CC BY
24
Сведения об авторах
Шибека Людмила Анатольевна
кандидат химических наук, доцент, Белорусский государственный технологический университет, г. Минск, Республика Беларусь, Shibekal@mail.ru Протас Маргарита Владимировна
студентка, Белорусский государственный технологический университет, г. Минск, Республика Беларусь Shibeka Ludmila Anatolevna
PhD (Chemistry), Associate Professor, Belarusian State Technological University, Minsk, Republic of Belarus, Shibekal@mail.ru Protas Margarita Vladimirovna
Student, Belarusian State Technological University, Minsk, Republic of Belarus
DOI: 10.37614/2307-5252.2020.3.4.049 УДК 543.51, 504.05
ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДА АТОМНО-ЭМИССИОННОЙ СПЕКТРОМЕТРИИ С ИНДУКТИВНО-СВЯЗАННОЙ ПЛАЗМОЙ ДЛЯ ЭЛЕМЕНТНОГО АНАЛИЗА ВЗВЕШЕННЫХ ЧАСТИЦ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА В ЧЕРТЕ ГОРОДА
А. А. Широкая1, А. И. Новиков1, С. В. Дрогобужская1, И. А. Гапоненков2
1 Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ «Кольский научный центр РАН», Апатиты, Россия
2Мурманский государственный технический университет, г. Мурманск, Россия Аннотация
Представлены параметры проведения элементного анализа взвешенных частиц атмосферного воздуха в черте города, собранных на PTFE-фильтрах системой автоматического пробоотбора пыли (аспиратор) Derenda PNS8TDM-6.1, методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (АЭС ИСП). Для количественного определения содержания Co, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb и Zn были выбраны оптимальные длины волн, рассчитаны пределы обнаружения и приведены параметры для автоматического учета спектральных влияний. Ключевые слова:
взвешенные частицы, городские осадки, пыль, поллютанты, ИСП АЭС.
APPLICATION FEATURES OF INDUCTIVELY COUPLED PLASMA ATOMIC EMISSION SPECTROMETRY METHOD FOR ELEMENTAL ANALYSIS OF SUSPENDED PARTICLES OF ATMOSPHERIC AIR IN THE CITY
A. A. Shirokaya1, A. I. Novikov1, S. V. Drogobuzhskaya1, I. A. Gaponenkov2
1Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of FRC
"Kola Science Centre RAS", Apatity, Russia
2Murmansk State Technical University, Murmansk, Russia
Abstract
The paper presents the parameters of elemental analysis by inductively coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP-AES) of suspended atmospheric air particles in the city, collected on PTFE filters by the automatic dust sampling system (aspirator) Derenda PNS8TDM-6.1. The optimal wavelengths were selected for the quantitative determination of the contents of Co, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, and Zn, the detection limits were calculated and the parameters were calculated for automatically taking into account the spectral effects. Keywords:
suspended particles, urban rainfall, dust, pollutants, ICP AES. Введение
Активное развитие промышленности влечет за собой рост антропогенной нагрузки на окружающую среду, растет количество пыли и частиц различного происхождения. В большинстве случаев появление этих частиц связывают с износом поверхностей конструкций, зданий и различных материалов [1, 2]. Основным естественным источником формирования атмосферных аэрозолей
является пыль от выветривания почв и горных пород [3, 4]. Антропогенными источниками выбросов в атмосферу являются промышленный комплекс города, городское жилищно-коммунальное хозяйство и транспорт. В мониторинге городских экосистем особое внимание уделяется контролю загрязнения атмосферного воздуха и, в частности, воздуха рабочей зоны как первичному источнику загрязняющих веществ [5].
Независимо от происхождения, пыль, как правило, оказывает аллергенное и даже токсичное действие на организм человека, что приводит к снижению иммунитета и возникновению различных заболеваний. В основном поллютанты могут попадать в организм человека через пищевод и дыхательные пути. Статистически достоверная зависимость от загрязнения атмосферного воздуха установлена для бронхита, пневмонии и острых респираторных заболеваний [4, 6-8].
Для оценки степени загрязнения и экологической опасности важно знать объем выбросов, их качественный состав и содержание наиболее токсичных элементов. В последнее время изучению и мониторингу городских и техногенных систем уделяется всё больше внимания [7, 9-12]. Обзор литературных источников по мониторингу атмосферы [1, 9, 11] доказывает необходимость в дальнейшем развитии методики проведения исследований. Количество взвешенных частиц в атмосфере не велико, но современные методы анализа с применением высокочувствительного оборудования позволяют максимально точно определить элементный состав пыли [13]. Метод ИСП АЭС, как более доступный и, в отличие от масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП МС), более дешевый, широко применяется для анализа городских пылей и почв [14-20]. Применение метода ИСП АЭС для анализа микроконцентраций требует специфического подхода и является актуальной задачей.
Цель данной работы заключалась в применении ИСП АЭС для оценки элементного состава взвешенных частиц атмосферного воздуха в черте города. В качестве исследуемых элементов были выбраны типичные для города поллютанты: Co, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb и Zn, которые к тому же являются наиболее токсичными для человека [6, 7].
Материалы и методы
Объектами анализа стали растворы после кислотного разложения пыли с PTFE-фильтров, через которые был прокачан атмосферный воздух системой автоматического отбора пыли (аспиратор) Derenda PNS8TDM-6.1. Аспиратор был установлен в черте города Мурманска, на крыше одноэтажного дома. Для работы использовали кислоту НКОзконц. квалификации «ос. ч.» по ГОСТ-1125, воду дистиллированную по ГОСТ-6709, аргон газообразный высшего сорта по Г0СТ-10157, воду деионизованную (18,2 MQ см), многоэлементный калибровочный стандарт CCS-6 (Inorganic Ventures, США) с массовой концентрацией определяемых элементов 100 мг/дм3, аттестованный с погрешностью, не превышающей 0,9 % при Р = 0,95 для градуировки прибора. Одноэлементные стандартные растворы ионов Al (ГСО 7854-2000) и Ba (ГСО 7107-94) использовали для калибровки длин волн. В качестве фонового раствора для разбавления образцов использовали второй раствор HNO3. Измерения проводили на атомно-эмиссионном спектрометре с индуктивно-связанной аргоновой плазмой фирмы Shimadzu ICPE-9000 согласно методике [21]. Режим проведения измерений приведен в табл. 1.
Таблица 1
Условия выполнения анализа на спектрометре ICPE-9000
Параметр Значение
Время промывки растворителем, с 10
Время промывки образцом, с 60
Время выдержки, с 30
Количество измерений 2
Выходная мощность высокочастотного генератора, кВт 1,2
Расход газа-носителя, л/мин 0,7
Расход дополнительного газа, л/мин 0,6
Расход газа плазмы, л/мин 10
Режим измерения Высоко чувствительный (Н)
Режим калибровочного графика Метод коррекции фона
Автоматический учет спектральных наложений проводили с помощью растворов IEC (Inter-Element Correction), состав которых приведен в табл. 2.
Таблица 2
Элементный состав стандартных растворов IEC
Номер стандарта IEC Элемент, на который оказывается влияние Влияющий элемент Концентрация влияющего элемента, мг/дм3
1 Mn Fe 1000
2 Zn Cu 5
Mn Fe 5
3 Mn Fe 50
Zn Cu 2
4 Mn Fe 1
Zn Cu 100
5 Pb Al 200
Правильность проводимых измерений оценивали с помощью анализа стандартных образцов: CRM-SOIL-A (Certified Reference Material Soil Solution A), CRM-TMDW-A (Trace Metals in Drinking Water Standards A), CWW-TM-A (Certified Waste Water-Trace Metals Solution A).
Результаты исследований
В ходе работы для определения аналитов были выбраны наиболее свободные от наложений длины волн, имеющие высокую чувствительность. По полученным градуировочным характеристикам проанализировали стандартные образцы и получили хорошие результаты (табл. 3).
Были проанализированы пять образцов пыли с фильтров после прокачки атмосферного воздуха. Средний объем прокачанного воздуха составил 1,06 м3. Полученные результаты представлены в табл. 4.
По результатам анализа были рассчитаны пределы обнаружения (ПО) определяемых аналитов (табл. 5).
Таблица 3
Результаты анализа стандартных образцов CRM-SOIL-A, CRM-TMDW-A, CWW-TM-A
Элемент, мг/дм3 CRM-SOIL-A CRM-TMDW-A CWW-TM-A
аттестовано найдено аттестовано найдено аттестовано найдено
Co - < 0,005 0,0050 0,0050 ± 0,0008 0,050 0,051 ± 0,009
Cu 0,0030 0,0035 ± 0,0006 0,0040 0,0036 ± 0,0006 0,050 0,055 ± 0,009
Fe 2,00 2,05 ± 0,22 0,0180 0,0200 ± 0,0022 0,050 0,050 ± 0,005
Mn 0,001 < 0,005 0,0080 0,0080 ± 0,0010 0,050 0,051 ± 0,007
Ni 0,0030 0,0031 ± 0,0004 0,0120 0,0120 ± 0,0016 0,050 0,052 ± 0,007
Pb 0,004 < 0,01 0,004 < 0,01 0,050 0,052 ± 0,006
Zn 0,010 0,010 ± 0,003 0,0150 0,0154 ± 0,0050 0,050 0,049 ± 0,015
Таблица 4
Результаты элементного анализа пыли с PTFE-фильтров
Элемент X, нм 1 2 3 4 5
Количество, мкг
Co 238,892 2,3 ± 0,4 < 0,125 < 0,125 < 0,125 < 0,125
Cu 213,598 1,7 ± 0,27 0,29 ± 0,07 0,087 ± 0,020 0,33 ± 0,07 0,25 ± 0,06
Fe 239,562 606 ± 67 28 ± 3 42 ± 5 10,9 ± 1,2 4,2 ± 0,5
Mn 260,569 9,6 ± 1,2 0,18 ± 0,023 0,71 ± 0,09 0,227 ± 0,029 < 0,125
Ni 231,604 10 ± 1,3 1,08 ± 0,14 1,51 ± 0,2 1,28 ± 0,17 1,05 ± 0,14
Pb 220,353 0,99 ± 0,12 < 0,25 < 0,25 < 0,25 0,34 ± 0,04
Zn 202,548 12,0 ± 2,0 1,0 ± 0,3 1 ± 0,3 0,67 ± 0,22 0,44 ± 0,14
Таблица 5
Предел обнаружения аналитов для выбранных длин волн
Элемент Co Cu Fe Mn Ni Pb Zn
X, нм 238,892 213,598 239,562 260,569 231,604 220,353 202,548
ПО, мкг/дм3 2,0 1,3 2,6 0,6 1,0 4,8 2,1
Заключение
Метод ИСП АЭС применен для анализа растворов после вскрытия взвешенных частиц,
осевших на PTFE-фильтрах, через которые был прокачан городской атмосферный воздух.
Определены оптимальные условия измерений и выбраны длины волн для определения Co, Cu, Fe,
Mn, Ni, Pb и Zn, рассчитаны ПО элементов. Проведенные исследования показывают возможность
применения метода ИСП АЭС для элементного анализа взвешенных частиц атмосферного воздуха.
Научные исследования выполнены по теме НИР 0226-2019-0032.
Литература
1. Apeagyei E., Bank M. S., Spender J. D. Distribution of heavy metals in road dust along an urban-rural gradient in Massachusetts // Atmospheric Environment. 2011. No. 45 (13). P. 2310-2323.
2. Selbig. W. R., Bannerman R., Corsi S. R. From street to streams: Assessing the toxicity potential of urban sediment by particle size // Sci. of the Tot. Env. 2013. No. 444. P. 381-391.
3. Определение неорганических загрязнителей в аэрозолях воздуха / Е. Н. Коржова и др. // Журнал аналитической химии. 2011. Т. 66, № 3. С. 228-246.
4. Насими М. Х., Соловьева Т. В. О загрязнении мелкодисперсной пылью РМ10 атмосферного воздуха города Кабул // Инженерный вестник Дона. 2017. Т. 45, №. 2.
5. Касимов Н. С. Экогеохимия ландшафтов. М.: ИП Филимонов М. В., 2013. 208 с.
6. Турбина Е. А. Влияние загрязнения атмосферы взвешенными веществами и тяжелыми металлами на заболеваемость органов дыхания у детей // Здоровье населения и среда обитания. 2012. № 2. С. 21-23.
7. Чикенёва И. В., Абузярова Ю. В. Особенности накопления тяжёлых металлов и последствия его влияния на организм человека вблизи автодорог Оренбургской области (на примере трассы Оренбург — Самара) // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2013. № 6 (44). С. 196-199.
8. Colao A., Muscogiuri G., Piscitelli P. Environment and health: not only cancer // International Journal of Environmental Research and Public Health, 2016.
9. Ашитко А. Г., Маньшина И. В. Система мониторинга состояния качества атмосферного воздуха в г. Калуге // Вестник калужского университета. 2014. № 1. С. 5-9.
10. Методы анализа данных снегового покрова в зонах влияния промышленных предприятий (на примере г. Новосибирска) / С. Б. Бортникова и др. // Геоэкология. 2009. № 6. С. 515-525.
11. Новороцкая А. Г. Оценка состояния атмосферного воздуха в зоне влияния ТЭЦ-2 г. Хабаровска // Науки о земле. Успехи современного естествознания. 2017. № 12. С. 215-220.
12. Селезнев А. А. Тяжелые металлы в поверхностном грязевом осадке города Екатеринбурга // Известия УГГУ. 2018. Вып. 1 (49). С. 46-54. DOI 10.21440/2307-2091-2018-1-46-5
13. Элементный анализ взвешенных частиц атмосферного воздуха в черте города Мурманска методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой / А. И. Новиков и др. // Труды Кольского научного центра РАН. 2019. Т. 10, № 1 (3).
14. Chouaieb L., Hatira A., Gabteni N. Assessment of selected metal trace elements from industrial activities in the agricultural surface soil of Menzel Bourguiba (Tunisia) // Environmental Forensics. 2018. Vol. 19, No 4. P. 277-287.
15. Gallego J. L. R., Ordonez A., Loredo J. Investigation of trace element sources from an industrialized area (Aviles, northern Spain) using multivariate statistical methods // Environment International. 2002. Vol. 27, No 7. P. 589-596.
16. Hange K., Awofolu O. R. Assessment of anthropogenic influence on the level of selected heavy metals (Cu, Zn, Cd and Pb) in soil // Journal of Soil Science and Environmental Management. 2017. Vol. 8, No 6. P. 113-121.
17. Source identification and apportionment of heavy metals in urban soil profiles / X. S. Luo et al. // Chemosphere. 2015. Vol. 127. P. 152-157.
18. Assessment of heavy metal pollution in surface soils and plant material in the post-industrial city of Katowice, Poland / K. A. Steindor et al. // Journal of Environmental Science and Health, Part A. 2016. Vol. 51, No 5. P. 371-379.
19. Soil pollution by heavy metals and polycyclic aromatic hydrocarbons in the town of Brno (Czech Republic) / M. Strnad et al. // International Journal of Environmental Analytical Chemistry. 1994. Vol. 54, No 3. P. 233-248.
20. Trace element analysis and associated risk assessment in mining area soils from Zhexi river plain, Zhejiang, China / Y. Wang et al. // Environmental Forensics. 2017. Vol. 18, No 4. P. 318-330.
21. ПНД Ф. 16.1:2.3:3.11-98. Методика выполнения измерений содержания металлов в твердых объектах методом спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой. 2005.
Сведения об авторах Широкая Анна Александровна
Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия, a.shirokaia@ksc.ru Новиков Андрей Игоревич
Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия, 9537519571@mail.ru Дрогобужская Светлана Витальевна
кандидат химических наук, Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия, s.drogobuzhskaia@ksc.ru Гапоненков Иван Андреевич
Мурманский государственный технический университет, г. Мурманск, Россия, gaponenkovmstu@mail.ru Shirokaya Anna Aleksandrovna
Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of FRC KSC RAS, Apatity, Russia, a.shirokaia@ksc.ru Novikov Andrey Igorevich
Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of FRC KSC RAS, Apatity, Russia, 9537519571@mail.ru Drogobuzhskaya Svetlana Vitaljevna
PhD (Chemistry), Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of FRC KSC RAS, Apatity, Russia, s.drogobuzhskaia@ksc.ru Gaponenkov Ivan Andreevich
Murmansk State Technical University, Murmansk, Russia, gaponenkovmstu@mail.ru
DOI: 10.37614/2307-5252.2020.3.4.050 УДК 54.05
СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ДВОЙНОГО КАРБОНАТА ИТТРИЯ И АММОНИЯ К. А. Яковлев, В. А. Матвеев
Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ «Кольский научный центр РАН», Апатиты, Россия
Аннотация
Рассматриваются результаты исследования синтеза двойного карбоната иттрия и аммония. Полученное соединение синтезировано и охарактеризовано впервые. Предполагается использовать двойной карбонат иттрия и аммония в качестве прекурсора керамических порошков оксида иттрия. Ключевые слова:
карбонат иттрия, бикарбонат аммония.
