Pracownia dyplomowa III rok Ochrona Środowiska Licencjat (OŚI) Ćwiczenie 4 Porównanie wydajności różnych technik ekstrakcji w układzie ciało stałeciecz 1. Wstęp Techniki ekstrakcyjne są najczęściej stosowanymi metodami izolacji i wzbogacania analitów występujących w próbkach środowiskowych. Stosowane są one w analityce śladowych składników próbek gazowych, ciekłych oraz stałych w celu usunięcia substancji zanieczyszczających oraz osiągnięcia odpowiedniej granicy wykrywalności (LOD). Podczas procesu ekstrakcji następuje przeniesienie analitów z próbki (matrycy pierwotnej) do matrycy odbierającej (tzw. wtórnej), która ma zazwyczaj prosty, ściśle zdefiniowany skład chemiczny. Wprowadzenie etapu ekstrakcji do procedury analitycznej daje zazwyczaj następujące korzyści: przeniesienie analitów do matrycy o znacznie prostszym niż matryca pierwotna i jednocześnie jednoznacznie określonym składzie chemicznym, najczęściej bardziej odpowiedniej do oznaczeń końcowych, usunięcie składników przeszkadzających w analizie końcowej, możliwość podniesienia stężenia analitów powyżej granicy oznaczalności stosowanej techniki i przyrządu pomiarowego. Należy jednak pamiętać, że proces ekstrakcji może prowadzić do straty pewnej części analitów i wprowadzać dodatkowe zanieczyszczenia próbki. Ekstrakcja n-alkanów oraz wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych z gleby jest przykładem ekstrakcji próbek stałych. Proces ten może być realizowany na wiele sposób jak obrazuje Rys. 1. 1
Rys. 1. Klasyfikacja technik ekstrakcji z próbek stałych (Jacek Namieśnik, Zygmunt Jamrógiewicz, Michał Pilarczyk, Liberto Torres Przygotowanie próbek środowiskowych do analiz WNT Warszawa, 2000). Ekstrakcja cieczą jest podstawowym procesem wyodrębniania związków organicznych z próbek stałych. Polega ona na wybiórczym rozpuszczaniu substancji znajdującej się w stałej próbce w określonym rozpuszczalniku. Obecnie stosowane techniki ekstrakcji próbek stałych cieczą dzielą się na trzy zasadnicze grupy (Tab. 1): Techniki klasyczne, do których zaliczamy: ekstrakcję rozpuszczalnikiem z wytrząsaniem, ekstrakcję za pomocą strumienia rozpuszczalnika, saponifikację, ekstrakcję w aparacie Soxhleta oraz homogenizację próbki z rozpuszczalnikiem; Nowoczesne techniki z wykorzystaniem dodatkowych czynników do wspomagania ekstrakcji (ultradźwięki czy promieniowanie mikrofalowe). Do tej grupy technik ekstrakcji należy sonikacja, przyśpieszona ekstrakcja z pomocą rozpuszczalnika (ASE), ekstrakcja za pomocą rozpuszczalnika pod zwiększonym ciśnieniem ((MPLE), ekstrakcja z pomocą rozpuszczalnika wspomagana promieniowaniem mikrofalowym (MAE); Techniki, w których wykorzystuje się płyny w stanie nadkrytycznym (SFE). 2
Tab. 1. Porównanie różnych technik ekstrakcji z wykorzystaniem rozpuszczalników ze względu na czas trwania procesu i liośc zużywanych rozpuszczalników ((Jacek Namieśnik, Zygmunt Jamrógiewicz, Michał Pilarczyk, Liberto Torres Przygotowanie próbek środowiskowych do analiz WNT Warszawa, 2000). Technika ekstrakcyjna Ilość zużywanego rozpuszczalnika [ml] Przeciętny czas trwania procesu ekstrakcji Ekstrakcja w aparacie Soxhleta 200-500 4-48 h Ekstrakcja w zautomatyzowanym aparacie Soxhleta 50-100 1-4 h Ekstrakcja za pomocą rozpuszczalnika wspomaganego 100-300 30 min 1 h ultradźwiękami Ekstrakcja za pomocą rozpuszczalnika wspomaganego 25-50 30 min 1 h promieniowaniem mikrofalowym Przyśpieszona ekstrakcja za pomocą rozpuszczalnika 15-40 12-18 min Ekstrakcja za pomocą płynu w stanie nadkrytycznym 8-50 30 min - 2 h Często stosowanym aparatem do ekstrakcji w układzie ciało stałe ciecz jest aparat Soxhleta pokazany na Rys. 2. Rys. 2. Zestaw do ekstrakcji w aparacie Soxhleta. Aparat Soxhleta składa się z trzech części, połączonych najczęściej za pomocą szlifów: kolby kulistej (1), ekstraktora (2), i chłodnicy zwrotnej (3). Ekstrahowane ciało stałe umieszcza się w gilzie (4) wykonanej z grubej bibuły, tkaniny bądź siatki z cienkiego drutu. W kolbie znajduje się lotny rozpuszczalnik, który wrze przy podgrzewaniu kolby za pomocą płaszcza grzejnego (7), a jego pary rurką (5) przechodzą do chłodnicy zwrotnej. Po skropleniu rozpuszczalnik gromadzi się w środkowej części aparatu (2), gdzie znajduje się gilza. Ciecz z 3
wyekstrahowaną substancją samoczynnie, poprzez zamknięcie syfonowe (6), przelewa się do kolby, skąd rozpuszczalnik jest ponownie oddestylowywany. Dzięki zamkniętemu obiegowi i destylacji rozpuszczalnika próbkę można ekstrahować wielokrotnie świeżymi porcjami, przy stosunkowo niewielkiej ilości użytego medium ekstrahującego. Ekstrakcja w aparacie Soxhleta jest procesem dość powolnym, jednak nie wymaga ciągłego nadzoru. Zastosowanie automatycznych zestawów do prowadzenia ekstrakcji przyśpiesza jej przebieg oraz umożliwia zmniejszenie zużycia rozpuszczalników. 2. Część eksperymentalna 2.1. Cel Celem ćwiczenia jest porównanie wydajności ekstrakcji związków ropopochodnych z próbek gleby z wykorzystaniem różnych technik ekstrakcji: ekstrakcja w aparacie Soxhleta, ekstrakcja z wytrząsaniem, ekstrakcja jednokrotna, ekstrakcja wielokrotna oraz dwóch rozpuszczalników: eter naftowy, dichlorometan. 2.2. Wykonanie 2.2.1. Pobieranie próbek gleby i przygotowanie do ekstrakcji Studenci pobierają próbkę gleby z parkingu przed wykonaniem ćwiczenia (tydzień wcześniej w ramach poprzedniego ćwiczenia) w ilości około 0,5-1 kg. Następnie przygotowują ją do wysuszenia na tacy i pozostawiają w temp. pokojowej do następnych zajęć. Powietrznie suchą glebę należy zmielić w moździerzu i przesiać przez sito. 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 M w do suchej masy gleby M s (%). Obliczyć zawartość suchej masy gleby w próbce pobranej do ekstrakcji. 2.2.3. Ekstrakcja związków ropopochodnych w aparacie Soxhleta Odważyć 5 g gleby powietrznie suchej z dokładnością do 1 mg. Przenieść odważoną próbkę do gilzy, od góry gilzę zamknąć watą i całość umieścić w nasadce ekstrakcyjnej. Do kolby 4
okrągłodennej wprowadzić kamyki wrzenne, wlać 120 150 ml eteru naftowego (według zaleceń prowadzącego), kolbę umieścić w płaszczu grzejnym, zamontować na niej aparat Soxhleta i chłodnicę zwrotną. Włączyć przepływ wody chłodzącej i rozpocząć ogrzewanie. Utrzymywać stan łagodnego wrzenia przez 1 godzinę (czas ekstrakcji). Wyłączyć ogrzewanie, zawartość kolby okrągłodennej przenieść sukcesywnie do kolby sercówki poj. 50 ml. Odparowywać eter naftowy na wyparce rotacyjnej do objętości około 1 ml. Następnie ekstrakt przenieść ilościowo do zważonej buteleczki 2 ml i usunąć rozpuszczalnik w strumieniu azotu do zaniku zapachu eteru naftowego. Kolbę przynajmniej 3-krotnie przemyć małą porcją eteru naftowego i przenieść roztwór sukcesywnie do ekstraktu właściwego. Buteleczkę wraz z ekstraktem zważyć i wyznaczyć masę wydzielonego ekstraktu. Wynik podać w mg/kg suchej masy gleby. 2.2.4. Ekstrakcja związków ropopochodnych poprzez wytrząsanie Odważyć 5 g gleby powietrznie suchej z dokładnością do 1 mg. Przenieść odważoną próbkę do kolby stożkowej poj. 100 ml, dodać 50 ml wybranego rozpuszczalnika (eteru naftowego lub dichlorometanu) i umieścić na wytrząsarce na 1 godz. Uzyskany ekstrakt przesączyć przez warstwę bezwodnego siarczanu(vi) sodu na sączku do kolby sercowej poj. 100 ml i odparować do objętości około 1 ml na wyparce rotacyjnej. Następnie ekstrakt przenieść ilościowo do zważonej buteleczki 2 ml i usunąć rozpuszczalnik w strumieniu azotu do zaniku zapachu eteru naftowego. Kolbę przynajmniej 3-krotnie przemyć małą porcją eteru naftowego i przenieść roztwór sukcesywnie do ekstraktu właściwego. Zważyć buteleczkę wraz z ekstraktem i wyznaczyć masę wydzielonego ekstraktu. Wynik podać w mg/kg suchej masy gleby. 2.2.5. Dwukrotna ekstrakcja związków ropopochodnych poprzez wytrząsanie Procedurę przeprowadzić identycznie jak podano w punkcie 2.2.4., z tym, że zamiast 50 ml eteru naftowego do ekstrakcji wprowadzić 25 ml eteru naftowego i ekstrakcję prowadzić przez 0,5 godz. Procedurę ekstrakcji próbki powtórzyć raz jeszcze. Ekstrakty połączyć i odparować wg powyższej procedury. Literatura J. Namieśnik, Z. Jamrógiewicz, M. Pilarczyk, L. Torres. Przygotowanie próbek środowiskowych do analiz. WNT, Warszawa, 2000. 5
Odczynniki i sprzęt laboratoryjny Pobieranie próbek gleby i przygotowanie do ekstrakcji 2 duże moździerze porcelanowe taca plastikowa sito 1 mm łopatka pojemnik na glebę (ewentualnie słoik szklany 1 L) Wyznaczenie suchej masy gleby naczynko wagowe 4 szt suszarka eksykator zawierający CaCl 2 szczypce metalowe waga analityczna 1 szt., łopatka dentystyczna 1 szt., Ekstrakcja związków ropopochodnych poprzez wytrząsanie zlewka 50 ml 3 szt kolba stożkowa 100 ml - 3 szt + podkładki cylinder miarowy poj. 50 ml bezwodny siarczan sodu lejek szklany średni 3 szt. + pasujące sączki kolba do odparowywacza z dnem konicznym 100 ml - 3 szt. + reduktor pasujący do odparowywacza odparowywacz wytrząsarka buteleczka z nakrętką poj. 2 ml 3 szt. pipeta Pasteura z gumką - 3 szt., eter naftowy 250 ml, dichlorometan 100 ml Ekstrakcja związków ropopochodnych w aparacie Soxhleta zestaw do ekstrakcji w aparacie Soxhleta: płaszcz grzejny, regulator napięcia, aparat Soxhleta, chłodnica zwrotna, kolba okrągłodenna poj. 250 ml, nożyczki, eter naftowy 250 ml, kamyki wrzenie, bibuła filtracyjna, wata zlewka 50 ml łyżka metalowa cylinder miarowy poj. 200 ml lejek szklany średni kolba do odparowywacza z dnem konicznym 50 ml + reduktor pasujący do odparowywacza wyparka rotacyjna buteleczka z nakrętką poj. 2 ml, pipeta Pasteura z gumką, 1 szt., folia aluminiowa zestaw do odparowywania rozpuszczalników w strumieniu azotu 6