Stanovení obsahu PCB v zeminách, olejích a vodách

Ing. Lucie Kochánková, tel.: 220 444 248

Úvod

Polychlorované bifenyly - PCB - jsou chlorované deriváty bifenylu (I) o sumárním vzorci C₁₂H_10-xCl_x (kde x = 1 - 10).

I

Teoreticky je možných celkem 209 chemických individuí o výše uvedeném sumárním vzorci, které bývají označovány jako kongenery. Ballschmitter (Ballschmitter K., Zell M.: Analysis of polychlorinated biphenyls by glass capillary gas chromatography, Fresenius Z. Anal. Chem., 302, 20 - 31, 1987), který se systematicky zabýval analýzou PCB, přiřadil jednotlivým kongenerům čísla, která jsou z úsporných důvodů (s oficiálním souhlasem IUPAC) používána místo názvů v odborných publikacích, katalozích a pod. - např. PCB 101 je označení pro 2,4,5,2´,5´- pentachlorbifenyl.

V bývalém Československu byly směsi PCB vyráběny v n.p. CHEMKO Strážske a dodávány pod firemním označením DELOR, nejběžnějšími výrobky byly DELOR 103 a DELOR 106). Tyto technické směsi se vyráběly přímou katalytickou chlorací bifenylu za přítomnosti katalyzátoru FeCl₃ a následnou frakční destilací reakčního produktu. Používané frakce obsahují několik desítek kongenerů o různém počtu chlorových atomů v molekule, různé substituci a v různém vzájemném poměru, proto jejich stanovení je poměrně obtížný analytický problém. Pro analýzu těchto látek se téměř výhradně využívá plynová chromatografie na křemenných kapilárních kolonách s chemicky vázanou nepolární silikonovou fází a řízeným průběhem analýzy pomocí teplotního programu. Jako detektor se používá detektor elektronového záchytu (ECD), který umožňuje dosáhnout potřebnou citlivost metody.

Princip metody

Postup analýzy závisí na matrici vzorků, obecně však sestává z následujících kroků: vysušení (kromě kapalných a olejových vzorků), úprava granulace a homogenizace vzorku, extrakce vhodným organickým rozpouštědlem, odstranění interferujících látek z extraktu, chromatografická analýza, vyhodnocení chromatogramů.

Příprava tuhých vzorků pro extrakci

Vzorek se rozprostře v tenké vrstvě na skleněnou misku a ponechá vyschnout na vzduchu při teplotě místnosti 48 hodin. Hrudky se rozdrtí v třecí misce a vysušený vzorek se rozdělí na sítech. Pro analýzu se použije podíl o velikosti zrn menší než 1,0 mm. Tuto operaci posluchači z časových důvodů neprovádějí, k analýze dostanou již takto upravený vzorek.

Extrakce tuhého vzorku

Extrakce vzorku zeminy se provádí v mikroextraktoru na vodní lázni. Jako extrakční činidlo se používá hexan případně směs hexanu a diethyletheru. Při extrakci se rozpouštědlo ve spodní zkumavce vaří, páry kondenzují v chladiči a zkondenzované rozpouštědlo protéká vrstvou vzorku zpět do zkumavky s vroucím rozpouštědlem. Pro dokonalé vyextrahování je nutná doba extrakce 4 hodiny.

Extrakce olejového vzorku

V případě olejového vzorku se používá extrakce kapalina – kapalina, extrakčním činidlem bývá opět hexan, doba extrakce v minutách.

Extrakce vody

Intenzivním třepáním vody s hexanem 2 hodiny na třepačce. Po této době se oddělí extrakt pomocí dělícího nástavce.

Odstranění interferujících látek

Většinu interferujících látek lze odstranit eluční chromatografií na florisilu. Pokud vzorek obsahuje organické sirné sloučeniny, je nutno je odstranit intenzivním třepáním extraktu s kovovou rtutí. Tuto operaci studenti neprovádějí, protože vzorky, které analyzují, sirné látky neobsahují.

Chromatografická analýza

Chromatografická analýza se provádí na plynovém chromatografu vybaveném křemennou kapilární kolonou s chemicky vázanou nepolární silikonovou fází, automatickým dávkovačem, ECD a v režimu s programovanou teplotou.

Nastavení provozních podmínek chromatografu provede asistent a současně studenty seznámí s obsluhou přístroje.

Vyhodnocování výsledků analýzy

Výsledky se v souladu s metodickým pokynem MŽP udávají jako suma obsahů tzv. indikátorových kongenerů (PCB 28, 52, 101, 138, 153, 180). Kvantitativní vyhodnocení výsledků analýzy je prováděno srovnáním ploch píků indikátorových kongenerů v chromatogramu vzorku a chromatogramu externího standardu o známé koncentraci. Výpočet obsahu PCB se provádí pro každý indikátorový kongener podle vzorce (1), jako výsledek se udává součet hodnot získaných pro všechny indikátorové kongenery.

A_x V

c_x = c_s . ------ . ----- (1)

A_s m

kde:

c_x, c_s - koncentrace indikátorového kongeneru v analyzovaném vzorku (x) a standardním roztoku (s) (mg/g, mg/ml)

A_x, A_s - plocha píku indikátorového kongeneru v chromatogramu vzorku a standardu (podle údaje integrátoru)

V - objem extraktu vzorku (ml)

m - navážka vzorku pro extrakci (g).

Použité chemikálie a materiály

Hexan rektifikovaný, H₂SO₄, Florisil (polární adsorbent MgSiO₃), křemenná vata, varné kaménky, standardní roztok indikátorových kongenerů, kalibrované zábrusové zkumavky 10 ml, zábrusové Erlenmayerovy baňky 25 ml, zábrusové skleněné zátky, dělící nástavce.

Použité přístroje a zařízení

Mikroextraktor a kolona pro eluční chromatografii, plynový chromatograf Hewlett-Packard 5890 s integrátorem a automatickým dávkovačem, vodní lázeň, analytické váhy.

Postup zpracování vzorku zeminy

Vodní lázeň se po zapnutí ponechá vyhřát na teplotu 85°C, mikroextraktor se sestaví a do zkumavky se vloží varný kamének.

S přesností na 0,1 mg se odváží přibližně 1g vzorku do patronky mikroextraktoru uzavřené ve zúžené části křemennou vatou. Patronka se vloží do extraktoru a pipetou odměřený objem asi 10 ml hexanu vypustí přes vrstvu vzorku do zkumavky extraktoru. Na extraktor se nasadí zpětný chladič a zkumavka extraktoru se ponoří do vyhřáté vodní lázně. Teplota vodní lázně se upraví tak, aby hexan kondenzující ve zpětném chladiči rovnoměrně protékal vrstvou vzorku v patronce. Vzorek se extrahuje 4 hodiny. Během extrakce se čas od času kontroluje množství hexanu ve zkumavce, v případě potřeby se hexan přidá.

Po ukončení extrakce se aparatura vyzvedne z vodní lázně a ponechá 10 min vychladnout, poté je rozebrána a extrakt ve zkumavce se odpaří v proudu dusíku na objem přibližně 0,5 ml.

Do zúžené části eluční kolony se vpraví smotek křemenné vaty a kolona se za mírného poklepávání naplní cca 0,5 g florisilu. Na sloupec se převede zahuštěný extrakt, zkumavka se vypláchne ještě 5 × 1 ml hexanu, který se rovněž přidá na kolonu. Eluát se jímá do podložené kalibrované zkumavky. Pro urychlení chromatografie se použije gumový balónek. Po vsáknutí veškerého vzorku na kolonu se kolona promyje dalším hexanem a celkem se jímá 10 ml. Takto připravený roztok se použije k analýze plynovou chromatografií.

Po ukončení práce se z patronky extraktoru odstraní zemina a patronka se vypláchne vodou. Celá aparatura se sestaví stejně jako při extrakci, ponoří se do vodní lázně a vymývá 30 minut acetonem. Ostatní použité nádobí se promyje 5 × toluenem, 5 × acetonem, dále se umyje teplou vodou se saponátem, opláchne vodovodní vodou od saponátu a nakonec destilovanou vodou. Po umytí se nádobí podle druhu vypaluje 30 minut při 340 °C nebo čistí v ultrazvukové lázni.

Postup zpracování vzorku oleje

Do 25 ml Erlenmayerovy baňky se pomocí tyčinky naváží přibližně 0,2 g olejového vzorku (s přesností na 0,1 mg). Ke vzorku se přidá 10 ml hexanu a 5 ml H₂SO₄ a třepe se v ruce po dobu asi 2 minut. Po extrakci se vzorek nechá stát až do oddělení vrstev a 5 ml hexanové (horní) vrstvy se odlije do čisté kalibrované zkumavky a vzorek se odpaří v proudu dusíku na objem přibližně 0,5 ml.

Postup odstranění interferujících látek eluční chromatografií na florisilu je shodný s postupem uvedeným pro zpracování vzorku zeminy, a získaných 10 ml eluátu se v proudu dusíku odpaří na objem 5 ml. Takto připravený roztok se použije k analýze plynovou chromatografií.

Postup zpracování vzorku vody

Z objemu zkoumané vody v lahvi se odměří 1 litr (pokud je dostatečný objem, jinak se pracuje s dodaným objemem). K vodě je přidáno přesně 5 ml hexanu, kterým je voda extrahována 2 hodiny na třepačce. Po ukončení extrakce je horní organická fáze oddělena pomocí nástavce, do kterého je roztok vytlačen dolitím vodou. Odebraný extrakt je, buď přímo, nebo po naředění, rovnou připraven k analýze plynovou chromatografií.

Analýza a vyhodnocení chromatogramů

Nejprve se provede dvakrát nástřik standardního roztoku indikátorových kongenerů a zaznamená chromatogram. Poté se nastříknou, rovněž dvakrát, připravené reálné vzorky. Doba jedné analýzy je včetně opětovného ustálení počátečních podmínek analýzy přibližně 60 minut.

V chromatogramech standardního roztoku se vyhledají tzv. indikátorové kongenery podle vzorového chromatogramu, zjistí se plochy jejich píků a vypočte průměr obou zjištěných hodnot. Totéž se provede u reálných vzorků. Nalezené hodnoty se dosadí do vzorce a vypočte se obsah všech indikátorových kongenerů v analyzovaných vzorcích. Celkový obsah se vypočte jako součet obsahu všech šesti indikátorových kongenerů.

Obsah protokolu

Protokol by měl obsahovat:

1. Stručný princip metody a popis práce

2. Označení a navážku vzorku k analýze, příp. ředění

3. Tabulku zjištěných elučních časů indikátorových kongenerů, plochy jejich píků a průměry ploch v obou stanoveních, jak u standardního roztoku tak u reálných vzorků

4. Vypočtené obsahy jednotlivých kongenerů a jejich součet pro oba reálné vzorky.