CC BY
59
УДК 543.544
К.Г. Боголицын, Д.С. Косяков, А.Н. Шкаев, А.С. Почтовалова
Боголицын Константин Григорьевич родился в 1949 г., окончил в 1971 г. Архангельский лесотехнический институт, доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой теоретической и прикладной химии Архангельского государственного технического университета, директор Научно-исследовательского института химии и химической технологии при АГТУ, академик МАНЭБ и РАИН, заслуженный деятель науки РФ. Имеет более 250 научных трудов в области разработки физико-химических основ процессов переработки древесины.
Косяков Дмитрий Сергеевич родился в 1972 г., окончил в 1994 г. Архангельский лесотехнический институт, кандидат химических наук, доцент кафедры теоретической и прикладной химии Архангельского государственного технического университета. Имеет около 20 печатных работ в области физикохимии неводных растворов.
Шкаев Андрей Николаевич родился в 1970 г., окончил в 1993 г. Архангельский лесотехнический институт, кандидат химических наук, доцент кафедры теоретической и прикладной химии Архангельского государственного технического университета. Имеет 15 научных трудов в области исследования химии лигнинов.
ВЫСОКОЭФФЕКТИВНАЯ ЖИДКОСТНАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ ФЕНОЛЬНЫХ КОМПОНЕНТОВ СТОЧНЫХ ВОД ЦБП
Предложено использовать метод обращенно-фазной высокоэффективной жидкостной хроматографии для изучения качественного и количественного состава феноль-ных компонентов сточных вод целлюлозно-бумажной промышленности.
Ключевые слова: ВЭЖХ, фенолы, сточные воды.
Современная жидкостная хроматография высокого давления - один из наиболее эффективных методов анализа и разделения сложных смесей, какими являются промышленные сточные воды. Важнейшее преимущество
этого метода по сравнению с газовой хроматографией - возможность исследования практически любых объектов без ограничений по их физико-химическим свойствам, например по температуре кипения или молекулярной массе.
Разработка методики разделения сложных многокомпонентных систем должна включать предварительные исследования со следующими основными этапами: выбор варианта высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) и его аппаратурного оформления, выбор сорбента и состава элюента, анализ модельных смесей и установление характеристик удерживания их компонентов.
Выбор способа хроматографии. В литературе описаны различные варианты хроматографического разделения фенольных соединений методом ВЭЖХ: ионообменная на анионитах и катионитах [2], эксклюзионная с использованием полужестких и жестких гелей [4], адсорбционная на силика-геле и оксиде алюминия [6], распределительная [5]. На наш взгляд, применительно к задаче анализа родственных лигнину фенолов, содержащихся в стоках ЦБП и характеризующихся близкими величинами констант ионизации и размеров молекул, могут быть реализованы только два последних метода. Как адсорбционный, так и распределительный методы должны приводить к сходным результатам, однако использование полярных сорбентов (таких как силикагель) имеет ряд недостатков, существенных для решения поставленной задачи. К ним относятся, прежде всего, высокая чувствительность к влажности образца и растворителей, крайне медленное установление равновесия при изменении состава элюента и, как следствие, худшая воспроизводимость результатов и более низкая селективность разделения по сравнению с распределительной хроматографией. Последняя применяется в настоящее время наиболее широко и использует сорбенты на основе силика-геля с привитой углеводородной фазой, полностью покрывающей их поверхность, что делает ее неполярной. Это подразумевает использование полярного элюента и разделение соединений по их полярности за счет распределения между двумя фазами в хроматографической колонке. Важнейшее преимущество данного метода - его применимость для анализа смесей близких гомологов органических соединений, в том числе фенолов [3]. В связи с этим была выбрана обращенно-фазная распределительная хроматография.
Аппаратурное оформление. Для экспериментов использовали серийно выпускаемые микроколоночные хроматографы «Милихром-1» (ПО «Научприбор», Россия) со шприцевым изократическим насосом (объем 2500 мкл), оснащенным шаговым двигателем, который обеспечивает максимальное давление в хроматографической системе 10 МПа, и спектрофото-метрическим УФ-детектором. Применение других детекторов нецелесообразно, поскольку все фенолы характеризуются интенсивным поглощением в области 200 ... 300 нм. Разделение осуществляли в стальной промышленно изготовленной аналитической колонке КАХ-2 (длина 62 мм, внутренний
диаметр 2 мм). Регистрацию хроматограмм проводили на малоинерционном линейном самописце TZ («Laboratorш pristroje», Чехия).
Выбор сорбента и элюента. В колонке в качестве сорбента использовали обращенно-фазный Сепарон-С18 с октадецильной привитой фазой и размером зерен 5 мкм, что обеспечивает эффективность разделения на уровне 2 - 4 тыс. теоретических тарелок. По литературным данным [1], основными системами растворителей для проведения анализов на таких сорбентах являются водные растворы метанола или ацетонитрила, отличающиеся невысокой вязкостью и возможностью варьирования элюирующей силы в весьма широких пределах. По соображениям доступности и безопасности была выбрана система ацетонитрил - вода. Для подавления процессов диссоциации наиболее кислых фенолов в полярном растворителе и размывания хроматографических пиков использовали 1 %-ую уксусную кислоту. Для приготовления элюента применяли дистиллированную воду и ацето-нитрил марки «для ВЭЖХ» с поглощением сантиметрового слоя при 200 нм не выше 0,08 ед. оптической плотности. Предварительные эксперименты показали, что при концентрациях ацетонитрила в элюенте выше 30 % (масс.) его элюирующая сила оказывается слишком большой для достижения удовлетворительной селективности разделения (наиболее полярные фенолы совместно покидают колонку вместе с фронтом растворителя). Однако достижение высокой селективности разделения за счет снижения концентрации органического сорастворителя ниже 20 % (масс.) ведет к нерациональному увеличению объемов удерживания хроматографируемых соединений (больше рабочего объема насоса), что усложняет методику и снижает эффективность за счет большего размывания хроматографических зон. В связи с этим предложен оптимальный состав элюента: 25 %-й раствор ацетонит-рила в 1 %-й уксусной кислоте.
Хроматография модельных смесей. На основе анализа литературных данных в качестве фенольных соединений, моделирующих состав фе-нольной фракции сточных вод ЦБП, были выбраны следующие вещества: гидрохинон (I), ванилиновый спирт (II), пирокатехин (III), ванилин (IV), ацетованилон (V), фенол (VI), гваякол (VII), 2,6-диметоксифенол (VIII), п-крезол (IX), о-крезол (X) и креозол (XI).
Для проведения хроматографии в колонку вводили пробу объемом от 1 до 4 мкл с содержанием указанных фенолов 0,05 ... 0,30 % (масс.), растворенную в смешанном растворителе ацетонитрил - вода. Разделение проводили при скорости потока 50 мкл/мин в изократическом режиме, детектирование - по длинам волн 280 и 220 нм.
На рисунке представлены хроматограммы сложной смеси семи модельных фенолов для разных объемов вводимой пробы. Параллельные опыты демонстрируют хорошую воспроизводимость результатов - отклонение в положении хроматографических пиков не превышают 10 мкл в диапазоне температур 15 ... 25 °С.
а б
Хроматограммы смеси фенолов II, III, IV, VI, VII, IX, X, расположенные (слева направо) в порядке возрастания удерживания (скорость разверстки - 167 мкл на 1 деление; масштаб по вертикали - 0,064 ед. плотности на 1 деление; длина волны - 280 нм): а - объем пробы 3 мкл; б - 1 мкл
По полученным данным рассчитаны характеристики удерживания (объем удерживания 1\л. полуширина пика УУ] 2). эффективности (число теоретических тарелок N для каждого соединения), селективности а и разрешения (для соседних пиков), представленные в табл. 1.
Таблица 1
_Параметры разделения модельной смеси фенолов _
Вещество Ууд, мкл ^1/2, мкл N «
I 217 8,5 3600 - -
II 229 16,5 1100 0,48 1,32
III 292 21,0 1100 1,68 2,29
IV 412 25,0 1500 2,61 2,07
V 451 25,0 1800 0,78 1,17
VI 500 25,0 2200 0,98 1,18
VII 563 29,0 2100 1,17 1,20
VIII 635 31,0 2300 1,20 1,19
IX 850 33,5 3600 3,34 1,47
X 917 41,5 2700 0,89 1,10
XI 967 41,5 3000 0,60 1,07
Таблица 2
Пределы обнаружения фенолов при детектировании для X =280 им
Вещество I II III IV V VI VII VIII IX X XI
Предел обнаружения, мк 0,10 0,10 0,20 0,04 0,05 0,25 0,14 0,20 0,20 0,30 0,16
Расчеты на основе полученных данных показывают линейную зависимость как интенсивности хроматографических пиков, так и их интегральной интенсивности (определяемой по площади пика) от количества вводимого образца, что позволяет с высокой точностью проводить количественные определения. Нами рассчитаны пределы обнаружения исследуемых фенолов на основе определенных интенсивностей поглощения при 280 нм и параметров чувствительности хроматографа (табл. 2).
Поскольку поглощение большинства ароматических соединений при 220 нм значительно выше, чем при 280 нм, переход на более коротковолновое детектирование позволяет повысить чувствительность метода в среднем в 2 раза. Полученные результаты свидетельствуют о линейной зависимости интенсивности пиков от количества вещества при переходе к другой волне.
За 2001 г. по разработанной нами методике проанализировано 55 проб фракций летучих фенолов сточных вод Архангельского ЦБК. При подготовке к анализу исходную пробу перегоняли (на 1/2 с рассеивающего потока и на 3/4 с усреднителя и третьей очереди сульфатного производства), отгон подкисляли и экстрагировали диэтиловым эфиром. После экстракции эфир отгоняли, полученный остаток растворяли в 100 мкл 25 %-го водного раствора ацетонитрила. Аликвотную часть полученной пробы объемом 10 мкл (для рассеивающего потока) или 5 мкл (для усреднителя и локальных стоков третьей очереди) вводили в хроматографическую колонку. Определение вели в изократическом режиме при постоянной температуре колонки 25 °С, поддерживаемой жидкостным термостатом. Хроматографические пики детектировали по поглощению ультрафиолетового излучения с длиной волны 280 нм, полученные хроматограммы регистрировали при помощи самописца. Скорость потока элюента составляла 50 мкл/мин.
Пики идентифицировали по объемам удерживания, которые получены путем анализа модельных смесей фенолов, родственных лигнину (фенол, гваякол, креозол, 2,6-диметоксифенол, ванилин, ванилиновый спирт, гидрохинон, пирокатехин, ацетованилон, о-крезол, п-крезол). Количественный анализ проводили по высотам пиков с использованием определенных нами ранее коэффициентов пересчета оптической плотности в массу соединения (индивидуальный для каждого компонента). На рисунке представлена типичная хроматограмма анализируемой пробы. Хроматограммы показывают достаточно хорошее разделение пиков и высокую эффективность системы при выбранных условиях анализа (рассчитанная эффективность колонки для приведенных данных составляла не менее 2000 теоретических тарелок). Обобщенные данные для проб с рассеивающего потока представлены в табл. 3, с усреднителя - в табл. 4.
Таблица 3
Обобщенные данные для проб с рассеивающего потока
Вещество Концентрация вещества в исходной пробе, мкг/л
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
I - - - - - - 0,92 0,85 - 1,64 0,62 0,88 1,24
II 0,55 0,62 0,62 0,66 0,59 0,54 1,24 - 0,39 - - - 0,80
III - - - - - - 0,42 0,17 0,22 1,24 0,56 1,18 0,90
IV - 0,17 0,13 0,14 - - 0,11 0,06 0,07 0,28 - 0,24 0,52
V 0,44 0,27 0,29 0,32 0,38 0,44 0,21 0,15 0,06 0,22 0,20 0,44 0,20
VI 1,56 1,49 1,17 0,69 2,00 1,20 1,60 2,00
VII 0,63 0,41 0,38 0,49 0,71 0,75 - 0,37 0,21 - 0,60 0,66 0,78
VIII - - - - - - 3,49 1,47 - 3,60 3,32 - 4,20
IX - - - - 0,90 1,66 0,96 0,37 - 0,98 - 0,98 -
X - - 0,85 - 1,37 2,99 2,05 - 0,63 - - - 0,63
XI - - - - - - - 1,16 - 0,70 - - -
Таблица 4
Обобщенные данные для проб с усреднителя
Вещество Концентрация вещества в исходной пробе, мкг/л
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
I 1,25 - 1,28 1,70 - - 1,07 - - 3,61 0,82 0,68 0,57
II - 0,41 - - - 0,65 0,99 0,54 0,67 2,73 0,54 - -
III - - - 1,43 - - - - - 2,44 0,50 0,50 0,75
IV 0,17 0,13 0,28 - - - - 0,31 0,12 0,55 0,28 0,06 0,28
V 0,29 0,23 1,15 0,40 0,38 0,15 0,61 0,44 - - 0,30 0,20 -
VI 1,83 0,81 3,76 2,13 1,79 0,89 7,91 2,29 3,76 4,01 1,20 2,00 2,39
VII 2,55 1,64 13,6 2,27 3,16 0,20 2,38 2,34 0,79 - 0,52 0,52 0,52
VIII - 6,79 9,05 3,60 4,86 2,13
IX 1,24 0,66 1,83 - - 1,33 8,30 - - - 1,30 1,62 -
X - - - - - 1,39 - - - - - - 1,09
XI 1,90 0,83 1,84 - - - 1,19 1,11 - - - 0,94 0,98
Табл. 5 содержит общие данные для локальных стоков третьей очереди. Номера проб в табл. 3-5 (с 1 по 13) соответствуют разным точкам и дням отбора. Как видно из табл. 3-5, в пробах присутствует большое число фенольных компонентов (как правило 12-16), при этом значительная их часть не поддается идентификации, представляя собой, возможно, продукты окисления либо продукты окислительной радикальной димеризации исходных структурных единиц лигнина. Наибольшая доля присутствующих в исследуемых стоках фенольных соединений приходится на фенол, гваякол, 2,6-диметоксифенол и ацетованилон. При этом их соотношение меняется в достаточно широких пределах в зависимости как от времени отбора, так и от вида изучаемого потока. Так, в рассеивающем потоке понижены концентрации всех указанных соединений, за исключением ацетованилона, который, по всей видимости, образуется при окислительной деградации других фенольных структур в процессах биологической очистки.
Влияние технологического режима на состав сточных вод отчетливо прослеживается на образцах, полученных с локальных стоков третьей
Таблица 5
Обобщенные данные для проб с третьей очереди
Вещество Концентрация вещества в исходной пробе, мкг/л
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
I 1,56 0,87 - - - - - - 1,36 2,48 - 1,62 0,85
II - - - - - - 0,94 1,21 - 2,72 0,68 - -
III 1,86 - 3,00 0,50 1,12 0,60
IV 0,36 0,20 - 0,37 - - 0,40 0,34 0,11 0,70 0,40 0,40 1,00
V 0,93 0,32 3,45 - 0,26 0,41 0,57 0,46 2,73 0,59 - 0,22 -
VI 4,37 1,62 2,44 5,67 - 3,58 5,97 6,19 2,09 10,0 1,60 2,40 -
VII 4,19 0,60 1,17 2,25 0,53 1,64 17,4 7,96 1,64 - - - 0,78
VIII 16,9 4,04 8,62 10,8 2,70 7,20 - - - 6,50 3,60 5,76 2,88
IX 0,83 - - - 0,81 - 0,56 1,08 - 0,64 1,30 1,30 -
X - - 2,27 1,81 2,27 0,48
XI 1,31 0,71 0,47 0,70 0,70 -
очереди сульфатного производства. Преобладание лиственного сырья приводит к повышенному содержанию 2,6-диметоксифенола по сравнению с гваяколом, что легко объяснимо, поскольку лиственные лигнины построены из сирингильных структур, родоначальником которых и является VIII.
В табл. 5 данное положение иллюстрируют результаты анализов проб 4 (преобладание лиственного сырья) и 5 (преимущественно хвойное сырье). Сточные воды, прошедшие биологическую очистку (рассеивающий поток), характеризуются пониженным содержанием фенольных компонентов, особенно это касается фенола и гваякола. Использование бесхлорного режима отбелки (пробы 2 и 3) приводит к значительному понижению концентрации фенола и гваякола во всех иследованных потоках сточных вод, практически не влияя на концентрацию 2,6-диметоксифенола.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Высокоэффективная жидкостная хроматография в биохимии / Пер. с англ. под ред. А. Хеншен. - М.: Мир, 1988. - 688 с.
2. Лабораторное руководство по хроматографическим и смежным методам / Под ред. О. Микеша. - М.: Мир, 1982. - Т. 1. - 400 с.
3. Стыскин Е.Л., Ициксон Л.Б., Брауде Е.В. Практическая высокоэффективная жидкостная хроматография. - М.: Химия, 1986. - 288 с.
4. Хроматографический анализ в химии древесины / Под ред. В.Н. Сергеевой. -Рига: Зинатне, 1975. - 353 с.
5. Энгельгард Х. Высокоэффективная жидкостная хроматография. - М.: Мир, 1979.
- 347 с.
6. Muller H., Engelgardt H., Molnar I. Practical aspects of modem HPLC. - Berlin, 1982. - 254 p.
Архангельский государственный технический университет Поступила 1.10.02
K.G. Bogolitsyn, D.R. Kosyakov, A.N. Shkaev, A.S. Pochtovalova High-performance Liquid Chromatography of Phenolic Components of PPI Effluents
A method of high-performance inverted-phase liquid chromatography has been suggested for use to study qualitative and quantitative composition of phenolic components of effluents of pulp-and-paper industry.
