ЖУРНАЛ АНАЛИТИЧЕСКОМ ХИМИИ, 2007, том 62, № 7, с. 719-723
^=ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
УДК 543.42
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В ПРИРОДНЫХ ВОДАХ МЕТОДОМ АТОМНО-ЭМИССИОННОЙ СПЕКТРОМЕТРИИ СУХИХ ОСТАТКОВ НА ТОРЦАХ ГРАФИТОВЫХ ЭЛЕКТРОДОВ
© 2007 г. Н. С. Соломенцева, О. В. Шуваева
Институт неорганической химии им. А.В. Николаева Сибирского отделения Российской академии наук
630090 Новосибирск, просп. Акад. Лаврентьева, 3 Поступила в редакцию 12.12.2005 г., после доработки 22.03.2006 г.
Разработана методика определения Си, Мп, РЬ, Zn, Cd, Fe, А1, Mg, Са в природных водах с применением атомно-эмиссионной спектрометрии сухих остатков растворов на торцах графитовых электродов на уровне 1-100 мкг/л с относительными стандартными отклонениями яг 0.12-0.30.
Одной из важнейших составляющих жизнедеятельности человека является вода. Постоянно возрастающее антропогенное загрязнение окружающей среды ставит в сложное положение развитие водопотребления. Ежегодно в результате функционирования различных промышленных производств загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами превышает десятки тысяч тонн. Известно, что тяжелые металлы являются компонентами жизненно важных биологических систем. С точки зрения биологической роли в живых организмах тяжелые металлы включают микроэлементы (Си, 2п, Со, Сг, Мо, Мп, №, V), биохимические функции которых подробно изучены, а также металлы, биологическая роль которых в живых организмах не столь значительна или вообще сомнительна Т^ Сё, Р^ Ge, В^ Т1, Ga, Sc, Sn, Sb и др.). Вместе с тем все тяжелые металлы могут быть биологически активными. По этой причине, попадая в природные среды, тяжелые металлы включаются в биогеохимический цикл, крайне медленно покидая его, и при определенных условиях и концентрациях оказывают токсическое воздействие на живые организмы. Перемещаясь с воздушными массами, соединения тяжелых металлов могут вызывать загрязнения территорий, находящихся на значительном удалении от промышленных объектов.
Естественно, что загрязнение природной среды тяжелыми металлами приводит к прямому влиянию на качество природной и питьевой воды. Стремительный рост потребления воды и возросшие требования к ее качеству определяют важность задач водоочистки, водоподготовки, борьбы с загрязнением и истощением водоемов. Содержание микроэлементов в природных водах составляет от нанограмма до миллиграмма в литре. Для изучения состояния окружающей среды, а также качества природных, питьевых и сточных
вод необходимы надежные методы, позволяющие проводить их определение в указанном интервале концентраций. В связи с этим, разработка чувствительных, экспрессных и экономичных методов определения микроэлементов в водах различной природы представляется весьма актуальной.
В современной практике элементного анализа природных, сточных и питьевых вод применяют весь арсенал физико-химических методов, причем чаще всего используют атомно-эмиссионную спектрометрию, как многоэлементный метод. Несмотря на явные преимущества индуктивно связанной плазмы, дуга постоянного тока остается самым доступным и простым в обращении источником возбуждения спектров при минимальной стоимости анализа.
Цель настоящего исследования состояла в разработке методики определения микроэлементов Cu, Mn, Pb, Zn, Cd, Fe, Al, Mg, Ca в природных водах путем анализа сухих остатков на торцах графитовых электродов методом дуговой атомно-эмиссионной спектрометрии.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Аппаратура. В работе использовали дифракционный атомно-эмиссионный спектрометр PGS-2 (Carl Zeiss Jena, Германия) c дуговым источником возбуждения спектров. Регистрацию эмиссионных спектров осуществляли при помощи фотодиодной линейки (НПО "Оптоэлектроника"), компьютерную обработку сигнала проводили с помощью программного пакета "АТОМ" [1].
Реактивы. Все применяемые реактивы имели квалификацию не ниже ос.ч., материал графитовых электродов - квалификацию ос.ч.-7-4.
Процедура атомно-эмиссионного анализа. Предварительно заточенные электроды обжигали в
с, мкг/л
200
180 -
160 -
140 - т
120 -
100 -
80 -
60 -
40 " ■
20 |
0 20
I *
_|_1_
V, мкл
Рис. 1. Влияние компонентов пробы на результаты определения микроэлементов при увеличении наносимого на торец объема: ♦ - Zn, ■ - Мп/5, • - А1.
дуге постоянного тока для удаления поверхностных загрязнений в течение 10 с при I = 12 А. На поверхность каждого из электродов наносили по 10 мкл импрегнирующего раствора (1%-раствор полистирола в бензоле), что обеспечивало наличие защитного слоя на поверхности электрода, предотвращающего диффузию раствора в объем электрода. Затем на электроды последовательно наносили по 20 мкл калибровочного раствора (пробы) и раствора усиливающей добавки, подвергая высушиванию после каждого нанесения раствора.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В практике атомно-эмиссионного анализа с дуговым возбуждением спектров широко применяется унифицированная методика анализа графитового концентрата микроэлементов [2]. Дальнейшее совершенствование метода дуговой атомно-эмиссионной спектрометрии возможно путем упрощения процедуры анализа и снижения пределов обнаружения. В этой связи заслуживает внимания метод анализа сухих остатков растворов на торцах графитовых электродов [3, 4].
Важными преимуществами данного метода по сравнению с традиционно используемой в практике анализа унифицированной методикой анализа графитового концентрата микропримесей являются: более низкие значения пределов обнаружения; существенное упрощение процедуры анализа; снижение величины контрольного опыта; возможность применения растворов для градуировки; малый объем пробы.
Нами были изучены и оптимизированы условия анализа сухих остатков растворов методом дуговой атомно-эмиссионной спектрометрии (ДПТ АЭС) с учетом конфигурации электродов, типа и
концентрации усиливающей добавки, а также динамики поступления микроэлементов в разряд.
Выбор конфигурации электродов. Форма электродов играет существенную роль в процессах поступления микроэлементов в плазму разряда, вероятнее всего вследствие изменения толщины слоя сухого остатка. Были апробированы следующие варианты: электроды, заточенные на конус-плоскость, две плоскости, два усеченных конуса и конус-кратер. Максимальная интенсивность аналитических сигналов определяемых элементов наблюдается при использовании электродов, заточенных на конус-плоскость. Именно этот вариант наиболее удобен с точки зрения простоты подготовки электродов к анализу и организации процедуры анализа.
Выбор усиливающей добавки. Известно, что одним из эффективных методов снижения пределов обнаружения микроэлементов в атомно-эмис-сионной спектрометрии является введение в плазму разряда усиливающей добавки, в качестве которой применяют соли легкоионизуемых элементов. При изучении влияния аниона усиливающей добавки на интенсивность аналитических сигналов было показано, что наибольшая интенсивность достигается при использовании1%-го раствора хлористого натрия.
Изучение зависимости интенсивности спектральных линий микроэлементов от времени горения дуги. Время экспозиции было выбрано на основании изучения кривых, отражающих временную динамику формирования аналитического сигнала. Было показано, что изученные элементы практически полностью выгорают за время, равное 7.5 секунд, которое и было выбрано в качестве времени экспозиции.
Процедура анализа. На основании проведенных исследований предложена аналитическая процедура, которая включает последовательное нанесение и высушивание на торцевой поверхности электродов 10 мкл импрегнирующего раствора (1%-ный р-р полистирола в бензоле), 20 мкл раствора пробы и 20 мкл усиливающей добавки.
Изучение влияния состава пробы на результат анализа. Наибольший объем фиксируемой на торце электрода единичной капли составляет 20 мкл. При увеличении объема раствора путем последовательного нанесения на торец электрода образцов сравнения наблюдается возрастание интен-сивностей спектральных линий микроэлементов. Однако известно, что реальные образцы природных вод имеют сложный состав и могут содержать компоненты, влияющие на интенсивности спектральных линий определяемых микроэлементов (аналитов). Оценку этого влияния проводили путем увеличения объема наносимой на торец электрода пробы снеготалой воды с низкой минерализацией (~10 мг/л). Результаты для Zn,
I, отн. ед. 2.0 г
18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
(а)
+ * + + ▲ ▲
■ X ▲ X ■ X
X
• ♦
• 1 1 Ч 1 1
0.01 0.05 0.1 0.25 0.5 0.75 1
■ (б)
0.01 0.05 0.1 0.25 0.5 0.75 1 Минерализация, г/л
Рис. 2. Влияние минерализации пробы на интенсивность аналитических сигналов определяемых микроэлементов (♦ - Zn, ■ - Cd, Ж - Си, х - Fe, • - РЬ, + -Мп) при анализе: а - сухих остатков растворов; б -графитового концентрата микроэлементов.
I, отн. ед 25
20 15 10
5
0
10 8
6 4
13
Время, с
17
21
25
Рис. 3. Зависимости интенсивности аналитических сигналов определяемых элементов от времени поступления в разряд для: а - сухих остатков растворов: ♦ - РЬ, ■ - Си х 10, Ж - Cd, х - Fe, • - Zn, + - Мп. б -графитового концентрата микроэлементов: ♦ - РЬ, ■ - Си х 10, Ж - Cd, • - Zn, + - Мп.
0
0
1
5
9
Мп, А1 представлены на рис. 1; видно, что зависимости концентраций определяемых элементов от наносимого на торец электрода объема пробы снеготалой воды демонстрируют отсутствие значимого влияния матричных компонентов в пределах погрешности анализа для объемов от 20 до 200 мкл.
При анализе вод с более высокой минерализацией ситуация может меняться, поэтому для них было изучено влияние состава пробы на результаты определения микроэлементов. Для оценки такого влияния анализу подвергались пробы, искусственно минерализованные в интервале соле-содержания от 10 мг/л до 1 г/л. Для обеспечения необходимого солесодержания в пробы снеготалой воды вводили смесь, содержащую соли кальция и магния - типичных макрокомпонентов природных вод.
На рис. 2 представлены сравнительные зависимости интенсивностей спектральных линий микроэлементов от величины минерализации пробы с применением двух методик - разработанной нами методики анализа сухих ост
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.