Атомно-абсорбционное определение железа, кобальта и никеля в природных водах Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 543.32/.34

АТОМНО-АБСОРБЦИОННОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЖЕЛЕЗА, КОБАЛЬТА И НИКЕЛЯ В ПРИРОДНЫХ ВОДАХ

© 2011 г. М.А. Бабуев, А.М. Амиров

Дагестанский государственный университет, ул. Гаджиева, 43а, г. Махачкала, Республика Дагестан, 367000, [email protected]

Dagestan State University, Gadjiev St., 43a, Makhachkala, Republic Dagestan, 367000, [email protected]

Исследована зависимость степени извлечения ионов железа, кобальта и никеля от кислотности среды, продолжительности контакта фаз, температуры и концентрации. Изучено влияние макрокомпонентов вод на полноту сорбции ионов исследуемых элементов. Установлено, что количества, кратные 1104 — К+, Na+, N03Cl-; 1103 — Са2+, Mg2+, Ва2+, Sr2+, не влияют на полноту сорбции. Разработана методика атомно-абсорбционного определения Fe (III), Co (II) и Ni (II) в природной воде, основанная на предварительном групповом концентрировании элементов полимерным хелатным сорбентом полистирол-азо-хромотроповой кислотой. Правильность методики проверена методом добавок. Относительное стандартное отклонение равно 0,03 — 0,05. Предел обнаружения составляет 1,01С!3 мкг/мл.

Ключевые слова: концентрирование, атомно-абсорбционный метод, кобальт (II), никель (II), железо (III), поли-стирол-азо-хромотроповая кислота.

Dependence of degree of extraction of ions of iron, cobalt and nickel on acidity of environment, duration of contact ofphases, temperatures and concentration is investigated. Influence of macrocomponents of waters on completeness of sorption ions of investigated elements is studied. It is established, that quantities, multiple 1104 — К +, Na +, N03', Cl; 1103 — Са2 +, Mg2 +, Ва2 +, Sr2 + do not influence completeness of sorption.The procedure of atomic-absorption determination of Fe (III), Co (II) and Ni (II) in natural water is developed. The method is based on preliminary group concentration of the elements with a chelated sorbent polystyrene-azo-chromotropic acid. Correctness of the procedure is proved by the method of additives. The relative standard deviation is 0,03 — 0,05. The detection limit is 1,01ff3 ug/ml.

Keywords: concentration, atomic-absorption method, cobalt (II), nickel (II), iron (III), polystyrene-azo-chromotropic acid.

В настоящее время доказано значение железа, кобальта и никеля для жизнедеятельности организма. Однако в избыточных концентрациях ионы всех 3 элементов могут проявлять себя как высокотоксичные яды. Для исследования степени загрязненности окружающей среды определение низких содержаний тяжелых металлов, среди которых железо, кобальт и никель, очень актуально.

Сложный состав объектов, наличие мешающей матрицы и на их фоне незначительные концентрации самих определяемых микрокомпонентов затрудняет, а иногда делает невозможным получение надежных результатов анализа. Один из перспективных путей решения этой проблемы - разработка комбинированных методов анализа, включающих стадию предварительного сорбционного концентрирования [1-3]. Это позволяет выделить элемент или группу элементов из большого объема раствора сложного химического состава, снизить предел обнаружения, устранить полностью или значительно уменьшить влияние фоновых макрокомпонентов и повысить при этом воспроизводимость и чувствительность анализа; сократить время пробоподготовки.

В этой связи одна из актуальных проблем современной аналитической химии - поиск и разработка новых эффективных способов выделения и концентрирования, в частности, железа, кобальта и никеля из природных, очищенных и сточных вод.

Настоящая работа посвящена разработке эффективного способа концентрирования и определения микроколичеств железа, кобальта и никеля в природных во-

дах на основе исследования сорбционных свойств полимерного хелатообразующего сорбента - полистирол-азо-хромотроповой кислоты.

Экспериментальная часть

Исходные вещества. Стандартные растворы железа, кобальта и никеля с концентрацией 1 мг/мл готовили растворением точной навески спектрально чистых металлов в кислотах по методикам [4], серии рабочих растворов - последовательным разбавлением исходных бидистиллированной водой. Все реагенты имели квалификацию «ч.д.а.». Сорбент представляет собой тонкодисперсный порошок темно-коричневого цвета (содержание ФАГ равно 4,74 ммоль/г), нерастворимый в воде, кислотах, щелочах и органических растворителях. Сорбент в полистирольной матрице имеет предположительно следующий структурный фрагмент [5]:

CH2 CH-

HO OH

HO 3 S

SO 3 H

Аппаратура. Значения рН растворов измеряли универсальным иономером «Эксперт-001». Содержание ионов железа, кобальта и никеля определяли атомно-абсорбционным методом на спектрофотометре «АА8-Ш» («Карл Цейс, Йена») с трехщелевой горелкой при соответствующих для каждого элемента

n

резонансных длинах волн в пламени воздух - пропан. Перемешивание растворов осуществляли магнитной мешалкой «ММ-5».

Изучение зависимости степени извлечения ионов кобальта, никеля и железа от рН среды (рис. 1) показало, что максимальная сорбция ионов кобальта и никеля достигается в интервале значений рН 4^10, железа - рН 7^9.

Изотермы сорбции характеризуют зависимость сорбции ионов металлов от их равновесной концентрации Сравн. в растворе при оптимальных условиях. Форма начального участка (рис. 3) показывает, что изотерма сорбции ионов кобальта (II) и никеля (II) полистирол-азо-хромотроповой кислотой относится к классу Н [6], что свидетельствует о сильной адсорбции и низких равновесных концентрациях. Характер сорбции ионов железа (III) описывается изотермой класса S. Это свидетельствует о том, что сила взаимодействия между адсорбированными молекулами больше силы взаимодействия между растворенным веществом и сорбентом. При этом энергия активации возрастает, и совместная адсорбция описывается изотермой типа S. Формы изотерм также указывают на полимолекулярный характер сорбции.

Рис. 1. Зависимость степени извлечения ионов кобальта (1), никеля (2) и железа (3) полистирол-азо-хромотроповой кислотой от рН среды

Исходя из полученных данных, подобрана подходящая буферная система (ацетатный буфер), использование которой упрощает процесс установления рНопт. В последующих экспериментах оптимальные значения рН устанавливали уксусно-ацетатным буфером (рН 6,0).

Исследование зависимости степени извлечения от продолжительности контакта фаз показало, что полнота сорбции для ионов железа (III), кобальта (II) и никеля (II) достигается в течение 20, 15 и 30 мин (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость степени извлечения ионов кобальта (1), никеля (2) и железа (3) полистирол-азо-хромотроповой кислотой от продолжительности контакта фаз

Изучение влияния температуры на кинетику сорбции показало, что повышение температуры не оказывает существенного влияния на скорость взаимодействия рассматриваемых элементов с изучаемым сорбентом.

Рис. 3. Изотерма сорбции ионов кобальта (1), никеля (2) и железа (3) полистирол-азо-хромотроповой кислотой

Установлено также, что 2 М раствор соляной кислоты является достаточно эффективным элюентом для десорбции ионов железа (III), кобальта (II) и никеля (II).

Оптимальные условия группового концентрирования различных концентраций железа, кобальта и никеля устанавливали экспериментально с учетом найденных оптимальных условий сорбции ионов исследуемым сорбентом. Учитывали и взаимное влияние ионов элементов как при сорбции, так и при определении в концентрате. Для оценки способности сорбента к групповому концентрированию рассматривали полноту сорбции исследуемых ионов, влияние матричного состава раствора, повышение фонового сигнала при детектировании. Изучение влияния макрокомпонентов на полноту сорбции ионов исследуемых элементов показало, что количества, кратные 1104 - К+, №+, N03", С1-; 1103 - Са2+, Ыя2+, Ва2+, 8г2+, не влияют на полноту сорбции, что свидетельствует о достаточно высокой избирательности сорбции суммы ионов изучаемых элементов выбранным сорбентом.

На основе полученных данных нами разработана комплексная методика сорбционно-атомно-абсорбци-онного определения микроколичеств кобальта и никеля, правильность которой доказана на модельных растворах (табл. 1) и апробирована на воде Каспийского моря (г. Махачкала, район пляжа) (табл. 2).

Таблица 1

Проверка правильности сорбционно-атомно-абсорбционного определения железа, кобальта и никеля в модельных растворах (п = 5; р = 0,95)

Элемент Введено, мкг/л Найдено, мкг/л Sr

Fe (III) 100,00 99,22 + 1,67 0,03

Co (II) 10,00 9,88 + 0,28 0,03

Ni (II) 10,00 9,55 + 0,61 0,04

Таблица 2

Результаты определения железа, кобальта и никеля в образце воды Каспийского моря методом добавок (п = 5; р = 0,95)

Элемент Введено, мкг/л Найдено, мкг/л Sr

Fe (III) 0,00 91,50 + 2,35 0,04

50,00 141,2 + 2,92 0,04

Co (II) 0,00 6,85 + 0,42 0,04

10,00 16,96 + 0,55 0,04

Ni (II) 0,00 6,50 + 0,48 0,05

10,00 16,70 + 0,88 0,05

Ход анализа. К 2 л отфильтрованной от механических примесей анализируемой воды добавляют 12 мл разбавленной H2SO4 (1:1) и 2,0 г персульфата аммония для разрушения комплексов кобальта, никеля и железа с органическими примесями, содержащимися в природной воде. Пробу кипятят 10-15 мин и отстаивают в течение 1 ч. Избыток кислоты нейтрализуют добавлением 2 М раствора гидроксида натрия до рН и 6,0. Затем добавляют 0,3 г сорбента и ацетатный буферный раствор с рН 6,0. Его перемешивают на магнитной мешалке в течение 30 мин при t=20+5 оС. Анализируемую воду пропускают через хроматогра-фическую колонку со стекловатой для отделения системы сорбент-сорбат. Колонку промывют бидистил-лированной водой и десорбируют определяемые элементы 10 мл 2 М раствора HCl. Содержание определяемых компонентов контролируют методом атомно-абсорбционной спектроскопии при оптимальных условиях анализа рассматриваемых элементов.

Поступила в редакцию_

Разработанный метод группового концентрирования ионов железа, кобальта и никеля полистирол-азо-хромотроповой кислотой позволил с достаточной точностью (Sr = 0,03 - 0,05) определять содержание ионов элементов с концентрациями порядка n-10-3 мг/л в больших объемах проб вод сложного фонового состава. Предел обнаружения составляет 1,0-10-3мкг/мл.

Предлагаемая методика расширит ассортимент методик определения следовых концентраций железа, кобальта и никеля в различных водах. При сорбцион-ном концентрировании указанных элементов с использованием полистирол-азо-хромотроповой кислоты повышается чувствительность в среднем на порядок по сравнению с определением этих же элементов [7] с использованием наиболее часто практикуемого спектрофотометрического метода.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (госконтракт 14.740.11.08.03).

Литература

1. Органические реагенты и хелатные сорбенты в анализе минеральных объектов / Н.Н. Басаргин [и др.]. М., 1980. 190 с.

2. Концентрирование и атомно-абсорбционное определение кобальта (II) при анализе питьевых и природных вод полимерным хелатным сорбентом / Н.Н. Басаргин [и др.] // Диагностика материалов. 2008. Т. 74, № 9. С. 11-13.

3. Мясоедова Г.В., Саввин С.Б. Хелатообразующие сорбенты. М., 1984. 171 с.

4. Коростелев П.П. Приготовление растворов для химико-аналитических работ. М., 1962. 311 с.

5. Бабуев М.А. Сорбционно-атомно-абсорбционное определение Cu (II), Fe (III) и Zn (II) в природных водах с применением полимерных хелатных сорбентов : автореф. дис. ... канд. хим. наук. Махачкала, 2002. 22 c.

6. Салдадзе К.М., Копылова-Валова В.Д. Комплексооб-разующие иониты (комплекситы). М., 1980. 336 с.

7. Унифицированные методы анализа природных и сточных вод / под ред. Ю.Ю. Лурье. М., 1973. 326 с.

6 июля 2010 г.