Атомно-абсорбционное определение гидридобразующих и легколетучих элементов в объектах окружающей среды – проблемы и аналитические решения

- в режиме стабилизированной по температуре печи с платформой (СТПП) начальный участок роста АС обусловлен только поступлением атомов в газовую фазу графитовой печи при заданной по условиям эксперимента температуре;

- величина аналитического сигнала пропорциональна количеству атомов в газовой фазе печи;

- температура графитовой печи соответствует значению, установленному в программе атомизатора, а температура пробы достигает этой величины до появления аналитического сигнала;

- отсчет значений абсорбционности начинали с момента появления аналитического сигнала, а не от момента достижения установленной температуры печи.

Вынос атомов из печи при атомизации имеет место по прошествии достаточно длительного отрезка времени, порядка 0,3-0,5 с. При соблюдении второго условия скорость изменения массы элементов заменена скоростью изменения аналитического сигнала. Современный уровень развития электротермических атомизаторов, позволяет достаточно надежно выполнять запрограммированные режимы, которые подобраны таким образом, чтобы аналитический сигнал начинался после достижения температуры, предусмотренной условиями эксперимента. При дозировании суспензий карбонизованных материалов, благодаря большим массам твердого вещества, проявляется задержка разогрева пробы по сравнению со стенками печи. А применение платформы еще в большей степени способствует выполнению третьего условия. Предусмотренный вариант начала отсчета устраняет искажения температурной зависимости скорости атомизации эффектом большой массы остатка в печи при дозировании суспензий.

Настройку предлагаемой схемы измерений, т.е. определение отрезка времени для регистрации значений аналитических сигналов, сформированных только за счет входа атомов в газовую фазу печи, применительно к конкретному спектрометру и конструктивным особенностям атомизатора целесообразно проводить по экспериментальным данным хорошо воспроизводимых и изученных процессов атомизации элементов (свинца, кадмия, серебра, сурьмы и селена). С момента достижения установленной температуры проводится отсчет значений абсорбционности (А) через каждые 0,01 секунды до максимума аналитического сигнала. Скорость поступления атомов в газовую фазу печи определяется как отношение А/?ф (где ?ф - отрезок времени для соответствующего значения А). По полученной зависимости ln(А/?ф) от 1/Т рассчитывались значения энергии активации атомизации элементов. Значение частотного фактора соответствовало свободному члену уравнения полученной регрессии (т.е. lnk0 в уравнении Аррениуса). Достаточно хорошее совпадение параметров Еа достигнуто по предложенной методике на начальных участках аналитических сигналов продолжительностью 0,25-0,30 с (табл. 7). При этом значения Еа для свинца, серебра, сурьмы и селена характеризуют процесс образования свободных атомов элементов по схеме М(ТВ/Ж) > М(Г), а для кадмия термодиссоциацию газообразного оксида.

Таблица 7 - Кинетические параметры исследованных систем

В присутствии палладийсодержащего активированного угля значение Еа атомизации сурьмы и селена существенно выше, что, по-видимому, свидетельствует об изменении протекающего термохимического процесса образования атомов, соответствующего термодеструкции устойчивой конденсированной структуры «АУ-Pd-Sb». Экспериментальные результаты определения кинетических параметров процесса атомизации селена в присутствии известных модификаторов (раствор нитрата палладия - Pd2+ и предварительно восстановленный палладий - Pd0) показали хорошее согласие с ранее опубликованными данными других авторов. Более высокое значение энергии активации в присутствии модификатора Pd0 по сравнению с нитратом палладия (Pd2+, избыток кислорода) и совпадение его с результатами измерений в присутствии палладийсодержащего активированного угля подтверждают повышение термической стабильности аналита при переходе от системы «Pd2+-Ан-О» к «Pd0-Ан-АУ» (Ан - аналит).

При дозировании в графитовую печь суспензий сорбентов-модификаторов после концентрирования ими газообразных гидридов сурьмы и селена, получены такие же значения параметра Еа, что, по-видимому, объясняется идентичностью условий формирования аналитических сигналов элементов. В случаях применения никельсодержащего активированного угля (табл. 8) также наблюдается существенное увеличение Еа, что также свидетельствует об изменении природы термохимического процесса образования атомов в графитовой печи.

Как видно (табл. 7 и 8), во всех случаях использования металлуглеродных сорбентов-модификаторов происходит увеличение значений частотного фактора по сравнению с системами без модификаторов или в присутствии традиционно используемых растворов палладия и никеля. Это вероятнее всего обусловлено увеличением числа элементарных актов взаимодействий в единицу времени за счет высокоразвитой поверхности реагирующего твердого остатка в печи.

Учитывая идентичность поведения и близость величин энергий активации для атомизации элементов в присутствии растворов металлов-модификаторов (Pd, Ni) и металлсодержащей карбонизованной матрицы, можно заключить, что лимитирующие термохимические процессы при формировании свободных атомов, отображенные в виде их аналитических сигналов, в системах с растворами модификаторов и с карбонизованной основой одни и те же. Термодинамические исследования предполагают образование на стадии пиролиза разбавленных конденсированных растворов аналита, металла-модификатора и углеродсодержащей матрицы. С учетом полученных результатов систему следует представить как внедрение определяемого элемента в дефекты взаимодействующей системы карбонизованного материала и металла модификатора - «карбонизованная матрица-Pd/Ni». Предполагая идентичность лимитирующего процесса образования свободных атомов аналитов в газовой фазе графитовой печи в присутствии модификаторов,

Таблица 8 - Кинетические параметры исследованных систем

последовательность взаимодействий на стадии атомизации можно представить в виде последовательности реакций:

(Ан- Pd/Ni -АУ)ТВ/Ж > (Ан-Pd/Ni)ТВ/Ж + АУ(ТВ) + С(Г) + CO(Г) + CO2(Г)>Ан(Г) + Pd/Ni(Г) + С(Г) + CO(Г) + CO2(Г) + АУ(ТВ),

где Ан - аналит; АУ - карбонизованная матрица.

Вторая стадия этой последовательности одинакова для рассматриваемых модификаторов только лишь с той разницей, что, благодаря карбонизованной основе Pd/Ni-содержащего активированного угля, в газовой фазе печи образуется высокое содержание паров углеродсодержащих соединений.

Проведена оценка механизма формирования атомарных паров легколетучих элементов в условиях подавляющего присутствия карбонизованной матрицы. Для этого использован критерий, предложенный Львовым Б.В. на основе физического подхода Герца-Лангмюра, который определяет, что в случае диссациативного испарения частицы в инертной атмосфере отношение Тп/Еа составляет порядка 3,6 К·моль/кДж, а при десорбционном механизме образования паров аналита - 5,9 К·моль/кДж. В табл. 9 приведены такие данные для атомизации селена с использованием температур появления аналитического сигнала: определенных собственными экспериментальными исследованиями, по данным

Таблица 9 - Кинетические параметры процесса формирования паров атомов селена

термодинамического моделирования, а также взятые из литературных источников. Значения критериев Тп/Еа рассчитаны с использованием экспериментально полученных величин энергий активации, приведенных в табл. 7, 8.

Несмотря на сложность исследуемых систем и многовариантность возможных взаимодействий, просматриваются определенные закономерности атомизации селена. Без модификатора атомные пары элемента образуются по механизму десорбции. В присутствии всех исследуемых модификаторов в последовательности термохимических процессов доминирует совместное испарение с компонентами модификаторов.

Методами кинетических и термодинамических исследований закономерностей формирования паров атомов аналитов в присутствии новых сорбентов-модификаторов на основе активированного угля было установлено, что происходит изменение механизма атомизации от десорбции к термодеструкции и совместному испарению компонентов системы «АУ-Ni/Pd-Ан». При этом термостабилизация элементов достигается за счет образования устойчивых конденсированных растворов между компонентами модификатора и определяемыми элементами, а также сильными восстановительными свойствами карбонизованной основе материалов.

Некоторые методические рекомендации при ЭТААС определениях элементов с дозированием суспензий карбонизованных материалов

Применение техники «проба в виде суспензии» при испытании природных объектов со сложной органической матрицей существенно сокращает время подготовки и анализа образца. На стадии предварительной карбонизации этих объектов происходит концентрирование определяемых элементов в 3-5 раз, что, в свою очередь, улучшает метрологические характеристики результатов анализа.

Высокие восстановительные условия атомизации в графитовой печи в присутствии больших масс карбонизованной матрицы способствуют образованию наиболее термически стабильной формы определяемых элементов с отделением их от компонентов, с которыми образуются легколетучие соединения.

Карбонизованная матрица в печи способствует низкотемпературному восстановлению металлических компонентов разработанных модификаторов, приводящему к формированию термостабильных соединений между определяемыми элементами и модифицирующим материалом. При этом химические и структурные особенности разработанных металлосодержащих композиций на основе карбонизованных матриц обеспечивают более высокие температуры стабилизации аналитов (1200оС и выше) при значительно меньших (почти на порядок) соотношениях масс модифицирующего металла и определяемого элемента в сравнении с традиционными растворами модификаторов.

Рекомендуемые режимы подготовки проб при ЭТААС определении элементов без модификаторов: величина навесок составляет 1-2 г; карбонизация при температуре 450оС в течение 15-20 минут; состав анализируемой суспензии включает 4-12 мг карбонизованной пробы, 1-2 мл 0,5-1% раствора HNO3. Разработанные металлсодержащие модификаторы позволяют проводить процедуру подготовки проб с использованием карбонизации для определения всех элементов, за исключением мышьяка и селена. Температуры стадии пиролиза в графитовой печи составляют (oC): 800-900(Cd), 1200 (Pb, As, Se). При построении градуировочной зависимости возможно использование серии суспензий используемого модификатора в стандартных растворах определяемых элементов. Результаты апробации разработанных методик определения элементов на примере образцов растительных материалов и воды приведены в табл.10 и 11.

Таблица 10 - Результаты анализа растительных образцов (n = 5; P = 0,95)

Таблица 11 - Результаты определения элементов в воде о. Карасун (n = 4; Р = 0,95)

При определении гидридобразующих элементов в образцах с чрезвычайно сложной матрицей (например, пробы мочи) в предлагаемую схему анализа целесообразно ввести предварительную окислительную или ультразвуковую обработку пробы малого объема (0,5 мл). При групповом концентрировании гидридов элементов (As, Sb, Se, Bi) с последующим их одновременным ЭТААС определением рекомендуется использовать подготовку пробы с использованием 10% (объемных) HCl с добавлением L-цистеина. Результаты одновременных многоэлементных определений мышьяка, висмута и сурьмы приведены в табл. 12.

Таблица 12 - Результаты многоэлементного определения элементов в стандартном образце мочи LOT №2525 (Р = 0,95; n = 5)

При работе в полевых условиях и на передвижных лабораториях возможен отбор и анализ проб природных вод и воздуха, подлежащих контролю на содержание гидридобразующих элементов, с помощью несложного генератора гидридов и группового концентрирования этих элементов на колонках-модификаторах. Такой способ, по нашему мнению, перспективен и более надежен, чем традиционно принятая схема кислотной консервации. Кроме того, при многоэлементном варианте измерения аналитических сигналов (атомно-абсорбционная спектрометрия, методы анализа с электротермическим испарением и т.п.) существенно снижаются количества измерений и циклов гидрирования.

Для улучшения чувствительности определений гидридобразующих элементов с предконцентрированием на колонке с сорбентом объемы исследуемых проб может достигать 100 мл при массе сорбента-модификатора в колонке 8-15 мг. Для проведения аналитических определений допустимо использование проточно-инжекционных систем или любого другого аналогичного оборудования. Результаты апробации разработанных схем анализа приведены в табл. 13.

Таблица 13 - Результаты ЭТААС определения элементов с предконцентрированием (n = 5; Р = 0,95)

ВЫВОДЫ

1. Теоретически и экспериментально исследованы особенности использования суспензий карбонизованных материалов в методе атомно-абсорбционнойспектрометрии с электротермической атомизацией (ЭТААС), включающие установление условий атомизации, формирование аналитических сигналов легколетучих (Pb, Cd, As, Se, Sb, Te) элементов в присутствии карбонизованной матрицы в сочетании с техникой дозирования и анализа суспензий.

2. Разработаны и обоснованы условия карбонизации образцов с высоким содержанием органической матрицы для последующего ЭТААС определения Pb, Cd, Co, Cr и Ni по технике дозирования суспензий проб. При оптимизированных условиях формируются необходимые свойства суспензий для ЭТААС анализа сложных аналитических систем (достигаются необходимые размерные характеристики частиц пробы, стабильность суспензии во времени, концентрирование аналитов), повышается эффективность применения химических модификаторов матрицы (в том числе и твердых).

3. Разработана новая группа функциональных материалов - сорбентов-модификаторов, представляющая собой металлосодержащие композиции на основе карбонизованных материалов. Атомно-абсорбционные измерения показали, что при используемых режимах синтеза композиций наилучшую модифицирующую эффективность проявляют системы (палладиевые и никелевые) на основе активированного угля. Получены модифицирующие покрытия графитовой печи, характеризующие перманентными свойствами (Zr, Ir).

4. Изучены возможности повышения термической стабильности легколетучих элементов при их ЭТААС определении за счет комбинированного действия композиционного модификатора: восстановление аналитов углеродсодержащей матрицей на самых ранних стадиях температурной программы атомизатора и образование термостабильных разбавленных конденсированных растворов с компонентами модификаторов - карбонизованной матрицей и активным металлом-модификатором. Показано, что достижение необходимых температур стабилизации исследуемых аналитов достигается при отношениях масс металла-модификатора и аналита на порядок меньших, чес при использовании растворов металлов-модификаторов.

5. Обоснована и реализована схема расчета кинетических характеристик термохимических процессов формирования конденсированных и газообразных компонентов систем на основе карбонизованной матрицы в присутствии металлов-модификаторов и аналитов. Проведенные кинетические исследования подтвердили образование на стадии пиролиза термостабильных систем "аналит - модификатор - карбонизованная матрица материала". Определены основные термохимические процессы образования свободных атомов определяемых элементов на стадии атомизации в графитовой печи. В присутствии металлов-модификаторов в аналитической системе происходит увеличение значений параметров энергии активации и предэкспоненциального множителя уравнения Аррениуса на стадии атомизации, что свидетельствует о повышении термической стабильности определяемых элементов на стадии пиролиза в графитовой печи.

6. При термодинамическом моделировании исследуемых систем выявлены характерные особенности взаимодействия элементов с карбонизованной матрицей и металлами-модификаторами: низкотемпературное восстановление соединений металла-модификатора и соединений определяемых элементов углеродсодержащей матрицей; преимущественное испарение определяемых элементов из систем в виде свободных атомов. При использовании металлосодержащих композиций на основе карбонизованных материалов наблюдается повышение температуры термостабилизации элементов в графитовой печи по сравнению с традиционным способом введения химических модификаторов в виде растворов солей. Такое повышение достигается при меньших на порядок массовых соотношениях металл-модификатор/аналит. Оценка механизмов атомизации исследуемых элементов показала, что образование паров атомов элементов без модификаторов происходит посредством десорбции с поверхности печи/платформы, а в присутствии карбонизованной матрицы и металлов-модификаторов осуществляется совместное испарение компонентов системы.

7. Исследованы сорбционные свойства разработанных металлосодержащих (Pd, Ni, Au) композиций по отношению к газообразным гидридам мышьяка и сурьмы, а также к парам элементарной ртути. Полученные результаты позволили разработать аналитические схемы определения элементов с предконцентрированием их вышеперечисленных газообразных форм и последующим атомно-абсорбционным определением. Достигнутые пределы обнаружения могут быть охарактеризованы как близкие к фоновым значениям (нг/л).

8. Разработаны и апробированы как методики прямого ЭТААС определения легколетучих элементов в присутствии карбонизованной матрицы и техники дозирования суспензий, так и определения с предварительным концентрированием ряда легколетучих элементов в природных водах, биологических и растительных пробах.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

1. Темердашев З.А., Бурылин М.Ю. Атомно-абсорбционное определение легколетучих и гидридобразующих элементов. Краснодар. Изд-во «Арт_Офис». 2007. 217 с.

2. Бурылин М.Ю., Темердашев З.А. Атомно-абсорбционное определение высоких содержаний элементов методом добавок с атомизацией в пламени // Журн. аналит. химии 1987. Т.42. №1. С.64-67.

3. Бурылин М.Ю., Темердашев З.А., Сапрыкин Л.В. К расчету параметров градуировочной характеристики при атомно-абсорбционном определении элементов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 1986. № 4. С.30-32.

4. Бурылин М.Ю., Темердашев З.А., Беслиней Х.Г. Коллектор-колонка для атомно-абсорбционного определения ртути по методу холодного пара // Статья в сб. «Переработка растительного сырья и утилизация отходов». Красноярск. 1996. Выпуск П. С.258-263.

5. Burylin M.Yu., Temerdashev Z.A. Mercury vapor collector-column for its atomic-absorption determination. Abstract of 4th Russian-German-Ukrainian Analytical Symposium. Sofrino, Russia. 1996. P.26-28.

6. Burylin M.Yu., Temerdashev Z.A. The peak formation peculiarities of lead at slurry introduction by the electrothermal atomization atom absorption spectrometry of carbonized plant materials Abstracts 4th Russian-German-Ukrainian Analytical Symposium. February 25 - March 3. Sofrino, Russia. 1996. P.20-25.

7. Burylin M.Yu., Temerdashev Z.A. The peak formation peculiarities of aluminium and cobalt by ETA-AAS of carbonized plant materials. Modern aspects of analytical chemistry. 5 Russian-German-Ukrainian Analytical Symposium, "ARGUS-97". Duisburg, Germania. 1977. P.44-51.

8. Бурылин М.Ю., Темердашев З.А. Коллектор-колонка для атомно-абсорбционного определения ртути методом холодного пара // Журнал аналитической химии. 1998. Т.53. №11. С.1166-1169.

9. Бурылин М.Ю., Темердашев З.А. Физико-химические исследования карбонизованных органических проб для атомно-абсорбционного определения тяжелых металлов // Журнал аналитической химии. 1999. Т.54. №4. С.391-397.

10. Васильев A.M., Киселева Н.В., Темердашев З.А, Бурылин М.Ю. Исследование сорбционных свойств продуктов термолиза рисовой лузги и ее гидролизного лигнина // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 1999. №2. С.36-40.

11. Бурылин М.Ю., Темердашев З.А., Малинин Е.В. Атомно-абсорбционное определение свинца и кадмия в растительных материалах с использованием техники карбонизации образцов // Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. Краснодар, 2000. № 2-3. С.73-75

12. Бурылин М.Ю., Темердашев З.А., Полищученко В.П. Концентрирование арсина на палладийсодержащих сорбентах для аналитических целей // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 2001. №4. С.6-9

13. Бурылин М.Ю., Темердашев З.А., Полищученко В.П. Электротермическое атомно-абсорбционное спектрометрическое определение мышьяка с дозированием в графитовую печь водных суспензий палладийсодержащих сорбентов // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 2001. №4. С.10-13.

14. Бурылин М.Ю., Внукова А.А., Темердашев З.А. Электротермическое атомно-абсорбционное определение As, Se, Sb и Te по технике «slurry-sampling» с применением модификатора на основе никеля и углерода // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 2004. №3 (16). С.48-55.

15. Бурылин М.Ю., Темердашев З.А., Дорий А.С., Чапак И.С. Определение кинетических параметров атомизации в графитовой печи селена и сурьмы в присутствии палладийсодержащего сорбента/ модификатора // Наука Кубани, 2004. №3. С.103-106.

16. Бурылин М.Ю., Темердашев З.А., Внукова А.А. Некоторые научно-методические аспекты ЭТААС определения гидридобразующих элементов (As, Sb, Se, Te) в объектах окружающей среды // Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества. 2004. №4. C.80-85.

17. Бурылин М.Ю., Темердашев З.А., Полищученко В.П. Исследование свойств и применение палладийсодержащих сорбентов для ЭТААС определения мышьяка // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2005. Т 71. №4. С.3-8.

18. Темердашев З.А., Бурылин С.Ю., Каунова А.А. Синтез и исследование физико-химических характеристик новых металлосодержащих сорбентов для концентрирования и определения гидридобразующих элементов // Наука Кубани, 2005. №5. С.5-8.

19. Бурылин М.Ю., Темердашев З.А., Бурылин С.Ю. Атомно-абсорбционное определение свинца и кадмия методом дозирования суспензий карбонизованных образцов с применением Pd-содержащего активированного угля в качестве модификатора // Журн. аналит. химии. 2006. Т.61. №1. С.42-49.

20. Бурылин М.Ю., Темердашев З.А., Каунова А.А. Некоторые методические аспекты определения кадмия и ртути в донных отложениях, морских и поверхностных водах // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. 2006. №9. С.94-98.

21. Бурылин М.Ю., Темердашев З.А., Дорий М.С., Каунова А.А. Гидридное атомно-абсорбционное определение сурьмы дозированием суспензии аналита в графитовую печь // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2006. Т.72. №8. С.3-9.

22. Бурылин М.Ю., Темердашев З.А., Каунова А.А. Кинетические исследования процессов атомизации сурьмы и селена с участием химического модификатора при их определении методом электротермической атомно-абсорбционной спектрометрии // Журн. прикл. спектроскопии. 2006. Т.73. №4. С.530-534.

23. Бурылин М.Ю., Внукова А.А., Темердашев З.А. Определение гидридобразующих элементов в водах методом электротермической атомно-абсорбционной спектрометрии с использованием никельсодержащих химических модификаторов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2006. Т.72. №5. С.3-8.

24. Бурылин М.Ю., Темердашев З.А., Пупышев А.А., Каунова А.А., Обогрелова С.А Термодинамическое моделирование термостабилизирующей эффективности металлсодержащих модификаторов на основе активированного угля в методе электротермической атомно-абсорбционной спектрометрии // Журн. прикл. спектроскопии. 2006. Т.73. №5. С.676-682.

25. Бурылин М.Ю., Темердашев З.А., Кусс Х.М., Полищученко В.П. Одновременное многоэлементное ЭТААС определение гидридобразующих элементов в образцах со сложной аналитической матрицей // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. №3. 2006. С.23-27.

26. Шеставин А.И., Каунова А.А., Прокопец С.Ф., Бурылин М.Ю. Определение токсичных элементов в природном водоеме города Краснодара методом электротермической атомно-абсорбционной спектрометрии // Статья в сборнике «Эколого-гидрологические проблемы изучения и использования водных ресурсов». Казань. 2006. С. 314-317.

27. Бурылин М.Ю., Темердашев З.А., Бурылин С.Ю. Палладийсодержащие сорбенты-модификаторы для аналитических целей // Перспективные материалы. 2007. №1. С.12-18.

28. Бурылин М.Ю., Темердашев З.А., Дорий А.С. Кинетика термохимических процессов формирования аналитических сигналов в электротермической атомно-абсорбционной спектрометрии с дозированием суспензий образцов // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. 2007. №2. С.65-69.

29. Бурылин М.Ю., Темердашев З.А., Каунова А.А., Крылова А.Г. Оптимизация условий ЭТААС определения селена дозированием суспензий в объектах окружающей среды // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. 2008. №2. С.46-49.

30. Бурылин М.Ю., Темердашев З.А., Онищенко А.И. Композиция для получения сорбента для демеркуризации. РФ 2048905, БИ №33 от 27.11.95. М.кл. B01J20/02 М.кл. B01J20/10 Патент.