Способ подготовки проб для определения алифатических и полициклических ароматических углеводородов в донных отложениях
METHOD OF PREPARING SAMPLES FOR DETERMINATION OF ALIPHATIC AND POLYCYCLIC AROMATIC HYDROCARBONS IN BOTTOM SEDIMENTS

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, экологической химии и может быть использовано при подготовке проб донных отложений для определения в них алифатических и полициклических ароматических углеводородов (ПАУ).
Компоненты нефтепродуктов по объемам поступления в объекты окружающей среды стоят на одном из первых мест. Алифатические углеводороды и полициклические ароматические углеводороды, как главные составляющие группы веществ в нефти и продуктах ее переработки, относятся к одним из наиболее опасных соединений, изучение уровня содержания которых в различных объектах окружающей среды включено в программы экологического мониторинга многих стран.
Главная необходимость изучения веществ этих групп в природных объектах - их способность к накоплению: плохо растворимые в воде, они сорбируются взвешенными веществами, оседают на дно водоемов и накапливаются в донных отложениях, откуда включаются в пищевые цепи и, благодаря своей липофильной природе, аккумулируются, в том числе в гидробионтах. Высокие содержания их в донных отложениях могут также стать причиной вторичного загрязнения воды.
Определение компонентов нефтепродуктов (алифатических углеводородов и ПАУ) в донных отложениях представляет собой сложную аналитическую задачу, что обусловлено их низкими содержаниями, необходимостью выделять изучаемые группы веществ и отделять от мешающих определению соэктрагирующихся веществ, что требует проведения длительной подготовки образцов и применения высокочувствительных методов определения этих соединений на столь низком уровне.
Известен способ определения суммарного содержания полициклических ароматических углеводородов в объектах окружающей среды (заявка на изобретение РФ №93038230, МПК G01N 30/94, опубл. 20.02.1996). Способ состоит в том, что ПАУ экстрагируют из объектов окружающей среды, концентрируют экстракт, хроматографируют в слое сорбента толщиной 0,11-0,14 мм, в качестве которого используют крупнопористый силикагель с III степенью активности. Хроматографирование осуществляют многократно с использованием гексана в качестве подвижного растворителя, затем проводят сканирование хроматографических пластин в режиме «люминесценция - отражение», а определение суммарного содержания ПАУ осуществляют по площади полученных хроматографических пиков. Способ позволяет определить суммарное содержание полициклических ароматических углеводородов в 24 пробах за 3 ч.
Недостатком метода является невозможность определения индивидуальных ПАУ, обладающих различной токсичностью, что представляет наибольший интерес.
Известен способ подготовки проб для количественного определения нефтяных углеводородов в донных отложениях (заявка на изобретение РФ №2005133877, МПК G01N 1/28, опубл. 10.05.2007) путем экстракции гексаном и концентрирования упариванием, при этом экстракцию проводят троекратно с одновременной обработкой ультразвуком в течение 15 мин и концентрирование экстракта осуществляют упариванием на роторном испарителе при комнатной температуре.
Недостаток этого способа в том, что гексан является неэффективным экстрагентом ПАУ из донных отложений, поскольку не способен количественно извлечь определяемые вещества ни из влажных донных отложений (не смешивается с водой), ни из осушенных (не может разрушать липидные оболочки остатков клеток организмов в донных отложениях).
Известен способ определения массовой доли бензо[а]пирена в донных отложениях (ПНД Ф 16.1:2:2:.2:3.39-03 «Методика выполнения измерений массовой доли бензо[а]пирена в пробах почв, грунтов, твердых отходов, донных отложений методом высоэффективной жидкостной хроматографии с использованием жидкостного хроматографа «Люмахром»), согласно которому пробу массой 1 г экстрагируют 15-20 мл метиленхлорида при механическом перемешивании в течение 30 мин, экстракт фильтруют, экстракцию повторяют с 15 мл метиленхлорида в течение 10 мин. Объединенные экстракты упаривают до 1-2 мл в ротационном испарителе, приливают 3-5 мл гексана и вновь упаривают до 0,5 мл. Хроматографическую колонку заполняют 3 г оксида алюминия и 0,5 г безводного сульфата натрия. Элюирование проводят 40 мл смеси гексан-метиленхлорид (95:5 по объему), затем 40 мл смеси гексан-метиленхлорид (90:10 по объему) и 40 мл смеси гексан-метиленхлорид (80:20 по объему). Объединенный элюат концентрируют досуха, затем растворяют в 2 мл смеси ацетонитрил-вода (4:1 по объему), анализируют.
Недостаток способа, помимо того, что он предназначен для регистрации и определения только бензо[а]пирена, также и в том, что метиленхлорид применим для сухих проб, для влажных необходимо использовать в составе экстрагента растворитель, смешивающийся с водой; использование больших объемов растворителей для элюирования экономически невыгодно; конечное упаривание элюатов досуха приводит к значительным потерям большинства легких ПАУ, поскольку они являются летучими соединениями.
Наиболее близким к предложенному является выбранный в качестве прототипа способ определения массовой доли 4-7 ядерных полициклических ароматических углеводородов в донных отложениях (РД 52.24.513-2014 Массовая доля 4-7 ядерных полициклических ароматических углеводородов в донных отложениях. Методика измерений люминесцентным методом с использованием тонкослойной хроматографии). Навеску донных отложений массой 3-5 г экстрагируют 10 мл ацетона на магнитной мешалке в течение 10 мин, экстракт собирают, повторяют экстракцию с 10 мл ацетона и еще двумя порциями гексана по 10 мл. Объединенный экстракт оставляют в вытяжном шкафу до полного упаривания, затем остаток растворяют в 0,2 мл гексана, наносят на хроматографическую пластинку, покрытую оксидом алюминия, пластинку помещают в ванну с подвижной фазой (смесь 35 мл гексана, 15 мл четыреххлористого углерода и 1 мл ледяной уксусной кислоты). По окончании хроматографирования пластинку облучают ультрафиолетовым светом, отмечают скальпелем зону, люминесцирующую голубым цветом. Отмеченный участок сорбента счищают в воронку с бумажным фильтром и смывают 2-2,5 мл гексана, затем объем элюата доводят до 10 мл гексаном, анализируют.
Недостатки способа: длительный способ концентрирования - упаривание в вытяжном шкафу, - в процессе которого проба может сорбировать определяемые вещества извне (в том числе из воздуха за счет их переноса); упаривание досуха, как отмечалось выше, приводит к потерям летучих соединений; невозможность определения индивидуальных ПАУ, выделение фракции ПАУ с помощью тонкослойной хроматографии уступает во многом разделению методом колоночной хроматографии, так как зоны в тонкослойной хроматографии способны размываться, поэтому сложно количественно выделить люминесцирующий участок.
Недостатком известных способов являются ограниченные возможности, так как предложенная ими пробоподготовка предназначена только для определения ПАУ из всего компонентного состава нефтепродуктов в пробах донных отложений. Кроме того, в процессе пробоподготовки используется большой объем дорогостоящих реактивов, что приводит к значительным экономическим затратам.
Целью предлагаемого изобретения является повышение возможности и точности определения компонентного состава нефтепродуктов в донных отложениях благодаря более эффективной пробоподготовке за счет одновременного извлечения из проб донных отложений алифатических и полициклических ароматических углеводородов, с последующим количественным разделением извлеченных углеводородов на фракции для дальнейшего раздельного анализа, а также снижение экономических затрат на подготовку проб к анализу за счет оптимального уменьшения массы проб для анализа донных отложений и уменьшения расхода дорогостоящих реактивов.
Указанная цель достигается тем, что в способе определения алифатических и полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) в донных отложениях, включающем экстракцию ПАУ ацетоном, гексаном, затем очистку и элюирование фракций ПАУ методом колоночной хроматографии и дальнейший их анализ, согласно изобретению для подготовки проб к анализу используют 1,5-2,5 г донных отложений, из которых дополнительно экстрагируют алифатические углеводороды, при этом экстракцию алифатических и полициклических ароматических углеводородов проводят механическим перемешиванием сначала ацетоном, затем смесью ацетон-гексан-метиленхлорид и смесью ацетон-гексан-метиленхлорид-изооктан; очищают экстракты перераспределением через воду и разделение на фракции выполняют при помощи микроколонки, заполненной 1-1,5 г силикагеля, элюируя алифатические углеводороды 3 мл гексана и 0,5 мл смеси гексан-метиленхлорид (1:1 по объему), а ПАУ - 3,0 мл смеси гексан-метиленхлорид (1:1 по объему), а идентификацию и количественное определение выделенных из анализируемой пробы индивидуальных алифатических углеводородов проводят методом газовой хроматографии с масс-спектрометрическим детектором, а ПАУ - методом высокоэффективной жидкостной хроматографии.
Использование предложенной смеси растворителей в качестве экстрагента позволяет решить следующие задачи: ацетон обезвоживает пробу; гексан и метиленхлорид извлекают определяемые вещества, причем метиленхлорид способен разрушать липидные оболочки остатков клеток организмов в донных отложениях и увеличивать степень извлечения, введение высококипящего изооктана в экстракционную смесь уменьшает потери определяемых веществ за счет испарения растворителя. Это значительно повышает эффективность извлечения компонентов нефтепродуктов из донных отложений.
Применение колоночной хроматографии позволяет количественно разделить на силикагеле фракции алифатических и полициклических ароматических углеводородов, которые затруднительно определять при совместном присутствии, т.е. без разделения на группы, из-за значительной разницы в уровнях концентраций (микрограммы в грамме - для алифатических и нанограммы в грамме - для полициклических ароматических углеводородов). Количественное разделение экстракта на фракции расширяет возможности анализа выделенных углеводородов и дает возможность анализа каждой группы наиболее чувствительным и селективным способом (газовая хроматография с масс-спектрометрическим детектированием или газовая хроматография с пламенно-ионизационным детектированием - для алифатических и высокоэффективная жидкостная хроматография - для полициклических ароматических углеводородов).
Использование 1,5-2,5 г донных отложений для получения экстракта, позволяет применить для разделения фракций микроколонки (длиной около 20 см и диаметром 0,3-0,5 см). При этом расход силикагеля составляет всего 1,0-1,5 г. Элюирование фракции алифатических углеводородов проводят 3 мл гексана и 0,5 мл смеси гексан-метиленхлорид (1:1 по объему), а полициклических ароматических углеводородов - 3,0 мл смеси гексан-метиленхлорид (1:1 по объему), что наиболее экономично по сравнению с известными способами, где применяются десятки миллилитров особо чистых и дорогостоящих растворителей.
Совокупность отличительных признаков описываемого способа обеспечивает достижение указанного технического результата.
В результате проведенного анализа уровня техники не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение прототипа из выявленных аналогов позволило выявить совокупность существенных по отношению к техническому результату отличительных признаков. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".
При дополнительном поиске других технических решений, относящихся к способам подготовки проб для анализа нефтяных компонентов в донных отложениях, указанных отличительных признаков не обнаружено. Таким образом, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".
Способ определения алифатических и полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) в донных отложениях иллюстрируется чертежами.
На фиг. 1 приведены кривые элюирования алифатических углеводородов (фракция 1) и ПАУ (фракция 2).
На фиг. 2 приведены кривые элюирования ПАУ различных концентраций.
На фиг. 3 приведены кривые насыщения ПАУ.
Способ определения осуществляется следующим образом.
Навеску донных отложений 1,5-2,5 г экстрагируют ацетоном при механическом перемешивании в течение 10 мин, экстракт фильтруют через бумажный фильтр, повторяют экстракцию дважды смесями ацетон-гексан-метиленхлорид (2:1:1 по объему) и ацетон-гексан-метиленхлорид-изооктан (5:2:2:1 по объему). Объединенный экстракт очищают перераспределением через воду в делительных воронках, органическую фазу отделяют центрифугированием, водную фазу повторно экстрагируют гексаном, концентрируют до 1 мл. Полученный экстракт разделяют на фракции при помощи микроколонки, заполненной 1,0-1,5 г силикагеля: алифатические углеводороды элюируют 3 мл гексана и 0,5 мл смеси гексан-метиленхлорид (1:1 по объему), ПАУ - 3 мл смеси гексан-метиленхлорид (1:1 по объему). Идентификацию и количественное определение индивидуальных алифатических углеводородов проводят методом газовой хроматографии с масс-спектрометрическим детектором (ГХ-МС), ПАУ - методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ).
10
30
Эксперименты были проведены на модельных образцах (прокаленные донные отложения, не содержащие определяемые вещества), а также на донных отложениях реки Дон и озера Байкал. Условия экстракции подбирались для достижения максимального извлечения ПАУ, так как их содержание очень мало по сравнению с содержанием алифатических углеводородов; определение ПАУ является наиболее приоритетной задачей; фракция алифатических углеводородов количественно извлекается в выбранных условиях. Для проверки правильности выбранных условий экстракции в качестве добавок использовали растворы смеси 16 ПАУ, признанных Международной организацией по стандартизации в качестве приоритетных, а также алифатических углеводородов С-С.
Пример 1. Сравнение извлечения алифатических и полициклических ароматических углеводородов из модельных систем различными экстрагентами: гексаном - контроль; смесью ацетон-гексан (1:1 по объему) - опыт 1; смесью ацетон-гексан-метиленхлорид (2:1:1 по объему) - опыт 2 и смесью ацетон-гексан-метиленхлорид-изооктан (5:2:2:1 по объему) - опыт 3.
Для изучения извлечения использовали модельные системы (пробы донных отложений, прокаленных при 600°C для удаления всех органических веществ), в которые добавляли очищенную воду (30-50% по массе) для имитации реальных объектов и вносили известные количества добавок ПАУ и алифатических углеводородов.
10
30
В качестве добавок использовали стандартные растворы, приготовленные объемно-весовым способом из индивидуальных ПАУ и алифатических углеводородов С-С импортного производства с содержанием основного вещества не менее 98%.
Извлечение проводили по описанному выше способу известными (контроль) и предложенными (опыт) растворителями.
Экстрагенты:
- для контрольных проб (ГК):
10 мл гексана,
10 мл гексана,
10 мл гексана;
- для опытных проб серии 1 (АЦ-ГК):
10 мл ацетона,
10 мл смеси ацетон-гексан (1:1 по объему),
10 мл смеси ацетон-гексан (1:1 по объему);
- для опытных проб серии 2 (АЦ-ГК-МХ):
10 мл ацетона,
10 мл смеси ацетон-гексан-метиленхлорид (2:1:1 по объему),
10 мл смеси ацетон-гексан-метиленхлорид (2:1:1 по объему);
- для опытных проб серии 3 (АЦ-ГК-МХ-изоОКТ):
10 мл ацетона,
10 мл смеси ацетон-гексан-метиленхлорид (2:1:1 по объему),
10 мл смеси ацетон-гексан-метиленхлорид-изооктан (5:2:2:1 по объему).
Далее экстракты обрабатывали по изложенному способу. Результаты измерений представлены в таблице 1, в которой дана степень извлечения алифатических и полициклических ароматических углеводородов из модельных систем различными экстракционными системами.
Из таблицы 1 видно, что при экстракции смесью ацетон-гексан степени извлечения алифатических углеводородов составляют 73%, а ПАУ - 45%. При добавлении к экстракционной смеси метиленхлорида извлечение увеличивается для алифатических углеводородов до 85%, а для ПАУ 56%, что свидетельствует, вероятно, о его лучшей способности извлекать алифатические углеводороды и ПАУ из липидных компонентов донных отложений. Введение высококипящего экстрагента изооктана в систему позволяет предотвратить потерю углеводородов при концентрировании и повысить степень извлечения исследуемых веществ более 80-90%. Т.о. полученные результаты показали, что суммарное количество извлекаемых алифатических и полициклических ароматических углеводородов, извлеченных экстракционной системой АЦ-ГК-МХ-изоОКТ, выше, чем при извлечении другими смесями растворителей.
Полученные результаты показали, что суммарное количество и степени извлечения алифатических и полициклических ароматических углеводородов в опытных пробах серии 3 выше, чем в остальных приведенных.
Пример 2. Сравнение извлечения алифатических и полициклических ароматических углеводородов из донных отложений различными экстрагентами: гексаном - контроль; смесью ацетон-гексан (1:1 по объему) - опыт 1; смесью ацетон-гексан-метиленхлорид (2:1:1 по объему) - опыт 2 и смесью ацетон-гексан-метиленхлорид-изооктан (5:2:2:1 по объему) - опыт 3.
Поскольку реальные донные отложения всегда содержат алифатические и полициклические ароматические углеводороды, то эксперименты проводят сначала на серии донных отложений без добавки - находят «Фон» (в отличие от модельных систем, очищенных от определяемых веществ, где их содержание равно нулю), затем на серии таких же донных отложений с добавкой определяемых веществ для изучения влияния матрицы реального образца. Изучаемые вещества извлекали из влажных донных отложений, отобранных из реки Дон, массой 2 г трижды механическим перемешиванием в течение 10 мин.
Экстрагенты:
- для контрольных проб (ГК):
10 мл гексана,
10 мл гексана,
10 мл гексана;
- для опытных проб серии 1 (АЦ-ГК):
10 мл ацетона,
10 мл смеси ацетон-гексан (1:1 по объему),
10 мл смеси ацетон-гексан (1:1 по объему);
- для опытных проб серии 2 (АЦ-ГК-МХ):
10 мл ацетона,
10 мл смеси ацетон-гексан-метиленхлорид (2:1:1 по объему),
10 мл смеси ацетон-гексан-метиленхлорид (2:1:1 по объему);
- для опытных проб серии 3 (АЦ-ГК-МХ-изоОКТ):
10 мл ацетона,
10 мл смеси ацетон-гексан-метиленхлорид (2:1:1 по объему),
10 мл смеси ацетон-гексан-метиленхлорид-изооктан (5:2:2:1 по объему).
Далее экстракты обрабатывали по изложенному способу. Результаты измерений представлены в таблице 2, в которой дано сравнение извлечения алифатических и полициклических ароматических углеводородов из донных отложений различными экстракционными системами
Определение степеней извлечения алифатических углеводородов и ПАУ в донных отложениях даны в таблице 2. Из таблицы 2 видно, что при экстракции смесью ацетон-гексан степени извлечения алифатических углеводородов составляют 71%, а ПАУ - 43%. При добавлении к экстракционной смеси метиленхлорида извлечение алифатических углеводородов увеличивается до 83%, а ПАУ - 53%, что свидетельствует, вероятно, о его лучшей способности извлекать алифатические углеводороды и ПАУ из липидных компонентов донных отложений. Введение высококипящего экстрагента изооктана в систему позволяет предотвратить потерю углеводородов при концентрировании и повысить степень извлечения более 80%. Т.о. полученные результаты показали, что суммарное количество извлекаемых алифатических и полициклических ароматических углеводородов, извлеченных экстракционной системой АЦ-ГК-МХ-изоОКТ, выше, чем при извлечении другими смесями растворителей даже для значений «Фон».
Пример 3. Сравнение извлечения алифатических и полициклических ароматических углеводородов из илистых и песчаных донных отложений.
Поскольку донные отложения могут иметь различную природу и состав (песок, ил, глина, детрит и др.), необходимо установить применим ли разработанный способ извлечения для определения алифатических и полициклических ароматических углеводородов в различных типах донных отложений. Извлечение проводили из наиболее отличающихся по структуре донных отложений: илистых и песчаных, отобранных из оз. Байкал, р. Дон и др. Пробы влажных донных отложений («Фон» - проба без добавки; «Извлечено» - пробы с добавкой) массой около 1,5-2,5 г экстрагировали предложенным способом выбранными растворителями (АЦ-ГК-МХ-изоОКТ), далее экстракты обрабатывали по предложенному способу. Результаты измерений и сравнение извлечения алифатических и полициклических ароматических углеводородов из образцов донных отложений различной природы представлены в таблице 3.
Из представленных данных видно, что степень извлечения углеводородов из образцов донных отложений различной природы предложенным способом очень высокая и составляет 80-90% для алифатических углеводородов и более 90% для ПАУ. Т.о. предложенный способ обработки проб применим как для илистых, так и для песчаных образцов, что важно при изучении различных типов донных отложений.
Пример 4. Выбор условий разделения фракций полициклических ароматических углеводородов и алифатических углеводородов методом колоночной хроматографии.
Поскольку нефтепродукты представляют собой сложную смесь органических соединений различных классов, способных перекрывать хроматографические пики, для их идентификации и анализа необходимо предварительное разделение. Для этого была использована колоночная хроматография на силикагеле. Стандартные растворы алифатических углеводородов, ПАУ и их смесь помещали в колонку с силикагелем и элюировали гексаном и смесью гексан-метиленхлорид (1:1 по объему), отбирая фракции по 0,5 мл, затем анализировали соответствующим группе веществ методом. По результатам были построены кривые элюирования для определения объемов элюентов, необходимых для полного разделения групп исследуемых веществ. Установлено, что группа алифатических углеводородов количественно элюируется первыми 3,0 мл гексана (фракция 1), а ПАУ последующими 3,5 мл смеси гексан-метиленхлорид (фракция 2). В выбранных условиях группа ПАУ не элюируется гексаном с силикагеля (до 5 мл). На фиг. 1 представлены кривые элюирования алифатических углеводородов и ПАУ. Для уменьшения расхода растворителей и с целью сокращения объемов элюатов (которые далее концентрируются до 1 мл) изучена возможность присоединения 0.5 мл смеси ГК-МХ к первой фракции и доказано отсутствие «перекрестного» загрязнения получаемых фракций. Таким образом, конечная схема процедуры разделения алифатических углеводородов и ПАУ для колоночной хроматографии выглядит следующим образом (табл. 4).
Данное исследование доказывает возможность применения схемы элюирования для количественного разделения фракций алифатических и полициклических ароматических углеводородов методом колоночной хроматографии с использованием силикагеля.
Пример 5. Сравнение выделения фракции полициклических ароматических углеводородов различной концентрации.
Стандартные растворы ПАУ объемом 1 мл помещали в хроматографическую колонку и элюировали 5 мл смеси метиленхлорид-гексан (1:1 по объему), отбирая порции по 0,5 мл для подтверждения правильности выбранных условий разделения экстрактов на фракции. На фиг. 2 представлены зависимости суммарного количества элюированных ПАУ от объема элюента. По полученным данным можно сделать вывод о возможности применения схемы разделения экстрактов на фракции для широкого диапазона концентраций ПАУ.
Пример 6. Сравнение эффективности разделения фракций алифатических и полициклических ароматических углеводородов различных концентраций методом колоночной хроматографии (с использованием микроколонки).
Для эксперимента использовали стандартные смеси алифатических и полициклических углеводородов различных концентраций объемом по 1 мл, которые вносили в микроколонку, заполненную 1,0-1,5 г силикагеля, и элюировали по предложенной схеме. Результаты эксперимента и сравнение эффективности разделения целевых компонентов представлены в таблице 5.
Для наглядности результаты элюирования ПАУ представлены на фиг. 3 в виде кривых насыщения. График, построенный в координатах «суммарная концентрация ПАУ - концентрация бензо[а]пирена», показывает, что при разделении экстракта на фракции концентрация бензо[а]пирена - наиболее канцерогенного ПАУ из 16 приоритетных - практически не меняется.
Проведенные эксперименты доказывают возможность применения предложенного способа с использованием микроколоночной хроматографии для элюирования фракций ПАУ и алифатических углеводородов в широком диапазоне содержаний, что важно при анализе особо загрязненных образцов.
Предложенное изобретение позволяет путем использования комплекса экстракционных процедур в сочетании с хроматографическими методами анализа измерять содержание компонентов нефтепродуктов (алифатические углеводороды и ПАУ) на микрограммовом и нанограммовом уровнях, соответственно, из одной пробы донных отложений. Кроме того, предложенный способ можно использовать для идентификации источника нефтяного загрязнения.