2. Основные методы мониторинга компонентов природной среды: отбор и подготовка проб определяемых сред, методы концентрирования и разделения в анализе качества объектов ос
Начальным этапом анализа объектов окружающей среды является отбор проб и подготовка пробы к анализу. Все стадии анализа связаны между собой, и даже тщательно измеренный аналитический сигнал не дает правильной информации о содержании определяемого компонента, если неправильно проведен отбор или подготовка пробы к анализу. В большинстве случаев отбор и подготовка пробы к анализу лимитирует надежность и, в целом, качество получаемых результатов. Приемы и порядок отбора пробы и ее подготовки настолько важны при проведении анализа, что обычно предписываются государственным стандартом (ГОСТ).
Для проведения анализа, как правило, берут среднюю (представительную) пробу. Это небольшая часть анализируемого объекта, средний состав и свойства которой должны быть идентичны во всех отношениях среднему составу и свойствам исследуемого объекта. Отобранный образец должен адекватно представлять в пространственном и временном отношении компонент окружающей среды, и не должен создавать помех при последующих измерениях или при интерпретации результатов анализов. Различают генеральную, лабораторную и анализируемую пробы. Генеральная (называемая иногда первичной, большой или грубой) проба отбирается непосредственно из анализируемого объекта. Она достаточно большая – обычно 1 – 50 кг. Из генеральной пробы путем ее сокращения отбирают лабораторную пробу (обычно от 25 г до 1 кг). Одну часть лабораторной пробы используют для предварительных исследований, другую – сохраняют для возможных в будущем арбитражных анализов, третью используют непосредственно для анализа (анализируемая проба). В случае необходимости пробу измельчают и усредняют. Для анализируемой пробы проводят несколько определений компонента: из отдельных навесок 10 – 100 мг (если анализируемый объект твердое вещество) или аликвот (если анализируемый объект жидкость или газ).
Способы отбора пробы и ее величина прежде всего определяются физическими и химическими свойствами анализируемого объекта. При отборе пробы нужно учитывать:
агрегатное состояние анализируемого объекта;
неоднородность анализируемого материала;
требуемую точность оценки содержания компонента во всей массе анализируемого объекта в зависимости от задачи и природы исследуемого объекта;
возможность изменения состава объекта и содержания определяемого компонента во времени (переменный состав воды в рек, колебание состава дымовых газов промышленного предприятия, изменение концентрации компонентов в пищевых продуктах и т.д.)
Различают пробы, характеризующие источник загрязнения отбирают непосредственно из источник загрязнения, например, пробу газа отбирают из газохода с помощью пробоотборного зонда, введенного в газоход. Пробы, характеризующие состав объекта – это проба, представляющая непосредственно ту среду или объект, из которого она отобрана, например, проба атмосферного воздуха в природных заповедниках.
Отбор и подготовки к анализу проб атмосферного воздуха. Пробы атмосферного воздуха могут быть разовыми, дискретными, суточными. Разовая проба отбирается в течение короткого промежутка времени, не превышающего 1 часа (обычно отбор проб продолжается 20-30 мин). Дискретная проба отбирается в один поглотительный прибор или на фильтр через равные промежутки времени, т.е. в течение суток отбирают несколько разовых проб (от 3 до8). Суточная проба отбирается в один поглотительный прибор или на фильтр непрерывно в течение суток.
В зависимости от предполагаемого уровня загрязнения атмосферного воздуха отбор проб может осуществляться с применением концентрирования или без него.
Для отбора проб без концентрирования в качестве пробоотборных емкостей используют стеклянные шприцы, газовые пипетки, резиновые камеры и др. погрешности при этом возникают главным образом из-за потерь исследуемых веществ, связанных с нарушением герметичности пробоотборных устройств, из-за проницаемости пленочных материалов, сорбции микроколичеств внутренней поверхностью пробоотборных емкостей. Эти погрешности могут быть устранены путем многократного «промывания» пробоотборных емкостей исследуемым воздухом с целью установления равновесия между содержанием веществ в исследуемом воздухе и на поверхности пробоотборных емкостей, а также путем соблюдения допустимых сроков хранения отобранных проб. Заполнение емкостей анализируемым воздухом производится тремя способами:
продуванием сосуда 10-тикратным объемом анализируемого воздуха, после чего сосуд закрывают;
вакуумным способом: из герметически закрывающегося сосуда воздух откачивают с помощью насоса, после чего сосуд закрывают; его открывают в месте отбора пробы;
замещением предварительно залитой в сосуд инертной жидкости воздухом; после того, как жидкость вылилась сосуд закрывают.
Пробоотбор с концентрированием осуществляют пропусканием анализируемого воздуха через поглотительную среду, в которой концентрируется определяемый компонент. Для отбора проб воздуха используют электроаспираторы, пылесосы и др. приборы и устройства, регистрирующие объем пропускаемого воздуха – реометры, ротаметры, расходомеры. Важным элементом системы пробоотбора атмосферного воздуха являются поглотительные приборы, которые в зависимости от агрегатного состояния улавливаемых веществ делятся на две группы: для улавливания газообразных веществ и веществ в виде аэрозолей (дыма, тумана, пыли). Для концентрирования веществ, находящихся в паро- и газообразном состоянии обычно используют поглотительные приборы, заполненные поглотительными растворами, зернистыми сорбентами, пленочными сорбентами; инертными носителями и жидкими неподвижными фазами, нанесенными на твердые носители с высокоразвитой поверхностью. Для концентрирования из воздуха вредных веществ в виде аэрозолей используют фильтры из тонковолокнистого материала, бумажные, мембранные и стеклянные фильтры.
При отборе проб в жидкие поглотительные среды анализируемые вещества растворяются или вступают в химическое взаимодействие с поглотительной средой (хемосорбция). При правильном выборе поглощающей среды в некоторых случаях можно провести раздельное определение веществ непосредственно в процессе отбора проб. Эффективность поглощения паров в значительной мере зависит от конструкции поглотительных сосудов.
Поглотительные приборы с пористым стеклянным фильтром (а), Рыхтера (б), Зайцева (в), Полежаева (г).
В поглотительных приборах с впаянными стеклянными пористыми пластинами (рис. 1.а) воздух в виде мельчайших пузырьков поступает в поглотительный раствор и распыляет его, что обусловливает большой контакт воздуха с раствором и обеспечивает скорость отбора до 3 дм3/мин. Аспирацию воздуха через поглотительный раствор со скоростью 100 дм3/мин обеспечивают поглотительные приборы Рыхтера (рис. 1.б), в которых используют эффект эжекции. В поглотителях Зайцева (рис. 1.в) и Полежаева (рис. 1.г) эффективность поглощения анализируемого вещества достигается за счет удлинения пути прохождения газовоздушного потока через раствор со скоростью 0,5 дм3/мин. В качестве поглотительных растворов применяют дистиллированную воду, органические растворители, кислоты, спирты, смешанные растворы.
При низких концентрациях вредных веществ в воздухе и недостаточной чувствительности метода анализа проводят концентрирование веществ их большого объема воздуха, который затруднительно отобрать в жидкие среды вследствие улетучивания последних и потерь анализируемого вещества. Концентрирование микропримесей на твердых сорбентах позволяет в некоторых случаях увеличить скорость аспирации воздуха с высокой эффективностью поглощения. Вещества улавливают как на неподвижный, так и на «кипящий» слой сорбента. Скорость аспирации воздуха через неподвижный слой зависит от размера зерен и количества сорбента. Оптимальный размер зерен составляет 0,25 – 0,5 мм. Применение более мелких фракций сорбента приводит к увеличению сопротивления воздушному потоку.
Повышение скорости отбора может быть достигнуто применением отбора на «кипящий» слой. В этом случае сопротивление не зависит от размера зерен сорбента и скорость отбора проб достигает 10 дм3/мин. Однако применение «кипящего» слоя возможно при условии, что вещество прочно удерживается сорбентом. При отборе проб на «кипящий» слой в качестве сорбента чаще используют селикагель, т.к. его зерна обладают достаточной механической прочностью, а при отборе на неподвижный слой – активные угли, селикагель, полимерные сорбенты (хромосорбы, тенакс), синтетические молекулярные сита (цеолиты), насадки для хроматографических колонок.
Твердые адсорбенты помещают в специальные трубки различной конструкции. Наибольшее распространение получили стеклянные концентрированные трубки. Трубка состоит из двух секций: в первую секцию помещают 100 мг активированного угля, во вторую – 50 мг. Секции разделяются прокладкой из пенополиуретана. Входное отверстие закрывают тампоном из стекловолокна. При использовании других адсорбентов (силикагеля, пористых полимеров) для отбора токсичных веществ из воздуха применяют трубки диной до 20 см, диаметром 6–7 мм. Масса сорбента в таких трубках может оставлять 5 г. Перед отбором пробы концы трубки обрезают.
Концентрационная трубка с активным углем для отбора загрязнений воздуха: 1 – стеклянная трубка; 2 – тампон из стекловолокна; 3 – фронтальная секция со 100 мг активированного угля; 4 – пробки из пенополиуретана; 5 – задняя секция с 50 мг активированного угля.
Для быстрого и эффективного отбора микропримесей из воздуха используют пленочные сорбенты, представляющие собой стеклянную крошку с размером зерен 3–5 мм, обработанную раствором, образующим пленку. Пленочные сорбенты помещают в стеклянную трубку длиной 170 – 200 мм и диаметром 7 мм, закрытую с двух сторон перфорированными стенками. Скорость пропускания исследуемого воздуха может достигать 20 дм3/мин. Пленочные сорбенты применяют для концентрирования из воздуха диметиламина, хлороводорода, фтороводорода, озона и др.
Хемосорбционное концентрирование представляет собой адсорбцию, сопровождающуюся химическим взаимодействием поглощаемого вещества и сорбента., обработанного соответствующим растворителем. Благодаря высокой эффективности активных поверхностей она протекает очень быстро в результате чего адсорбируются незначительные количества загрязняющих веществ. Примером использования для аналитических целей хемосорбции на твердых адсорбентах, пропитанных реагентами, являются индикаторные трубки.
При отборе из воздуха нестабильных и реакционноспособных соединений применяют криогенное концентрирование. Техника криогенного концентрирования сводится к пропусканию исследуемого воздуха через охлаждаемое сорбционное устройство с большой поверхностью, например, через стальные или стеклянные трубки, заполненные инертным носителем (стеклянными шариками, стеклянной ватой и др.), а также через U-образные трубки с сорбентом, погруженные в емкость с хладогентом для повышения эффективности сорбции. В качестве хладогентов применяют смеси лед-вода (0ºС), лед-хлорид натрия (-16 ºС), ацетон (-80ºС), твердый диоксид углерода-метанол (-78 ºС), жидкий воздух (-147 ºС), жидкий кислород (-183 ºС), жидкий азот (-196 ºС).
Криогенное концентрирование применяют для определения легколетучих углеводородов и хлорпроизводных, сероводорода, органических соединений свинца и др.
Вещества, находящиеся в воздухе в виде высокодисперсных аэрозолей, концентрируют на фильтрующих волокнистых материалах. При исследовании аэродисперсных примесей в воздухе используют аналитические фильтры. Фильтры обладают аэродинамическим сопротивлением, что позволяет аспирировать воздух с большей скоростью и накопить достаточные для анализа количества вещества.
Отбор и подготовка к анализу проб природных вод. К основным принципам, которые необходимо соблюдать при отборе проб относятся:
пробы воды, отобранные для анализа должны быть достаточно представительными и репрезентативными, т.е. должны характеризовать состояние воды в водном объекте или его части за определенный промежуток времени;
в процессе отбора, предварительной обработки, хранения и транспортировки пробы не должны происходить изменения химического состава и свойств соды;
отбор проб должен производиться с учетом специфики водного объекта (морфологических, гидрологических и др. особенностей) и специфики контролируемых веществ (растворенные, взвешенные, коллоидные и т.п.);
объем пробы должен быть достаточным для анализа и соответствовать применяемой методике.
Различают точечные и объединенные (усредненные) пробы. Точечные пробы получают путем однократного отбора требуемого для анализа количества воды. Эти пробы характеризуют качество воды в данном пункте водного объекта во время отбора. Объединенные пробы представляют собой объединенную по тому или иному принципу серию точечных проб. Эти пробы характеризуют средний состав воды за некоторый промежуток времени.
В зависимости от цели исследований отбор проб может быть разовым, серийным или регулярным. Разовый отбор используют сравнительно редко для периодического определения возможных изменений состава воды в хорошо изученном водном объекте, если определяемые компоненты не подвержены большим изменениям во времени, по глубине и акватории водного объекта. Регулярный и серийный отбор дает более определенную и надежную информацию о состоянии водного объекта и качества его воды.
При анализе серийных проб определяют содержание наблюдаемых компонентов с учетом места и времени отбора.
Способ отбора проб воды из водного объекта зависит от глубины, с которой необходимо отбирать пробу. Пробу воды из поверхностного слоя осторожно без взбалтывания отбирают каким-либо сосудом, чаще всего бутылью из глубины слоев – батометром. Батометр должен отвечать следующим требованиям:
проходящая через него вода не должна в нем задерживаться;
батометр должен плотно закрываться, чтобы можно было фиксировать пробы с определенной глубины;
материал пробоотборников должен быть химически инертным.
Наиболее часто для отбора пресных вод используют батометры Рутнера и Молчанова (рис. А), для отбора морских и океанических вод – металлические батометры или пластмассовые батометры большого объема. В последнее время получили распространение автоматические прпобоотборники (рис. Б) и плавающие самоходные устройства.
Для количественной оценки уровня загрязнения природных вод нефтепродуктами необходимо учитывать все их формы нахождения в воде: в виде раствора, эмульсии, в связанной форме (адсорбированные на поверхности нерастворимых веществ и осадков), в форме свободной фазы. В поверхностных водах нефть и нефтепродукты могут присутствовать одновременно в двух-трех формах.
Рис. А. Батометры для отбора проб воды с глубины до 30м. а – батометр Рутнера; б – батометр Молчанова.
Рис. Б. Схема устройства для автоматического отбора проб: 1 – водозаборное устройство; 2 – насос; 3 – дозатор; 4 – блок распределителя; 5 – блок программ; 6 – блок управления распределителем; 7 – пульт управления; 8 – сосуд для отбора проб.
Для ориентировочной оценки загрязнения поверхностных вод нефтепродуктами отбирают общую пробу с глубины 30 см. во время отбора не допускают взмучивания воды, отравы и погружения поверхностной пленки в нижние слои. Место отбора пробы определяется условиями полного смешения сточных вод с водой водоема, причем наиболее предпочтительными для отбора являются места с установившейся, спокойной поверхностью.
Рис. В. Приспособление для количественного отбора нефтепродуктов в поверхностной пленке.
При отборе подповерхностных вод для того, чтобы пленка нефтепродуктов не повлияла на результат анализа используют устройство для разрыва пленки. Оно представляет собой деревянную раму в форме острого угла. Раму ставят углом против течения воды и отбирают пробу в месте, расположенном между ее сторонами. Пленку на стоячей воде можно удалить куском полотна.
Для отбора проб нефтяной пленки применяют специальный прибор (рис. В). Прибор представляет собой сито (1) – металлический круг диаметром 220 мм, обтянутый планктонной сеткой, прикрепленное к шесту-держателю (2), длину которого можно изменять по необходимости. Ниже сита на держателе укреплен металлический диск (3), диаметром 260 мм. При отборе проб прибор быстрым движением опускают в воду, разбивая металлическим диском нефтяную пленку в месте погружения. Сито с планктонной сеткой погружают на глубину 20-30 см, затем держатель с опущенным в воду ситом отводят на место с ненарушенной пленкой и медленной поднимают вверх. При этом на планктонной сетке остается нефтяная пленка. Нефтепродукты в виде пленки извлекаются на 85-100 %. Результаты анализа выражаются в мг нефтепродуктов на 1 м2 поверхности водоема. В этом случае необходимо учесть площадь пленки, выразив ее в % от всей поверхности водного объекта.
Поскольку поверхностные воды являются чрезвычайно подвижной динамической системой, сразу после отбора пробы необходимо принять меры, предотвращающие изменение истинного химического состава воды. Если проба предназначена для определения растворенных веществ, ее следует немедленно после отбора профильтровать через мембранный фильтр с размером пор 0,45мкм. Ряд ингредиентов (диоксид углерода, растворенный кислород и др.) и физические свойства необходимо определять сразу, другие (соединения биогенных элементов, общие показатели и т.д.) вскоре после отбора проб. Если это возможно пробы консервируют в соответствии с указаниями, приведенными в табл. и транспортируют в специальной таре, исключающей возможность поломки склянок, в возможно короткие сроки. До начала анализа пробы рекомендуется хранить в холодильнике при температуре 3–5 ºС и вынимать из него только перед самым началом работы.
Способы консервации и хранения проб поверхностных вод, предназначенных для проведения химического анализа
Исследуемый компонент |
Подготовка пробы, консервация |
Срок и условия хранения |
используемая посуда |
Цветность |
фильтрование через мембранный фильтр с размером пор 0,45 мкм |
не более 2-3 ч после отбора, определение сразу после отбора |
полиэтиленовая |
концентрация водородных ионов (рН) |
только в свежеотобранных пробах |
хранению не подлежат |
полиэтиленовая или стеклянная |
растворенный кислород |
фиксация раствором хлористого марганца и раствором смеси йодистого калия и гидроксида калия сразу после отбора |
не более 2-3 суток после отбора и фиксации |
стеклянная |
жесткость, кальций, магний, натрий, калий, хлориды |
фильтрование через мембранный фильтр с размером пор 0,45 мкм |
длительное время |
стеклянная или полиэтиленовая |
аммоний, нитриты, нитраты, азот общий, фосфаты |
фильтрование через мембранный фильтр с размером пор 0,45 мкм; консервация 2-4 см3 хлороформа на 1 дм3 воды |
сразу после отбора; после консервации не более 1-3 сут при температуре 3-5 ºС |
стеклянная или полиэтиленовая |
нефтепродукты, жиры |
экстракция на месте отбора или консервация проб 2-4 см3 четыреххлористого углерода на 1 дм3 воды |
анализ вскоре после отбора, при консервации возможно хранение не более 2 недель в прохладном темном месте |
стеклянная посуда с притертыми пробками (или обернутыми фльгой) |
тяжелые металлы |
фильтрование через мембранный фильтр с размером пор 0,45 мкм; консервация очищенной хлороводородной кислотой (20 см3 (1:1) на 1 дм3 воды) |
после консервации пробы могут храниться длительное время |
секлянная |
Отбор и хранение проб донных отложений.
При наблюдениях за загрязнением донных отложений должен соблюдаться ряд требований:
программу отбора составляют в зависимости от целей исследований. Проба донных отложений должна характеризовать водный объект или определенную часть его за определенный промежуток времени. Объем отобранной пробы должен быть достаточным для выполнения всех запланированных исследований. При изучении загрязненности их тяжелыми металлами объем пробы донных отложений должен быть не мене 1 дм3.
Место отбора проб донных отложений выбирают в соответствии с целями исследования на основании результатов предварительного обследования местности. В водоемах и водостоках места отбора проб выбирают с учетом распределения донных отложений и закономерностей их перемещения. Отбор проб обязателен в местах, в которых донные отложения достигают максимального развития(места поступления сточных вод, зоны подпора боковых притоков и приплотинная часть в водохранилищах), а также в местах, где обмен загрязняющими веществами между водной массой и донными отложениями может характеризоваться экстремальными значениями (на судовом ходу, на участках водоемов с глубиной до 10 м, при ветровом перемешивании, на перекатах рек и др.). на водотоках при необходимости определения влияния сброса сточных вод на степень загрязненности донных отложений пробы отбирают выше и ниже мест сброса сточных вод. На водотоках с быстрым течением пробы отбирают на участках с установившимся динамическим равновесием между взвешенными частицами и донными отложениями, где отсутствует смыв последних. Точки отбора проб приурочивают к скоростным вертикалям и отбору проб воды. При неравномерном распределении крупности частиц по ширине русла пробы отбирают на каждой промерной вертикали.
На водоемах пробы отбирают в створе питающих их водотоков, в зоне сброса сточных вод, а также в зоне нижнего гидроузла или в районе истока реки или канала из исследуемого водоема.
Для оценки динамики содержания загрязняющих веществ в донных отложениях пробы отбирают на одном и том же участке дна водного объекта, точное место которого обозначают установкой буя, забивкой шпунта или определением азимута и расстояния от реперной точки створа на берегу.
На водотоках пробы донных отложений отбирают с интервалом, обеспечивающим возможность оценки степени загрязненности донных отложений в характерные фазы гидрологического режима водотоков.
На водоемах пробы отбирают с интервалом, соответствующим фазам гидрологического режима питающих их водотоков, сезонам года и динамике водных масс в водоеме.
Для отбора проб донных отложений используют различные способы в зависимости от характера и свойств донных отложений, загрязняющих веществ и от гидрологического режима водного объекта.
При распределении загрязняющего вещества в поверхностном слое донных отложений и для определения степени загрязненности дна пробы отбирают из поверхностного слоя донных отложений. В случае распределения веществ в толще донных отложений, что бывает характерным для тяжелых металлов и при исследовании распределения загрязняющих веществ по годам пробы отбирают по слоям донных отложений. Одновременно необходимо производить отбор проб воды из придонного слоя для сравнения концентраций изучаемого вещества в воде и донных отложениях.
Для отбора проб применяют следующие системы пробоотборников: дночерпатели, драги, стратиметры и трубки различных конструкций. В зависимости от глубины водного объекта, характера и свойств донных отложений применяют ручной или механизированный способ отбора проб. Трубки и стратиметры должны обеспечить отбор проб без нарушения их стратификации и исключить влияние материала пробоотборника на загрязнение металлами пробы.
При хранении отобранного материала осуществляют операции, препятствующие изменению состава проб.
Некоторые показатели изменяющиеся за небольшой промежуток времени (например температура, значение рН), необходимо определять на месте отбора непосредственно после отбора пробы. При необходимости применяют консервирующие вещества в зависимости от перечня анализируемых загрязняющих веществ и свойств донных отложений. Пробы хранят в охлажденном (от 0 до -3 ºС) или замороженном (до -20 ºС) состоянии.
Сосуды для хранения проб должны герметически закрываться. Для хранения проб могут быть использованы широкогорлые сосуды из химически стойкого стекла или пластмасс типа тефлона и полиэтилена, полученных при высоком давлении. С герметически закрывающимися крышками или термосы. Сосуды для хранения проб перед заполнением должны быть тщательно подготовлены (вымыты, высушены, при необходимости заполнены инертным газом и т.д.)
Протокол отбора проб составляют на месте.
Методы разделения и концентрирования
При организации контроля объектов ОС приходится иметь дело с пробами, в которых анализируемые примеси содержатся в микроколичествах и в сочетании со множеством других компонентов. Поэтому стадии предварительного концентрирования и разделения являются составной частью общей схемы анализа объектов ОС.
Под разделением подразумевается процесс или операция, в результате которой из исходной смеси веществ получается несколько фракций ее компонентов, присутствующих или в индивидуальном виде, или в виде смесей с новым качественным и количественным составом.
Концентрирование - процесс или операция повышения содержания определяемого вещества или группы веществ по отношению к матрице или к матричным компонентам. Под матрицей в данном случае подразумевается среда, в которой находятся целевые (анализируемые) компоненты.
Целью разделения является упрощение способов определения содержания анализируемых веществ, устранение влияния мешающих веществ. Целью концентрирования является снижение нижнего предела обнаружения.
Методы разделения и концентрирования
Упаривание
После стадии разделения следовый компонент почти всегда выделяют в виде раствора в относительно большом объеме растворителя. Часто возникает необходимость в концентрировании полученного раствора путем упаривания. Упаривание предлагается иногда даже в тех случаях, когда оно явно может служить потенциальным источником погрешностей. Например, при получении летучих производных для определения вещества методом газо-жидкостной хроматографии упаривают реакционную смесь, остаток растворяют в небольшом количестве растворителя и полученный концентрированный раствор вводят в колонку хроматографа.
Упаривание осуществляют или в закрытой системе (дистилляция), или в открытом сосуде. В последнем случае повышается вероятность внесения загрязнений в процессе упаривания.
Для концентрирования растворов, содержащих сравнительно летучие компоненты, часто применяется специальный прибор Кудерны-Даниша.
При определении следовых количеств органических веществ упариванию должны подвергаться только низкокипящие растворители.
Для упаривания также применяют приборы с вертикальными трубками, которые служат дефлегматорами. Также используют упаривание растворителей при пониженном давлении. При упаривании в открытых сосудах нагревание должно осуществляться, как правило, расположенным сверху внешним источником тепла, например, инфракрасной лампой. В качестве сосудов для упаривания применяют небольшие конические колбы.
Очень часто возникает необходимость в высушивании раствора определяемого органического соединения в органическом растворителе. Для этой цели чаще всего применяют безводный сульфат натрия. Реже – высушивание методом отгонки азеотропных смесей с водой.
Перегонка с паром и совместная дистилляция
Принцип, который лежит в основе метода разделения совместной дистилляции (кодистилляции) заключается в том, что давление пара смеси двух несмешивающихся растворителей равно сумме давлений паров соответствующих чистых растворителей, поэтому температура кипения такой смеси ниже температуры кипения самого летучего из компонентов.
Кодистилляция, главным образом кодистилляция с водой (перегонка с паром), представляет собой метод отделения следовых количеств веществ( N-нитрозаминов, углеводородов, фенолов в речной воде, ПХБ в дон. отложениях).
Перегонка с паром в ряде случаев, например, при отделении следовых количеств ДДТ от любых других материалов, оказывается более эффективной, быстрой, дешевой и безопасной, чем альтернативная методика разделения экстракция гексаном. Иногда применяется перегонка с др. растворителями.
Перегонку с паром применяют для выделения следовых количеств веществ: фенолов (в воде), полихлорбифенилов (в донных отложениях), метанола в пищевых продуктах, пентахлорнитробензола (в овощах), углеводороды (в воде), ДДТ (в почве, растениях), летучие нитрозамины (в воде). При применении этого метода следует убедиться в том, что летучий следовый компонент не разрушается при температуре отгонки (можно применить перегонку с паром при пониженном давлении).
Сублимация
Метод сублимации применяется в основном для очистки уже выделенных следовых компонентов, поскольку включенные в твердую матрицу в следовых количествах вещества обычно с трудом поддаются возгонке. Сублимацию используют для очистки и отделения полициклических ароматических углеводородов. Сублимацию используют для отделения определенных веществ от адсорбентов после тонкослойной хроматографии. Для сублимации следовый компонент конденсируют на охлаждаемом стержне, расположенном внутри закрытого сосуда непосредственно над обогреваемом образцом; при необходимости система вакуумируется. Для возгонки применяют небольшой стальной стержень 0,2 мм с отполированной торцевой поверхностью, которая может выполнять роль зеркала в ИК микроспектроскопии отражения.
Жидкостная экстракция – распределение между двумя несмешивающимися жидкостями. Она не требует сложного оборудования; выполняется достаточно быстро; физико-химические принципы метода остаются неизменными в очень широком диапазоне концентраций разделяемых веществ; практически полное отсутствие влияния составных частей матрицы. Метод жидкостной экстракции является идеальным для предварительного разделения смеси на группы веществ с последующей (если необходимо) очисткой или с более тщательным разделением методами, основанными на др. принципах. Жидкостная экстракция, особенно как стадия предварительного разделения, применяется для следующих целей:
• разделения смеси на группы веществ;
• перевода определяемого соединения в меньший объем с целью повышения его концентрации;
• перевода растворенного вещества в среду другого растворителя с тем, чтобы провести- реакции не осуществляемые в первом растворителе, или чтобы предотвратить нежелательные реакции, например, гидролиз.
Для жидкостной экстракции применяют конические пробирки или пробирки для центрифугирования, снабженные притертыми стеклянными пробками.
При использовании пробирок равновесия можно достичь, несколько раз перевернув или слегка встряхнув пробирку. Центрифугирование способствует лучшему разделению фаз, а последующее отделение интересующей исследователя фазы может быть выполнено с помощью пипетки, шприца, или отсасывающего устройства.
Осаждение и соосаждение.
Эффект разделения при осаждении достигается в результате образования одним или несколькими компонентами раствора малорастворимых соединений при введении в раствор соответствующих реагентов. При осаждении происходит отделение одного или группы веществ одновременно от матрицы и др. компонентов раствора, неспособных к образованию в данных условиях малорастворимых соединений. Если в жидкой гомогенной системе происходит образование твердой фазы, то любой компонент образующий в данных условиях растворимые или малорастворимые соединения, но присутствующий в количествах, недоступных для образования собственной фазы, будет распределяться между осадком и раствором (или расплавом). Соосаждение можно рассматривать в двух аспектах: как нежелательный эффект, сопровождающий процесс осаждения и приводящий к загрязнению осадка; как процесс направленного выделения микропримесей. Этот процесс лежит в основе самостоятельной группы методов разделения: собственно соосаждения (зонной плавки, направленной кристаллизации). Осаждение и соосаждение используют не часто.
Разделение с помощью мембран
Принципиальной основой диализа является способность веществ проникать через мембраны в зависимости от их молекулярной массы. Диализ часто является основным методом разделения в автоанализаторах. В ионообменных мембранах сочетаются свойства ионообменных смол и полупроницаемых мембран. Ионообменные мембраны позволяют отделять катионы от анионов или заряженные частицы от незаряженных молекул. Ионообменные мембраны значительно толще диализационных, поэтому скорость диффузии через них невысока и достигает значительных величин только в случае ионов небольшого размера. Такого типа мембраны имеют определенные преимущества в процессах обессоливания растворов. В методе «испарения через мембрану» водный раствор отделяют мембраной от вакуумированного пространства.
Диазолиз – комбинированный метод, сочетающий принципы жидкостной экстракции и диализа. В этом методе две несмешивающиеся жидкие фазы разделяют мембраной, непроницаемой только для одного из находящихся в растворе веществ. Для диазолиза используют силиконовые мембраны.
Метод адсорбции на пузырьках газа и метод «отделения под слоем растворителя». Под методами адсорбции на пузырьках газа подразумеваются различные приемы отделения растворенных или суспензированных веществ посредством их адсорбции или механического захвата поверхностью пузырьков газа, поднимающихся через слой жидкой фазы, которая содержит подлежащие разделению компоненты. В анализе следовых количеств поверхностно-активных веществ применяется один из вариантов этого метода, называемый методом «отделения под слоем растворителя». Этот метод заключается в пропускании тока воздуха через двухфазную систему этилацетат - вода. При этом поверхностно-активные вещества концентрируются на границе раздела фаз и могут быть определены вместе с органической фазой.
Электрофорез
При электрофоретических способах разделения заряженные частицы или молекулы разделяют в электрическом поле в результате различия в их подвижности. В газожидкостной хроматографии следовые количества определяемого соединения контактируют с граммовыми количествами носителя (и неподвижной фазы), имеющими большую удельную поверхность. Поэтому разделение малых количеств веществ обычно сопровождается их потерей за счет адсорбции на носителе, причем потери тем выше, чем полярнее определяемое соединение. Используют специальную обработку неподвижной фазы с целью дезактивации адсорбционных центров. В газожидкостной хроматографии применяют капиллярные колонки 0~0,25 мм, изготовленные из нержавеющей стали, стекла или плавленого кварца, внутренняя поверхность которых покрыта тонким слоем неподвижной фазы. Недостатки капиллярных колонок их малая емкость, не позволяющая анализировать пробы массой > нескольких микрограммов; анализ таких малых количеств требует наличия высокочувствительных детекторов - современные методы обнаружения обеспечивают требуемую чувствительность.
Газожидкостная хроматография на капиллярных колонках использовалась для определения 190 различных полициклических ароматических углеводородов, пестицидов, термически устойчивых гербицидов, различных загрязняющих веществ. Жидкость-жидкостная хроматография получила наибольшее распространение при концентрировании и разделении. В ее основе лежит распределение смеси соединений между жидкой фазой на твердом носителе (адсорбентом) и подвижной жидкой фазой. В качестве адсорбентов используют полимерные смолы силикагель, оксид алюминия, целлюлоза.
Метод высокоэффективной жидкостной хроматографии считается наиболее важным в анализе следовых количеств пестицидов, пищевых продуктов. Этот метод используют для разделения (определения) биогенных аминов, определения стероидов. Важной областью применения является химия окружающей среды, остаточных количеств веществ в продуктах и кормах.
Гель хроматография
Вид хроматографии, основанный на использовании различия в размерах молекул. Неподвижной фазой в гель хроматографии является растворитель, находящийся в порах геля, а подвижной – сам растворитель, т.е. и подвижную и неподвижную фазы составляет одно и то же вещество или одна та же смесь веществ. Гель готовят на основе, например, декстрана, полиакрилимада или др. природных и синтетических соединений.
В процессе гель-хроматографии могут быть отделены крупные молекулы, которые гелем не нормируются, т.к. их размеры превышают размеры пор, от мелких, которые проникают в поры, а затем могут быть элюированы. Проводят и более тонкие разделения т.к. размеры пор можно регулировать, изменяя, например, состав растворителя, и как следствие, набухаемость растворителя. Гель-хроматография может быть выполнена в колоночном варианте и тонкослойном.
Гель-хроматография часто применяют в анализе пестицидов, используется для анализа образцов, содержащих большое количество липидов (жиры, молоко), для определения летучих N-нитрозаминов в концентрациях порядка 0,6 млрд-1 как предварительная стадия разделения.
Тонкослойная хроматография ТСХ. В методе ТСХ неподвижная твердая фаза тонким слоем наносится на стеклянную, металлическую или пластмассовую пластинку. В качестве неподвижной твердой фазы используют: оксид алюминия, силикагели. К достоинствам ТСХ относится также возможность двухмерной схемы разделения; пластинку последовательно обрабатывают двумя растворами, подаваемыми во взаимно перпендикулярных направлениях. По окончании разделения возможны самые разнообразные способы идентификации и определения выделенных веществ от визуального обнаружения до точных измерений с помощью сканирующих денситометров. Иногда ТСХ применяют для предварительного разделения пробы в сочетании с др. методами; смесь разделяют в тонком слое сорбента на пластинке, а затем пятно, содержащее определяемый компонент, анализируют методами ВЭЖХ, ГЖХ или спектрометрии. В тонкослойной хроматографии на эффективность разделения и предел обнаружения влияет способ нанесения пробы на пластинку.
Ионообменная хроматография (ИОХ) основана на обратимом стехиометрическом обмене ионов, находящихся в растворе, на ионы, входящие в состав ионообменника, позволяет разделять: катионы от анионов - ионные вещества от неионных, одноименно заряженные ионные вещества, различающиеся ионным радиусом или величиной заряда. Процесс ионообменного разделения осуществляется в хроматографической колонке, заполненной ионитом (катионитом при разделении смеси катионов и анионитом при разделении анионов), в которую через кран-дозатор подается элюент. Достоинства - высокая чувствительность, экспрессность, селективность. Недостаток растворимость ионообменных смола неводных растворителях (появляются фоновые сигналы).ИОХ применяют для эффективного выделения соединений, имеющих высокую полярность и соответственно хорошо растворяющихся в полярных растворителях.