Атомно-абсорбционное определение мышьяка в объектах окружающей среды тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.02 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1. Атомно-абсорбционное определение мышьяка.

1.1. Методы пламенного атомно-абсорбционного определения мышьяка.

1.2. Электротермическое атомно-абсорбционное определение мышьяка.

1.3. Гидридные методы определения мышьяка.

1.4 Методы концентрирования при атомно-абсорбционном определении мышьяка.

1.5. Выводы к аналитическому обзору.

2. ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ Рё-СОДЕРЖАЩИХ СОРБЕНТОВ

ДЛЯ КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ АРСИНА.

2.1. Материалы, реактивы и используемое оборудование.

2.2. Программа исследований.

2.3. Результаты и их обсуждение.

2.3.1. Оптимизация стадий выделения и поглощения гидрида мышьяка.

2.3.2. Получение и характеристика Рё-содержащих сорбентов.

2.3.3. Определение динамической емкости Р(1-содержащих композиций.

3. АТОМНО-АБСОРБЦИОННОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЫШЬЯКА

ДОЗИРОВАНИЕМ В ГРАФИТОВУЮ ПЕЧЬ ВОДНЫХ СУСПЕНЗИЙ РсКЮДЕРЖАЩИХ СОРБЕНТОВ.

3.1. Программа исследований.

3.2. Результаты и их обсуждение.

3.2.2. ЭТААС определение мышьяка дозированием в ГП водных суспензий Рё-содержащих сорбентов.

3.2.3. Модифицирующие свойства Рё-содержащего активированного угля

3.2.4. Определение аналитических характеристик методики

ААС - определения мышьяка в природных водах.

ВЫВОДЫ.

Контроль содержания мышьяка в природных водах и других объектах окружающей среды в процессе изучения его биологической роли и механизмов биотрансформации представляет собой весьма актуальную задачу.

Как правило, определение мышьяка в природных объектах требует предварительного его концентрирования. В последние годы широкое распространение получил метод электротермической атомно-абсорбционной спектрометрии (ЭТААС) в сочетании с выделением газообразного гидрида мышьяка из пробы и одновременным его концентрированием в графитовой печи (ГП). Для этих целей используется предварительное получение специальных покрытий из элементов группы благородных металлов (Р1:, Рё, 1г, Ю1). При этом платиноид выступает в качестве центра концентрирования элемента и универсального химического модификатора, предотвращающего преждевременное испарение мышьяка. К недостаткам такой техники следует отнести сложное инструментальное оборудование и высокий расход благородного металла на одно измерение. Иное решение данной проблемы может быть реализовано концентрированием арсина на высокоэффективных сорбентах (например Р ¿-содержащих), с последующим определением мышьяка методом ЭТААС дозированием в ГП их водных суспензий.

На сегодняшний день отсутствуют данные о закономерностях концентрирования арсина на Рс1-содержащих материалах, об их сорбционных свойствах, а также о возможностях проведения корректных измерений аналитических сигналов (АС) мышьяка методом ЭТААС для систем мышьяк-палладий-основа сорбента. 5

Цель настоящей работы - создание схемы анализа, совмещающей концентрирование мышьяка на Рё-содержащих материалах с последующим ЭТААС его определением дозированием водных суспензий сорбентов в ГП.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

• оптимизация методики определения микрограммовых количеств мышьяка для исследования сорбционных Рё-содержащих материалов;

• исследование процессов сорбции палладия и синтеза сорбентов с различным его содержанием;

• концентрирования арсина и исследование сорбционных свойств Рё-содержащих материалов;

• разработка и изучение закономерностей формирования АС мышьяка при его ЭТААС определении дозированием водных суспензий сорбентов в ГП;

• разработка методики ЭТААС определения мышьяка после стадии предварительного концентрирования в различных типах вод на уровне его содержаний нг/л.

Диссертационная работа выполнялась в рамках российско-американского проекта КЕС-004, номер государственной регистрации 0.1.20.0004937, научно-технической программы Минобразования Российской Федерации «Университеты России - фундаментальные исследования», проект № 990845, номер государственной регистрации 01.99.0008297.

В ходе решения поставленных задач в диссертационной работе исследованы процесс синтеза Рё-содержащих композиций и их сорбционные свойства. На основании проведенных исследований предложена новая форма палладиевого 6 модификатора, изучены закономерности формирования аналитического сигнала мышьяка при дозировании в графитовую печь водных суспензий Рс1-содержащих материалов. Исследована термическая стабильность системы АБ-Рё-активированный уголь. Реализована новая схема атомно-абсорбционного определения низких содержаний (нг/л) мышьяка в водах. 7

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

ВЫВОДЫ

1. Разработана схема определения мышьяка в природных водах, которая включает в себя концентрирование арсина Р<!-содержащими сорбентами с последующим определением мышьяка методом ЭТААС дозированием в графитовую печь их водных суспензий. Достигнуты абсолютный и концентрационный предел обнаружения мышьяка 28 пг и 12 нг/л (при объеме пробы 100 мл) соответственно, обоснованы преимущества предложенной схемы.

2. Синтезированы Рс1-содержащие материалы на основе оксида алюминия, оксида кремния и активированного угля, обоснованы оптимальные режимы восстановительной сорбции металла исходным сырьем.

3. Исследованы сорбционные характеристики полученных сорбентов по отношению к арсину, установлена зависимость эффективности сорбции мышьяка от содержания металла и его структурных свойств.

4. Предложена математическая модель зависимости количества поглощенного мышьяка от параметров колонки с Рс1-содержащим активированным углем, установлена зависимость расхождения расчетных и экспериментальных данных от структурных свойств Р<1-содержащего сорбента.

5. Исследована термическая стабильность системы мышьяк - Рё-содержащий активированный уголь, установлена стабильность определяемого элемента до 1300°С, обоснована приемлемость данного материала как для сорбции арсина, так и в качестве модификатора при ЭТААС определении мышьяка при дозировании в графитовую печь исследуемых растворов.

98

6. Изучены закономерности формирования аналитического сигнала мышьяка при атомно-абсорбционном дозировании в графитовую печь водных суспензий Рс1-содержащих сорбентов после концентрирования на них арсина, показана приемлемость для аналитических целей материала на основе активированного угля.

99

1. Немундрук А.А. Аналитическая химия мышьяка. М.: Наука, 1976. - 244 с.

2. Бажов А.С. О возможности определения мышьяка методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии // Завод, лаб. 1967. - №8. - С.1096-1097.

3. Хавезов И. Атомно-абсорбционный анализ / И. Хавезов, Д. Цалев Л.: Химия -1983.-С.96.

4. Tesfailedet S. Generation and enrichment of AsC^ for interference-free determination of trace levels of arsenic in steel by atomic absorption spectrometry /S. Tesfailedet, K. Irgum // Fresenius J. Anal. Chem. 1990. - V.338. - P.741-744.

5. Menis O. Determination of arsenic by atomic absorption spectrometry with an electrodeless discharge lamp as a source of radiation / O. Menis, T.S. Rains // Anal. Chem. 1969. -V. 41. - №7. - P. 952-954.

6. Kirkbright G.F. Use of the nitrous oxide-acetylene flame for determination of arsenic and selenium by atomic absorption spectrometry / G.F. Kirkbright, L. Ranson // Anal. Chem.- 1971.-V.43.- №10.-P.1238-1241.

7. Савельева A.H. Использование пламени динитроксид-ацетилен для определения мышьяка / А.Н. Савельева, Т.Е. Агапов // Завод. Лаб. 1988. - №9. - С.39-40.

8. Краткая химическая энциклопедия. М.: Изд-во "Советская энциклопедия", 1964. Т.З. С.349.

9. Лакота В.Н. Определение мышьяка, ртути и селена методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой / В.Н. Лакота, В.И. Макаревич, С.С. Архутик, Н.Д. Коломиец, В.И. Мурох // Журн. аналит. химии. 1999. - Т.54. - №3. - С. 285-287.100

10. Walsh P.R. Matrix effects and their control during the flameless atomic absorption determination of arsenic / P.R. Walsh, J.L. Fashing, R.A. Duce // Anal. Chem. 1976. - V.48. - P.1014-1016.

11. Shrader D.E. Graphite furnace AAS: application of reduced palladium as a chemical modifier / D.E. Shrader, L.M. Beach, T.M. Rettberg // Journal of Research of the National Bureau of Standards 1988. - V. 93. - №3. - P.450-452.

12. Volynsky A.B. Mechanisms of action of platinum group modifiers in electrothermal atomic absorption spectrometry /А.В.Volynsky // Spectrochim. Acta. Part B. -2000. V.55. -P.103-150.

13. Volynsky A.B. Colloidal palladium a promising chemical modifier for electrothermal atomic absorption spectrometry /А.В. Volynsky, V.Krivan // Spectrochim. Acta. - Part B. - 1997. - V.52. - P.1293-1304.

14. Орлова В.А. Электротермическое атомно-абсорбционное определение мышьяка после автоклавной пробоподготовки / В.А. Орлова., Э.М. Седых, В.В. Смирнов, Л. Банных. //Журн. аналит. химии. 1990. -Т.45. -№5. - С.933-941.

15. Bozsai G. Determination of arsenic, cadmium, lead and selenium in highly mineralized waters by graphite-furnace atomic-absorption spectrometry / G. Bozsai, G.Schlemmer, Z. Grobenski //Talanta. 1990. - V.37. -P.545-553.101

16. Styris D.L. Mechanisms of palladium-induced stabilization of arsenic in electrothermal atomization atomic absorption spectrometry / D.L. Styris, L.J. Prell, D.A. Redfield //Anal. Chem. 1991. - V.63. - P.503-507.

17. Ni Z-M. Minimization of phosphate interference in the direct determination of arsenic in urine by electrothermal atomic absorption spectrometry / Z-M. Ni, Z.Rao, M.Li // Anal. Chim. Acta. -1996. V.360. -P.177-182.

18. Volh-Beach L.M. Investigations of a reduced palladium chemical modifier for graphite furnace atomic absorption spectrometry / L.M. Volh-Beach, D.E. Shrader // J. Anal. At. Spectrom. 1987. -№2. -P.45-50.

19. Klenke T. Multifractal analysis of elemental distribution in SEM/EDX images of palladium conditioned ET-AAS platforms / T.Klenke // Mikrochim. Acta. 1995. V.120. -P.91-100.102

20. Тарасенко Ю.А. Восстановительная сорбция как метод раздельного выделения металлов из растворов / Ю.А. Тарасенко, Г.В.Резник, Г.В. Багреев, А.А. Лысенко //Журн. физ. химии. 1993. -Т.67. -№>11. -С.2333-2335.

21. Агеева Л.Д. Оценка механизма и кинетики сорбции платины, палладия, золота, активным углем из хлоридных сред, облученных ультрафиолетовым излучением / Л.Д.Агеева, Н.А. Колпакова, Т.В. Ковыркина, Н.П. Поцяпун,

22. A.С. Буйновский // Журн. аналит. химии. 2001. - Т.56. - №2. - С. 157-160.

23. Рэми Г. Курс неорганической химии T.l. М.: Мир. 1972. с. 267.

24. Bulska E. Surface and subsurface examination of graphite tubes after elecrodeposition of noble metals for electrothermal atomic absorption spectrometry / E.Bulska,

25. B.Thybush, H. M.Ortner // Spectrochim. Acta. Part B. 2001. - V56. P.363-373.

26. Matousek J.P Coupled in situ electrodepositin-elecrothermal atomic absorption spectrometry: a new approach in quantitative matrix free analysis / J.P.Matousek, H.K. J. Powell // Spectrochim. Acta. Part B. 1995. - V.50. - P.857-872.

27. Tsalev D.L. Vapor generation or electrothermal atomic absorbtion spectrometry? -Both! / D.L. Tsalev// Spectrochim. Acta. Part B. -2000. V.55. -P.917-933.

28. Agterdenbos J. Mechanisms in hydride generation AAS / J. Agterdenbos, D. Bax // Fresenius Z. Anal. Chem. 1986. - V.323. - S.783-787.

29. Pergantis S.A. Investigation of arsine-generating reactions using deuterium-labeled reagents and mass spectrometry / S.A. Pergantis, W. Winnik, E.M. Heithmar, W.R Cullen // Talanta. 1997. - V.44. - P. 1941-1947.

30. Ригин В.И. Атомно-абсорбционное определение мышьяка с предварительным электрохимическим восстановлением / В.И. Ригин, Г.Н Вертухов // Журн. аналит. химии. -1978. -Т.ЗЗ. -№10. С. 1965-1969.

31. Fernandez F.J. Atomic absorption determination of gaseous hydrides utilizing sodium borohydride reduction / F.J. Fernandez // At. Absorption Newslett. 1973. - V.12. -№4. -P.93-97.

32. Siemer D.D. Optimization of arsine generation in atomic absorption determinations / D.D. Siemer, P. Koteel, V. Jariwala // Anal. Chem. 1976. - V.48. - №6. - P.836-840.104

33. D'Ulivo A. Interferences in hydride atomization studied by atomic absorption and atomic fluorescence spectrometry / A. D'Ulivo, J. Dedina // Spectrochim. Acta. -Part B. 1996. - V.51. - P.481-498.

34. Matusiewicz H. Atomic spectrometric detection of hydride forming elements following in situ trapping within a graphite furnace / H. Matusiewicz, R.E. Sturgeon // Spectrochim. Acta. Part B. 1996. - V.51. - P.377-397.

35. Narasaki H. Determination of traces of arsenic and selenium, by hydride generation-atomic absorption spectrometry / H. Narasaki // Fresenius Z. Anal. Chem. 1985. -V.321. - S.464-466.

36. Lopez A. Generation of AsH3 from As(V) in the absence of KI as prereducing agent: speciation of inorganic arsenic p / A. Lopez, R. Torralba, M.A Palacios, C. Camara // Talanta. 1992. - V.39. - №10. - P. 1343-1348.

37. Shaim A. Speciation of arsenic by hydride generation atomic absorption spectrometry (HG - AAS) in hydrochloric acid reaction medium / A. Shaim, B. Chiswel // Talanta. - 1999. - V.50. - P. 1109-1127.

38. Guo T., Fast automated of toxicologically relevant arsenic in urine by flow injection-hydride generation atomic absorption spectrometry / T. Guo, Baasner, D.L. Tsalev // Anal. Chim. Acta. 1997. - V.349. - P.313-318.

39. Fedorov P.N. Comparison of hydride generation and graphite furnace atomic absorption spectrometry for the determination of arsenic in food / P.N. Fedorov,105

40. G.N. Ryabchuk, A.V. Zverev // Spectrochim. Acta. Part B. 1997. - V.52. - P.1517-1523.

41. Гамоюрова B.C. Мышьяк в экологии и биологии. М.: Наука. 1993. - 208 с.

42. Howard A.G. Selective pre-concentration of arsenite on mercapto-modified silica gel. / A.G. Howard // Analyst. 1987. - V. 112. - №2. - P. 159-162.

43. Mierzwa J. Slurry sampling hydride generation atomic absorption spectrometry for the determination of extractable/soluble As in sediment samples. / J. Mierzwa, R. Dobrowolski // Spectrochim. Acta. Part B. 1998. - V.53. - P. 117-122.

44. Ficklin W.H. Extraction and speciation of arsenic in lacustrine sediments / W.H. Ficklin // Talanta. 1990. - V.37. - № 3. - P.831-834.

45. Dapaah A.R.K. Solvent extraction of arsenic from acid medium using zinc hexamethylenedithiocarbamate as an extractant / A.R.K. Dapaah, A. Ayame // Anal. Chim. Acta. 1998. - У.360. - P.43-52.

46. Gonzalez M.M. Determination of arsenic in wheat flour by electrothermal atomic absorption spectrometry using a continuous precipitation-dissolution flow system / M.M. Gonzalez, M. Gallego, M. Valcarcel // Talanta. 2001. - V.55. -P.135-142.

47. Савельева A.H. Определение мышьяка в медных сернокислых электролитах и электролитной меди методом электротермической атомно-абсорбционной спектрометрией. / А.Н. Савельева, Т.Е. Агапова // Завод. Лаб. 1990. - Т.56. -С.40-42.

48. Howard A.G. Cysteine enhancement of the cryogenic trap hydride AAS determination of dissolved arsenic species / A.G. Howard, C. Salou // Anal. Chim. Acta. 1996. -V.333.-P. 89-96.

49. Faetherstone A.M. A shipboard meathod for arsenic speciation using semi-automated hydride generation atomic fluorescence spectroscopy / A.M. Faetherstone, P.R. Boult, B.Y. О'Grady, E. С. V. Butler // Anal. Chim. Acta. 2000. - V.409. - P.215-226.

50. Девятых Г.Г. Летучие неорганические гидриды особой чистоты / Г.Г. Девятых, А.Д. Зорин // М., Наука. 1974. - 206 с.

51. Боровко И. А. Атомно-абсорбционное определение мышьяка и селена гидридным методом с накоплением элементов в графитовой трубке / И.А Боровко // Журн. аналит. химии. -1987. Т.42. - № 9. - С. 1627-1630.

52. Демарин В.Т. Атомно-абсорбционное определение примеси мышьяка в хлориде амония, полученном из люзита / В.Т. Демарин, А.Д. Зорин, А.Ю. Важнее, Л.В. Склемина, Е.Н. Каратаев // Завод, лаб. 1998. - Т.64. -№11.- С.23-25.

53. Sturgeon R.E., Willie S.N., Berman S.S. Hydride generation-graphite furnace atomic absorption spectrometry: new prospects / R.E. Sturgeon, S.N. Willie, S.S. Berman // Fresenius Z. Anal. Chem. 1986. - V.323. - S.788-792.

54. A1-Daheer I. Interaction of arsine with evaporated metal films / I. Al-Daheer, M. Saleh II J. Phys. Chem. 1972. - V.76. - P.2851.

55. Docekal B. Radiotracer investigation of hydride trapping efficiency within a graphite furnace / B. Docekal, J. Dedina, V. Krivan // Spectrochim. Acta. Part B. 1997. -V.52B. -P.787-794.

56. KaIahne R Comparison of AAS with hydride concentration in a graphite furnace with other spectrometric techniques / R. Kaiahne, G. Henrion, A. Hulanicki, S. Garbos, M. Walcerz // Spectrochim. Acta. Part B. 1997. - V.52. - P. 1509-1516.

57. Liang L. Determination of arsinic in ambient water at sub-part-per-trillion levels by hydride generation Pd coated platform collection and GFAAS detection / L. Liang, S. Lazoff, C. Chan, M. Horvat, J. S. Woods // Talanta. 1998. - V.47. - P.569-583.

58. Willie S.N. First order speciation of As using flow injection hydride generation atomic absorption spectrometry with in-situ trapping of the arsenic in a graphite furnace / S.N. Willie // Spectrochim. Acta Part B. 1996 . - V.51. - P. 1781-1790.110

59. Camero R. M. Hydride generation-electrostatic deposition-graphite furnace atomic absorption spectrometric determination of arsenic, selsnium and antimony / R.M. Camero, R.E. Sturgeon // Spectrochim. Acta. Part B. 1999. - V.54. - P.753-762.1.l

60. Tsalev D.L. Permanent modification in electrothermal atomic absorption spectometry advances, anticipations and reality / D.L. Tsalev, V.I. Slaveykova, L. Lampugnani, A. D'Ulivo, R. Georgieva // Spectorchim. Acta. Part B. - 2000. - V.55. - P.473-490.

61. Вода питьевая. Методы анализа. М.: Изд-во стандартов, 1984. С. 49

62. Вода питьевая. Определение содержания элементов методами атомной спектрометрии. М.: Изд-во стандартов, 1999. С. 17.

63. Тарасевич М.Р. Электрокатализ углеродистыми материалами / М.Р. Тарасевич // Итоги науки и техники. Электрохимия, 1983. Т. 19. - С. 171-244.

64. Фрумкин А.Н. Потенциал нулевого заряда. М.: Наука. 1979. 260 с.

65. Тарасенко Ю.А. Селективность восстановительной сорбции благородных металлов активными углями / Ю.А. Тарасенко, Г.В. Резник, А.А. Багреев, А.А. Лысенко // Журн. физ. химии. 1993. - Т.67. -№11.- С.2328-2332.

66. Стрелке В.В. Селективность восстановительной сорбции палладия активированным углем / В.В. Стрелко, Ю.А. Тарасенко, А.А. Багреев, Е.Д. Лавриненко-Омецкая//Укр. Хим. Журн. 1991. - Т.57. -№ 9. - С.920-924.

67. Тарасенко Ю.А. Особенности поглощения палладия из растворов активными углями / Ю.А. Тарасенко, А.А. Багреев, В.В. Дударенко, В.К. Марданенко, Ю.А. Солодовников // Укр. Хим. Журн. 1989. - Т.55. - № 3. - С.233-237.

68. Кублановский B.C., Тарасенко Ю.А., Данилов М. О., Антонов С.П. // Укр. Хим. Журн. 1985. - Т.51. -№ 9. - С. 948-950.

69. Попова Н.М. Влияние носителя и структуры металлов на адсорбцию газов Алма-Ата: Наука. 1980. 132 с.

70. Голодец Г.И. Гетерогенно-каталитические реакции с участием молекулярного кислорода Киев: Наукова думка. 1977. 360 с.

71. Васильев А.М. Термические способы получения кремния и его соединений из рисовой лузги и ее гидролизного лигнина / А.М. Васильев // Дисс. канд. хим. наук. Краснодар 1998. - С.86.

72. Карякин А.В. Грибовская И.Ф. Методы оптической спектроскопии и люминесценции в анализе природных и сточных вод М.: Химия. - 1987.1. C.147.

73. Представление результатов химического анализа (рекомендации IUPAC 1994 г.) // Журн. аналит. химии. 1998. - Т.53. - №9. - С.999.

74. Темердашев З.А. Разработка и эколого-аналитическое обеспечение термических схем утилизации рисовой лузги / З.А. Темердашев // Дисс. док. хим. наук. -Краснодар 1999.-С.59.

75. Slaveykova V.I. Preatomization behavior of palladium in electrothermal atomic absorption spectrometry / V.I. Slaveykova, P.K. Stoimenov, S.G. Manev,

76. D.L. Lasarov // Spectrochim. Acta. 1997. - Part B. - V.52. - P.1259-1267.

77. Кузнецова T.A. Адсорбционно-каталитическое извлечение фосфина и арсина из газовых потоков на активных углях / Т.А. Кузнецова, А.М. Толмачев,

78. E.Н. Егоров, А.М. Волощук, В.М. Богданов // Журн. физ. химии. 1996. - Т.70. -№1. - С.68-71.

79. Кузнецова Т.А. Определение коэффициентов селективности при адсорбционном разделении смеси азот микропримесь метана методом фронтальной хроматографии / Т.А. Кузнецова, Е.Н. Егоров, А.М. Толмачев // Журн. физ. химии. - 1983. -Т.57. -№10. - С.2585-2587.

80. Бурылин М.Ю. Концентрирование на палладийсодержащих сорбентах арсина для аналитических целей / М.Ю. Бурылин, З.А. Темердашев,113

81. В.П. Полищученко // Известия ВУЗов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. -2001. №4. - С.93-96.

82. Пшеничный Б.П., Данилин Ю.Т. Численные методы в экспериментальных задачах М.: Наука. 1975. - 248 с.

83. Виленкин В. А. Методы последовательных приближений М.: Наука 1968. -238 с.

84. Пеньков А.И. Применение термодинамики фазовых переходов для расчетов технологических параметров буровых растворов / А.И. Пеньков, В.Н. Кошелев, Л.П. Вахрушев, Е.В. Беленко, О.А. Лушпеева // Нефтяное хозяйство. 2001. -№9. - С.48-52.

85. Кравчук Л.С. Взаимосвязь между химическими свойствами нанесенного оксида палладия и размером его частиц / Л.С. Кравчук // Журн. физ. химии. -1987. -Т.61. -№6. С.1593-1597.