CC BY
14Chemical Journal of Kazakhstan
Volume 4, Number 80(2022), 79-88 https://doi.org/10.51580/2022-3/2710-1185.96
УДК 543.552.054.1
DETERMINATION OF THE METAL IONS CONCENTRATION IN THE SOLUTIONS, USING A VOLTAMMETRIC ANALYZER
B. Ye. Begenova1, K.Kh. Khakimbolatova2, N. V. Ostafeychuk1'
M. Kozybayev North Kazakhstan University NLP, Petropavl, Kazakhstan 2A.B. Bekturov Institute of Chemical Sciences JSC, Almaty, Kazakhstan E-mail: [email protected]
Abstract. Introduction. Ion exchange materials are successfully used for solving a number of practical problems, such as the creation of the waste-free technology-based production processes, industrial wastewater treatment, rational natural resources and environmental protection use. The study of the physicochemical and sorption characteristics is required for the determination of the promising areas of application of ion exchangers. However, chemical research methods are laborious, and atomic absorption spectroscopy is not always available. The goal of this work is to find and use available methods, which do not require complex technological equipment for the determination of metal ions concentration in the solutions, finding the actual areas of practical application of the voltammetric analyzer "Ecotest BA". Methodology. Stripping voltammetric determination of metal ions by the addition method has been used to determine the equilibrium concentrations of metal ions in the analyzed solutions, which participate in the reversible chemical exchange reaction until a state of dynamic equilibrium is reached. The main point of this method is that first, a polarogram of the background solution is taken, hereafter referred to as the test solution, a certain amount of the standard solution with the known concentration of the determined ion is added, and the polarogram is taken again. By determining the wave heights of the initial and final solution, the concentration of the metal ion after the sorption is calculated, using the formula. Results and discussion. The methods of determining the concentration of non-ferrous metal ions have been developed and used on the voltammetric analyzer "Ecotest BA", which is a real economical alternative to the expensive methods of analysis. Stripping voltammograms of samples, which contain cadmium and copper, zinc, lead cations; vanadate ion, molybdate ion have been constructed. The ions concentrations in the equilibrium solutions after the sorption are calculated under the static conditions, polyfunctional anion exchangers in the OH form based on reactive epoxy compounds and some amines. Conclusion. The stripping voltammetric method is convenient for studying the complexing properties of the sorption and ion-exchange materials; it also allows one to determine several metals without their preliminary separation resorting.
Key words: voltammetric analyzer, voltammogram, electrode, background solution, addition method, metal ions concentration
Citation: B.Ye. Begenova, K.Kh. Khakimbolatova, N.V. Ostafeychuk. Determination of the metal ions concentration in the solutions, using a voltammetric analyzer. Chem. J. Kaz., 2022, 4(80), 79-88. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.51580/2022-3/2710-1185.96
Begenova Bakhyt Yestekenovna Doctor of Chemical Sciences, Associate Professor,
e-mail: [email protected]
Khakimbolatova Kamila PhD in Chemistry, associate professor,
Khakimbolatovna e-mail: ics [email protected]
Ostafeychuk Natalya Vladimirovna Master Degree in Chemistry,
e-mail: [email protected]
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ИОНОВ МЕТАЛЛОВ В РАСТВОРАХ ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
Б.Е. Бегеноеа1, К.Х. Хакимболатоеа2, Н.В. Остафейчук1'
'НАО Северо-Казахстанский университет имени М.Козыбаева, Петропавловск, Казахстан 2АО Институт химических наук имени А.Б. Бектурова, Алматы, Казахстан E-mail: [email protected]
Резюме: Введение. Для решения актуальных практических задач создания безотходной технологии производственных процессов, очистки промышленных сточных вод, рационального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды успешно применяются ионообменные материалы. Для определения перспективных областей использования ионитов требуется исследование их физико-химических и сорбционных характеристик, однако химические методы исследования весьма трудоемки, а атомно-абсорбционная спектроскопия не всегда доступна. Цель. Поиск и использование доступных, не требующих сложного технологического оборудования, экономичных методов определения концентрации ионов металлов в растворах, отличающихся быстротой аналитического контроля и высокой чувствительностью, позволяющей исследовать микродозы веществ. Нахождение актуальных областей практического применения вольтамперометрического анализатора «Экотест ВА». Методы. Для определения равновесных концентраций ионов металлов в анализируемых растворах, то есть участвующих в обратимой химической реакции обмена до достижения состояния динамичного равновесия, использовали инверсионно-вольтамперометрическое определение ионов металлов методом добавок. Суть данного метода заключается в том, что сначала снимают полярограмму фонового раствора, далее -исследуемого раствора, затем добавляют определенное количество стандартного раствора с известной концентрацией определяемого иона и вновь снимают полярограмму. Определяя высоты волн первоначального и конечного раствора, по формуле рассчитывают концентрацию иона металла после сорбции. Результаты и обсуждение. Отработана и использована методика определения концентрации ионов цветных металлов на анализаторе вольтамперометрическом (полярограф) «Экотест ВА», который является реальной экономичной альтернативой дорогостоящим методам анализа. Построены инверсионные вольтамперограммы модельных растворов, содержащих катионы кадмия и меди; цинка, кадмия, свинца; ванадат-ион; молибдат-ион. Рассчитаны концентрации ионов в равновесных растворах после сорбции в статических условиях полифункциональными анионитами в ОН-форме на основе реакционноспособных эпоксидных соединений и некоторых аминов. Заключение. Инверсионно-вольтамперометрический метод удобен при исследовании сорбционных и комплексообразующих свойств ионообменных материалов, позволяет определять концентрации ионов нескольких металлов, не прибегая к предварительному их разделению.
Ключевые слова: вольтамперометрический анализатор, вольтамперограмма, электрод, фоновый раствор, метод добавок, концентрация ионов металлов.
Бегеноеа Бахыт Естекеноена доктор химических наук, доцент
Хакимболатоеа Камила кандидат химических наук,
Хакимболатоена ассоциированный профессор
Остафейчук Наталья магистр химии
Владимировна
1. Введение
В решении актуальных экологических проблем необходимо контролировать содержание тяжелых металлов и других вредных для здоровья соединений в объектах окружающей среды, продуктах питания и кормах. Для осуществления этих задач удобен инверсионно-вольтамперометрический метод с применением универсального анализатора «Экотест-ВА», который позволяет проводить измерения без использования жидкой ртути. Достоинством данного измерительного прибора является возможность проводить большое число измерений одновременно, обнаруживать незначительное содержание веществ (С^ РЬ - 0,05 мкг/дм3), проводить анализ смеси без разделения на отдельные компоненты, отсутствие сложного технологического оборудования.
2. Экспериментальная часть [1-5]
В работе использовали угольный, хлорсеребряный и вспомогательный -платиновый электроды.
В работе используются растворы:
Фоновые растворы: 0,1 М NN03; 1М ШБ04
Исходные растворы
1 Растворы Си(Ы0з)2 с концентрацией Си 1.5 г/л и CdCl2 с концентрацией Сd 1 г/л
2 Растворы 2и(Ы0з)2 с концентрацией 2п 1 г/л, CdCl2 с концентрацией Cd 1 г/л и РЬ(Ы0з)2 с концентрацией РЬ 1.5 г/л.
3 Раствор метаванадата аммония (ЫН^0з) с концентрацией V 3 г/л.
4 Раствор молибдата натрия (Ыа2Мо04) с концентрацией Мо 3 г/л/
Ход определения. В работе использовали полифункциональные
аниониты в ОН-форме, синтезированные на основе эпоксидных соединений и некоторых аминов. Содержание определяемых элементов в исследуемых образцах измеряли методом добавок. В полярографическую ячейку вносим 20 мл фонового раствора и снимаем вольтамперограмму фона. Далее снимаем вольтамперограмму исходного раствора с известной концентрацией. Затем снимаем вольтамперограмму раствора неизвестной концентрации после сорбции.
Концентрацию ионов после сорбции рассчитываем по формуле:
^ _ 1х+доб • Удоб • Сдоб
1х - высота волны (пика) на вольтамперограмме исходного раствора, мкА;
1х+доб - высота волны (пика) на вольтамперограмме после добавки, мкА;
^^доб - объем добавленного раствора определяемого компонента, мл;
V - объем анализируемого раствора, включая объем фонового раствора,
мл;
Сдоб - концентрация исходного раствора, г/ л.
Можно использовать упрощенный вид формулы для определения концентрации:
^ _ ^х+доб• Сдоб г
С--;--Сдоб (2-2)
1х
При соблюдении требований по квалификации реактивов и использовании чистой посуды и электродов в фоновом растворе должны отсутствовать пики (рисунок 1, кривые 1 и 2). Сначала снимают вольтамперограмму фона, которая не должна содержать пики. Для этого используемые растворы и химическая посуда должны быть идеально чистыми. В последующем при исследовании образцов кривая фона вычитается автоматически.
Рисунок 1 - Вольтамперограммы с неподготовленной (1) и подготовленной (2) поверхностью электрода
3. Результаты и обсуждение
Для определения концентрации цветных металлов в образцах использовали метод добавок [6]. Для этого сначала регистрируют вольтамперограмму анализируемого раствора, затем делают добавку
стандартного раствора определяемого иона с точно известном концентрацией и снимают вольтамперограмму при той же чувствительности полярографа. Определяя высоты волн первоначального и конечного растворов, легко рассчитать концентрацию исследуемого раствора, используя формулу (2.1)
А) Раствор, содержащий катионы меди и кадмия (таблица 1, рисунок 2):
6.39 мкА-1 мл-1 г/л
C(Cd2+) = С(Си2+) =
9.04 мкА-1 мл+(9.04 мкА-6,39 мкА>21 мл 9.25 мкА-1 мл-1.5 г/л
10.85 мкА-1 мл+(10,85 мкА-9.25 мкА>21 мл
Таблица 1 - Концентрация металла (г/л) в растворе, содержащем Cd2+ и Cu2+
= 0.099 г/л
= 0.312 г/л
Растворы CdCl2 Cu(NO3)2
Исходный раствор, г/л 1.000 1.500
Раствор после сорбции, г/л 0.099 0.312
19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2
-800 -700 -600
-500
-400 -300 -200 -100 Потенциал, мВ
100
200
Рисунок 2 - Анодная инверсионная вольтамперограмма образца, содержащего катионы Cd^ Cu2+
0
Б) Раствор, содержащий катионы цинка, кадмия и свинца:
11.39 мкА-1 мл-1 г/л
С(£п ) =-= 0 097 г /л
4 7 16.21 мкА-1 мл+(16.21 мкА-11.39 мкА)-21 мл
10.55 мкА-1 мл-1 г/л
С(Сй2+) =-= 0 440 г/л
4 7 11.16 мкА-1 мл+(11,16 мкА-10.55 мкА)-21 мл
15.53 мкА-1 мл-1.5 г/л
С(РЬ2+) =-= 0 599 г/л
4 7 16.59 мкА-1 мл+(16.59 мкА-15.53 мкА)-21 мл
Таблица 2 - Концентрация металла (г/л) в растворе, содержащем 2п2+, РЬ2+
Растворы 2пСЫОз)2 сась РЬСШз)2
Исходный раствор, г/л 1.000 1.000 1.500
Раствор после сорбции, г/л 0.097 0.440 0.599
Потенциал, мВ
Рисунок 3 - Анодная инверсионная вольтамперограмма образца, содержащего катионы 2п2, С^+, РЬ2+
В) Раствор, содержащий ванадат - ионы:
0.72 мкА-1 мл-3 г/л C(V) = 0.74 мкА-1 мл+(0.74 мкА-0.72 мкА>21 мл = 1 862 г/л
Таблица 3 - Концентрация металла в растворе, содержащем VO3'
NH4VO3 V, г/л
Исходный раствор, г/л 3.000
Раствор после сорбции, г/л 1.862
У
105 1 10 115 120 125 130 135 140 145 150 155 160 165 170 175 180 185 190 195
Потенциал, мВ
Рисунок 4 - Анодная инверсионная вольтамперограмма образца, содержащего анионы VO-3
Г) Раствор, содержащий молибдат - ионы:
0.19 мкА-1 мл- 3 г/л
C(Mo) =
0.20 мкА-1 мл+(0.20 мкА-0.19 мкА>21 мл
=1.390 г/л
V
Таблица 4 - Концентрация металла в растворе, содержащем MoO42-
Na2MoO4 Mo, г/л
Исходный раствор, г/л 3.000
Раствор после сорбции, г/л 1.390
Потенциал, мВ
Рисунок 5 - Анодная инверсионная вольтамперограмма образца, содержащего анионы MoO42-
4. Заключение
Таким образом, для определения равновесных концентраций ионов металлов в растворах использован полярографический метод анализа [2], отличающийся быстротой и точностью, не требующий сложного технологического оборудования. Данный метод удобен при исследовании сорбционных и комплексообразующих свойств ионообменных материалов, т.к. отличается быстротой аналитического определения и высокой чувствительностью, позволяющей определять малые количества исследуемых веществ. Достоинством метода инверсионной вольтамперометрии является также возможность одновременно вести определение нескольких металлов, не прибегая к предварительному их разделению [2].
Конфликт интересов: Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов между авторами, требующего раскрытия в данной статье.
ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИЯЛЫК; АНАЛИЗАТОР ЦОЛДАНУ АРЦЫЛЫ ЕР1Т1НД1ЛЕРДЕН МЕТАЛЛ ИОНДАРЫ КОНЦЕНТРАЦИЯЛАРЫН АНЬЩТАУ
Б.Е. Бегеноеа1, К.Х. Хакимболатоеа2, Н.В. Остафейчук1'
'М. Козыбаев атындагы СолтYстiк Казахстан ynrnepcumemi КеАК, Петропавл, Казацстан 2А.Б.Бект^ров атындагы Химия гылымдары институты АК, Алматы, Казацстан E-mail: [email protected]
Туйшдеме. Kipicne. Ионалмастыргыш материалдар eндiрiстiк процестердщ калдьщсыз технологиясын куру, енеркэсштж агынды суларды тазарту, табиги ресурстарды утымды пайдалану жэне коршаган ортаны коргау сиякты бiркатар eзектi пракгикалык мэселелердi шешу Yшiн табысты колданылады. Ионалмастыргыштарды колданудыц перспективтi багыттарын аныктау Yшiн олардыц физика-химиялык жэне сорбциялык сипаттамаларын зерттеу кажет, алайда химиялык зерттеу эдiстерi кеп ецбекп кажет етед^ ал атомдык-абсорбциялык спектроскопия эркашан кол жетiмдi емес. Мацсаты. Ертндшердеп металл иондарыныц концентрациясын аныктаудыц колже^мд^ KYрделi технологиялык жабдыкты кажет етпейтш, Yнемдi, аналитикалык бакылау жылдамдытымен жэне заттардыц микродозаларын зерттеуге MYMкiндiк беретш жотары сезiмталдыFымен ерекшеленетiн эдiстерiн iздеу жэне пайдалану. «Экотест ВА» вольтамперометриялык анализаторын практикалык колданудыц eзектi салаларын табу. Эдктер. Талданатын ерiтiндiлердегi, яFни динамикалык тепе-тецдiк KYЙiне жеткенше кайтымды химиялык алмасу реакциясына катысатын, металдар иондарыныц тепе-тецдж концентрацияларын аныктау Yшiн косу эдiсiмен инверсиялык-вольтамперометриялык аныктау колданылды. Бул эдiстiц мэнi мынада: алдымен фон ерiтiндiсiнiц, содан кейiн зерттелетш ерiтiндiнiц полярограммасы алынады, содан кешн аныкталатын ионныц белгiлi концентрациясы бар стандартты ерiтiндiнiц белгiлi бiр мeлшерi косылады жэне кайтадан полярограмма алынады. Бастапкы жэне соцFы ерiтiндiнiц толкын биiктiктерiн аныктау аркылы сорбциядан кешнп металл ионыныц концентрациясы формула бойынша есептеледi. Нэтижeлepi мен талцылау. «Экотест ВА» вольтамперометриялык анализаторда (полярограф) т^ст металл иондарыныц концентрациясын аныктау эдютемес эзiрлендi жэне пайдаланылды, ол кымбат талдау эдiстерiне накты Yнемдi балама болып табылады. Кдоамында кадмий жэне мыс катиондары; мырыш, кадмий, корFасын; ванадат-ионы; молибдат ионы бар Yлгiлердiц инверсиялык вольтамперограммалары курастырылды. Тепе-тецдiк ертндшершдеп иондардыц концентрациясы реакция кабiлеттi эпоксидт косылыстар мен кейбiр аминдер непзшдеп ОН-TYрiндегi полифункционалды анионалмастырFыштармен статикалык жаFдайда сорбциядан кейiн есептелiндi. Корытынды. Инверсиялык-вольтамперометриялык эдiс ионалмастырFыш материалдардыц сорбциялык жэне кешешузу касиеттерiн зерттеуде ыцFайлы, сонымен катар бiрнеше металдарды алдын ала белмей-ак аныктауFа MYMкiндiк бередi.
Туйш сездер: вольтамперометриялык анализатор, вольтамперограмма, электрод, фондык ерiтiндi, косу эдiстерi, металл иондары концентрациялары
Бегеноеа Бахыт Естекенцызы химия гылымдарыныц докторы, доцент
Хакимболатоеа Камила химия гылымдарыныц кандидаты,
Хатмболаткыгзы цауымдастырылган профессор
Остафейчук Наталья химия магиcтpi
Владимировна
Список литературы:
1.Будников Г. К., Майстренко В.Н., Вяселев М. Р. Электрохимические методы анализа. - М.: Бином, 2003. C. 370-378. https://bik.sfu-kras.ru/elib/view?id=BOOK1-54/E%2090-567979
2.Выдра Ф И., Штулик К.П., Юлакова Э.А. Инверсионная вольтамперометрия. - М.: Мир, 2000. - 265 с. https://search.rsl.ru/ru/record/01001007945
3.Crow D. R. Principles and Applications of Electrochemistry // S. Acad. Prof. - 2004. 4th. - P. 124 - 129. https://doi.org/10.1201/9780203742211
4.Wang, B. Zhang, J. Cheng, G. Dong. Amperometric enzyme electrode for the determination of hydrogen peroxide based on sol-gel/hydrogel composite film // S. Anal. Chim. Acta. - 2000. - Vol. 407. -P. 111-118. DOI: 10.1016/S0003 -2670(99)00778-3
5.Хенце Г. Полярография и вольтамперометрия. Теоретические основы и аналитическая практика - 2-е изд. - М.: БИНОМ., 2014.- 398 с.
https://www.studentlibrary.ru/book/ISBN9785001015093.html
6.Ярышев Н.Г., Панкратов Д.А., Токарев М.И., Камкин Н.Н., Родякина С.Н. Физические методы исследования и их практическое применение в химическом анализе. - М.: Прометей, 2012.420 с. https://www.studentlibrary.ru/book/ISBN9785990613461.html
References
1.Budnikov G. K., Maystrenko V.N., Vyaselev M.R. Electrochemical methods of analysis, Binom, 2003, 370-378, (in Russ) https://bik.sfu-kras.ru/elib/view?id=B00K1-54/E%2090-567979
2.Vydra F.I., Shtulik K.P., Yulakova E.A. stripping voltammetry. - M.: Mir, 2000. - 265, (in Russ) https://search.rsl.ru/ru/record/01001007945
3.Crow D. R. Principles and Applications of Electrochemistry // S. Acad. Prof. - 2004. 4th., 24 -129, (in Eng) https://doi.org/10.1201/9780203742211
4.Wang, B. Zhang, J. Cheng, G. Dong. Amperometric enzyme electrode for the determination of hydrogen peroxide based on sol-gel/hydrogel composite film // S. Anal. Chim. Acta. - 2000. - Vol. 407., 111-118, (in Eng.) DOI: 10.1016/S0003-2670(99)00778-3
5.Henze G. Polarography and voltammetry. Theoretical foundations and analytical practice. 2nd ed. M.: Binom, 2014. 398, (in Russ) https://www.studentlibrary.ru/book/ISBN9785001015093.html
6.Yaryshev N.G., Pankratov D.A., Tokarev M.I., Kamkin N.N., Rodyakina S.N. Physical research methods and their practical application in chemical analysis. - M.: Prometheus, 2012.- 420, (in Russ) https://www.studentlibrary.ru/book/ISBN9785990613461.html
