Разработка тест-метода для определения фенола в воде

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 3

1        Литературная часть 4

1.1 Общие сведения о фенолах 4

1.1.1 Влияние фенола на воду 4

1.1.2 Влияние фенола на организм человека 5

1.2 Химические методы определения фенола 6

1.3 Характеристика, классификация и химические основы тест-систем 7

2        Экспериментальная часть 12

2.1 Приборы и реактивы 12

2.2 Методика выполнения 12

2.3 Получение градуировочной цветовой шкалы 13

2.4 Анализ модельного раствора с помощью тест-системы 13

2.5 Проверка тест-системы 14

2.6 Обсуждение результатов 16

Выводы  17

Список литературы 18

ВВЕДЕНИЕ

Исторически сложилось так, что технологии почти всех химических производств разрабатывались без учета их влияния на окружающую среду. Так как все они создавались в то время, когда незначительные масштабы производства не вызывали большого загрязнения, эти вопросы не привлекали к себе внимания.

Постепенно химические производства расширялись, и, как следствие, увеличивалось количество отходов. Стали разрабатываться и внедряться технологии очистки, благодаря которым величина загрязнения, приходящегося на тонну выпускаемой продукции, уменьшилась. Но с развитием химической промышленности появились новые соединения, не разлагающиеся в природных условиях. Их влияние на живые организмы может быть катастрофическим.

Одним из наиболее распространенных веществ – загрязнителей, поступающих в поверхностные воды со стоками предприятий, являются фенолы. Сброс вод, загрязненных ими, в природные водоемы приводит к качественным изменениям воды, которые в основном проявляются в ухудшении физических свойств воды и изменении ее химического состава.

Объекты анализа на содержание фенольных  соединений весьма различны. Ими могут  быть питьевые и сточные промышленные воды, воздух производственных помещений  и атмосферный воздух, выхлопные  газы, табачный дым, коксовые и смоляные дистилляты, различные пластические материалы, древесина и продукты питания. В связи с этим разработка методов определения фенола остается актуальной задачей аналитической  химии [1].

Целью данной работы является синтезирование тест-системы для определения фенола в воде.

Глава 1 ЛИТЕРАТУРНАЯ ЧАСТЬ

1.    Общие сведения о фенолах

1.   Влияние фенола на воду

Фенолы  представляют собой производные  бензола с одной или нескольким гидроксильными группами. Их принято  делить на две группы: летучие с  паром фенолы (фенол, крезолы, ксиленолы, тимол) и нелетучие фенолы (резорцин, пирокатехин, гидрохинон, и другие многоатомные фенолы). В естественных условиях фенолы образуются в процессах метаболизма водных организмов, при биохимическом распаде и трансформации органических веществ, протекающих как в водной толще, так и в донных отложениях.

Они являются одним из наиболее распространенных загрязнителей, поступающих в поверхностные  воды со стоками предприятий нефтеперерабатывающей, сланцеперерабатывающей, лесохимической, коксохимической, анилинокрасочной промышленности и др. В сточных водах этих предприятий  содержание фенолов может превосходить 10-20 г/л при весьма разнообразных сочетаниях. В поверхностных водах фенолы могут находиться в растворенном состоянии в виде фенолятов, фенолят-ионов и свободных фенолов. В водах фенолы могут вступать в реакции конденсации и полимеризации, образуя сложные гумусоподобные и другие довольно устойчивые соединения. В условиях природных водоемов процессы адсорбции фенолов донными отложениями и взвесями играют незначительную роль.

В незагрязненных или слабозагрязненных речных водах  содержание фенолов обычно не превышает 20 мкг/л. Превышение естественного фона может служить указанием на загрязнение водоемов. В загрязненных фенолами природных водах содержание их может достигать десятков и даже сотен микрограммов в 1 л. ПДК фенолов в воде для России составляет 0,001 мг/л.

Фенолы  — соединения нестойкие и подвергаются биохимическому и химическому окислению. Многоатомные фенолы разрушаются в  основном путем химического окисления. Однако при обработке хлором воды, содержащей примеси фенола, могут образовываться очень опасные органические токсиканты – диоксины. Концентрация  фенолов в поверхностных водах подвержена сезонным изменениям. В летний период содержание фенолов падает (с ростом температуры увеличивается скорость распада). Спуск в водоемы фенольных вод резко ухудшает их общее санитарное состояние, оказывая влияние на живые организмы не только своей токсичностью, но и значительным изменением режима биогенных элементов и растворенных газов (кислорода, углекислого газа). В результате хлорирования воды, содержащей фенолы, образуются устойчивые соединения хлорфенолов, малейшие следы которых (0,1 мкг/л) придают воде характерный привкус [2].

2. Влияние фенола на организм человека

Фенол ядовит. Вызывает нарушение функций нервной  системы. Пыль, пары и раствор фенола раздражают слизистые оболочки глаз, дыхательных путей, кожу. Попадая  в организм (фенол очень быстро всасывается даже через неповрежденные участки кожи) уже через несколько  минут начинает воздействовать на ткани  головного мозга. Сначала возникает  кратковременное возбуждение, а  потом и паралич дыхательного центра. Даже при воздействии минимальных  доз фенола наблюдается чихание, кашель, головная боль, головокружение, бледность, тошнота, упадок сил. Тяжелые  случаи отравления характеризуются  бессознательным состоянием, синюхой, затруднением дыхания, нечувствительностью  роговицы, скорым, едва ощутимым пульсом, холодным потом, нередко судорогами. Зачастую фенол является причиной онкозаболеваний [3].

2. Химические  методы определения фенола

В практике большинства лабораторий обычно применяют экстракционно-фотометрические  методы, позволяющие определять «фенольный индекс» - суммарную массовую концентрацию фенолов, отгоняемых с паром и  образующих окрашенные соединения с 4-аминоантипирином. При этом объем пробы составляет 1000 (500) см³, а коэффициент концентрирования – 5-20 в зависимости от предполагаемой концентрации фенолов и объема исходной пробы. В качестве экстрагента используют хлороформ (при экстракции окрашенного соединения) или бутилацетат (при экстракции фенолов). Следует отметить, что во многих случаях чувствительность методик, основанных на фотометрическом методе регистрации, не дает возможности проводить измерения в соответствии с современными требованиями. Использование указанных способов не позволяет количественно определять индивидуальные фенолы. Достижение более высокой чувствительности происходит за счет перехода к другим методам регистрации. Так, для детектирования фенола и его производных используют хроматографические, флуориметрические методы анализа. Для определения микроколичеств фенолов чаще всего применяют хроматографические методы с пламенно-ионизационными и электронно-захватными детекторами. При этом концентрирование в 10⁴ раз (из 1000 см³ пробы) достигается твердофазной экстракцией на полистероле, модифицированном, дивинилбензолом, или жидкостной экстракцией изобутилацетатом. Флуориметрический метод характеризуется более низкими пределами обнаружения данных соединений. Объем исходной пробы составляет 250 см³, а коэффициент концентрирования равен 50. Предварительную экстракцию фенолов из воды проводят, используя диэтиловый эфир или бутилацетат [4].

3. Характеристика, классификация и химические основы тест-систем

В современном  мире химические тесты широко используются в экологической, промышленной, клинической  и криминалистической сферах и обеспечивают возможность простого и недорогого анализа – качественного, полуколичественного  и количественного. Тест-системы  для химического анализа представляют собой простые, портативные, легкие и дешевые аналитические средства и соответствующие экспрессные  методики для обнаружения и определения  веществ без существенной пробоподготовки (иногда без отбора проб), без использования  сложных стационарных приборов, лабораторного  оборудования, самой лаборатории и сложной обработки результатов; в большинстве случаев применяют автономные средства однократного использования [5].

В качестве средств для тест-методов химического  анализа могут быть использованы индикаторные бумаги, порошки, трубки, таблетки и прочее. Тест-методы позволяют  проводить широкий скрининг проб, например, объектов окружающей среды. Пробы, давшие положительный результат, отделяют от тех, что показали отсутствие компонента. В случае образцов, для  которых результат был положителен, предполагается, в случае необходимости, более глубокой изучение, в том числе в лаборатории с использованием дорогостоящих приборов. Особое значение имеют тест-методы для анализа «на месте» (on-site), вне лаборатории. Дело в том, что существуют огромные острые потребности во вне лабораторном анализе. Вот неполный список областей, где такой анализ либо уже делался в широких масштабах, либо в той или иной мере начинается: экспресс-контроль технологических процессов, обнаружение метана в угольных шахтах, обнаружение утечек природного газа из газопровода, определение углеводородов и монооксида углерода в автомобильных выхлопах, экспресс-анализ в поле для геологов-поисковиков, быстрый анализ почв (pH, азот, фосфор, калий), контроль пищевых продуктов на рынках, обнаружение алкоголя в выдыхаемом воздухе водителей, домашнее определение сахара в крови и моче диабетиков и другие качественные анализы клинического назначения, оперативный анализ воды, в том числе питьевой, непосредственно потребителем, анализ воздуха в рабочей зоне и на улице, контроль содержания озона в стратосфере, обнаружение наркотиков в аэропортах, при обысках, обнаружение боевых отравляющих веществ.

Анализ  «на месте» имеет много достоинств. Экономится время и средства на доставку проб в лабораторию и на сам  анализ (конечно, более дорогой). При  анализе на месте обычно снижаются  требования к квалификации исполнителя, поскольку используются более простые  средства анализа. Но главное заключается  в том, что часто анализ в стационарной лаборатории вообще не выполним или  не имеет никакого смысла, поскольку, например, изменяются формы существования  компонентов. Во многих случаях тест-методы используют для предварительной  оценки наличия и содержания компонентов. В этом случае уместна методология  скрининга. Очень удобны тест-системы  для оценки обобщенных показателей  изучаемого объекта, например химического  потребления кислорода или суммы  тяжелых металлов в водах. По мере их совершенствования тест-методы все  в большей степени служат, и будут служить единственным и окончательным средством анализа. Тест-средства анализа можно использовать для управления дозирующими устройствами, например, инсулиновым насосом для больных диабетом. Особую группу тест-средств составляют так называемые химические дозиметры, предназначенные для оценки суммарного определения количества вещества, появившегося в изучаемой среде за определенное время. На протяжении столетий, со времен алхимиков, химический анализ осуществлялся в лаборатории. Это было связано с необходимостью использовать специальную химическую посуду, специальное оборудование, например печи, а затем и измерительные приборы, с применением не всегда безвредных химических веществ, что требовало, как минимум, хорошей вентиляции, с длительностью, сложностью и трудоемкостью операций разделения сложных смесей веществ. В значительной мере эти факторы действуют и в настоящее время, поэтому сотни тысяч, миллионы химических анализов проводятся в аналитических лабораториях, причем теперь не только химических, но и физиологических и биологических. Так, любой исследовательский институт химического, геологического или металлургического профиля имеет аналитические лаборатории. То же самое можно сказать о любом химическом, нефтеперерабатывающем, фармацевтическом или металлургическом заводе. И в этих лабораториях обычно много сложных и дорогостоящих приборов. В последнее время положение меняется: химический анализ постепенно перемещается из лабораторий к тем местам, где находится анализируемый объект. Это одна из важнейших тенденций развития аналитической химии.

Требования, предъявляемые к реакциям, которые  используют в тест-методах, состоят  в следующем:

1. Селективность по отношению к обнаруживаемым (определяемым) компонентам или их сумме – в зависимости от поставленной задачи;
2. Достаточно высокая чувствительность. Например, при анализе объектов окружающей среды предел обнаружения обычно должен быть ниже ПДК или близок к ней;
3. При использовании цветных реакций – высокая контрастность и высокая скорость цветового перехода в присутствии обнаруживаемого или определяемого вещества;
4. Возможность ввести реагент в форме, пригодной для использования в тест-методах, например, привить, с образованием ковалентных связей, на поверхности силикагеля или целлюлозы;
5. Устойчивость реагентов при хранении и достаточная устойчивость аналитического эффекта (окраски, люминесценции и т.д.) со временем.

Для создания тест-методов и тест-средств используют химические реакции почти всех основных типов:

1. кислотно-основные;
2. окислительно-восстановительные;
3. комплексообразующие;
4. реакции органического синтеза.

Значительную  роль в тест-методах играют занимающие несколько особое положение каталитические реакции, преимущественно с использованием ферментов. Соответственно, используются реагенты различного механизма действия и различной природы.

При использовании  готовых растворов изготовители тест-средств помещают их в ампулы, капельницы, закрытые пробирки. Реагенты в таких растворах должны быть устойчивыми в течение длительного  времени. Концентрация реагентов соответствует  ожидаемой концентрации определяемого  компонента; часто в набор входят растворы нескольких концентраций. Иногда раствор содержит не только сам реагент, но также другие необходимые вещества. Помимо собственно аналитических реагентов  в тест-средства обычно вводят и  другие вещества – восстановители или окислители, буферы, маскирующие  агенты, смачивающие соединения, закрепители  и др. Например, один из вариантов  реактивных бумаг для определения меди в воде готовят из фильтровальной бумаги, которую вначале пропитывают раствором восстановителя (гидрохлорид гидроксиламина, аскорбиновая кислота или их смесь) для перевода меди (II) в медь (I), какую-либо слабую кислоту, затем, после сушки обрабатывают органическим раствором аналитического реагента на медь (I) (купроин, неокупроин, батокупроин) вместе с эмульгатором. Можно вводить еще смеси Na₂B₄O₇ – H₃BO₃ или H₂CO₃ – NH₃, которые увеличивают чувствительность определения меди.

Вероятно, несколько большее распространение  имеют тест-средства, приготовленные на твердом носителе – бумаге, ткани, синтетических полимерах, силикагеле и прочем. Природа носителя, способ его приготовления и способ иммобилизации  реагентов на нем имеют весьма существенное значение. Реагент иммобилизируют адсорбцией, испарением растворителя после импрегнирования раствором  реагента в этом растворителе, другими  физическими методами или химической – ковалентной – иммобилизацией. Относительно слабая фиксация «физически» закрепленных реагентов на поверхности носителя и, как следствие этого, частичное смывание его при контакте с раствором являются недостатком таких тест-систем. Увеличения прочности связывания реагента с носителем добиваются образованием химических связей между ними (химическая иммобилизация). Однако «физическое» закрепление, как правило, намного проще, поэтому оно весьма широко распространенно. Одними из наиболее распространенных неорганических полимерных носителей реагентов являются силикагели. Их модифицируют различными реагентами и часто наполняют ими тест-трубки для анализа воздуха [6].

Глава 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

1. Приборы и реактивы

• весы аналитические «ВЛР – 200 г»;
• спектрофотометр «Spekol 1300»
• мерные колбы, емкостью 100 и 250 мл;
• пипетки, объемом 1, 5, 10, 20 мл;
• стакан стеклянный химический, вместимостью 50 мл;
• чашка Петри;
• хлорид железа (III), х.ч.;
• цитрат натрия, х.ч.;
• фенол дистиллированный, ч.д.а.;
• бумага фильтровальная «Красная лента»;
• пара-нитроанилин, ч.д.а.;
• соляная кислота (ρ=1,185 г/мл), х.ч.;
• нитрит натрия х.ч.;
• бромид калия, х.ч.

Растворы  солей готовили растворением точной навески.

2. Методика  выполнения

Для приготовления  индикаторного раствора помещали 10 г  хлорида железа (III) в мерную колбу емкостью 100 мл, доводили до метки и перемешивали. Для создания слабокислой среды добавляли несколько кристалликов цитрата натрия.

20 мл  индикаторного раствора помещали  в чашку Петри и замачивали  в нем на 15 минут десять ранее  приготовленных полосок из фильтровальной  бумаги, затем полученные тест-полосы  высушивали.

Стандартные растворы фенола: 1 г фенола помещали в мерную колбу вместимостью 100 мл, доводили до метки и перемешивали. Концентрация фенола в растворе 10 г/л, растворы с концентрациями 1, 0,5, 0,1, 0,05, 0,01 г/л получали разбавлением стандартного раствора.

3. Получение градуировочной цветовой шкалы

Во все приготовленные стандартные  растворы опускали по тест-полосе на 10-15 секунд и наблюдали изменение  окраски. В первом стакане окраска  изменилась на синюю, в стакане с концентрацией 0,01 г/л окраска тест-полосы осталась прежней. Полосы извлекли из стаканов и высушили при комнатной температуре, для составления цветовой градуировочной шкалы количественного определения содержания фенолов в воде (рисунок 1). Концентрации растворов фенола, слева направо:10, 1, 0,5, 0,1, 0,05 и 0,01 г/л.

Рисунок 1 – Цветовая градуировочная шкала тест-системы определения фенола в воде на основе индикатора хлорида железа (III)

4. Анализ  модельного раствора с помощью тест-системы

В приготовленный модельный раствор  (концентрация фенола в пределах цветовой шкалы) опускали тест-полоску и наблюдали изменение  цвета. Согласно градуировочной шкале, концентрация фенола в модельном растворе находится между 0,05 и 0,1 г/л.

5. Проверка  тест-системы

Проверку  производили фотометрическим методом  с пара-нитроанилином. Для приготовления фотометрического реагента 0,2 г пара-нитроанилина растворяли в 32 мл соляной кислоты в колбе на 250 мл и доводили раствор до метки дистиллированной водой. К 20 мл фотометрического реагента добавляли 5 мл раствора 1%-го нитрита натрия и 3—4 капли раствора 0,7%-го бромида калия.

Для построения градуировочного графика приготовили  растворы фенола с концентрациями 0,01 г/л, 0,05 г/л, 0,1 г/л, 0,5 г/л и 1 г/л. Отбирали 5 мл и приливали 0,2 мл фотометрического реагента, выдерживали 5 мин и проводили измерение оптической плотности раствора при длине волны λ = 406 нм, в кюветах с толщиной поглощающего слоя 1 см. Измерения проводили относительно холостой пробы, содержащей все компоненты, кроме фенола.

Таблица 1 – Результаты измерения оптической плотности градуировочных растворов

После обработки  результатов измерений методом  наименьших квадратов, получили уравнение  y=0,5 · x + 0,1, по которому был построен градуировочный график (рисунок 2). Затем проводили измерение оптической плотности модельного раствора в трех параллелях по выше указанной методике. По градуировочному графику определили содержание фенола в модельном растворе.

Рисунок 2 – Градуировочный график для определения  концентрации фенола фотометрическим  методом

Таблица 2 – Результаты измерений и расчеты

Расчеты производили по формулам:

• концентрация:

                                                             (1)

• средняя концентрация:

;                                                          (2)

• дисперсия:

(3)

• стандартное отклонение:

 ;                                                         (4)

• доверительный интервал:

                                                      (5)

Таким образом, содержание фенола в приготовленном модельном растворе составляет 0,08 ± 0,01 г/л.

6.   Обсуждение результатов

Результаты  определения концентрации фенола в  приготовленном модельном растворе с помощью тест-системы и фотометрии совпадают.

ВЫВОДЫ

1. Синтезирована тест-система определения фенола в воде на основе индикаторного раствора хлорида железа (III).

2. Построена цветовая шкала для определения фенола тест-методом в диапазоне от 10 г/л до 0,01 г/л.
3. Тест-система применена для исследования модельного раствора, фенол обнаружен в интервале концентраций 0,05 – 0,1 г/л.
4. Концентрация фенола, определенная с помощью тест-системы подтверждена фотометрическим определение с пара-нитроанилином (0,08 ± 0,01 г/л).
5. ПДК фенола в воде составляет 0,001 мг/л. Данная тест-система не позволяет его обнаружить.

СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ

1. Золотов, Ю.А. Тест-методы / Ю.А. Золотов // Журн. аналит. химии. – 1994. – Т.49, № 2. – С. 149
2. Фомин, Г.С. Вода. Контроль химической, бактериальной и радиационной безопасности по международным стандартам: энциклопедический справочник / Г.С. Фомин. – М.: Протектор, 2000. – С. 20-21, 81-83, 144-147
3. Общая химия / Н.Л. Глинка; под ред. А.И. Ермакова. – М.: Интеграл-Пресс, 2001. – С. 376-377, 652-653, 667
4. Воробьева, Т.В. Стандартные и унифицированные методы определения фенолов в природных и питьевых водах и основные направления их совершенствования / Т.В. Воробьева, А.В. Терлецкая, Н.Ф. Кущевская // Журн. химия и технология воды. – 2007. – Т.29, № 4. – С. 376
5. Золотов, Ю.А. Химические тест-методы анализа / Ю.А. Золотов, В.М. Иванов, В.Г. Амелин. – М.: Едиториал УРСС, 2002. – 302 с.
6. Амелин, В.Г. Тест-методы определения суммарных показателей качества воды с использованием индикаторных бумаг / В.Г. Амелин // Журн. аналит. химии. – 2000. – Т. 55, № 5. – С. 532-538