способ определения гуминовых кислот в водных средах
Классы МПК: | G01N30/00 Исследование или анализ материалов путем разделения на составные части (компоненты) с использованием адсорбции, абсорбции или подобных процессов или с использованием ионного обмена, например хроматография G01N31/00 Исследование или анализ небиологических материалов химическими способами, упомянутыми в подгруппах данной группы; приборы, специально предназначенные для осуществления этих способов G01N33/18 воды |
Автор(ы): | Груздев Иван Владимирович (RU), Кондратенок Борис Михайлович (RU), Бабкина Татьяна Анатольевна (RU) |
Патентообладатель(и): | Институт биологии Коми научного центра Уральского отделения Российской академии наук (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2009-01-26 публикация патента:
27.10.2010 |
Изобретение относится к количественному анализу питьевых, природных и сточных вод. Способ включает окисление гуминовых кислот и детектирование продуктов их окисления, причем в качестве окислителя применяется молекулярный бром в количестве 0.05-0.25% от массы водной пробы, а детектирование осуществляют методом капиллярной газовой хроматографии. Достигается повышение чувствительности и надежности анализа. 2 табл., 6 ил.
Формула изобретения
Способ определения гуминовых кислот в водных средах, включающий окисление гуминовых кислот и детектирование продуктов их окисления, отличающийся тем, что в качестве окислителя применяется молекулярный бром в количестве 0,05-0,25% от массы водной пробы, а детектирование осуществляют методом капиллярной газовой хроматографии.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к аналитической химии органических соединений и может быть использовано для определения количественного содержания гуминовых кислот в питьевых, природных и сточных водах.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является метод проточно-инжекционного анализа гуминовых кислот в присутствии N-бромсукцинимида с детектированием хемилюминесценции [J.Micha owski, P.Ha aburda, A. Koj o. Determination of humic acid in natural waters by flow injection analysis with chemiluminescence detection // Analytica Chimica Acta. - 2001. - Vol.438. - P.143-148.]. Недостатками прототипа являются высокий предел обнаружения гуминовых кислот и зависимость результатов количественного анализа от присутствия в воде различных фенольных соединений (фенол, крезолы, хлорфенолы). Следует отметить, что соединения этого класса, как правило, всегда содержатся в природных, питьевых и сточных водах [Елин Е.С. Фенольные соединения в биосфере. - Новосибирск: Изд-во Сибирского отделения Российской академии наук, 2001 - 386 с.].
Задачей изобретения является разработка более эффективного способа, позволяющего снизить предел обнаружения и исключить влияние фенольных соединений на результаты количественного анализа гуминовых кислот в водных средах. В этом состоит технический результат.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе определения гуминовых кислот в водных средах, включающего окисление гуминовых кислот и детектирование продуктов их окисления, новым является то, что в качестве окислителя применяется молекулярный бром в количестве 0.05-0.25% от массы водной пробы, а детектирование осуществляют метом капиллярной газовой хроматографии.
Согласно современным представлениям гуминовые кислоты относят к полиэлектролитам со слабо выраженными кислотными свойствами и проявляющими высокую реакционную способность, связанную с наличием в их структуре большого числа карбоксильных и фенолгидроксильных групп.
На фиг.1 приведена гипотетическая формула гуминовой кислоты (по Стивенсону).
В присутствии сильного окислителя - молекулярного брома происходит окисление гуминовых кислот с образованием различных низкомолекулярных органических соединений. На фиг.2 приведена хроматограмма экстракта природной воды, предварительно обработанной молекулярным бромом и масс-спектр соединения с временем удерживания 47.06 мин. Этот пик является самым интенсивным на хроматограмме и принадлежит 2,4,6-трибромфенолу.
Таким образом, фенол выбран нами в качестве вещества, на котором основан способ косвенного определения гуминовых кислот в воде. Присутствие в экстракте фенола в виде 2,4,6-трибромфенола неслучайно, поскольку он легко взаимодействует с молекулярным бромом в воде по реакции электрофильного замещения с количественным образованием трибромпроизводного [Нейланд О.Я. Органическая химия. - М.: Высш. шк., 1990. - 751 с.].
Оптимальное значение pH водного раствора, при котором происходит наиболее эффективное окисление гуминовых кислот, соответствует нейтральной среде (фиг.3). Это связано, на наш взгляд, с одновременным присутствием в воде двух сильных окислителей Br2 и HBrO [Ксензенко В.И., Стасиневич Д.С. Химия и технология брома, йода и их соединений. - М.: Химия, 1995. - 432 с.]:
Br2+H 2O Н++Br-+HBr.
Снижение окислительной активности в кислой и щелочной среде связано с тем, что в результате смещения равновесия гидролиза в кислой среде окислителем выступает преимущественно молекулярный бром, а в щелочной - HBrO.
Процессы, происходящие в водном растворе гуминовых кислот в присутствии молекулярного брома, показаны на фиг.4: 1 - окисление гуминовых кислот бромом; 2 - образование фенола при окислении гуминовых кислот; 3 - бромирование фенола, образовавшегося при окислении гуминовых кислот; 4 - бромирование нативного фенола, присутствующего в воде до окисления гуминовых кислот.
Для учета нативного фенола бромирование одной и той же пробы проводят дважды: в нейтральной среде и сильнокислой (pH 1). В этом случае прирост концентрации 2,4,6-трибромфенола в нейтральной среде по сравнению кислой будет связан только с фенолом, образовавшимся при окислении гуминовых кислот, и пропорционален их содержанию в анализируемой пробе воды.
Способ определения гуминовых кислот в водных средах включает три этапа:
1) Окисление гуминовых кислот - обработка исследуемого водного образца молекулярным бромом. Одновременно с окислением гуминовых кислот протекает процесс бромирования образующегося при их окислении фенола. При комнатной температуре (20±5°С) реакция бромирования фенола завершается в течение 3 мин с количественным образованием 2,4,6-трибромфенола.
2) Жидкостная экстракция 2,4,6-трибромфенола. Эта стадия предназначена для перевода 2,4,6-трибромфенола в более удобную для последующего газохроматографического анализа органическую фазу, повышения его концентрации в экстракте и отделения мешающих компонентов.
Химическая модификация фенола в 2,4,6-трибромфенол значительно снижает его растворимость в воде, что приводит к его эффективному извлечению из водной фазы в органический растворитель (до 98%).
3) Анализ экстракта методом газовой хроматографии. Полученный экстракт 2,4,6-трибромфенола анализируют методом капиллярной газовой хроматографии с детектором электронного захвата (ДЭЗ). Галогенселективный ДЭЗ обеспечивает максимально возможное по чувствительности газохроматографическое определение 2,4,6-трибромфенола.
Определение гуминовых кислот выполняют по следующей методике. В мерную колбу помещают 1000 см3 анализируемой пробы. Исходный объем пробы делят на две равные части, одну из которых подкисляют раствором серной кислоты до значения pH 1. В обе части пробы добавляют бромную воду; расчетное содержание молекулярного брома в пробе 0.05-0.25%. Бромирование проводят в течение 3 мин. После завершения бромирования избыток брома удаляют раствором тиосульфата натрия; расчетная концентрация в пробе - 0.01 моль/дм3. Затем в обе части пробы вводят внутренний стандарт (2,4,6-трихлорфенол); расчетная концентрация в пробе - 0.5 мкг/дм3 и проводят экстракцию образовавшегося 2,4,6-трибромфенола 11 см3 толуола в течение 10 минут. После расслаивания фаз отбирают по 10 см3 экстракта, вводят 0.5 мл раствора щелочи (0.1 М) и реэкстрагируют 2,4,6-трибромфенол в течение 3 мин. После расслаивания фаз удаляют 9.5 см3 экстракта, нейтрализуют реэкстракт раствором серной кислоты до pH 2-3 и повторно экстрагируют в течение 3 мин. Полученные экстракты анализируют на газовом хроматографе с ДЭЗ.
Условия газохроматографического определения: температура детектора 320°С, испарителя 320°С, термостата колонок 200°С; кварцевая капиллярная колонка 30 м × 0.25 мм × 0.25 мкм со слабополярной неподвижной жидкой фазой (SE-30, SE-52, SE-54), скорость потока газа-носителя (азот, ос.ч.) через колонку 1.0 см3/мин, поддув детектора 20 см3/мин, деление потока 1:30. Хроматограмма экстракта, полученная при анализе стандартного раствора гуминовых кислот с концентрацией 10 мкг/дм3, приведена на фиг.5 (ВС - 2,4,6-трихлорфенол (внутренний стандарт); 2,4,6-ТБФ - 2,4,6-трибромфенол).
Идентификацию 2,4,6-трибромфенола в анализируемой пробе воды проводят по относительному времени удерживания t x*:
tx*-tx/tcт ,
где tx и tcт - исправленные времена удерживания компонентов анализируемой пробы и внутреннего стандарта соответственно.
Относительные времена удерживания компонентов анализируемой пробы сравнивают с относительным временем удерживания 2,4,6-трибромфенола, полученного для стандартного раствора: tх*(2,4,6-трибромфенол)=2.981.
На основе полученных хроматограмм находят приращение фенола:
S(фенол)=S(фенол/pH 7)-S(фенол/pH 1 )
где S(фенол/pH 1) - отношение площадей пика 2,4,6-трибромфенола и внутреннего стандарта на хроматограмме той части пробы, бромирование которой поводили при значении pH 1;
S(фенол/pH 7) - отношение площадей пика 2,4,6-трибромфенола и внутреннего стандарта на хроматограмме той части пробы, бромирование которой поводили без добавления кислоты.
Массовую концентрацию гуминовых кислот в анализируемой пробе воды рассчитывают по уравнению, полученному на основе градуировочного графика для стандартных растворов гуминовых кислот (таблица 1):
С(ГК)=160.79 S(фенол)-0.11(R2=0.9986)
Таблица 1 | |
Результаты газохроматографического анализа стандартных растворов гуминовых кислот | |
С (ГК), мкг/дм3 | S (фенол) |
10 | 0.052 |
30 | 0.189 |
45 | 0.287 |
75 | 0.48 |
125 | 0.768 |
На фиг.6 приведена градировочная зависимость массовой концентрации гуминовых кислот (стандартные растворы) от приращения фенола S (фенол). Стандартные растворы гуминовых кислот были приготовлены на основе препарата фирмы Aldrich (Humic acid, sodium salt, technical grade, cat: H1, 675-2). Аналогичный препарат применяется и в способе, выбранном в качестве прототипа.
Примеры осуществления способа
Пример 1
В мерную колбу помещают 1000 см3 анализируемой пробы. Исходный объем пробы делят на две равные части, одну из которых подкисляют раствором серной кислоты до значения pH 1. В обе части пробы добавляют бромную воду; расчетное содержание молекулярного брома в пробе 0.0005%. Бромирование проводят в течение 3 мин. После завершения бромирования избыток брома удаляют раствором тиосульфата натрия; расчетная концентрация в пробе - 0.01 моль/дм 3. Затем в обе части пробы вводят внутренний стандарт (2,4,6-трихлорфенол); расчетная концентрация в пробе - 0.5 мкг/дм3 и проводят экстракцию образовавшегося 2,4,6-трибромфенола 11 см3 толуола в течение 10 минут. После расслаивания фаз отбирают по 10 см экстракта, вводят 0.5 мл раствора щелочи (0.1 М) и реэкстрагируют 2,4,6-трибромфенол в течение 3 мин. После расслаивания фаз удаляют 9.5 см3 экстракта, нейтрализуют реэкстракт раствором серной кислоты до pH 2-3 и повторно экстрагируют в течение 3 мин. Полученные экстракты анализируют на газовом хроматографе с ДЭЗ.
Способ неосуществим, так как предел обнаружения гуминовых кислот при содержании брома в пробе 0.0005% составляет 480 мкг/дм3, что выше, чем по прототипу.
Пример 2.
Содержание брома в пробе - 0.005%. Анализируют, как указано в примере 1. Предел обнаружения - 150 мкг/дм 3. Способ неосуществим, так как предел обнаружения гуминовых кислот выше, чем по прототипу.
Пример 3.
Содержание брома в пробе - 0.05%. Анализируют, как указано в примере 1. Предел обнаружения - 5.0 мкг/дм3. Способ осуществим.
Пример 4.
Содержание брома в пробе - 0.10%. Анализируют, как указано в примере 1. Предел обнаружения - 5.0 мкг/дм3. Способ осуществим.
Пример 5.
Содержание брома в пробе - 0.15%. Анализируют, как указано в примере 1. Предел обнаружения - 5.0 мкг/дм3. Способ осуществим.
Пример 6.
Содержание брома в пробе - 0.20%. Анализируют, как указано в примере 1. Предел обнаружения - 5.0 мкг/дм 3. Способ осуществим.
Пример 7.
Содержание брома в пробе - 0.25%. Анализируют, как указано в примере 1. Предел обнаружения - 5.0 мкг/дм3. Способ осуществим.
Результаты определения гуминовых кислот в воде предлагаемым способом приведены в табл.2.
Таблица 2 | |||
Примеры осуществления способа | |||
№ примера | Содержание брома по отношению к массе пробы, % | Достигаемый предел обнаружения, мкг/дм3 | Возможность осуществления заявляемого способа |
По прототипу | - | 14 | - |
1 | 0.0005 | 480 | неосуществим |
2 | 0.005 | 150 | неосуществим |
3 | 0.05 | 5.0 | осуществим |
4 | 0.10 | 5.0 | осуществим |
5 | 0.15 | 5.0 | осуществим |
6 | 0.20 | 5.0 | осуществим |
7 | 0.25 | 5.0 | осуществим |
Из примеров 1-7 и табл.2 следует, что предлагаемый способ определения гуминовых кислот осуществим в диапазоне концентраций брома 0.05-0.25% по отношению к массе пробы. Дальнейшее увеличение концентрации брома нецелесообразно, поскольку не оказывает влияния на предел обнаружения гуминовых кислот. При содержании брома менее 0.05% образуется недостаточное количество фенола при окислении гуминовых кислот.
По сравнению с прототипом предлагаемое техническое решение имеет следующие преимущества:
1) Более низкий предел обнаружения гуминовых кислот в воде: 5 мкг/дм 3; по прототипу - 14 мкг/дм3.
2) Применение хроматографии на этапе инструментального определения продуктов окисления гуминовых кислот обеспечивает большую селективность их определения; по прототипу - хроматографического разделения не проводиться.
3) Применение более доступного реагента для окисления гуминовых кислот - молекулярный бром; по прототипу - N-бромсукцинимид.
Класс G01N30/00 Исследование или анализ материалов путем разделения на составные части (компоненты) с использованием адсорбции, абсорбции или подобных процессов или с использованием ионного обмена, например хроматография
Класс G01N31/00 Исследование или анализ небиологических материалов химическими способами, упомянутыми в подгруппах данной группы; приборы, специально предназначенные для осуществления этих способов