CC BY
353
УДК 504.064.36
Р. М. Хатмуллина 1, В. И. Сафарова 1, А. Т. Магасумова 1, И. М. Китаева 1, Ф. Х. Кудашева 2, Е. М. Черных 2
Определение ряда фенолов в поверхностных и сточных водах методом ВЭЖХ с электрохимическим детектированием
1 Управление государственного аналитического контроля Минприроды РБ 450104, г. Уфа, ул. Российская, 21, е[email protected] 2 Башкирский государственный университет 450000, г. Уфа, ул. Фрунзе, 32
Подобраны оптимальные условия разделения фенолов на обращено-фазовой колонке с последующим определением высокоэффективной жидкостной хроматографией с электрохимическим детектором. В работе представлены сравнительные данные определения содержания летучих с паром фенолов фотометрическим методом и высокоэффективной жидкостной хроматографией.
Ключевые слова: ВЭЖХ, электрохимическое детектирование, фенольный индекс, фенолы.
Введение
В решении проблемы охраны окружающей среды и здоровья человека важное место занимают вопросы контроля чистоты водных бассейнов. Как правило, в основе заключения о степени загрязненности гидросферы и принимаемых мерах по ее снижению или ликвидации лежит аналитическая информация, позволяющая обосновать соответствующие выводы и дать оценку состояния водного объекта. В связи с этим является актуальным получение сведений о содержании загрязняющих веществ в воде.
Получаемые аналитические данные должны быть своевременными, достоверными как в качественном, так и в количественном аспектах, то есть должны адекватно отражать компонентный состав и содержание исследуемых веществ. Определяющую роль в получении такой информации играет выбор метода анализа. Так, одним из эффективных методов решения аналитических задач можно считать высокоэффективную жидкостную хроматографию (ВЭЖХ), позволяющую с высокой чувствительностью определять низкие количества загрязняющих веществ, используя различные типы детекторов.
Среди органических соединений, содержащихся в природных и сточных, в том числе очищенных, водах, особой токсичностью характеризуются фенолы и их производные 1.
Дата поступления 11.07.08
Фенолы условно разделяют на две группы: летучие с паром и нелетучие. Летучие с паром фенолы более токсичны, обладают более интенсивным запахом, чем нелетучие. Хлорпро-изводные фенола и крезолы имеют неприятный запах даже в самых малых концентрациях 2. В связи с этим при анализе вод в первую очередь выполняют измерение содержаний группы летучих фенолов («фенольного индекса») или ограничиваются определением только летучих фенолов, наиболее распространенным методом анализа которых является фотометрия. Этот метод может быть использован только для оценки суммарного содержания фенолов, однако во многих случаях такой подход нельзя считать удовлетворительным 3.
Цель данной работы заключалась в разработке методики измерения массовых концентраций фенолов в воде методом ВЭЖХ с электрохимическим детектором, использовании ее для идентификации фенолов, отгоняющихся с водяным паром, а также сопоставлении результатов анализа, полученных фотометрическим и хроматографическим методами.
Экспериментальная часть
Исследования выполняли на жидкостном хроматографе SHIMADZU LC-10 AD VP с ам-перометрическим детектором PROCEDE. Материал электрода ячейки — стеклоуглерод. Разделение компонентов проводили на колонке Wakosil C18 RS (150 х 2.0 мм, размер частиц 5 мкм). Температура термостатирования — 40 оС. Объем вводимой пробы — 20 мкл.
При подборе условий разделения были опробованы различные составы элюента (вод-но-ацетонитрильные смеси, подкисленные уксусной кислотой, смеси ацетонитрила и ацетатного буфера в различных соотношениях); программирование расхода элюента во времени; при выборе условий детектирования — варьирование потенциала рабочего электрода и чувствительности.
Эксперименты проводили с использованием следующих соединений: фенола, п-крезола, о-крезола, 2-хлорфенола, 2-нитрофенола, 2,4-диметилфенола (2,4-ксиленола), 2,6-диме-тилфенола (2,6-ксиленола), 2,4-дихлорфено-ла, 2-метоксифенола (гваякола) и их смесей.
Идентификацию фенолов проводили по временам удерживания. Концентрацию фенола и его производных находили с помощью градуировочной зависимости, построенной с использованием стандартных растворов. Коэффициенты корреляции для градуировочных графиков были не ниже 0.99.
Суммарное содержание летучих с паром фенолов определяли фотометрическим методом 4 после отгонки с водяным паром. Выполнение измерений концентрации фенолов в пробах воды методом ВЭЖХ проводили до и после отгонки с водяным паром.
Результаты и обсуждение
При подборе условий хроматографическо-го разделения фенолов было установлено, что использование подвижной фазы ацетонит-рил—вода—уксусная кислота (30 : 69.8 : 0.2) и элюирование со скоростью потока 0.45 см3/мин позволяет достичь разделения фенола, п-кре-зола, о-крезола, 2-хлорфенола и 2,4-дихлор-фенола. Однако в этих условиях не разделяются 2,4-диметилфенол, 2,6-диметилфенол и 2,4-дихлорфенол (табл. 1). Снижение содержания ацетонитрила в элюенте до 20% (объемн.) и варьирование скорости потока от 0.45 до 0.3 см3/мин ведет к нерациональному увеличению объемов удерживания хрома-тографируемых соединений и к размыванию хроматографических зон.
Таблица 2
Хроматографические параметры определяемых соединений
Время Исправлен- Удерживае- Исправлен- Фактор Фактор
Название удерживания ное время мый объем 3 V , см у к 7 ный объем удерживания разделе-
компонента , мин удерживания удерживания 3 V1, см у к ' к ния а
г!к, мин
фенол 3.987 2.632 0.997 0.658 1.942 1.140 1.490 1.095 1.064 1.210 1.146 1.036 1.326
2-метоксифенол 4.356 3.001 1.089 0.750 2.215
п-крезол 5.827 4.472 1.457 1.118 3.300
о-крезол 6.254 4.899 2.814 2.476 3.615
2-хлорфенол 6.569 5.214 2.956 2.617 3.848
2-нитрофенол 7.665 6.310 3.449 3.111 4.657
2,4-диметилфенол 8.586 7.231 3.864 3.525 5.337
2,6-диметилфенол 8.845 7.490 3.980 3.642 5.528
2, 4-дихлорфенол 11.287 9.932 5.079 4.740 7.330
Таблица 1
Время удерживания фенолов на колонке Wakosil ^8 RS
Наименование компонента Подвижная фаза
ацетонитрил— вода—уксусная кислота (30 : 69.8 : 0.2) ацетонитрил— ацетатный буфер, рН5 (30 : 70)
Фенол 2.913 2.860
2 - Метоксифенол 2.990 2.950
и-Крезол 4.573 4.430
о-Крезол 5.010 4.883
2-Хлорфенол 7.003 6.233
2-Нитрофенол 8.114 7.135
2, 4-Диметилфенол 11.630 8.150
2, 6-Диметилфенол 11.643 8.390
2, 4- Дихлорфенол 11.660 12.907
При использовании в качестве элюента смеси ацетонитрил — ацетатный буфер в объемном соотношении 30:70 достигается разделение всех компонентов смеси, кроме 2,4-диметилфенола и 2,6-диметилфенола. Увеличение содержания ацетонитрила в подвижной фазе повышает эффективность разделения 2,4- и 2,6-диметилфенолов, но при этом ухудшается разделение о-крезола и 2-хлорфенола.
Таким образом, использование в качестве элюентов смесей ацетонитрил—вода—уксусная кислота и ацетонитрил—ацетатный буфер не позволили провести разделение всех компонентов смеси на индивидуальные вещества. В связи с этим время удерживания фенола и его производных оптимизировали программированием скорости потока подвижной фазы во времени. В табл. 2 приведены хроматогра-фические характеристики этих соединений.
Для достижения наибольшей относительной чувствительности детектирования фенолов варьировали потенциал рабочего электрода в диапазоне от 0.8 до 1.2 V. Экспериментальные данные показали, что оптимальное значение соотношения сигнал/шум для исследуемых фенолов достигается при потенциале рабочего электрода 0.9 V; чувствительность детектирования — 10 пА. На рис. 1 представлена хроматограмма модельной смеси фенолов в выбранных условиях анализа.
Отработанная методика использована для определения фенолов в пробах природных и сточных вод. Полученные результаты приведены в табл. 3.
Из данных таблицы видно, что в сточных водах предприятий различного профиля обнаруживаются как фенол, так и его производные,
причем результаты определения индивидуальных фенолов методом ВЭЖХ и фенольного индекса могут значительно различаться. Так, в пробах воды, в которых зафиксированы большие концентрации нитро- и хлорфенолов, значение фенольного индекса было меньше, в связи с тем, что некоторые производные фенола не дают окрашенного соединения с 4-ами-ноантипирином 4. В воде же, отобранной из пруда, фенольный индекс значительно превышал суммарное содержание фенолов, вероятно, за счет веществ, которые в данной работе не исследовались.
Известно, что шра-производные фенолов не входят в число соединений, составляющих величину фенольного индекса, недостаточно изучено влияние на него производных с нитро-, нитрозо-, алкил-, арил-, бензоил и карбонильными группами 3' 4.
j| Insttumenl2 Method: Gradji met Dala: Fenol_Z]_flS_08_5-nflKphefH)ly-014 - [Detector D]
ID File Edit View Method Data Sequence Analysis Control Reports Window Help
|[lelec,0,D-j I j I ml |@| ~i~im ¿"M BiTl
Ш
Time a t^nje." - ífr-oleude ¿<H86í3eW[b
Dítf.tcr Ci
- EtnolJtJijB
Fenol J1 _Li ПЛК phenol j"C1J
Retention Time Afea Wsme
ESTD с once
FoiHet. plííí FT
2
Рис. 1 Хроматограмма разделения смеси фенолов: 1 — фенол; 2 — 2-метоксифенол; 3 — п-крезол;
4 — о-крезол; 5 — 2-хлорфенол; 6 — 2-нитрофенол; 7 — 2,4-диметилфенол; 8 — 2,6-диметилфенол;
9 — 2,4-дихлорфенол. Условия хроматографирования: колонка — Wakosil C18 RS; смесь ацетонитрила и ацетатного буфера в объемном соотношении35: 65, pH 5; программирование скорости потока элюента:
6 мин — 0.25 см3 /мин, 12 мин — 0.45 см3 /мин, 15 мин — 0.25 см3 /мин; чувствительность детектирования —
10 nA
Результаты анализа проб сточных и природных вод
Таблица 3
Место отбора Содержание, мг/дм3
ВЭЖХ «фе-нольный индекс»
фенол гваякол п- крезол о- крезол 2-хлор-фенол 2- нитрофенол 2,4-диметилфенол 2,6-диметил-фенол 2,4-дихлорфенол £ фенолов
Сточные воды производства пестицидов <0.0005 0.0049 0.0006 0.0007 0.0004 0.0396 <0.0005 <0.0005 0.0359 0.0821 0.006
Сточные воды текстильной промышленности 0.0048 <0.0005 0.0231 <0.0005 <0.00005 <0.0005 <0.0005 0.0029 <0.000 05 0.0308 0.004
Сточные воды пищевой промышленности 0.0003 <0.0005 0.0004 <0.0005 <0.00005 <0.0005 <0.0005 0.0011 <0.000 05 0.0018 0.003
Очищенные хозяйственно-бытовые воды 0.0036 <0.0005 0.0037 <0.0005 <0.00005 <0.0005 <0.0005 0.009 <0.000 05 0.0163 0.023
Сток с полигона ТБО 0.391 0.035 0.243 1.670 0.230 0.512 <0.0005 1.280 2.862 7.223 2.61
Отстойный пруд химического производства 0.0004 <0.0005 0.0002 <0.0005 <0.00005 <0.0005 <0.0005 <0.0005 <0.000 05 0.0006 0.016
р. Сутолока 0.0018 <0.0005 0.0025 <0.0005 <0.00005 <0.0005 <0.0005 0.0007 <0.000 05 0.005 0.002
р. Шугуровка 0.0014 <0.0005 0.0003 0.0006 0.0003 <0.0005 <0.0005 0.0009 <0.000 05 0.0035 0.001
В данной работе был проведен лабораторный эксперимент, целью которого было исследование влияния ряда фенолов, таких как 2-метоксифенол, 2-нитрофенол, 2-хлорфенол, 2,4-дихлорфенол, 2,4-диметилфенол, 2,6-ди-метилфенол, на значение фенольного индекса. Эксперимент проводили с использованием модельных растворов индивидуальных соединений. Для этого в бидистиллированную воду вносили известные количества каждого из перечисленных соединений и анализировали их содержание методом ВЭЖХ. Затем фенолы отгоняли с водяным паром и полученный отгон анализировали методами ВЭЖХ и фотометрии.
Результаты анализа модельных растворов приведены в табл. 4.
Как видно из результатов, полученных методом ВЭЖХ, содержание фенолов в модельных растворах до и после отгона различалось не более чем на 20%, на основании чего можно сделать вывод, что все исследуемые соединения являются летучими. Также следует подчеркнуть, что соответствие результатов анализа до и после отгона характеризует ВЭЖХ как надежный и, главное, оперативный метод определения фенолов, позволяющий получать аналитическую информацию без проведения пробоподготовки.
Анализ модельных растворов фотометрическим методом показал, что найденные концентрации п-крезола, 2,4-дихлорфенола, 2,4-диметилфенола и 2,6-диметилфенола были
Таблица 4
Результаты определения фенолов методами ВЭЖХ и фотометрии (п = 3)
Наименование ингредиента Введено, мкг / дм3 Найдено, мкг/дм3 Введено, мкг / дм3 Найдено, мкг/дм3
Фотометрия (отгон) ВЭЖХ (отгон) ВЭЖХ (до отгона) Фотометрия (отгон) ВЭЖХ (отгон) ВЭЖХ (до отгона)
фенол 4 3.2* 4.03 ± 0.85 4.09 ± 0.86 20 18.7** 20.4 ± 4.28 20.1 ± 4.22
2-метоксифенол 4 4.8 4.25 ± 1.61 4.02 ± 1.53 20 18.4 21.1 ± 8.01 19.5 ± 7.41
2-хлорфенол 4 5.0 3.87 ± 0.81 3.90 ± 0.82 20 22.1 20.4 ± 4.28 19.2 ± 4.03
2-нитрофенол 4 2.0 3.66 ± 1.39 4.44 ± 1.69 20 12.3 18.4 ± 6.99 19.8 ± 7.52
2, 4-диметилфенол 4 0.2 3.71 ± 1.26 3.87 ± 1.32 20 0.4 18.7 ± 6.35 18.9 ± 6.42
2,6-диметилфенол 4 0.1 4.06 ± 1.22 4.03 ± 1.21 20 0.2 20.5 ± 6.15 18.4 ± 5.52
2, 4-дихлорфенол 4 0.5 4.66 ± 1.39 4.25 ± 1.27 20 0.7 20.9 ± 6.27 19.1 ± 5.73
и-крезол 4 0.5 3.90 ± 0.97 3.82 ± 0.95 20 1.0 18.1 ± 4.52 19.2 ± 4.8
о-крезол 4 2.9 3.85 ± 0.96 3.74 ± 0.93 20 15.4 19.1 ± 4.77 21.1 ± 5.27
* — погрешность определения «фенольного индекса» в данном диапазоне концентраций составляет ±47% ** — погрешность определения «фенольного индекса» в данном диапазоне концентраций составляет ±25%
в 8—40 раз меньше внесенных. По-видимому, это объясняется тем, что указанные вещества не образуют окрашенного соединения с 4-ами-ноантипирином и не влияют на значение фе-нольного индекса.
Определение фенольного индекса, как и любого другого обобщенного показателя, несомненно, является доступным и рациональным методом получения сведений о содержании в воде соединений сходного поведения, в данном случае способных в определенных условиях образовывать окрашенные соединения с 4-аминоантипирином. Однако в группу этих соединений, по-видимому, могут входить вещества, не принадлежащие к классу фенолов, поэтому в некоторых случаях значение фенольного индекса не отражает суммарного содержания фенолов и не позволяет получить реальную картину состояния загрязненности
воды указанными токсикантами. В связи с этим представляется актуальной расшифровка фенольного индекса, для чего необходимо проведение дальнейших исследований по установлению перечня компонентов, его составляющих.
Литература
1. Харлампович Г. Д., Чуркин Ю. В. Фенолы.-М.: Химия., 1974.- 376 с.
2. Сенявин М. М., Белоусова М. Я., Сафронова И. С., Авгуль Т. В., Шлепина И. М. // ЖАХ.- 1980.- Т. XXXV.- № 6.- С. 12241233.
3. Лурье Ю. Ю. Аналитическая химия промышленных сточных вод.- М.: Мир, 1984.
4. ПНД Ф 14.1:2.105-97. Методика выполнения измерений суммарного содержания летучих фенолов в пробах природных и очищенных сточных вод экстракционно-фотометрическим методом после отгонки с водяным паром.
