Подготовка проб на наличие химически опасных веществ

УДК 543.054

Гарелина С.А., Латышенко К.П., Миронов А.А., Павлюченко И.А.

ПОДГОТОВКА ПРОБ НА НАЛИЧИЕ ХИМИЧЕСКИ ОПАСНЫХ ВЕЩЕСТВ

В статье представлены универсальные алгоритмы, обработки водорастворимых проб и проб грунта на наличие отравляющих и опасных химических веществ.

Ключевые слова: проба; опасные химические вещества; пробоотбор; пробоподготовка; универсальный алгоритм обработки проб.

Garelina S.A., Latyshenko К.P., Mironov A.A., Pavlyuchenko I.А.

SAMPLE PREPARATION FOR AVAILABILITY CHEMICAL ALLY HAZARDOUS

SUBSTANCES

The article presents universal algorithms for processing water-soluble samples and soil samples for the presence of poisonous and dangerous chemicals.

Keywords: sample; hazardous chemicals; sampling; sample preparation; a universal algorithm for processing samples.

Совершенствование методов анализа компонентов природной среды к химическому анализу на наличие опасных химических веществ (ОХВ) при чрезвычайных ситуациях (ЧС) с автоматизацией данного процесса в химико-аналитической лаборатории является актуальной задачей.

К опасным химическим веществам относят как опасную химическую продукцию 5 классов опасности (ГОСТ Г 53856-2010), так и химические отравляющие вещества.

Целью статьи является решение актуальной задачи совершенствования и автоматизации подготовки проб, отобранных в месте ЧС, к химическому анализу.

С учетом существующих подходов, рассмотрена подготовка проб к химическому анализу на наличие ОХВ при действиях в условиях возникновения ЧС.

Обоснованы направления совершенствования подготовки проб к химическому анализу в условиях возникновения ЧС.

Предложен универсальный алгоритм пробо-подготовки, отличающийся от известных воз-

можностью проводить подготовку проб компонентов природной среды на наличие полного перечня ОХВ в условиях возникновения ЧС, представленный на рисунке 1.

Определены пути создания автоматизированных устройств подготовки проб к анализу на наличие ОХВ для использования в местах возникновения ЧС.

Обосновано, что для использования в полевых условиях целесообразно применение таких автоматизированных устройств, которые основаны на наиболее доступных и часто встречающихся в большинстве методик методах, а именно: жидкостной экстракции, концентрировании и термодесорбции. Метод термодесорбции актуально использовать при разработке приставок к хроматографам с прямым вводом пробы в анализируемый блок. В то же время автоматизированные устройства жидкостной экстракции и концентрирования применимы для реализации представленного алгоритма в полевых условиях в виде последовательно выполняемых операций.

Гаролина С.А., Латышонко К.П., Миронов А.А., Павлючонко И.А.

Рисунок 1 Универсальный алгоритм подготовки проб ОХВ к анализу

Для пробоподготовки водных проб на наличие отравляющих химических веществ (ОХВ) разработан универсальный алгоритм, который позволяет определить загрязнители различных классов [1]. Анализ проб грунта значительно сложнее, так как к нему не применимы прямые методы измерений. Поэтому аргументированный выбор метода и последовательности операций подготовки проб грунта является актуальной задачей.

При пробоподготовке грунта для определения более 20 летучих органических веществ (ЛОС) целесообразно использовать метод газовой экстракции с последующей термодесорбцией (55-220 °С) в пробе, при этом степень извлечения ЛОС из грунта составляет 89 ± 3 %. Также этот метод можно использовать и при

анализе сильно загрязнённых почв.

Для скрининга почвы на ЛОС (хлоруглево-дороды, пестициды и полиароматические углеводороды, далее ПАУ) используют прямую термодесорбцию контролируемых компонентов из стеклянной или фторопластовой трубки с 200 мг анализируемой пробы с дальнейшим анализом методом газовой хроматографии и масс-спектрометрии (ГХ/МС). Лучше всего данный метод подходит для скрининга хлоруглеводоро-дов (предел обнаружения .30 пг/г грунта). Для более точного количественного анализа используют газовую хроматографию (ГХ) с пламенно-ионизационным детектором. При анализе пробы на наличие маполетучих органических соединений (МОС) применяют различные методы пробоподготовки в зависимости от опреде-

ляемого компонента. Наиболее распространённым является потенциометрия с ионоселектив-ными электродами с последующим анализом современными физико-химическими методами. В то же время для определения ароматических углеводородов С6-С12 и ПАУ используют метод газовой экстракции с последующей термодесорбцией (250-255 °С), применяя для анализа ГХ/МС. Для определения фталатов используют тот же метод пробоподготовки с последующим анализом методом ГХ с электроннозахват-ным детектором.

Токсичные органические соединения в продуктах выщелачивания промышленных отходов после их извлечения (твёрдофазная экстракция — ТФЭ, твёрдофазная микроэкстракция, экстракция органическими растворителями и др.) определяют с использованием гибридных методов (ГХ/МС, ВЭЖХ с масс-спектрометрией (ВЭЖХ/МС), ВЭЖХ с методом ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) и биотесты), а неорганические соединения анализируют методом МС с индуктивно-связанной плазмой (МС/ИСП).

При исследовании неустойчивых летучих металлорганических соединений используют метод улавливания в криогенной ловушке с последующей термодесорбцией (нагрев от -100 до 180 °С) и анализируют методом ГХ/МС/ИСП.

Методом жидкостной экстракции извлекают из почв ПАУ, полихлорированные бифе-нилы (ПХБ), пестициды, хлорфенолы, изомеры гексахлорциклогексана, металлорганиче-ские соединения, взрывчатые и отравляющие вещества, гептил, фенолы, диоксины и другие малолетучие токсичные вещества.

Главным методом выделения из почв остаточных количеств пестицидов и ПХБ является жидкостная экстракция с последующей очисткой экстракта методом ТФЭ и его концентрированием.

Гораздо более эффективным растворителем, особенно для труднолетучих супероксидантов типа диоксинов, является вода в сверхкритическом состоянии —при температуре 250 °С и давлении 50 атм. Этот способ пробоподготовки требует минимального количества времени

(15-20 мин на собственно экстракцию), прост, дёшев и позволяет извлекать из почвы целевые компоненты на 80 - 85 % [2]. Мерой извлечения анализируемого компонента является коэффициент экстракции, определяемый экспериментально для каждого конкретного вещества [3].

Алгоритм пробоподготовки грунта представлен на рисунке 2.

Первоначально проводят отбор проб грунта, затем их доводят до воздушно-сухого состояния, измельчают, пропускают через сито с круглыми отверстиями диаметром 1-2 мм и хранят в коробках или пакетах. Пробу на анализ из коробки отбирают шпателем или ложкой [4] и проводят экспресс-анализ (скрининг) на содержание ОХВ. Если ОХВ не обнаружены, то принимают решение о дальнейшем исследовании.

ОХВ делят на лёгко- и малолетучие (сред-нелетучие) органические соединения. Для определения ЛОС используют газовую экстракцию, что подразумевает улавливание в слое сорбента и последующую термодесорбцию (55-220 °С), либо смыв рабочего компонента растворителем.

Метод жидкостной экстракции используют для подготовки проб грунта на анализ МО С. Для подготовки грунта на определение высокотоксичных органических соединений и диоксинов используют жидкостную экстракцию с последующей ТФЭ и концентрированием, но более эффективен метод экстракции субкритической водой.

Помимо метода жидкостной экстракции, для определения ароматических углеводородов, ПАУ и фталатов также используют метод газовой экстракции с последующей термодесорбцией.

Для подготовки проб на определение металлорганических соединений также используют метод жидкостной экстракции, а для определения неустойчивых металлорганических соединений — метод улавливания в криогенной ловушке с последующей термодесорбцией.

Таким образом, перспективно использование предлагаемого алгоритма, позволяющего проводить подготовку проб грунта неизвестного состава для химического анализа на наличие ОХВ.

Гарелина С.А., Латышенко К.П., Миронов А.А., Павлюченко И.А.

Рисунок 2 - Универсалвнвш алгоритм подготовки проб грунта

Выводы

1. Решена актуалвная научно-техническая задача совершенствования и автоматизации подготовки проб, отобраннв1х в месте возникновения ЧС, к химическому анализу-

2. Обоснованв1 направления создания пер-спективнв1х АУПП.

3. Разработан универсалвнвш алгоритм про-боподготовки, применимвш при возникновении ЧС в условиях отсутствия информации о составе анализируемв1х компонентов пробвп

4. Разработанв1 математические модели АУПП и их погрешности.

5. Установленв1 факторв1, влияющие на процесс проведения подготовки проб к химическому анализу, с исполвзованием методов математического моделирования, для

исполвзования при разработке АУПП и вв1бранв1 их оптималвнв1е значения.

6. Разработана методика подготовки проб к химическому анализу, основанная на исполвзовании универсалвного алгоритма и разработаннвгх АУПП, позволяющая проводитв пробоподготовку компонентов природной средв1 на наличие полного перечня ОХВ в условиях возникновения ЧС, проведена её эксперименталвная оценка.

7. В резулвтате совершенствования и автоматизации пробоподготовки достигнуто уменвшение времени обработки про-бв1 при стабилизации и повторяемости ре-зулвтатов с заданной погрешноствю и воз-можноствю исполвзования разработаннв1х АУПП в составе мобилвнв1х комплексов при возникновении ЧС.

8. В ходе проведённв1х исследований раз-работанв! опв1тнв1е образцв! АУПП, а

используемые в них технические решения защищены патентами РФ на изобретение: жидкостной экстрактор-сепаратор (патент РФ № 2275225), концентратор-выпариватель (патент РФ № 2275243).

9. Результаты диссертационной работы ис-

Литература

пользованы и внедрены в ФГУП «86 ЦКБ» МО РФ при выполнении ОКР «Разработка комплекта устройств подготовки проб», «Разработка машины химической разведки» и применяются в учебном процессе.

1. ГОСТ 26423-85 Методы определения удельной электрической проводимости, pH и плотного остатка водной вытяжки.

2. Другов, Ю.С., Родин A.A. Пробоподготовка в экологическом анализе / Ю.С. Другов, A.A. родин. _ СПб.: Анатолия, 2002. — 755 с.

3. К.П. Латышенко, A.A. Миронов. Универсальный алгоритм проведения подготовки проб компонентов природной среды для определения опасных химических веществ // Экологические системы и приборы, № 6, 2011. — С. 22-25.

4. Латышенко К.П., Миронов A.A., Павлючен-ко И.А. Универсальный алгоритм подготовки проб грунта для определения опасных химических веществ // Экологические приборы и системы, № 9, т. 3, 2014. - С. 15-18.

5. Латышенко К.П., Миронов A.A., Павлючен-ко И.А. Универсальный алгоритм подготовки проб грунта для определения опасных химических веществ // Известия МГТУ «МАМИ», № 2 (20), т. 3, 2014. - С. 70 - 72.

6. Фомин, В.В. Химия экстракционных процессов / В.В. Фомин. — М.: Госатомиздат, 1960. — 166 с. Объём 3-6 страниц

Рецензент: кандидат химических наук, доцент Глотов E.H.