Эффективность применения дистилляционного метода концентрирования в целях снижения порога определяемой концентрации загрязняющих веществ в воде

Тумаева Е.В.; Ахметова Т.И.

УДК 543.05

Е. В. Тумаева, Т. И. Ахметова ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ДИСТИЛЛЯЦИОННОГО МЕТОДА КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ В ЦЕЛЯХ СНИЖЕНИЯ ПОРОГА ОПРЕДЕЛЯЕМОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В ВОДЕ

Ключевые слова: анализ воды, концентрирование.

Представлены результаты литературных исследований о применении дистилляционного метода концентрирования органических загрязняющих веществ при анализе воды. На примерах методик определения акрилонитрила, ацетонитрила, метанола показана эффективность способа в целях обеспечения требуемого уровня порога определяемой концентрации вредных примесей.

Keywords: water analysis, concentrating.

The results of literary studies on the application of the distillation method, the concentration of organic pollutants in water. Examples of methods of determination of acrylonitrile, metilcianid, methanol is shown effective ways to ensure the required level of the threshold determined by the concentration of harmful impurities.

Потребности контроля объектов окружающей среды заставляют аналитиков обнаруживать и определять содержание веществ во все более низких концентрациях и в более сложных матрицах. В ряде случаев обеспечение обнаружения загрязняющих веществ на уровне нормируемых концентраций доступными для производственных лабораторий методами достигается лишь при использовании эффективных способов

пробоподготовки - предварительного

концентрирования и выделения определяемых веществ [1].

Среди множества методов

концентрирования, благодаря простоте и доступности исполнения, практический интерес представляют дистилляционные, физическую основу которых составляет парообразование, т.е. переход вещества из конденсированной фазы в газообразную. До недавнего времени в практике аналитической химии дистилляцию и ректификацию применяли в основном в препаративных целях. Из примеров применения дистилляционных методов в анализе отмечен прием упаривания растворов с целью концентрирования нелетучих примесей и вакуумная дистилляция для выделения термически нестойких компонентов при анализе органических веществ, например, для выделения примесей, определяющих запах пищевых продуктов [2].

В настоящей работе приведены результаты литературных исследований о применении дистилляционного метода концентрирования ряда специфических загрязняющих веществ -акрилонитрила, ацетонитрила и метанола в санитарном контроле водных объектов, расположенных вблизи нефтехимических предприятий.

Актуальность проблемы наглядно показывают чрезвычайно низкие значения допустимой концентрации загрязняющих веществ в контролируемой воде, которые в несколько раз ниже, чем нижний предел определяемой

концентрации методик анализа, не предусматривающих стадию концентрирования.

Акрилонитрил (нитрил акриловой кислоты, 2-пропеннитрил, винилцианид) СИ2 = CHCN, бесцветная жидкость с резким запахом; т. кип. 77,3° С; образует азеотропную смесь с водой (87,5 % А, т. кип. 70,5оС); Объектами аналитического контроля за содержанием акрилонитрила являются сточные воды многих нефтехимических и химико-фармацевтических предприятий, производства пластмасс, синтетического каучука, смол, красителей синтетических волокон, пестицидов.

ПДК акрилонитрила в воде рыбохозяйственных водоемов, а так же в сточной воде, направляемой после очистки на биологических очистных сооружениях в водоемы

рыбохозяйственного назначения, составляет 0,01 мг/дм3. Отсюда, с учетом требования ГОСТ 8.556, нижняя граница диапазона значений определяемого компонента выбранной методики должна быть не выше 0,005 мг/дм3 [3,4].

Обеспечение соответствия нижнего предела измерения (чувствительности) методики такому низкому значению концентрации загрязняющего вещества является важной и проблемной задачей аналитического контроля водных объектов.

Для определения акрилонитрила в сточных водах, характеризуемых многокомпонентностью загрязняющих веществ, разработана методика, основанная на газовой хроматографии с использованием хроматографа Кристал Люкс 4000М с высокоэффективной капиллярной колонкой и с пламенно-ионизационным детектором. Нижний предел измерения методики на уровне 0,25 мг/дм3. Требуемый уровень нижнего предела измерения (0,005 мг/дм3) достигнут благодаря проведению предварительного концентрирования акрилонитрила методом дистилляции, с отбором первой порции дистиллята, составляющей 2 % от первоначального объема пробы воды (из 500 см3 анализируемой воды получают 10 см3 дистиллята). Массовую концентрацию акрилонитрила рассчитывают с

использованием коэффициента концентрирования, установленного по результатам анализа растворов с концентрациями акрилонитрила от 0,005 до 0,10 мг/дм3 в условиях предложенной методики. Показано, что разработанная методика соответствует предъявленным к ней метрологическим требованиям [3].

Концентрирование методом дистилляции использовано также в методике определения акрилонитрила в полистироле. Из 200 см3 водной вытяжки полистирола отгоняют 24 см3 дистиллята, затем измеряют оптическую плотность дистиллята на спектрофотометре при длине волны Х195 нм [5].

Ацетонитрил (метилцианид, этаннитрил, метан цианистый, нитрил уксусной кислоты) СИ3СЫ, бесцветная жидкость с резким запахом; т. кип. 81,6° С; образует азеотропную смесь с водой (83,7 % А, т. кип. 76,5оС). Объектами аналитического контроля за содержанием ацетонитрила являются сточные воды многих нефтехимических и химических предприятий: синтетического каучука, мономеров СК, органического стекла, акрилонитрила, красителей, химико-фармацевтических производств,

сланцеперерабатывающих производств и др.

ПДК ацетонитрила в воде рыбохозяйственных водоемов, а также в сточной воде, направляемой после очистки на биологических очистных сооружениях в водоемы

рыбохозяйственного назначения, составляет 0,7 мг/дм3. Отсюда, нижняя граница диапазона значений определяемого компонента выбранной методики должна быть не выше 0,35 мг/дм3. Селективность определения при относительно не больших затратах времени на выполнение анализа достигнуты применением метода газовой хроматографии с применением сорбента 1,2,3-трис-(Р-цианэтоксипропана) на пенодиатомитовом кирпиче фракции 0,16^0,25 мм. При этом требуемый уровень нижнего предела определяемой концентрации достигнут благодаря

предварительному концентрированию ацетонитрила методом дистилляции на установке, состоящей из круглодонной колбы, дефлегматора, длиной 25^30 см, холодильника и приемника. Полученный дистиллят, объем которого составляет 5-7 % от объема взятой пробы, хроматографируют и вычисляют содержание ацетонитрила с учетом коэффициента концентрирования, определенного путем анализа в аналогичных условиях серии искусственных смесей с концентрациями ацетонитрила от 0,2 до 2,0 мг/дм3. Отмечается, что предложенные условия концентрирования позволили снизить минимально определяемую концентрацию в 15-17 раз. В результате метрологической исследований установлено, что границы относительной погрешности результатов измерений при доверительной вероятности 0,95 не превышают 22 % в интервале концентраций от 0,2 до 2,0 мг/дм3, что соответствует требованию ГОСТ 8.556. [6]

Метанол (метиловый спирт, карбинол, древесный спирт) СН3ОН, бесцветная летучая

жидкость, температура кипения 64,51 оС, - сильный, преимущественно нервный и сосудистый яд с резко выраженным кумулятивным эффектом. Метанол содержится в сточных водах предприятий основного органического синтеза, производства

синтетического каучука, пластмасс, искусственных и синтетических волокон, лаков и красок, лекарственных препаратов, ионообменных смол, нефтехимических, лесохимических,

сульфатцеллюлозных и др. производств. ПДК метанола в воде рыбохозяйственных водоемов составляет 0,1 мг/дм3. Требуемое значение нижней границы диапазона определяемых концентраций компонента по выбранной методике должно быть не выше 0,05 мг/дм3. Метанол (в отличие от акрилонитрила и ацетонитрила) с водой не образует азеотропной смеси. Температура кипения водных растворов метанола закономерно увеличивается при повышении концентрации воды и давления. Температура кипения водных растворов метанола: Метанол, % моль; Т.кип.

760 мм.рт.ст. °С 0 100 5 92,8

10 88,3

В аналитическом контроле химически загрязненных сточных вод производства изопрена диоксановым методом для определения метанола используют хроматографический метод.

Исследуемую пробу вносят в колбу для перегонки, добавляют раствор серной кислоты в количестве, необходимом для обеспечения концентрации в перегоняемой смеси с (1/2 И2804) = 0,002 моль/дм3, устанавливают дефлегматор длиной 20^25 см и подвергают перегонке с отбором отгона, составляющего 6-7 % от объема перегоняемой жидкости. Для устранения мешающего влияния присутствующих органических примесей отгон трижды отмывают гексаном или нефрасом, и отмытый отгон хроматографируют с использованием насадочной колонки, заполненной диатомитом, модифицированным 1,2,3-трис-(бета-цианэтокси) пропаном, с нанесенной стационарной фазой, приготовленной путем последовательного термостатирования глицерина по 4 ч при температурах комнатной, 100°С; 130°С; 160°С; 200°С, затем 8 ч при температуре 230°С и 40 ч при температуре 200°С при барботировании азотом [7].

Содержание метанола в воде (Х, мг/дм3) рассчитывают по формуле:

х = К ■5

Кк

где Кг - градуировочный коэффициент, установленный путем хроматографирования растворов метанола в воде с точно известной концентрацией (например, 1,0; 2,5; 5,0 мг/дм3), в аналогичных условиях; 8 - площадь пика метанола; Кк - коэффициент концентрирования, установленный путем анализа растворов метанола в воде с концентрацией 0,1; 0,25; 0,50 мг/дм3, в предложенных условиях анализа.

Показано, что в предложенных условиях дистилляции достигается ~14-кратное повышение

концентрации метанола в отгоне. Набором данных в описанных условиях установлено, что границы относительной случайной погрешности измерения в диапазоне концентраций от 0,07 до 0,5 мг/дм3, при доверительной вероятности 0,95, не превышают ±15%.

Таким образом, результаты литературных исследований показывают, что дистилляционный метод концентрирования является эффективным и доступным инструментом снижения порога определяемой концентрации ряда специфических загрязняющих веществ в воде, что чрезвычайно важно для получения достоверной информации об их содержании на уровне микроколичеств, а следовательно, для принятия мер по повышению экологической безопасности производств.

Литература

1. Ахметова, Т. И. Разработка и совершенствование методик контроля для оценки экологической ситуации на нефтехимическом производстве: дис. канд. хим. наук: 02.00.02 / Танзиля Имамовна Ахметова; Каз. гос. технолог. ун-т. - Казань, 1999. - 192с.

2. Методы разделения и концентрирования в аналитической химии /Л.Н.Москвин, Л.Г. Царицына. -Л.: Химия, 1991. - 256 с.

3. Т.И. Ахметова, Г. В. Кияненко, Л.Я. Гатиятуллина, Я.М. Султанова // Вестник Казанского технологического университета, 2013. - №12. - С. .31-34.

4. Е. В. Рыжова, А.А. Мухутдинов, В.В. Рыжов//Вестник Казанского технологического университета, 2003. - №1. - С.389-398.

5. МУК 2.3.3.052-96 Санитарно-химическое исследование изделий из полистирола и сополимеров стирола. Методические указания. Госкомэпиднадзор России. М.1996.

6. Патент 2105303.

7. Патент № 2273850.

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Тумаева Е.В., Ахметова Т.И.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Тумаева Е.В., Ахметова Т.И.