Экспрессное определение нитробензола в природной методом ВЭЖХ

Вестник ДВО РАН. 2007. № 2

В .Л.РАПОПОРТ, Т.И.ПЕЛЫХ, Г. Ф. ЗОЛОТУХИНА, Н.В.БЕРДНИКОВ

Экспрессное определение нитробензола в природной воде методом ВЭЖХ

Разработан вариант метода ВЭЖХ для экспрессного определения концентрации нитробензола в природной воде, основанный на прямом вводе пробы воды в петлю-дозатор хроматографа. При достаточно высокой чувствительности (до 0,001 мг/дм3) и точности метод обеспечивает многократно более высокую производительность (6-10 мин на анализ одной пробы) при значительном снижении трудоемкости и расходе химреактивов. Эти особенности метода делают целесообразным его применение при проведении мониторинга, особенно в случае аварийных ситуаций и масштабных загрязнениях воды, когда необходимо анализировать большое количество проб в сжатые сроки.

Express determination of nitrobenzene in natural water by effective liquid chromatography. V.L.RAPOPORT, T.I.PELYKH, G.F.ZOLOTUKHINA, N.V.BERDNIKOV (Institute of Tectonics and Geophysics named after Yu.A.Kosygin FEB RAS, Khabarovsk).

An express version of the method of nitrobenzene determination in natural water by effective liquid chromatography is created. The method is based on the direct input of a water probe into the loopbatcher of a chromatograph. The method provides for a high sensitivity (up to 0,001 mg/l) and precision along with a high productivity (6-10 min per analysis of one sample) and significant decrease of laboriousness and expense of chemicals. These features of the method make its use expedient when monitoring water quality, especially in case of contingency and wide pollution of water, when it is necessary to carry out a large number of analyses during a short period of time.

Нитробензол (СвН5Ы02) представляет собой бесцветную или желтоватую жидкость с запахом горького миндаля. Температура плавления 5,8°С, кипения 210,8°С, плотность 1,208 г/см3, растворимость в воде 0,19% при 20°С. Относится к группе сильнодействующих ядовитых соединений и является опасным загрязнителем окружающей среды. Предельно допустимые концентрации в воде систем питьевого водоснабжения составляют 0,2 мг/л [4], класс опасности III. В водоемах рыбохозяйственного назначения концентрация нитробензола не должна превышать 0,01 мг/л [3].

Нитробензол используется в синтезе анилина - важнейшего химического сырья, основы большого количества синтетической продукции. Производство нитробензола и анилина в мире постоянно увеличивается, поэтому не вызывает сомнения необходимость совершенствования методов контроля загрязнения этими продуктами окружающей среды. В настоящей статье описан метод прямого определения нитробензола в воде методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ), разработанный для осуществления мониторинга качества воды после аварии на анилиновом заводе в г. Цзилинь, КНР. Авария привела к значительному загрязнению нитробензолом не только китайской р. Сунгари, на которой расположен завод, но и экосистемы р. Амур на протяжении более 1000 км от с. Нижнеленинское до устья. В зону загрязнения попали крупные российские города Хабаровск, Амурск, Комсомольск-на-Амуре и Николаевск-на-Амуре, а также большое количество поселков. Мониторинг содержания нитробензола в амурской воде в режиме реального времени, необходимый для быстрой оценки ситуации и выработки решений по защите систем водоснабжения от загрязнения, предполагал применение эффективной производительной методики.

РАПОПОРТ Владимир Львович, ПЕЛЫХ Татьяна Ивановна, ЗОЛОТУХИНА Галина Федоровна, БЕРДНИКОВ Николай Викторович - кандидат геолого-минералогических наук (Институт тектоники и геофизики им. Ю.А.Косыгина ДВО РАН, Хабаровск).

Существует ряд методов, позволяющих определять нитробензол в воде с достаточно высокой чувствительностью: спектрофотометические [1], ВЭЖХ и методы газожидкостной хроматографии [2, 5, 6]. При спектрофотометрическом определении проводится восстановление нитробензола до амина с последующей реакцией диазосочетания. Его выполнение требует много времени (4 ч только на стабилизацию окраски, в целом же 5 ч). Для анализа природной загрязненной воды метод мало пригоден, так как определению нитробензола мешает большое число ароматических аминов и нитратов. В хроматографических методах применяется экстракция нитробензола из воды органическими растворителями. Процесс экстракции занимает большую часть времени выполнения анализа (1-1,5 ч), особенно в случае образования стойких эмульсий (до 1 сут). Кроме того, неполная экстракция и потери при последующем упаривании растворителя уменьшают точность определения.

Для экспрессного, но достаточно чувствительного определения концентрации нитробензола в природной воде нами разработан вариант метода ВЭЖХ, с прямым вводом пробы воды в петлю-дозатор хроматографа.

Приборы и вспомогательные вещества. Жидкостной хроматограф «SHIMADZU» ЬС-20А с диодно-матричным детектором SPD-M10A vp и многоволновым детектором SPD-20A, программное обеспечение «LC Solution». Хроматографическая колонка VP-ODS, l = 250 мм, d = 4,6 мм. Стекловолоконные фильтры. Микрошприцы на 100 мкл. Государственный стандартный раствор нитробензола. Ацетонитрил сорт 0.

Воду для приготовления калибровочных растворов готовили следующим образом: в 2 л дистиллированной воды добавляли 0,5 г перманганата калия, подкисляли 1 мл концентрированной серной кислоты и кипятили с обратным холодильником 6 ч. После остывания воду нейтрализовали концентрированным раствором едкого натра, декантировали с осадка и перегоняли.

Условия хроматографирования. Температура колонки 25°С. Скорость потока фазы 1 см3/мин. Ввод ручной через петлю-дозатор, объем пробы 20 мкл. Пробы предварительно фильтровали через стекловолоконный фильтр. Хроматограммы снимали в изократическом режиме. Аналитическая длина волны 260 нм соответствует максимальному поглощению нитробензола. Вспомогательная длина волны 225 нм (для многоволнового детектора) соответствует минимуму поглощения.

Выбор подвижной фазы проводили на модельных растворах и пробах природной воды, взятых из различных точек отбора на реках Амур, Уссури и Сунгари, в которые вносили добавки нитробензола до концентраций 0,01-1,0 мг/дм3. Основной целью выбора фазы являлось наличие на хроматограмме правильного пика нитробензола, хорошо отделенного от посторонних пиков. Чистоту пика оценивали по совпадению УФ-спектров фронтальной и тыльной образующих, снятых у основания пика, со спектром, полученным на вершине в программе «LC Solution». Полученные спектры сравнивали со спектром нитробензола. При использовании многоволнового детектора критерием чистоты пика являлось отношение интенсивностей поглощения при 260 и 225 нм. Для чистого пика нитробензола это отношение составляет 2,0.

Испытывались бинарные подвижные фазы ацетонитрил-вода, содержащие 80, 70, 60, 50 и 45% по объему ацетонитрила. Кривая на рис. 1 показывает зависимость времени удерживания нитробензола от состава подвижной фазы.

Фаза, содержащая 70% ацетонитрила,

Содержание ацетонитрила в подвижной фазе, % об.

Рис. 1. Зависимость времени удержания нитробензола от состава подвижной фазы

на этапе отработки метода обеспечила хорошее отделение пика нитробензола во всех испытанных пробах воды. При мониторинге содержания нитробензола в амурской воде мы использовали 80%-ную подвижную фазу, которая обеспечивала экспрессность анализа и удовлетворительное отделение пика (1494 пробы из 1500). За исключением специальных случаев применение фаз, содержащих менее 70% ацетонитрила, не рационально, так как при этом уменьшается чувствительность и, как это видно на рис. 1, значительно увеличивается время анализа.

На рис. 2 показаны хроматограммы амурской воды, содержащей нитробензол. Хроматограммы получены как с помощью диодно-матричного, так и многоволнового детектора. Как видно из рисунка, выбранный режим определения обеспечивает полное и достаточно чистое отделение пика нитробензола от других компонентов воды.

Так как нитробензол большей частью применяется для синтеза анилина, а сырьем для его производства служит бензол, мы оценили влияние присутствия в пробе бензола и анилина на определение нитробензола. Бензол не мешает анализу, если не превышен предел его растворимости в воде, так как он имеет малое время удерживания (1,4 мин) и низкое

мЕОП

мЕОП

А

мВ

Время удерживания, мин 1

Длина волны поглощения, нм - Б

мВ

Время удерживания, мин

Время удерживания, мин

Рис. 2. Хроматограммы природной воды, содержащей нитробензол: А - хроматограмма и УФ-спектр пика, полученные на диодно-матричном детекторе (р. Амур, Нижнеспасское, 23.12.2006 г.); Б - хроматограммы, полученные на многоволновом детекторе: 1 - проба воды (устье р. Сунгари, 17.12.2006 г.), 2 - пик нитробензола при концентрации его в воде 0,001 мг/ дм3 (добавка стандартного раствора в амурскую воду, не содержащую нитробензол); мЕОП - 10-3 единиц оптической плотности

250

значение молярного коэффициента све-топогашения при выбранных длинах волн. Пик анилина хорошо отделяется от пика нитробензола даже при его преобладании в пробе (рис. 3). Это позволяет нам рекомендовать данный метод для проверки сточных вод анилинового производства.

Калибровка прибора. Для практической работы удобно пользоваться одной калибровочной кривой, так как при этом обработка данных реализуется в рамках одной программной методики.

Нами использовалась калибровочная кривая, построенная по двум сериям из десяти калибровочных растворов с концентрациями нитробензола от 0,001 до 1 мг/дм3 (рис. 4).

Проверку метода проводили по пробам речной воды, отобранным в различных точках рек Амур, Сунгари и Уссури. Использовали только те пробы, в которых нитробензол не был обнаружен. В пробы добавляли нитробензол до концентраций 1, 3, 5, 10, 20, 50, 100 300 и 500 мкг/дм3. На рис. 2 показан пик нитробензола, соответствующий концентрации 1 мкг/дм3.

Анилин

225 нм

Нитробензол

-1 260 нм д

J LÜÄ

1 2 3 4 5 6

Время удерживания, мин

Рис. 3. Хроматограмма смеси нитробензола

Рис. 4. Калибровочная кривая для определения нитробензола в воде в области: а - 0,001-1 мг/дм3, б -0,001-0,2 мг/дм3, в - 0,001-0,05 мг/дм3. Крестики - точки, построенные по двум сериям калибровочных растворов; кружки - средние значения из двух измерений

Следует заметить, что полученная нами чувствительность достигнута благодаря достаточно низкому уровню шума использованной модели хроматографа, который не превышал 0,013 мВ. Результаты статистической проверки предложенного метода представлены в таблице.

Среднее время выполнения анализа по предложенному методу, включая промывку колонки, составляет 6-10 мин. Как показал наш опыт, после анализа 50-70 проб меняются аналитические параметры колонки. Это становится заметно по изменению времени удерживания нитробензола и увеличению давления на колонке. Регенерацию колонки проводили в следующем режиме. Пропускали через колонку воду, подкисленную HCl до pH 2 (20 мин), затем чистую воду (20 мин) и рабочую фазу до стабилизации нулевой линии (40-60 мин). После такой обработки параметры колонки полностью восстанавливались.

Примечание. ц.- заданная концентрация нитробензола в воде, n - число определений, y - среднее измеренное

значение, § - систематическая погрешность, о - стандартное отклонение, о - стандартное отклонение для диапазона концентраций.

При интенсивной аналитической работе без выключения прибора один человек выполнял 40-50 определений за рабочую смену.

Предложенный нами метод прямого определения нитробензола в воде имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами. При достаточно высокой чувствительности (минимально определяемая концентрация в 4 раза ниже, чем в стандартизованном методе [2]) и точности метод обеспечивает многократно более высокую производительность при значительном снижении трудоемкости и расходе химреактивов. Эти особенности метода делают целесообразным его применение при проведении мониторинга, особенно в случае аварийных ситуаций и в масштабных загрязнениях воды, когда необходимо анализировать большое количество проб в сжатые сроки. Ограничением метода следует считать невозможность его применения на хроматографах с высоким уровнем шума.

ЛИТЕРАТУРА

1. Коренман И.М. Фотометрический анализ. Методы определения органических соединений. М.: Химия, 1970. 40 с.

2. МУК 4.1.750-99. 4.1. Методы контроля. Химические факторы. ВЭЖХ определение нитробензола в воде. М.: Госкомсанэпиднадзор, 2001. С. 133-140.

3. Перечень рыбохозяйственных нормативов: предельно допустимых концентраций (ПДК) и ориентировочно безопасного уровня воздействия (ОБУВ) вредных веществ для воды водных объектов, имеющих рыбохозяйственное значение. М.: Изд-во ВНИРО, 1999. 58 с.

4. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. СанПин 2.1.4.1074-01. М.: Госкомсанэпиднадзор, 2001. 22 с.

5. Сонияси Р., Сандра П., Шлетт К. Анализ воды: Органические микропримеси. Практическое руководство. Hewlett-Packard Company, 1994. С. 146-153.

6. Standard Methods For the Examination of Water and Wastewater. 18th ed. Wash., D. C.: American Public Health Association, 1992. N 6. P. 77-86.