pobierz plik

CHEMIA ŚRODOWISKA - laboratorium
ĆWICZENIE 6. OZNACZANIE ŚLADOWYCH ILOŚCI FENOLU W WODACH
POWIERZCHNIOWYCH
Głównymi chemicznymi zanieczyszczeniami wód są detergenty, pestycydy (fosforoorganiczne,
polichlorowęglowodorowe),
wielopierścieniowe
węglowodory
aromatyczne
(WWA),
polichlorofochodne bifenylu (PCB), fenole, metale ciężkie, azotany i związki fosforu. Każde z
wymienionych zanieczyszczeń ma różne pochodzenie, niemniej ich obecność w wodzie w
przekraczających normy ilościach stanowi zagrożenie z uwagi na toksyczne w większości właściwości.
Fenole są wodorotlenowymi pochodnymi benzenu i stanowią liczną grupę związków
chemicznych, które można oznaczać podobnymi metodami jak fenol. Ich obecność w środowisku
wynika ze stosowania fenoli w wielu gałęziach przemysłu. Fenole są także produktem ubocznym w
przemyśle chemicznym. Duże ilości fenoli dostają się do wód powierzchniowych wraz ze ściekami
komunalnymi, a także przemysłowymi. Źródłami zanieczyszczenia wód fenolami są ścieki pochodzące
z fabryk tworzyw sztucznych, produkcji barwników, farb, klejów czy lakierów, a także z przemysłu
koksochemicznego, petrochemicznego i farmaceutycznego. Fenole spotykane w wodach naturalnych
powstają z biologicznego rozkładu roślin, garbników i substancji humusowych na dnie zbiorników,
jednak ich udział jest niewielki.
Zatrucie fenolami zwykle jest efektem bezpośredniego kontaktu ze skórą lub z drogami
oddechowymi. Obecność fenoli w wodach przyczynia się do wysokiej śmiertelności organizmów
wodnych. Podczas chlorowania wody zawierającej nawet niewielkie ilości fenoli, 0,002 mg/dm3, tworzą
się chloropochodne fenoli charakteryzujące się przykrym zapachem, który czyni wodę niezdatną do
użytku.
Dopuszczalną ilość fenoli w wodach reguluje Rozporządzenie Ministra Środowiska w sprawie
klasyfikacji dla prezentowania stanu wód powierzchniowych i podziemnych, sposobu prowadzenia
monitoringu oraz sposobu interpretacji wyników i prezentacji stanu tych wód (Dz. U. Nr 32, poz. 284).
Dopuszczalne zawartości fenoli w wodach o różnych klasach czystości zamieszczono w Tabeli 1.
Tabela 1. Graniczne wartości stężeń fenoli w wodach.
Klasa czystości
wody
I
II
III
IV
V
Jakość wody
bardzo dobra
dobra
zadowalająca
niezadowalająca
zła
Fenole, mg/l
0,001
0,005
0,01
0,05
> 0,05
1
Spektrofotometria UV/VIS jest powszechnie stosowana do oznaczania fenoli w wodzie lub
ściekach poprzez uprzednie przeprowadzenie fenoli w barwny związek absorbujący promieniowanie
UV/VIS. Badaną próbkę zakwasza się do pH poniżej 4 za pomocą roztworu kwasu fosforowego (V) i
poddaje się destylacji z parą wodną. W środowisku kwaśnym fenole są niezdysocjowanymi kwasami
lotnymi, a fenolany nie destylują z parą wodną. Do oznaczeń wykorzystuje się tworzenie przez fenole
barwnych pochodnych z 4-aminoantypiryną (1-fenylo-2,3-dimetylo-4-aminopirazolem). Reakcję
prowadzi się w środowisku zasadowym w obecności heksacyjanożelazianu (III) potasu. Fenole z frakcji
wodnej ekstrahuje się do frakcji chloroformowej wytrząsając w rozdzielaczu. Roztwory chloroformowe
poddawane są pomiarom spektrofotometrycznym.
Do oznaczenia fenoli wykorzystywana jest także chromatografia gazowa (GC). Stosując
detektor płomieniowo-jonizacyjny (FID) oznaczalność fenoli wynosi 0,1 mg/dm3. Detektor wychwytu
elektronów (ECD) charakteryzuje większa oznaczalność, 0,05 µg/ dm3. Niewielkie stężenia fenoli można
oznaczać metodą chromatografii gazowej sprzężonej z detektorem masowym (GC-MS), a także za
pomocą chromatografii cieczowej.
EKSTRAKCJA DO FAZY STAŁEJ (SOLID PHASE EXTRACTION - SPE)
Pomimo znanych licznych technik analitycznych służących do oznaczania coraz większej ilości
analitów na poziomie śladowym niezwykle ważnym etapem procedury analitycznej jest przygotowanie
próbki. Przygotowanie próbki do analizy jest etapem najbardziej czasochłonnym i takim, na którym
można popełnić najwięcej błędów mogących wpłynąć na poprawność wyniku analizy. W celu
ograniczenia liczby błędów popełnianych podczas przygotowania próbki do analizy należy starać się
ograniczyć ilość przeprowadzanych procesów.
Ekstrakcja do fazy stałej (SPE) lub też ekstrakcja ciecz-ciało stałe jest coraz bardziej popularną
metodą przygotowania próbek do analiz, ponieważ umożliwia wyeliminowanie wieloetapowego
przygotowania próbki, oddzielenie analitu od matrycy oraz zatężenie próbki. Ponadto technika ta nie
wymaga wirowania czy destylacji. W technice SPE roztwór analizowanej próbki przechodzi przez złoże
kolumny ekstrakcyjnej, na którym adsorbowane są anality. W kolejnym etapie wymywane są
zanieczyszczenia, a następnie przy użyciu niewielkich ilości rozpuszczalnika zaadsorbowane anality.
Poszczególne etapy techniki SPE przedstawiono na Rysunku 1.
2
Rysunek 1. Schemat postępowania podczas ekstrakcji do fazy stałej.
Przed przystąpieniem do ekstrakcji SPE ważnym etapem jest dobór odpowiedniego
wypełnienia kolumny. Są trzy typy sorbentów: polarne, niepolarne i wymieniacze jonowe. Najczęściej
stosowane są sorbenty na bazie krzemionki, np. C-18, w którym żel krzemionkowy modyfikowany jest
grupami oktadecylowymi, Florisil czy też niemodyfikowany żel krzemionkowy. W Tabeli 2
przedstawiono kilka rodzajów kolumienek do ekstrakcji SPE różnego typu związków.
Tabela 2. Rodzaje kolumn wykorzystywanych do ekstrakcji do fazy stałej.
Rodzaj analizowanych
związków
Symbol
kolumny
C-2
Związki niepolarne
i średnio polarne
C-18
Ph
CN
Związki polarne
Mocne kationy i zasady
organiczne
Słabe aniony i kwasy
organiczne
Si
Florisil
Faza stała
Żel krzemionkowy modyfikowany grupami
etylowymi
Żel krzemionkowy modyfikowany grupami
oktadecylowymi
Żel krzemionkowy modyfikowany grupami
fenolowymi
Żel krzemionkowy modyfikowany grupami
cyjanopropylowymi
Żel krzemionkowy
Dwutlenek magnezu
SCX
Kwas sulfonowy
NH2
Żel krzemionkowy modyfikowany grupami
cyjanopropylowymi i aminopropylowymi
Pierwszym etapem jest kondycjonowanie złoża kolumny, które służy do aktywowania przed
naniesieniem roztworu analizowanej próbki. W tym celu przez kolumnę przepuszcza się rozpuszczalnik,
którego dobór zależy od rodzaju kolumny. Należy pamiętać, aby nie dopuścić do wyschnięcia złoża
3
pomiędzy kondycjonowaniem a naniesieniem próbki. W tym celu pozostawia się nadmiar ok. 1 mm
rozpuszczalnika w kolumnie.
Kolejnym etapem jest naniesienie próbki na złoże kolumny. Ten rodzaj ekstrakcji pozwala na
dozowanie od kilku mikrolitrów do litrów roztworu. Szybkość przepływu roztworu przez złoże nie
powinna przekraczać 5 ml/min. Najczęściej stosuje się wymuszenie przepływu poprzez wytworzenie
podciśnienia.
Odmywanie matrycy stosuje się, aby usunąć z próbki zanieczyszczenia. Rozpuszczalnik
powinien być tak dobrany, aby nie rozpuszczał zaadsorbowanych analitów. Optymalizuje się także
skład (mieszaniny rozpuszczalników), pH i polarność.
Ostatnim
etapem
jest
elucja
zaadsorbowanych
analitów.
Odpowiednio
dobrany
rozpuszczalnik, który rozpuszcza analizowaną substancję, o objętości od 200 µl do kilku ml należy
dozować na złoże kilkoma małymi porcjami pozostawiając każdą porcję rozpuszczalnika na złożu od 20
do 60 sekund. Powoduje to wyższy stopień odzyskania analitów. Tak otrzymany eluat poddaje się
odpowiedniej analizie lub, jeśli zachodzi taka konieczność, poddaje się dalszej obróbce.
Znanych jest kilka układów aparaturowych, które umożliwiają zastosowanie techniki SPE.
Najprostszą z nich jest specjalny zestaw próżniowy przedstawiony na Rysunku 2. Przy użyciu takiej
aparatury można wykonywać kilka lub nawet kilkanaście ekstrakcji jednocześnie. Przepływ cieczy przez
każde ze złóż można niezależnie regulować specjalnymi kranikami.
Rysunek 2. Typowy zestaw do ekstrakcji techniką SPE.
Bardzo podobny układ, ale jednostanowiskowy, można zmontować ze szkła dostępnego w
każdym laboratorium. Potrzebna jest jedynie kolba próżniowa i kolumna SPE. Próżnię w układzie
reguluje się manualnie. Schemat zestawu aparaturowego przedstawiono na Rysunku 3.
4
Próbka wody
Korek
gumowy
Próżnia
Probówka
Rysunek 3. Zestaw do ekstrakcji techniką SPE w kolbie próżniowej.
Przepływ substancji można wymusić poprzez zastosowanie strzykawki. Wciskanie tłoczka strzykawki
lub wprowadzenie gazu powoduje przepływ cieczy przez kolumnę SPE, Rysunek 4.
Strzykawka
N2 lub
powietrze
Przepływ wymuszony
Przepływ
tłoczkiem strzykawki wymuszony przez
wprowadzenie
gazu
Adapter
Próbka
wody
Próbka
wody
Rysunek 4. Zestaw do ekstrakcji techniką SPE z użyciem strzykawki.
5
Próbki przygotowane metodą ekstrakcji do fazy stałej są wykorzystywane w analizach
metodami chromatograficznymi, w chromatografii cieczowej (HPLC), gazowej (GC) i w
spektrofotometrii FTIR.
WYKONANIE ĆWICZENIA
Przygotowanie próbki
W 100 ml wody pobranej z rzeki lub jeziora należy rozpuścić 20 g NaCl. Stosując 1 M HCl doprowadzić
do pH ≈2.
Przygotowanie próbek z odpowiednim dodatkiem wzorca
Do trzech 100 ml próbek wody dodać kolejno 5, 7.5 i 10 ml roztworu fenolu o stężeniu 20 mg/l.
Następnie 20 g NaCl należy rozpuścić w każdej z próbek i 1 M HCl doprowadzić do pH ≈2.
Ekstrakcja na fazie stałej
Do ekstrakcji stosowane są kolumny C18 o objętości 3 ml, w której zawartość adsorbentu (oktadecylu
osadzonego na żelu krzemionkowym) wynosi 500 mg.
Kondycjonowanie kolumn
Kolumny przemyć dwukrotnie 3 ml metanolu, a następnie dwukrotnie 3 ml 0,01 M HCl. Należy nie
dopuścić do wyschnięcia kolumn.
Naniesienie próbek
Na kolejne kolumny nanieść próbki wody. Szybkość przepływu wody przez sorbent nie powinna być
większa niż 5 ml na minutę.
Przemywanie kolumn
Kolumny przemyć dwukrotnie 500 μl 0,01 M HCl, a następnie osuszyć pod próżnią.
Wymywanie analitu
Wymyć analit do mikroprobówek trzykrotnie 500 μl metanolu.
6
Oznaczanie spektrofotometryczne fenolu
Ilościowo przenieść ekstrakty do kolb o pojemności 50 ml. Kolejno dodać do kolb 1 ml nitroprusydku
sodu o stężeniu 0,01 mol/l, 1 ml chlorowodorku hydroksyaminy o stężeniu 0,04 mol/l i 3 ml buforu
fosforowego o pH=12 i dopełnić wodą destylowaną do kresek. Wymieszać, odczekać 15 min i zmierzyć
absorbancję roztworów przy λ=700 nm. Obliczyć stężenie fenolu analizowanej próbki.
Autorzy: Agata Śliwak, Grażyna Gryglewicz
7