Тест-системы для индикации ионов тяжёлых металлов в объектах окружающей среды

Таблица 2- Оптическая плотность и процент пропускания анализируемых растворов хлорида кобальта в присутствии тиоцианата аммония

Рисунок 4 - Зависимость оптической плотности раствора хлорида кобальта от его концентрации в присутствии тиоцианата аммония

Сорбционную ёмкость по ионам меди и никеля определяли атомно-абсорбционным методом. Для этого готовили растворы хлорида никеля следующих концентраций: 10,5; 12,4; 17,8; 25,3; 35,0 мг/л. Растворы сульфата меди были следующих концентраций: 11,3; 16,3; 25,4; 34,9 мг/л.

Влияние массы сорбента на сорбционную ёмкость проводили следующим образом. К навеске тест-сорбента определённой массы добавляли раствор анализируемого иона известной концентрации и оценивали величину сорбционной ёмкости. Данные представлены на рисунке 5.

Для данных кривых было получено критериальное уравнение и рассчитана вероятность степени аппроксимации.

У₁ = -35,711x³ + 72,202x² + 3,5789x + 52,813 (для ионов кобальта)

R² = 0,9981;

У₂ = -29,617x³ + 63,305x² - 7,872x + 69,347 (для ионов никеля)

R² = 0,9999;

У₃ = 61,09x³ - 226,24x² + 275,44x - 10,297 (для ионов меди)

R² = 1.

Рисунок 5 - Влияние массы сорбента на сорбционную ёмкость

Из графика видно, что максимальная сорбционная ёмкость по ионам кобальта и никеля наблюдалась при массе сорбента 1,2 г, а по ионам меди - 1г. Выбор концентрации растворов исследуемых ионов для постановки данного анализа был обусловлен валовым содержанием этих элементов в объектах окружающей среды.

Сорбционная ёмкость влияет на длину окрашенной зоны. В основу количественного определения элементов по величине окрашенной зоны положена особенность, связанная с равномерным распределением веществ в зоне, т.е. пропорциональная зависимость между размерами зон и концентрацией исследуемого раствора. Для этого нами было проведено исследование зависимости длины окрашенной зоны от концентрации анализируемого иона в растворе. Сорбент с иммобилизованным комплексообразователем помещали в стеклянную трубку диаметром 10 мм и длиной 100 мм. Через полученную систему пропускали раствор анализируемого иона известной концентрации. Наблюдалось развитие окраски тест-средства в результате взаимодействия комплексообразователя, закреплённого на носителе с исследуемым ионом.

Химизм реакций комплексообразования представлен на рисунке 6.

Со²⁺ + 6SCN^- = [Co(SCN)₆]^4-

Рисунок 6 - Реакции комплексообразования ионов кобальта, никеля и меди с соответствующими лигандами

Полученные результаты представлены на рисунке 7.

Рисунок 7 - Зависимость длины окрашенной зоны от сорбционной ёмкости

Нами исследована специфичность тест-средства. Полученные данные представлены в таблице 2.

Таблица 3 - Влияние разноимённых ионов на специфичность тест-системы

Проанализировав данные таблицы 2, можно сделать вывод, что отдельно взятое тест-средство отличается специфичностью, которая позволяет сформировать тест-системы следующим образом: медь-никель и медь-кобальт.

Процесс закрепления осадков на носителе основан на различных механизмах: адгезии (поверхностное взаимодействие кристаллов осадка с носителем), механическом задерживании крупных кристаллов и закреплении осадков за счёт сорбционных свойств поверхности носителя. Все эти процессы в свою очередь зависят от природы носителя, его дисперсности, природы осадителя и свойств самого осадка.

Так, природа носителя оказывает сильное влияние на закрепление осадков в колонке. Носитель должен обладать необходимой сорбционной ёмкостью по отношении к осадителю, к осадкам и к разделяемым ионам. Сорбционная ёмкость носителя должна строго контролироваться и находиться в определённых пределах, так как слишком большая ёмкость приводит к чрезмерной сорбируемости осадков и может ухудшить разделение, впрочем, как и слишком малая сорбционная ёмкость.

Дисперсность носителя также оказывает существенное влияние на закрепление осадка. Высокодисперсный носитель лучше закрепляет осадки на своей поверхности, хотя это может привести к увеличению времени анализа, так как уменьшается скорость протекания исследуемого раствора через колонку. Целесообразнее использовать носитель с размером зёрен 0,1-0,02 мм.

Природа носителя, его способность удерживаться на носителе и по-разному взаимодействовать с разделяемыми ионами также оказывает влияние на закрепление осадка на носителе.

Для получения чётко окрашенных границ осадков нужно учитывать все факторы, влияющие на процесс закрепления осадка на носителе, подбирать соответствующие условия проведения эксперимента путём предварительных теоретических расчётов. В противном случае разделение не произойдёт. На рисунке 8 представлено распределение осадков по зонам.

Рисунок 8 - Распределение зоны осадков от концентрации ионов меди и никеля в растворе

Для данных кривых было получено критериальное уравнение и рассчитана вероятность степени аппроксимации.

У₁ = -12,833x² + 2,5167x + 0,4 (для диэтилдитиокарбамата меди)

R² = 1;

У₂ = 17,925x³ - 35,143x² + 21,261x - 3,6928 (для диметилглиоксимата никеля)

R² = 0,9862.

Из рисунка 8 видно, что более растворимый осадок переходит в более подвижную фазу и содержание его в верхней зоне уменьшается. Теоретически разделение осадков диэтилдитиокарбамата меди и диметилглиоксимата никеля должно быть успешным, так как граница в их растворимости составляет более 10³ и не зависит от концентрации анализируемых ионов.

На рисунке 9 представлено распределение окрашенных зон диэтилдитиокарбамата меди и тиоцианата кобальта.

Рисунок 9 - Распределение зоны осадков от концентрации ионов меди и кобальта в растворе

Для данных кривых было получено критериальное уравнение и рассчитана вероятность степени аппроксимации.

У₁ = -4,75x² + 0,9x + 0,4 (для диэтилдитиокарбамата меди)

R² = 1;

У₁ = -6,958x² + 7,5251x - 1,5816 (для тиоцианата кобальта)

R² = 0,9188.

За счёт вторичных явлений при образовании осадков зона диэтилдитиокарбамата меди содержит незначительное количество тиоцианата кобальта. Этого избежать можно промыванием осадков водой, что позволит сделать более чёткой границу окрашенных зон за счёт перераспределения осадков на носителе.

Вышепредставленные данные легли в основу построения тест-системы по обнаружению ионов меди, никеля и кобальта.

Данная тест-система использовалась для определения вышеуказанных ионов тяжелых металлов в почвах экспериментальных полей Ставропольского НИИСХ, расположенных вблизи аэропорта г.Ставрополя; в образцах воды из р. Мутнянка, в которую поступают сточные воды с городских очистных сооружений, а также из природных родников.

Результаты проведенных исследований показали, что содержание тяжелых металлов в исследуемых объектах не превышает ПДК. При этом использование тест-системы позволило сократить время проведения анализа и увеличить диапазон концентраций определяемых ионов металлов. Тест-система не требует существенной пробоподготовки, использования сложных стационарных приборов, лабораторного оборудования и отличается специфичностью, чувствительностью. Определению не мешают в кратных количествах ионы Na, K, Ca, Mg, Ba, Zn, Fe(III), Mn, Cd, Al.

Заключение

Разработанная тест-система представляет собой твёрдофазный носитель на основе силикагеля, на поверхности которого адсорбирован диметилглиоксим, диэтилдитиокарбамат свинца и тиоцианат аммония. Выбор носителя был обусловлен положительными свойствами твердой фазы. Гранулы, входящие в состав сорбента отличаются однородностью состава, механической прочностью, микробиологической устойчивостью и хорошей проницаемостью. Качественный анализ содержания никеля, кобальта и меди в объектах внешней среды предоставляет большие возможности химикам-аналитикам и ученым экологам в исследовательской деятельности. Тест-система позволит создать средств анализа недорогие лёгкие с точки зрения использования и в то же время сопоставимые по своим аналитическим характеристикам с современными инструментальными методами.

Разработанная тест-система обладает специфичностью, экспрессностью и дешевизной.

Выводы

- Получили носитель для определения ионов кобальта, никеля и меди методом модификации поверхности силикагеля;

- Исследовали влияние концентрации определяемых ионов на длину окрашенной зоны;

- Исследовали влияние массы сорбента на сорбционную ёмкость;

- Исследовали влияние разноимённых ионов на специфичность тест-системы;

- Проанализировав полученные экспериментальные данные, сформировали тест-систему для определения ионов кобальта, никеля и меди.

Список литературы

1. Золотов Ю.А., Иванов В.М., Амелин В.Г. «Химические тест-методы анализа», 2002.

2. Островская В.М., Фомин Н.А. //Высокочистые вещества, 1987,

№ 4, 183.

3. Кушнер М.М., Классовская Н.А., Земский Б.П. АС СССР 1698756. БИ 1989, № 46

4. Process. Eng. (Austral.), 1993, 21, № 8, 20. РЖХим. 1994, 19И284.

5. Балекаев А.Г., Балаян М.А. АС СССР 1797054. БИ 1993, № 7.

6. Морозко С.А., Иванов В.М.// Журн. аналит. химии, 1996, 51, № 6, 631.

7. Иванов В.М., Кузнецова О.В.// Журн. аналит.химии, 1995, 50, № 5, 498.

8. Morosanova E.I., Velikorodnyi A.A., Zolotov Yu.A.//Fresenius' I. Anal.Chem., 1998, 361, 305.

9. Kuselman I., Kuyavskaya B.I., Lev O.// Anal.Chem.Acta, 1992, 256, 65.

10. Kuselman I., Lev O.// Talanta, 1993, 43, 749.

11. Zolotov Yu.A.//Ann.Chem. (Paris), 1997, 87, 285.

12. Моросанова Е.И., Великородный А.А., Золотов Ю.А.// Журн. аналит. химии, 2000, 55, 486.

13. Азарова Ж.М., Моросанова Е.И., Золотов Ю.А.// Журн. аналит. химии, 2000, 55, 714.

14. Амелин В.Г.// Журн. аналит. химии, 2000, 55, № 5, 359.

15. Halamex E., Prikryl F., Sonak J.Czech. S.R. pat. 239708, 1987.

16. Кравченко М.С., Юрченко Л.Н., Аксенова М.С., Островская В.М.// Журн. аналит. химии, 1987, 42, № 2, 263.

17. Siepak J., Witkowski H.//Chem.anal.,1987, 32, № 4, 1035.

18. Иванов В.М., Сабри Массуд// Журн. аналит. химии, 1995, 50, № 12, 1280.

19. Katsuyata H. (Jap). Пат. США 5186894, 1993.

20. Дмитриенко С.Г., Золотов Ю.А., Рунов В.К., Фролова Е.В. АС СССР 1803837. БИ 1993, № 11

21. Дмитриенко С.Г., Золотов Ю.А., Косырева О.А., Рунов В.К., Фролова Е.В. АС СССР 1803839. БИ 1993, № 11

22. Pollakowski G., Keiler J. (BDR). Пат. ГДР 205010, 1984.

23. Pollakowski G., Keiler J. (DDR). Патент ГДР 238276, 1986.

24. Амелин В.Г. // Журн. аналит. химии, 1999, 54, №7, 753.

25. Амелин В.Г. Дис. … д-ра хим. наук. М., 1998.

26. Золотов Ю.А. // Вестн. РАН, 1997, 67, №6, 508.

27. Baumer W., Schmitt D. US Pat/ 3697225, 1972.

28. Иванов В.М., Морозко С.А., Сабри Массуд // Журн. аналит. химии, 1995, 50, №12, 1280.

29. Baumer W., Schmitt D. (GER). Пат. Швейцарии 550403, 1974.

30. Дмитриенко С.Г., Золотов Ю.А., Рунов В.К., Фролова Е.В. АС СССР 1803837. БИ 1993, № 11.

31. Дмитриенко С.Г., Косырева О.А., Рунов В.К., Паршина И.Н. АС СССР 17373170. БИ 1992, № 20.

32. Назаренко В.А., Антанович В.П. Триоксифлуороны. М.: Наука, 1973, 182 с.

33. Чернова Р.К., Штыкова С.Н., Бубело В.Д. АС СССР 1555667, БИ 1989, №5.

34. Панталер Р.П., Егорова Л.А., Авраменко Л.И., Бланк А.Б. // Журн. аналит. химии, 1987, 42, №2, 263.

35. Шеховцева Т.Н., Чернецкая С.В., Белкова Н.В. // Журн. аналит. химии, 1995, 50, №5, 538.

36. Кравченко М.С., Фумарова М.Ш. // Журн. аналит. химии, 1995, 50, №12, 1288.

37. Ширинова А.Г., Иванов В.М. // Журн. аналит. химии, 1994, 49, №3, 266.