych etapów można porównywać otrzymane wyniki z danymi
dostępnymi w literaturze. Takie postępowanie umożliwia prawidłową ocenę
rzeczywistego wpływu na środowisko.
Metodą referencyjną, służącą do oznaczenia węglowodorów ropopochodnych
zgodnie z obowiązującym Rozporządzeniem Ministra Środowiska w sprawie
warunków, jakie należy spełnić przy wprowadzaniu ścieków do wód lub do ziemi,
oraz w sprawie substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska wodnego [2], jest
chromatografia gazowa. Procedurę przygotowania próbek do analiz określa norma
PN-EN ISO 9377-2: Jakość wody. Oznaczanie indeksu oleju mineralnego [1].
1.1. INFORMACJE PODSTAWOWE
Norma PN-EN ISO 9377-2 jest opisem metody stosowanej do oznaczenia tak
zwanego indeksu oleju mineralnego (ang. mineral oil index) w wodach
powierzchniowych, ściekach i ściekach oczyszczonych.
Zgodnie z powyższą normą indeks oleju mineralnego obejmuje swoim zakresem
sumę stężeń związków, które można oddzielić rozpuszczalnikiem węglowodorowym
o temperaturze wrzenia między 36oC a 69oC, nie adsorbujących się na tzw. Florisilu,
czyli spreparowanej ziemi okrzemkowej, o czasie retencji zawartym między
wymyciem n-dekanu (C10H22) a n-tetrakontanu (C40H82). Substancjami, które spełniają
wymienione wymagania są węglowodory alifatyczne o długim lub rozgałęzionym
łańcuchu, alicykliczne, aromatyczne oraz aromatyczne z podstawnikami alkilowymi.
W prowadzonych badaniach opisywana metodyka posłużyła do oznaczenia ilości
substancji ropopochodnych w [mg/l] w próbkach modelowych oraz w ściekach
deszczowych pochodzących ze zróżnicowanych zlewni.
Wpływ metodyki przygotowania próbek na oznaczanie indeksu oleju mineralnego zgodnie…
37
2. PROCEDURA PRZYGOTOWANIA PRÓBEK ŚRODOWISKOWYCH
DO ANALIZY CHROMATOGRAFICZNEJ
Po pobraniu próbki należy w jak najkrótszym czasie dokonać oznaczenia, zawsze
jednak nie dłuższym niż cztery dni od jej pobrania. Przed przystąpieniem do każdej
analizy należy przygotować roztwór roboczy ekstrahentu, którego podstawę stanowi
roztwór składający się z n-tetrakontanu, n-dekanu oraz rozpuszczalnika. W przypadku
przedstawionych badań jako rozpuszczalnika użyto n-heksanu (C6H14).
Procedurę przygotowania próbki do analizy można podzielić na kilka etapów:
utrwalanie, ekstrakcja, oczyszczanie oraz zatężanie. Proces utrwalania próbki polega
na jej zakwaszeniu kwasem nieorganicznym do pH około 2. Należy zwrócić uwagę na
fakt, iż zgodnie z zaleceniami normy etap ten nie jest obligatoryjny. Jeżeli istnieje
możliwość powstania emulsji, przed przystąpieniem do dalszych etapów do próbki
można dodać siarczan (VI) magnezu. Następnie należy dodać roztwór roboczy
ekstrahentu i wydzielić ekstrakt. Istotna jest dokładność oddzielenia faz, gdyż
w przypadku niedokładnego rozdziału etap zatężania może być utrudniony.
Oczyszczanie ekstraktu przeprowadza się na kolumienkach z Florisilem, które
uprzednio należy przemyć niewielką ilością rozpuszczalnika. Po oczyszczeniu
ekstraktu kolumienki również należy przemyć dodatkowymi 10 ml rozpuszczalnika.
Po etapie oczyszczania następuje końcowy etap przygotowania próbki - zatężanie.
Polega on na odparowaniu ekstraktu do objętości 1ml. W tym etapie istnieje
niebezpieczeństwo, że pozostały 1ml niekoniecznie musi stanowić czysty ekstrakt
(w przypadku złego rozdziału dwóch mieszanin w etapie ekstrakcji bądź wyczerpania
się możliwości adsorpcyjnych kolumienki z Florisilem ze względu na parowanie rozpuszczalnika w niższej temperaturze niż woda), dlatego też bezpieczniej jest
odparować próbkę do sucha i dopiero zalać ją 1ml rozpuszczalnika. Tak przygotowana próbka jest gotowa do analizy chromatograficznej.
2.1. ANALIZA CHROMATOGRAFICZNA
Do oznaczenia ilości ropopochodnych w badanych próbkach wykorzystano
(zgodnie z zaleceniami normy) technikę chromatografii gazowej z detekcją FID.
Wykorzystywano kolumnę firmy Varian Capilary Column SelectTM Mineral Oil LVI
o długości 15 m i średnicy 0,32 mm. Podczas analizy stosowano gradient temperatury
kolumny od 35oC do 310oC osiąganej w ciągu 15 min. Jako gaz nośny stosowano azot.
Czas analizy jednej próbki wynosił 15 min bez uwzględnienia czasu potrzebnego na
powrót aparatury do warunków wyjściowych.
Wartość indeksu oleju mineralnego w analizowanej próbce otrzymujemy wyznaczając
całkowitą powierzchnię pod wykresem liczoną od momentu wymycia n-dekanu do
początku piku n-tetrakontanu.
38
E. BADOWSKA, D. GRYGLIK
3. DYSKUSJA WYNIKÓW
3.1. WPŁYW ETAPU ZAKWASZANIA NA UZYSKIWANE WYNIKI
Ponieważ etap zakwaszania według stosowanej normy może, ale nie musi być
stosowany, przeprowadzono analizy próbek modelowych o znanej ilości oleju
mineralnego, z których część była zakwaszona w pierwszym etapie procedury, a część
została przygotowana bez tego etapu. Poniższe chromatogramy przedstawiają różnice
w próbkach modelowych. Kolorem czarnym przedstawiono próbkę zakwaszoną, natomiast
szarym niezakwaszoną. Więcej substancji ropopochodnych zostało wyekstrahowanych
z próbki niezakwaszonej, co widać na wykresie.
Rys. 1. Chromatogramy przedstawiające różnice między próbką zakwaszoną i niezakwaszoną
w próbkach modelowych
Podobną procedurę zastosowano do próbek ścieków rzeczywistych pogody suchej
pochodzących z dopływu do Grupowej Oczyszczalni Ścieków w Łodzi. Na rys. 2
chromatogram w kolorze czarnym obrazuje próbkę zakwaszoną, szarym zaś niezakwaszoną.
Rys. 2. Chromatogramy przedstawiające różnice w próbkach niezakwaszonej i zakwaszonej
wydzielonych z jednej próbki rzeczywistej pochodzącej z wlotu
do Grupowej Oczyszczalni Ścieków w Łodzi
Wpływ metodyki przygotowania próbek na oznaczanie indeksu oleju mineralnego zgodnie…
39
W próbce niezakwaszonej uzyskano wynik 1,8 mg/l, a w próbce zakwaszonej 2,5 mg/l.
Na przedstawionych wykresach widać różnice w próbkach modelowych
i rzeczywistych. W próbkach modelowych mniejszą ilość substancji ropopochodnych
uzyskano przy zakwaszeniu. Całkiem odwrotną sytuację obserwujemy w próbkach
rzeczywistych. Ponadto w próbkach rzeczywistych obserwujemy również zmiany
jakościowe - w próbce zakwaszonej kilka pików jest znacząco wyższych niż w próbce
niezakwaszonej, a ponadto pojawiają się piki, których w próbce niezakwaszonej brak.
Należy więc mieć na uwadze, że proces zakwaszania w sposób niejednolity wpływa na
uzyskiwany wynik i ustalić przyczyny oraz mechanizm tego zjawiska.
3.2. WPŁYW ETAPU OCZYSZCZANIA NA UZYSKIWANE WYNIKI
Na rysunku poniżej przedstawiono wpływ etapu oczyszczania na Florisilu na
uzyskany wynik. W celu takiego porównania stworzono próbki modelowe ze znaną
ilością wzorca oleju mineralnego. Jedną z prób przefiltrowano przez kolumienkę
z Florisilem, druga została wykonana z pominięciem tego etapu.
Rys. 3. Chromatogramy przedstawiające różnice w próbkach z wykonaniem etapu oczyszczania
oraz z pominięciem tego etapu
Wyraźnie widać, że powierzchnia pod wykresem w próbce oczyszczonej (linia
szara) jest większa niż w próbce, w której ten etap postępowania został pominięty.
Ze względy na to, iż już w próbkach modelowych widać różnicę można wysunąć
przypuszczenie, że w próbkach rzeczywistych, które mogą zawierać znaczne ilości
zawiesin, ta część procedury przygotowania próbek do analizy może znacząco wpływać na wynik oznaczenia.
3.3. ODZYSK
W celu weryfikacji prawidłowości postępowania wykonano i oznaczono próbki
modelowe z określoną zawartością mieszaniny oleju mineralnego. Dzięki temu
40
E. BADOWSKA, D. GRYGLIK
otrzymaną z analizy ilość substancji ropopochodnych można było odnieść do zadanej
w badanej próbce.
Rys. 4. Chromatogram przedstawiający przykładową modelową próbkę,
która posłużyła do obliczenia odzysku
Wartość odzysku w danym przypadku wynosi 83%. Zgodnie z normą odzysk
powinien zawierać się między 80% a 110%.
3.4. WYNIKI DLA PRÓB RZECZYWISTYCH
Prowadzone badania opierają się obecnie na wyznaczeniu ilości substancji ropopochodnych w ściekach deszczowych. Dotychczas oznaczana wartość substancji
ropopochodnych nie przekroczyła ilości 15 mg/l określonej przez Rozporządzenie [2].
Najwyższe uzyskane wyniki były rzędu 4 mg/l w ściekach pogody suchej
pochodzących z wlotu do Grupowej Oczyszczalni Ścieków w Łodzi oraz 0,6 mg/l
w ściekach pogody mokrej pochodzących z wylotu kanalizacji deszczowej.
Temat substancji ropopochodnych w ściekach deszczowych pochodzących
z wylotów kanalizacji deszczowej będzie dalej pogłębiany, w celu próby znalezienia
zależności ich ilości od miejsca występowania, pogody i innych czynników. Ze
względu na zmienny czynnik, jakim jest opad, do postawienia określonych wniosków
należy zbadać i przeanalizować odpowiednio dużą ilość próbek z różnych zjawisk
opadowych.
4. PODSUMOWANIE I WNIOSKI
Proces przygotowania próbki środowiskowej do analizy indeksu oleju mineralnego
metodą chromatografii gazowej zgodnie z normą PN-EN ISO 9377-2 jest
skomplikowany i wymaga dużej dokładności. W poszczególnych etapach należy
zwrócić uwagę na odpowiednie wymieszanie, rozdzielenie, czy odparowanie próbki,
Wpływ metodyki przygotowania próbek na oznaczanie indeksu oleju mineralnego zgodnie…
41
ale również, co jest bardzo istotne, na minimalizowanie ilości czynności związanych
z jej przygotowywaniem. Każda zmiana naczynia może wiązać się z osadzaniem
badanych substancji na ściankach, a strata w przypadku śladowych ilości może
znacząco wpłynąć na wynik. W ostatnim etapie procedury, po odparowaniu próbki
do sucha, zalanie odparowanej próbki 1 ml rozpuszczalnika musi przebiegać bardzo
dokładnie, ale jednocześnie dosyć szybko, gdyż dodany rozpuszczalnik szybko paruje,
co w przypadku dużego nagromadzenia badanych związków, może spowodować
niecałkowite ich wypłukanie, a tym samym zmienić ich końcowe stężenie.
LITERATURA
[1]
[2]
POLSKA NORMA PN-EN ISO 9377-2, Jakość wody, Oznaczanie indeksu oleju mineralnego,
Część 2: Metoda z zastosowaniem ekstrakcji rozpuszczalnikiem i chromatografii gazowej, Warszawa, 2003.
ROZPORZĄDZENIE MINISTRA ŚRODOWISKA Z DNIA 24 LIPCA 2006 R. W sprawie warunków, jakie należy spełnić przy wprowadzaniu ścieków do wód lub do ziemi, oraz w sprawie substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska wodnego, Dz. Ustaw nr 137 poz. 984 z późn. zmianami.
THE INFLUENCE OF SAMPLE PREPARATION METHODOLOGY TO DEFINE MINERAL OIL
INDEX ACCORDING TO TECHNICAL STANDARD PN-EN ISO 9377-2.
The article describes the influence of consecutive stages of action in sample preparation according to
PN-EN ISO 9377-2 to the final result. Technical standard PN-EN ISO 9377-2 determines mineral oil
index , which is the quantity of petroleum. Model results are presented in the form of chromatograms or
by the concentration in mg/l. There are also references to the binding law. Presented conclusions are to be
used for the correct preparation of various origin samples.