ЖУРНАЛ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2015, том 70, № 11, с. 1191-1200
ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ ^
УДК 543.613
СПОСОБ ЭКСПРЕСС-ОЦЕНКИ УРОВНЯ ЭМИССИИ ТОКСИЧНЫХ ЛЕГКОЛЕТУЧИХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗ БЫТОВЫХ ПОЛИМЕРНЫХ ИЗДЕЛИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ МАССИВА ПЬЕЗОСЕНСОРОВ © 2015 г. Т. А. Кучменко, Е. В. Дроздова1
Воронежский государственный университет инженерных технологий, факультет экологии и химической технологии 394000 Воронеж, просп. Революции, 19 1Е-таИ: DEvrn13@mail.ru Поступила в редакцию 02.10.2014 г., после доработки 26.03.2015 г.
Изучена сорбция паров веществ-маркеров, являющихся основными загрязняющими веществами, диффундирующими в воздух из бытовых полимерных изделий. Подобран массив из 8 пьезосенсо-ров, обеспечивающий минимальное влияние паров воды на результаты микровзвешивания, максимальную чувствительность к одному/нескольким классам органических соединений и идентификацию фенола/формальдегида, ацетона в смесях с целью оценки уровня эмиссии фенола, формальдегида, толуола, ацетона из бытовых полимерных изделий. Предложено классифицировать образцы непищевых полимеров по степени опасности с учетом суммарного содержания легколетучих органических соединений и наличия фенола/формальдегида, ацетона. Правильность детектирования выделения фенола в полимерах подтверждена стандартной спектрофотометрией. Использование массива сенсоров позволяет снизить экономические и временные затраты и за одно измерение получить информацию о содержании других легколетучих веществ.
Ключевые слова: пьезосенсоры, эмиссия, токсичные органические вещества, воздух, бытовые полимеры.
Б01: 10.7868/80044450215110109
Здоровье и трудоспособность человека существенно зависят от безопасности жилья, определяемой многими параметрами, в первую очередь гигиеническими характеристиками строительных материалов. Использование последних значительно увеличило нагрузку на человека в закрытых помещениях, описываемую термином "синдром больных зданий" [1—3].
Среди неблагоприятных факторов "больных зданий" основным и наиболее опасным является химический, определяемый содержанием легколетучих соединений, диффундирующих из строительных материалов, предметов интерьера, изделий на основе полимерных материалов. К наиболее опасным легколетучим компонентам полимерных изделий относят стирол, ксилол, фенол, винилхлорид, формальдегид [1, 2]. Постоянная эмиссия этих соединений, относящихся соответственно ко II и I классу опасности, нарушают экологический климат в закрытом помещении. Содержание свободных токсичных и опасных соединений (мономеры, остатки растворителя) в изделиях из полимерных материалов, контактирующих с пищей, строго нормировано [4].
Быстро и эффективно оценивать уровень эмиссии мономеров из полимерных изделий можно по составу равновесной газовой фазы (РГФ) над ними; в помещении вблизи поверхности — это актуальная задача рутинных тестов, особенно во внелабораторных условиях. Перспективным направлением детектирования легколетучих токсичных веществ является применение единичных или массива химических пьезосенсоров [5], обеспечивающих оценку общего содержания легколетучих соединений и/или отдельных групп соединений легколетучей фракции, что позволяет судить об уровне экологической безопасности бытовых полимерных изделий.
Цель настоящего исследования состояла в разработке способа экспрессной оценки уровня эмиссии токсичных и опасных легколетучих соединений, диффундирующих из бытовых полимерных изделий (фенолформальдегидных материалов), с применением системы "пьезоэлектронный нос" (массив пьезосенсоров), отличающегося небольшой продолжительностью анализа и пробоподго-товки, упрощенной процедурой детектирования и
повышением информативности аналитического сигнала.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Для исследования состава паровой фазы применяли анализатор газов МАГ-8 (ООО "Сенсорика—Новые Технологии", Россия) [5]. В качестве веществ-маркеров для подбора массива пьезосенсо-ров применяли равновесные пары хлороформа, гексана, аренов, спиртов С2—С3, ацетона, этилаце-тата, фенола ч. д. а. и формалина (источник формальдегида), отбираемые методом дискретной газовой экстракции (20 ± 1°C).
Для подбора сорбционных покрытий пьезо-сенсоров выбрали хроматографические фазы, обеспечивающие селективность детектирования и различные по природе, сорбционной активности по отношению к индивидуальным веществам и группам соединений: полиэтиленгликоль, по-лиэтиленгликольадипинат, полиэтиленгликольсе-бацинат (ПЭГС), полидиэтиленгликольсукцинат (ПДЭГС), полиэтиленгликольфталат (ПЭГФ), ок-тилполиэтоксифенол — Тритон Х-100 (ТХ-100), ди-циклогексан-18-краун-6 (ДЦГ18-К-6), полифени-ловый эфир (ПФЭ), поливинилпирролидон, Апие-зон L — фирмы Alfa Aesar, а также пчелиный клей (ПК) [6], пчелиный клей с хлоридом железа(Ш) (10мас. %) (ПК с FeCl3), полистирол, пчелиный воск (ПВ) [7], триоктилфосфиноксид (ТОФО). Сорбенты наносили способом "статического испарения капли". Масса пленок на электродах пьезо-кварцевых резонаторов (ПКР), обеспечивающая минимальную погрешность измерения, составляла 10-20 мкг.
В ячейке для детектирования происходило разбавление насыщенных паров веществ-маркеров воздухом в 60 раз. Их концентрация (сяч дет, мг/м3) составляла при температуре сорбции tc = 20 ± 1°C: 0.04 — фенола; 0.30 — воды; 2 — этанола, пропанола-2 и толуола; 6 — этилацетата; 9 — ацетона и гексана; 13 — бензола; 17 — хлороформа. Время детектирования (экспонирования сенсоров в смеси) — 120 с при дискретности считывания сигналов с каждого элемента 1 с.
В качестве аналитических сигналов массива пье-зосенсоров использовали "визуальные отпечатки" их показаний, которые оформляли двумя способами из хроночастотограмм сенсоров, AF¡ = f(т, с): 1) "визуальные отпечатки" максимумов, которые формируются в программном обеспечении прибора по наибольшим сигналам (^макс, Гц) из матрицы откликов всех пьезосенсоров в массиве; 2) кинетические "визуальные отпечатки", формирующиеся по отдельным сигналам массива пьезосенсоров (AF¡, Гц) в течение измерения. Дополнительно оценивали массовую чувствительность микровзвешивания, (Гц м3)/мг [8], время регенерации систе-
мы (тдес, с), сорбционную емкость пленки а, коэффициент селективности ¿*сел, рассчитанный по относительному стандарту — толуолу; кинетический коэффициент сорбции V, характеризующий особенности протекания сорбции веществ на выбранных покрытиях за время измерения и отражающий изменения скорости сорбционно—де-сорбционных процессов в выбранном интервале времени.
Маркеры идентифицировали по параметру эффективности сорбции паров индивидуальных соединений Ау, который являлся мерой относительной чувствительности двух пьезосенсоров к сорбату, рассчитанному по формуле [9]:
A = AF
^ij макс,
i/AF
макс, j
где I,] — маркировка пьезосенсоров в массиве, связанная с природой модификатора на электродах.
Количественным параметром пьезокварцевого микровзвешивания массивом пьезосенсоров в смесях паров являлась площадь "визуального отпечатка", о., Гц с, пропорциональная массе веществ, сорбирующихся на всех пленках за время измерения. Этот параметр выбрали в качестве основного критерия ранжирования проб на группы опасности по эмиссии легколетучих компонентов из них.
Объектом анализа для апробации нового способа оценки эмиссии токсичных легколетучих соединений были образцы изделий из фенолфор-мальдегидных непищевых пластмасс бытового назначения. Пробы РГФ над полимерной стружкой, получаемой способом [10], отбирали из герметичного пробоотборника при 20 ± 1°С и вводили в ячейку детектирования в предэлектродную область восьми пьезосенсоров, время измерения сигналов составляло 120 с. Правильность детектирования фенола в изделиях из фенолформаль-дегидных пластмасс проверяли спектрофотомет-рическим методом [10].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В качестве веществ-маркеров были выбраны легколетучие соединения — основные загрязняющие вещества, диффундирующие в воздух из бытовых полимерных изделий: фенол, формальдегид, толуол, бензол, ацетон, хлороформ, гексан [1, 2]. Для их детектирования в РГФ подбирали массивы из восьми пьезосенсоров, обеспечивающих: 1) минимальное влияние паров воды на результаты микровзвешивания; 2) максимальную чувствительность к одному/нескольким органическим соединениям и их идентификацию; 3) минимальный дрейф базовой линии в течение 10 мин (< ±2 Гц); 4) быстрое время регенерации системы (<10 мин). Учитывали также возможность обеспечения максимального ресурса массива пьезосенсо-ров без замены, определяемого сохранением чув-
Таблица 1. Отклик сенсоров в парах некоторых веществ-маркеров (п = 6, Р= 0.95, ?с = 20 ± 1°С)
Собент Ацетон Фенол Толуол Хлороформ Гексан
х* ± Ах, Гц 5Г х ± Ах, Гц 5Г х ± Ах, Гц 5Г х ± Ах, Гц 5Г х ± Ах, Гц 5Г
ПВ 5 ± 1 0.11 5 ± 1 0.11 8 ± 2 0.12 25 ± 2 0.09 15 ± 4 0.15
ПК 24 ± 7 0.05 3 ± 1 0.25 7 ± 2 0.15 23 ± 2 0.03 15 ± 4 0.11
ПК с БеС13 14 ± 2 0.07 13 ± 1 0.11 7 ± 4 0.24 25 ± 6 0.11 9 ± 3 0.13
ПЭГС 20 ± 5 0.16 23 ± 3 0.07 16 ± 1 0.03 83 ± 6 0.07 10 ± 1 0.06
ПЭГФ 19 ± 3 0.28 13 ± 1 0.16 6 ± 1 0.20 34 ± 4 0.11 9 ± 1 0.11
ПДЭГС 21 ± 3 0.08 20 ± 1 0.14 7 ± 1 0.14 57 ± 3 0.06 9 ± 1 0.11
ПФЭ 14 ± 2 0.11 8 ± 1 0.25 25 ± 1 0.03 71 ± 5 0.06 9 ± 1 0.06
ТОФО 9 ± 1 0.12 44 ± 1 0.05 11 ± 1 0.09 64 ± 3 0.05 10 ± 1 0.06
ТХ-100 22 ± 2 0.09 20 ± 1 0.15 21 ± 2 0.07 144 ± 13 0.09 12 ± 1 0.07
=
ствительности и полнотой восстановления базовой линии. Идентификацию индивидуальных легколетучих компонентов по сигналам массива пьезосен-соров осуществляли без применения сложных алгоритмов обработки данных путем применения несложных арифметических вычислений по максимальным откликам сенсоров.
Результаты изучения сорбции паров индивидуальных веществ пленками выбранных модификаторов представлены в табл. 1 как величины максимального отклика пьезосенсоров А^макс, прямо пропорциональные наибольшей массе сорбата. Данные табл. 1 позволяют обосновать выбор модификаторов электродов пьезосенсоров для формирования итогового массива 8 измерительных элементов. Так, для снижения влияния паров воды на результаты микровзвешивания смесей паров органических соединений в качестве наиболее гидрофобн
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.