ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ АНИОНОВ МЕТОДОМ

ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЙ ЖИДКОСТНОЙ ХРОМАТОГРАФИИ

(Выполняется на базе оборудования испытательной

лаборатории «Чистая вода» НИЯУ МИФИ)

Зачем нужно знать содержание анионов (фторидов, хлоридов,

нитратов, нитритов, сульфатов и фосфатов) в питьевой воде, воде для

умывания, купания и хозяйственных нужд?

Содержание анионов в питьевой воде и воде для культурно-

хозяйственных нужд регламентируются. Ниже представлены фрагменты

нормативных документов, регламентирующих качество питьевой воды и

воды водоемов рыбохозяйственного назначения (таблицы 1 и 2).

Таблица 1

СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к

качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения…»

Показатели

Единицы

измерения

Нормативы

(предельно

допустимые

концентрации

(ПДК), не более

Показатель

вредности

Класс

опасности/

Поражаемые

органы

1 2 3 4 5

Обобщенные показатели

Сульфаты (SO4-) -"- 500 орг. 4/нарушение

пищеварительной

системы

Фториды (F-)

(для I и II

климатических

районов)

-"- 1,5 с.-т. 2/

Флюороз зубов

и скелета,

ингибирует

усвоение йода,

вызывая

нарушение

функции

щитовидной

железы

Хлориды (Сl-) -"- 350 орг. 4/нарушение

пищеварительной

системы

Нитрит-ион NO2- 3,0 орг. 2/ Кровь,

сердечно-

сосудистая

система

Нитраты (по NO3- ) -"- 45 с.-т. 3/

Кровь,

сердечно-

сосудистая

система

Фосфаты и

полифосфаты (по

PO43-

)

- 3,5 орг. 3

1) Лимитирующий признак вредности вещества, по которому установлен норматив:

"с.-т." - санитарно-токсикологический, "орг." - органолептический.

Таблица 2.

Норматив качества воды в водоемах рыбохозяйственного назначения*

№ п/п Наименование показателя

ПДК воды, в водоемах

рыбохозяйственного

назначения

1. Нитраты 40 мг/дм

3

2. Сульфаты 100 мг/дм

3

3. Хлориды 300 мг/дм

3

4. Нитриты 0,08 мг/дм

3

5. Фосфат-ион 0,2 мг/дм

3

6. Фториды 0,75 мг/дм

3

*- Приказ Федерального агентства по рыболовству от 18 января 2010 г. № 20 «Об

утверждении нормативов качества воды водных объектов рыбохозяйственного

значения, в том числе нормативов предельно допустимых концентраций вредных

веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения»

Обратите внимание, что нормативы для воды, поступающей в водоемы

рыбохозяйственного назначения, гораздо более жесткие, чем для питьевой

воды.

Задайте себе вопрос «ПОЧЕМУ?» и ОБЪЯСНИТЕ!

Нитраты и нитриты. В соответствии с требованиями глобальной

системы мониторинга состояния окружающей среды (ГСМОС/GEMS)

нитрит- и нитрат-ионы входят в программы обязательных наблюдений за

составом питьевой воды и являются важными показателями степени

загрязнения и трофического статуса природных водоемов.

Нитраты. Нитраты в воде централизованного водоснабжения г.

Москвы, как правило, присутствуют в очень незначительных количествах,

существенно ниже ПДК. ПДК нитратов в питьевой воде составляет 45 мг/дм3

(по NO3-), а в воде водоемов рыбохозяйственного назначения ПДК нитратов

равен 40 мг/дм3

В воде родников и различных водоемов, в воде малых рек и реки

Москвы нитраты могут присутствовать даже в количествах превышающих

нормативы питьевой воды. Это связано с геологией подземных вод, с

внутриводоемными процессами нитрификации аммонийных ионов в

присутствии кислорода под действием нитрифицирующих бактерий;

атмосферными осадками, которые поглощают образующиеся в атмосфере

оксиды азота (концентрация нитратов в атмосферных осадках достигает 0,09

мг/дм3); промышленными и хозяйственно-бытовыми сточными водами.

При длительном употреблении питьевой воды, содержащей

значительные количества нитратов (более 45 мг/дм3), резко возрастает

концентрация метгемоглобина в крови, ухудшается процесс переноса

кислорода в клетки крови, провоцируются и обостряются сердечно-

сосудистые заболевания. Особенно в этом случае опасны грунтовые

родниковые воды и питаемые ими колодцы, поскольку в открытых водоемах

нитраты частично потребляются водными растениями.

Присутствие нитратов в воде водоемов, малых рек и реки Москвы в

количествах более 10 мг/дм3 может привести к неконтролируемому росту

водорослей водоемов, являясь одним из первостепенных биогенных

соединений. Этот процесс снижает процесс фотосинтеза у придонных

растений из-за плохого проникновения света через водоросли иприводит к

уменьшению растворенного кислорода в воде, и гибели рыб.

Нитриты. Нитриты в воде централизованного водоснабжения г.

Москвы, как правило, отсутствуют, но в сточных хозяйственно-бытовых и

промышленных водах они могут присутствовать и с ними попадать в разные

водные объекты на территории г. Москвы.

Нитрит-ионы (соли азотистой кислоты) имеют высокую токсичность и

считаются в 30 раз более опасными, чем нитрат-ионы. Нитритыкак и

нитраты увеличивают содержание метгемоглобина в крови, вызывая

гипоксию (кислородное голодание). Гипоксия вызывает слабость,

ухудшение самочувствия, нарушение функций нервной системы, сердца,

тканей почек и печени.

Для питьевой воды ПДК нитритов установлена в размере 3,0 мг/дм3 , а

для воды рыбохозяйственного назначения 0,08 мг/дм3

Нитриты представляют собой промежуточную ступень в цепи

бактериальных процессов окисления и восстановления соединений азота и

аммиака (нитрификации и денитрификации). Подобные окислительно-

восстановительные реакции характерны для станций аэрации, систем

водоснабжения и собственно природных вод. Кроме того, нитриты

используются в качестве ингибиторов коррозии в процессах водоподготовки

технологической воды и поэтому могут попасть и в системы водоснабжения.

Широко известно также применение нитритов для консервирования пищевых

продуктов.

Хлориды. Содержание хлоридов в воде централизованного

водоснабжения г. Москвы составляет в среднем 15-30 мг/дм3, но в воде

водоемов, малых реках, в р. Москве и особенно в сточных хозяйственно-

бытовых и промышленных водах их содержание может достигать нескольких

сотен и даже тысяч мг/дм3. В холодное время года значительная часть

хлоридов попадает в воду с антигололедными реагентами.

ПДКхлорид-ионов для питьевой воды составляет 350 мг/дм3, ПДК для

воды водоемов рыбохозяйственого назначения - 300 мг/дм3.

В организме человека хлорид-ион активно участвует в водно-солевом

обмене вместе с ионами натрия и калия (осморегуляция). Все эти элементы

должны присутствовать в межклеточной жидкости в постоянном

соотношении, иначе могут возникнуть серьёзные нарушения здоровья. Так,

при нарушении обмена хлорид-ионов возникают отёки, ухудшается работа

сердца, и возникают перепады давления. Хлорид-ион называют основным

осмотическиактивным веществом, участвующим в процессах,

поддерживающих в крови, лимфе, внутриклеточной жидкости относительно

постоянное давление, позволяющее выводить из организма соли и жидкость,

а также регулировать их содержание и перераспределение в тканях и средах.

Хлорид-ион участвует в процессе пищеварения, стимулирует

образование желудочного сока и аппетит, предохраняет организм от

обезвоживания, способствует выведению из тканей и клеток углекислого

газа, токсинов и шлаков; поддерживает в норме состояние эритроцитов.

При недостатке хлорид-ионов человек может чувствовать вялость и

сонливость, мышечную слабость; у него сохнет во рту, теряется ощущение

вкуса и аппетит; ослабевает память, могут начать сильно выпадать волосы и

даже зубы.

При избытке хлорид-ионов в организме накапливается жидкость, и это

провоцирует повышение кровяного давления, серьёзные нарушения

пищеварения, сопровождающиеся сильными болями, изжогой, тошнотой и

тяжестью в желудке.

Из всех анионов хлориды обладают наибольшей миграционной

способностью, что объясняется их хорошей растворимостью, слабо

выраженной способностью к сорбции взвешенными веществами и

потреблением водными организмами. Повышенные содержания хлоридов в

грунтовых и поверхностных водах оказывает неблагоприятное действие на

окружающую среду. За счет засоленности почвы страдают деревья,

кустарники, трава на территории г. Москвы, особенно вдоль автомобильных

трасс (ухудшается всасывание воды и питательных веществ корнями

растений).

Хлориды являются важным элементом, определяющим

зоогигиенический фон водоемов. Хлориды органического происхождения

(животные отбросы, канализационные сточные воды)могут обуславливать

снижение в воде кислорода, что отрицательно сказывается на жизни рыб.

Являясь активатором коррозии, хлорид-ион провоцирует разрушение

различных сооружений (мосты, железобетонные опоры, трубопроводы,

днища автомобилей и т.д.)

Концентрации хлоридов и их колебания, могут служить одним из

критериев загрязненности территории г. Москвы и экологического

благополучия микрорайонов.

Хлориды являются важным элементом, определяющим

зоогигиенический фон водоемов. Они могут быть минерального

(выщелачивание пород) или органического происхождения (животные

отбросы, канализационные сточные воды). Хлориды органического

происхождения могут обуславливать снижение в воде кислорода, что

отрицательно сказывается на жизни рыб.

Сульфаты. Сульфаты не токсичны для человека, однако их высокое

содержание ухудшает органолептические свойства воды (появляется

солоноватый привкус) и оказывает физиологическое воздействие на

организм. Эти вещества обладают слабительным эффектом, что приводит к

расстройству желудочно-кишечного тракта. По этой причине предельно

допустимая концентрация сульфатов строго регламентируется СанПиН

2.1.4.1074, ПДК сульфат-ионов в питьевой воде - 500 мг/дм3. В московском

водопроводе содержание сульфатов более чем на порядок ниже ПДК.

Воду с повышенным содержанием сульфатов не рекомендуется

использовать не только в питьевых, но и хозяйственно-бытовых целях. К

примеру, в присутствии кальция такие вещества способны образовывать

прочную накипь. Кроме того, в значительной концентрации сульфаты могут

вызывать раздражение слизистой оболочки глаз и кожи, особенно если она

отличается повышенной чувствительностью, причинять вред волосам.

Сульфаты присутствуют практически во всех поверхностных водах и

являются одними из важнейших анионов, их концентрация в воде водоемов и

рек г. Москвы часто колеблется от 5-10 до 60 мг/дм3 и зависит от времени

года, контакта с серосодержащими минералами, наличия промышленных и

коммунальных стоков.

Сульфаты активно участвуют в сложном круговороте серы. При

отсутствии кислорода под действием сульфатредуцирующих бактерий они

восстанавливаются до сероводорода и сульфидов, которые при появлении в

природной воде кислорода снова окисляются до сульфатов. Растения и

другие автотрофные организмы извлекают растворенные в воде сульфаты

для построения белкового вещества. После отмирания живых клеток

гетеротрофные бактерии освобождают серу протеинов в виде сероводорода,

легко окисляемого до сульфатов в присутствии кислорода.

Сульфаты в водоемах могут быть минерального происхождения (за

счет вымывания сернокислых соединений и выветривания разных горных

пород) и органического (за счет биохимических процессов в водоносных

слоях и поступления в водоемы различных животных отбросов).

Превышение концентрации сульфатов ухудшает зоогигиенические условия в

водоеме, у рыб снижается способность приспосабливаться к

неблагоприятным условиям среды, и к возбудителям различных заболеваний.

ПДК сульфатов для воды водоемов рыбохозяйственого назначения - 100

мг/дм3.

Фториды. Содержание фторидов в воде централизованного

водоснабжения г. Москвы составляет в среднем 0,1- 0,3 мг/ дм3.

ПДКфторид-ионов для питьевой воды составляет 1,5 мг/дм3, а ПДК фторидов

для воды водоемов рыбохозяйственого назначения - 0,75 мг/дм3.

Повышенные количества фтора в воде (более 1,5 мг/дм3) оказывают

вредное действие на людей и животных, вызывая костное заболевание

(флюороз). Кроме того, высокие содержание фторидов могут вызывать

нарушение функции щитовидной железы, так как они относятся к

веществам, которые ингибируют усвоение иода. Но и очень низкое

содержание фтора в питьевых водах (менее 0,01 мг/дм3) также вредно, может

служить причиной кариеса зубов. В колодезных и артезианских водах ряда

подмосковных регионов содержание фторид-ионов превышает ПДК,

достигая иногда значений 2,0-3,0 мг.

Фтор является устойчивым компонентом природных вод, поступая в

водоемы и реки на территории г. Москвы преимущественно с грунтовыми

водами и со сточными хозяйственно-бытовыми и промышленными водами.

Миграционная способность фторид-ионав природных водах в значительной

степени зависит от содержания в них ионов кальция, дающих с ионами фтора

малорастворимое соединение (произведение растворимости фторида кальция

равно 4·10-11

). Большую роль играет рН воды, повышенные значения рН

способствуют увеличению подвижности фторид-ионов.

Фосфаты. Неорганические соединения фосфора в природных водах

представлены в виде ортофосфатов и полифосфатов (Men(PO3)n, Men+2PnO3n+1,

MenH2PnO3n+1), причем преобладающей формой обычно являются

ортофосфаты - соли ортофосфорной кислоты.

Содержание фосфатов воде централизованного водоснабжения г.

Москвы зависит от рН и, как правило, менее 0,1 или менее 0,01, что

определяется малой растворимостью ортофосфатов кальция.

Предельно допустимая концентрация фосфатов для водных объектов

хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения не установлена, в

них нормируется только содержание полифосфатов. Предельно допустимая

концентрация полифосфатов в питьевой воде составляет 3,5 мг/дм3. в

пересчете на фосфат-ион и 1,1 мг/дм3 в пересчете на фосфор. ПДК для воды

водоемов рыбохозяйственого назначения - 0,2 мг/дм3.

Фосфор относится к числу биогенных элементов, имеющих особое

значение для развития жизни в водных объектах. Соединения фосфора

встречаются во всех живых организмах, они регулируют энергетические

процессы клеточного обмена. При отсутствии соединений фосфора в воде

рост и развитие водной растительности прекращается, но избыток фосфора, в

в форме фосфатов или полифосфатов, приводит к интенсивному росту

водных растений, вызывая процессыэвтрофикацииводного объекта,

ухудшение качества воды, снижение концентрации растворенного кислорода

и гибель рыб.

Фосфаты и полифосфаты попадают в водные объекты города в результате

процессов жизнедеятельности водных организмов, обмена с донными

осадками, с грунтовыми водами,поступления с поверхности водосбора, а

также с бытовыми и промышленными сточными водами. Загрязнению

природных вод способствует широкое применение полифосфатов,

содержащихся в моющих средствах, флотореагентов, а в подмосковных

регионахи фосфорных удобрений.

Соединения фосфора — важнейшие биогенные элементы. Повышенное

содержание фосфатов — признак органического загрязнения водоемов.

Цель работы:определение содержания анионов (фторид-, хлорид-,

нитрат-, фосфат-, сульфат-ионовметодом высокоэффективной ионной

хроматографии (ВЭЖХ), ознакомление с методом высокоэффективной

ионной хроматографии.

Приборы и реактивы:хроматограф ионный «Стайер» с

кондуктометрическим детектором, установка для микрофильтрации

(мембраны 45 мкм), колбы конические, колбы мерные на 50 и 100 мл.,

воронки, бюретки, пипетки на 1, 2, 5,10 мл.

Раствор элюентадля анионов: раствор натрия углекислого

концентрации 1,8 ммоль/л и натрия углекислого кислого концентрации 1,7

ммоль/л, раствор подавителя 0,02 М Н2SO4,вода из различных источников,

деионизованная вода.

Принцип определения содержания анионов методом

высокоэффективной ионной хроматографии (ВЭЖХ). Основные

определения и понятия в хроматографии:

Хроматография – метод разделения смесей веществ, основанный

на различии в скоростях их перемещения в

системе несмешивающихся и движущихся

относительно друг друга фаз.

Подвижная фаза – поток жидкости или газа, перемещающий

компоненты разделяемой смеси вдоль

неподвижной фазы.

Неподвижная фаза – твердый сорбент или несмешивающаяся с

подвижной фазой жидкость, на которых

осуществляется различное удерживание и

разделение компонентов смеси.

Сорбент – твердое вещество, жидкость или их смеси,

способные удерживать газы, пары или

растворенные вещества.

Адсорбент – твердый сорбент, концентрирующий на своей

поверхности газы, пары или растворенные

вещества.

Абсорбент – твердый или жидкий сорбент, растворяющий в

своем объеме газы, пары или компоненты жидких

смесей.

Сорбат – вещество, удерживаемое сорбентом

(в хроматографии – компоненты разделяемой

смеси).

Элюент – жидкость или газ, используемые в качестве

подвижной фазы.

Элюат – выходящий из колонки поток подвижной фазы с

компонентами разделяемой смеси.

Хроматография – один из самых современных методов разделения и

анализа многокомпонентных смесей. Его важные достоинства – высокая

точность, чувствительность, возможность определения малых количеств

веществ, сравнительная простота аппаратурного оформления и возможность

автоматизации, экспрессность, гибкость изменения условий разделения.

С помощью этого метода определяют неорганические анионы, катионы

щелочных, щелочноземельных и переходных металлов, органические

кислоты и основания. Ионная хроматография позволяет проводить анализ

объектов окружающей среды на содержание токсичных и биогенных ионов.

Высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ) широко

применяется в аналитической химии и в химической технологии. Основой

хроматографического разделения является участие компонентов разделяемой

смеси в сложной системе Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий

(преимущественно межмолекулярных) на границе раздела фаз.

Ионообменная хроматография относится к жидкостно-твердофазной

хроматографии, в которой подвижной фазой является жидкость (элюент), а

неподвижной фазой – твердое тело (ионообменник). В основе метода

ионообменной хроматографии лежит динамический процесс замещения

ионов, связанных с неподвижной фазой, ионами элюента, поступающими в

колонку. Разделение происходит благодаря разному сродству к

ионообменнику ионов, находящихся в смеси, что приводит к различным

скоростям их перемещения по колонке.

Ионная хроматография представляет собой вариант колоночной

ионообменной хроматографии.

Согласно рекомендациям ИЮПАК термины ионообменная (ИОХ) и

ионная (ИХ) хроматография определяются следующим образом.

"Ионообменная хроматография основана на различии ионообменных

взаимодействий для индивидуальных анализируемых веществ. Если ионы

разделяются и могут быть детектированы с помощью кондуктометрического

детектора или косвенного УФ - детектирования, то она называется ионной

хроматографией".

Отличительной особенностью ВЭЖХ является использование

высокого давления (до 400 бар) и мелкозернистых сорбентов (обычно 3-5

мкм, сейчас до 1,8 мкм). Это позволяет разделять сложные смеси веществ

быстро и полно (среднее время анализа от 3 до 30 мин).

Метод ВЭЖХ находит широкое применение в таких областях, как

химия, нефтехимия, биология, биотехнология, медицина, пищевая

промышленность, охрана окружающей среды, производство лекарственных

препаратов и во многих других.

Ионный обмен представляет собой обратимую гетерогенную реакцию

эквивалентного обмена ионов, находящихся в фазе ионита (противоионов),

на ионы элюента. Противоионы удерживаются функциональными группами

ионита за счет электростатических сил. Как правило, в катионной

хроматографии эти группы являются группами сульфоновых кислот; в

случае анионной хроматографии – четвертичных аммониевых оснований. На

рис. 1 представлена схема процесса обмена катионов и анионов. Ионы

определяемого вещества обозначены как А, ионы элюента, конкурирующие с

ними за обменные центры, - Е.

Рис. 1.Ионный обмен катионов (А+) и анионов (А

-) на ионы элюента

(Е+ или Е

-) с участием катионообменника, содержащего функциональные

сульфогруппы –HSO3-, и анионообменника (группы четвертичного

аммониевого основания –N+R3).

Пробоподготовка проб воды питьевой, минеральной, столовой и

лечебно-столовой состоит из стадий отбора пробы и фильтрования пробы

через нейлоновый фильтр с диаметром пор 0,45 мкм. Пробоподготовка для

проб воды природной и сточной состоит из этапов отбора пробы,

центрифугирования (в случае визуального обнаружения взвешенных частиц

в пробе), фильтрования при помощи одноразового пластикового шприца с

фильтрующей нейлоновой насадкой и последующего хроматографического

разделения.

Методика выполнения измерений (выполняется совместно с

инструктором).

Хроматограф подготавливают к работе в соответствии с руководством

по эксплуатации.

Перед началом работы проводят дегазацию раствора элюента. Готовят

стандартные растворы из ГСО для градуировки прибора. Подготавливают

пробы исследуемой воды (фильтрация через нейлоновый фильтр с

диаметром пор 0,45 мкм).

Включают прибор и выполняют промывку прибора для удаления

пузырьков воздуха. Запускают программу "Мультихром", после выхода

базовой линии на стабильный уровень (отсутствие дрейфа и заметных

флуктуаций), вводят анализируемый раствор через систему инжектора и

снимают хроматограмму (рис. 2).

Рис. 2. Пример хроматограммы.

Выполняют градуировку прибора по стандартным растворам.

Для определения количественного содержания компонентов пробы

(анионов) проводят хроматографический анализ подготовленной пробы.

Результат измерений – массовая концентрация анализируемого иона в

пробе– рассчитывается автоматически системой сбора и обработки

хроматографической информации (программное обеспечение –

«Мультихром») В отчете или над пиком (в зависимости от установок опций

«ВИД») по окончании измерения автоматически указывается результат.