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; Y 0 = ac (1) Y i = a(c+c s ) (2) w których Y 0 oznacza pole powierzchni lub wysokość sygnału chromatograficznego analitu zmierzony dla próbki bez dodatku wzorca, Y i pole powierzchni lub wysokość sygnału chromatograficznego analitu zmierzony dla próbki po dodaniu wzorca, c stężenie analitu w próbce, c s stężenie wzorca w próbce. Z równania (1) obliczymy a : a = Y 0 / c (3) Po podstawieniu do równania (2) otrzymamy : Y i = Y 0 / c (c + c s ) (4) Po rozwiązaniu równania (4) względem c otrzymamy: c = Y 0 c s / (Y i Y 0 ) (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 M w do suchej masy gleby M s (%). 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 CaCl 2 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