СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИОНОВ СВИНЦА (II) В РАСТВОРЕ
METHOD OF DETERMINING LEAD (II) IONS IN SOLUTION

Изобретение предназначено для обнаружения и полуколичественного определения ионов свинца (II) в водных растворах и может использоваться для проведения экспресс-анализов проб вод природных водоемов и промышленных сточных вод в отрыве от лабораторной базы.
3
Известен способ определения ионов свинца с помощью реактивной бумаги, пропитанной раствором, содержащим 10 мг дитизона, 0.5 мг тиомочевины, 6 г карбоната натрия и 1 г поливинилового спирта в 50 мл этанола и 50 мл воды. Перед анализом бумагу последовательно пропитывают указанными реагентами и высушивают. Определение ионов свинца проводят способом погружения готовой реактивной бумаги в анализируемый раствор, после чего сравнивают окраску матрицы с готовой цветовой шкалой и находят по ней концентрацию металла. Чувствительность определения составляет 0,5 мг/дм (Золотов Ю.А., Иванов В.М., Амелин В.Г. Химические тест-методы анализа. УРСС. Москва. 2002 г. С.186).
Известный способ характеризуется многокомпонентностью, трудностью и длительностью подготовительного периода. Кроме того, чувствительность анализа невысока, а процесс модификации бумаги требует лабораторных условий.
3
3
Известен способ определения свинца с помощью индикаторной трубки. В основу метода положена цветная реакция свинца с родизонатом натрия в растворе и сорбция образовавшегося окрашенного соединения в индикаторной трубке. Для определения 10-80 мг/дм свинца к 2 см анализируемого раствора прибавляют раствор родизоната натрия, раствор тартратного буферного раствора с pH 3,6-3,8 и перемешивают. Полученный окрашенный раствор пропускают с помощью медицинского шприца через индикаторную трубку. Измеряют длину окрашенной в фиолетово-розовый цвет зоны и определяют содержание свинца с помощью шкалы длин (Золотов Ю.А., Иванов В.М., Амелин В.Г. Химические тест-методы анализа. УРСС. Москва. 2002 г. С.187).
Известный способ позволяет провести полуколичественный анализ ионов свинца в водном растворе в узком диапазоне рН, при этом характеризуется многокомпонентностью и низкой чувствительностью аналитической реакции.
3
3
3
Известен способ определения ионов свинца с помощью фильтровальной бумаги, при котором фильтровальную бумагу замачивают в 0,04 М растворе сульфата цинка, высушивают и замачивают в 0,04 M растворе сульфида натрия, осаждая на бумаге ZnS. При пропускании через модифицированную вышеуказанным способом фильтровальную бумагу 20 см анализируемого раствора наблюдается появление темно-коричневой окраски, интенсивность которой пропорциональна концентрации ионов свинца в анализируемом растворе. Определение 0,01-1 мг/дм свинца проводят в 0,05-0,1 M NaOH при пропускании 20 см анализируемого раствора через модифицированную фильтровальную бумагу. Для задерживания гидроксидов в тест-устройстве используют прокладку из фильтровальной бумаги (Золотов Ю.А., Иванов В.М., Амелин В.Г. Химические тест-методы анализа. УРСС. Москва. 2002 г. С.188).
Известный способ определения ионов свинца характеризуется хорошей чувствительностью, но использование непрочной на прорыв фильтровальной бумаги создает трудности при пропускании через нее анализируемого раствора. Кроме того, данный способ осложнен длительностью модификации фильтровальной бумаги в условиях лабораторной базы, а также дополнительными операциями по задерживанию гидроксидов при анализе.
Наиболее близким к предлагаемому является способ для определения ионов свинца (патент RU №2218563, 2003) на модифицированной матрице с использованием органического реагента - водного раствора 4-(2-пирилидазо)резорцина в концентрации 0,08-0,20 мас.% с водным раствором ацетата аммония, при этом в качестве модифицированной матрицы используют индикаторную пластину в виде носителя с капиллярными свойствами, например фильтровальной бумаги, пластину пропитывают индикаторным составом.
Известный способ обеспечивает определение ионов свинца в водных растворах, но недостаточно чувствителен при низких концентрациях ионов свинца в растворах, а также не обеспечивает возможности полуколичественного его определения.
Задачей изобретения является расширение арсенала тест-средств, повышение чувствительности определения ионов свинца в пробах вод природных водоемов и промышленных сточных вод в отрыве от лабораторной базы при сохранении достоверности результатов анализа.
Поставленная задача решается тем, что предлагаемый способ состоит в сорбции ионов Pb (II) из анализируемого раствора на твердый носитель, в качестве которого используют тканевый носитель. Сорбцию ведут путем помещения тканевого носителя в анализируемый раствор с последующим отделением жидкой фазы и обработкой тканевого носителя органическим реагентом, взятым в количестве 0,032-0,158 мас.% от массы тканевого носителя. В качестве органического реагента используют 1-фенил-3-изопропил-5-(бензилбензимидазол-2-ил)формазан в виде этанольного раствора. Обработанный тканевый носитель для стабилизации проявившейся окраски выдерживают на воздухе. Концентрацию ионов Pb (II) определяют визуально, сравнивая интенсивность окраски тканевого носителя с имитационной цветовой шкалой.
-6
-6
Для обеспечения дополнительного результата, связанного с достоверным полуколичественным определением содержания ионов свинца (II), процесс сорбции ведут в течение не менее 3 минут при соотношении массы тканевого носителя к массе анализируемого раствора=0,072÷0,088, при этом 1-фенил-3-изопропил-5-(бензилбензимидазол-2-ил)формазан используют в виде этанольного раствора концентрации 4·10-20·10 М, а после нанесения этанольного раствора указанного формазана тканевый носитель выдерживают на воздухе не менее 5 минут.
В качестве тканевого носителя преимущественно используют хлопчатобумажные ткани с содержанием целлюлозы по массе не менее 80% без красителя. Например, может быть использована бязевая ткань ГОСТ 20272-98 (целлюлоза - 90%, лигнин, пектиновые вещества - 10%).
В качестве органического реагента используют 1-фенил-3-изопропил-5-(бензилбензимидазол-2-ил)формазан, имеющий следующее строение:
Заявляемый способ реализуется следующим образом.
3
3
3
-6
-6
3
max
В колбы емкостью 100 см помещают 25 см анализируемого раствора, содержащего ионы Pb (II) с концентрацией 0,01-0,8 мг/дм, и готовый бязевый диск с массой (20,0±0,2) мг, обеспечивая массовое соотношение бязевый диск : анализируемый раствор (1,0±0,1):(1250±50) соответственно, смесь встряхивают вручную в течение не менее 3 мин. Затем контактный раствор сливают, придерживая диск бязи стеклянной палочкой, и наносят с помощью дозатора реагент, в качестве которого используют 1-фенил-3-изопропил-5-(бензилбензимидазол-2-ил)формазан в виде этанольного раствора с концентрацией 4·10-20·10 M. Реагент вводят в количестве 0,032-0,158 мас.% (от массы тканевого носителя). Контроль реакции осуществляют визуально после выдерживания тканевого носителя на воздухе в течение не менее 5 минут для стабилизации интенсивности окраски. Тканевый носитель, насыщенный ионами Pb (II), имея белую окраску, после нанесения на него раствора формазана окрашивается в сиреневый цвет (λ=525 нм). По интенсивности окрашивания диска определяют концентрацию ионов данного металла в растворе, сравнивая окраску с имитационной цветовой шкалой, приготовленной заранее. Предел обнаружения Pb (II) составляет 0,005 мг/дм.
2
Формализация результатов визуального анализа проводится с помощью метода спектроскопии диффузного отражения с использованием функции Кубелки-Мунка [Kubelka P. Ein Beitrag zur Optik der Farbanstriche / P.Kubelka, F.Munk // Z.Tech. Phys. - 1931. - Bd. 12. - S.593-601], рассчитываемой no формуле: F(R)=(1-R)/2R, где R - коэффициент диффузного отражения, измеренный относительно тканевого диска.
Примеры конкретного выполнения
Реализация заявляемого способа определения ионов свинца (II).
3
3
3
-6
В колбы емкостью 100 см помещают 25 см анализируемого раствора, содержащего ионы Pb (II) с концентрацией 0,01-0,8 мг/дм, и готовый диск бязи с массой 20,0±0,2 мг, смесь встряхивают вручную в течение не менее 3 мин (пример №3, табл.2). Затем контактный раствор сливают, придерживая диск бязи стеклянной палочкой, и наносят с помощью дозатора реагент, в качестве которого используют 1-фенил-3-изопропил-5-(бензилбензимидазол-2-ил)формазан в виде этанольного раствора с концентрацией 16·10 M. Контроль реакции осуществляют визуально после выдерживания тканевого носителя на воздухе в течение не менее 5 минут для стабилизации интенсивности окраски на открытом воздухе в температурном диапазоне от 5 до 30°C. По интенсивности окрашивания диска определяют концентрацию ионов данного металла в растворе, сравнивая интенсивность окраски с имитационной цветовой шкалой, приготовленной заранее. Разница в изменении цвета бязевого диска хорошо определяется визуально и позволяет сделать достоверный вывод о наличии/отсутствии ионов Pb (II) в анализируемом растворе, а также провести полуколичественное его определение по шкале сравнения.
Формализация результатов визуального анализа проводилась с помощью метода спектроскопии диффузного отражения с использованием функции Кубелки-Мунка. Максимальная оптическая плотность (A), которая соответствует максимальной интенсивности окраски матрицы после нанесения на нее раствора формазана, равна 0.18, 0.20, 0.31, 0.38, 0.53, 0.61, 0.70 при концентрациях ионов Pb (II) в указанном диапазоне, представлена в таблице 1 примером №3. Аналогично проводили анализ по примерам №1, №2, №4, №5, указанным в таблице 1.
Контрольные примеры заявляемого способа (примеры №6 и №7) получены аналогично заявленному способу с соответствующим изменением количества органического реагента и тканевого носителя. Данные приведены в таблице 1.
3
3
В растворах с концентрацией свинца Pb (II) ниже 0,01 мг/дм не наблюдалось визуального изменения окраски либо изменение окраски носило спорный характер и требовало применения инструментального метода, что затруднительно в отрыве от лабораторной базы. В растворах с концентрацией свинца Pb (II) выше 0,8 мг/дм дальнейшего изменения окраски не наблюдалось, что связано с насыщением матрицы ионами свинца (табл.1).
3
3
-
-
-
Кроме того, определение ионов свинца Pb (II) проводили в растворах, содержащих одновременно пятикратные массовые избытки ионов кобальта (II), кадмия (II), никеля (II), цинка, а также NO , Cl, CHCOO. Как показали исследования, ионы посторонних металлов не влияют на достоверность определения содержания ионов свинца с концентрацией Pb (II) в растворах заявляемым способом (табл.2).
Как видно из представленных данных, при массовом соотношении твердая фаза (тканевый носитель): жидкая фаза (анализируемый раствор) за пределами граничных значений (0,072; 0,088) обеспечивается проведение достоверного качественного анализа ионов свинца (II), но достоверно определить их количественное содержание в растворе представляется проблемной задачей. Это связано с тем, что ниже нижней границы недостоверность результатов количественного анализа связана с повышенной концентрацией ионов свинца Pb (II), приходящейся на единицу массы тканевого носителя и, соответственно, повышенной интенсивностью окраски, тогда как при соотношении выше верхнего предела окраска размывается, т.е. интенсивность окраски ниже, чем могла бы быть при заявленном соотношении тканевый носитель : анализируемый раствор.
-6
-6
При проведении заявляемого способа с использованием указанного формазана в растворе этанола с концентрационными значениями, выходящими за пределы 4·10-20·10 M, обеспечивается достоверный качественный анализ, но из-за возможного непроявления требуемой интенсивности окраски представляется сомнительным получение достоверных данных по количественному содержанию ионов свинца Pb (II). Аналогичным образом влияет на количественное определение ионов свинца Pb (II) время сорбции на тканевый носитель ионов свинца из анализируемого раствора, а также время выдерживания тканевого носителя на воздухе после обработки его реагентом.
3
3
Предлагаемый способ позволяет проводить определение содержания ионов свинца Pb (II) в пробах вод природных водоемов и промышленных сточных вод в концентрационном диапазоне 0,01-0,80 мг/дм в отрыве от лабораторной базы с высокой чувствительностью аналитического эффекта - предел обнаружения ионов свинца Pb (II) составляет 0,005 мг/дм. Использование заявленного способа позволяет расширить арсенал известных способов и упростить процесс качественного определения ионов свинца, обеспечив достоверность получаемых результатов, а также позволяет провести полуколичественное определение ионов свинца, обеспечивая простоту и надежность определения.
Таблица 1
Показатели
По изобретению
Контрольное значение
1
2
3
4
5
6
7
Соотношение формазан: тканевый носитель, мас.%
0,032
0,064
0,096
0,128
0,158
0,025
0,170
Значение оптической плотности (A) для различных концентраций ионов свинца (II)
0,01
0,10
0,16
0,18
0,18
0,18
0,20
0,10
0,05
0,15
0,18
0,20
0,20
0,20
0,30
0,12
0,10
0,25
0,28
0,31
0,30
0,32
0,30
0,16
0,20
0,34
0,36
0,38
0,36
0,38
0,50
0,25
0,40
0,50
0,52
0,53
0,50
0,53
0,60
0,48
0,60
0,58
0,60
0,61
0,60
0,61
0,70
0,48
0,80
0,66
0,66
0,70
0,68
0,70
0,70
0,60
Насыщение
0,66
0,66
0,70
0,68
0,70
0,70
0,60
Таблица 2
Условия
По изобретению
Контрольное значение
1
2
3
4
5
6
7
1
2
3
4
5
6
7
8
Соотношение тканевый носитель : масса анализируемого раствора, мас.%
0,072
0,077
0,080
0,083
0,088
0,06
0,120
Зависимость A от концентрации формазана (содержание ионов Pb (II) 0,01 мг/дм<sup>3</sup>)
4·10<sup>-6</sup>
0,14
0,16
0,18
0,18
0,18
0,18
0,10
16·10<sup>-6</sup>
0,16
0,16
0,18
0,18
0,18
0,18
0,12
20·10<sup>-6</sup>
0,18
0,18
0,18
0,18
0,18
0,18
0,14
Зависимость A от времени сорбции (содержание ионов Pb (II) 0,01 мг/дм<sup>3</sup>)
1 мин
0,10
0,12
0,14
0,14
0,16
0,16
0,10
2 мин
0,14
0,14
0,14
0,14
0,16
0,18
0,12
3 мин
0,14
0,16
0,18
0,16
0,16
0,18
0,14
5 мин
0,16
0,18
0,18
0,18
0,18
0,20
0,14
Зависимость A от времени проявления окраски (содержание ионов Pb (II) 0,01 мг/дм<sup>3</sup>)
2 мин
0,10
0,12
0,12
0,14
0,16
0,16
0,12
4 мин
0,12
0,14
0,14
0,16
0,16
0,16
0,14
5 мин
0,14
0,16
0,18
0,18
0,18
0,16
0,14
10 мин
0,16
0,16
0,18
0,18
0,18
0,18
0,14
Зависимость A от температуры воздуха (°C) (содержание ионов Pb (II) 0,01 мг/дм<sup>3</sup>)
5
0,14
0,14
0,18
0,18
0,18
0,16
0,12
10
0,14
0,16
0,18
0,18
0,18
0,16
0,14
30
0,14
0,18
0,18
0,18
0,18
0,20
0,14
Зависимость A от содержания анионов (содержание ионов Pb (II) 0,01 мг/дм<sup>3</sup>)
NO<sub>3</sub> <sup>-</sup>
0,14
0,16
0,18
0,16
0,18
0,16
0,12
Cl<sup>-</sup>
0,14
0,16
0,18
0,18
0,18
0,16
0,13
CH<sub>3</sub>COO<sup>-</sup>
0,14
0,16
0,18
0,16
0,16
0,16
0,12