ABSTRAKT: Tato práce se v teoretické části zaměřuje především na možnosti vstupu jednotlivých forem chromu do životního prostředí, jejich akumulaci a transformaci ve složkách životního prostředí. Dále jsou zde popsány způsoby odběru vzorků pro analytické stanovení chromu, způsob úpravy těchto vzorků a nejpoužívanější analytické metody stanovení chromu v oxidačním stupni III a VI. Experimentální část je zaměřena na kvantitativní stanovení Cr(III) a Cr(VI) v odpadních vodách, odebraných v neutralizační stanici Chemické fakulty VUT v Brně, pomocí vybraných spektrofotometrických metod a porovnání získaných výsledků s výsledky analytického stanovení celkového chromu metodou atomové absorpční spektrometrie.
ABSTRACT: This work focuses in the first theoretical part mainly on the possibility of entering various forms of chromium into the environment, their accumulation and transformation in environmental compartments. There are also described methods of sampling for analytical determination of chromium, the type of treatment of these samples and the most analytical methodologies for the determination of chromium in the oxidation stage III and VI. The experimental part is focused on the quantitative determination of Cr(III) and Cr(VI) in waste water, taken from the neutralizatoin station of the Chemical fakulty of Brno University of Technology, by using selected spectrophotometric methods and the obtained results are compared with the results of analytical determination of total chromium by atomic absorption spectrometry.
Klíčová slova: Životní prostředí, těžké kovy, chrom, toxicita, kontaminace, transformace, mobilita, vzorkování, analýza, metody.
Keywords: Environment, heavy metals, chromium, toxicity, contamination, transformation, mobility, sampling, analysis, methods.
3
NEVRLÁ, J. Koloběh chrómu a jeho specií v životním prostředí. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta chemická, 2009. 43 s. Vedoucí bakalářské práce prof. RNDr. Hana Dočekalová, CSc.
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci vypracovala samostatně a že všechny použité literární zdroje jsem správně a úplně citovala. Bakalářská práce je z hlediska obsahu majetkem Fakulty chemické VUT v Brně a může být využita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana FCH VUT.
................................................ podpis studenta
DECLARATION I declare that the bachelor´s thesis has been worked out by myself and that all the quotations from the used literary sources are accurate and complete. The content of the bachelor´s thesis is the property of the Faculty of Chemistry of Brno University of Technology and all commercial uses are allowed only if approved by both the supervisor and the dean of the Faculty of Chemistry, VUT.
................................................ student’s signature
PODĚKOVÁNÍ: Děkuji vedoucímu mé bakalářské práce, paní prof. RNDr. Haně Dočekalové, CSc. za trpělivost, vstřícnost a pomoc zejména při řešení problematiky experimentální části této práce.
4
Obsah: I. Teoretická část 1. Úvod ……………………………………………………………………….. 7 2. Obecná charakteristika …………………………………………………….. 8 2.1. Chemické a fyzikální vlastnosti chromu ...………………………………. 8 2.2. Výskyt v přírodě ……………………………………………………….. 9 2.3. Biologický význam chromu …………………………………………….. 9 3. Toxicita chromu a jeho sloučenin .…………………………………………. 9 3.1. Účinky chromu na životní prostředí – ekotoxicita .……………………… 9 3.2. Nebezpečí pro člověka ....……………………………………………... 10 3.3. Toxicita některých významných sloučenin chromu …………………….. 12 4. Využití chromu v průmyslové výrobě ……………………………………. 12 5. Antropogenní znečištění životního prostředí chromem ………………….. 13 6. Transformace chromu a jeho sloučenin ve složkách životního prostředí … 14 6.1. Přítomnost chromu ve vodách …………………………………………. 14 6.2. Přítomnost chromu v půdách …………………………………………... 17 6.3. Přítomnost chromu v ovzduší ………………………………………….. 18 7. Metody vzorkování přírodních materiálů ………………………………… 20 7.1. Odběr vzorků vod ……………………………………………………… 20 7.2. Odběr vzorků půd a sedimentů …………………………………………. 21 7.3. Odběr vzorků ovzduší ………………………………………………….. 22 8. Metody stanovení jednotlivých forem chromu ve složkách životního prostředí …………………………………………………………………... 23 8.1. Stanovení chromu jako majoritní složky ……………………………….. 23 8.1.1. Úprava vzorku před vlastním stanovením (separační postupy) …………. 23 8.1.2. Identifikace ………………………………………………………. 24 8.1.3. Vlastní stanovení ………………………………………………….. 25 8.2. Stanovení chromu jako minoritní složky ……………………………….. 26 8.2.1. Plamenová atomová absorpční spektrometrie ………………………… 26 8.2.2. Atomová absorpční spektrometrie s elektrotermickou atomizací ……….. 27 8.2.3. Spektrofotometrické metody ………………………………………... 27 8.2.4. Optická emisní spektrometrie s indukčně vázaným plazmatem …………. 29 8.2.5. Hmotnostní spektrometrie s buzením v indukčně vázaném plazmatu …. 29 8.2.6. Voltmetrické stanovení ….…………………………………………. 30 5
8.2.7. Metoda PIXE ……….…………………………………………….. 30
9. Maximální přípustné limity a koncentrace chromu ve složkách životního prostředí …………………………………………………………………... 31 9.1. Chrom ve vodách ……………………………………………………. 31 9.2. Chrom v půdách ……………………………………………………... 31
II. Experimentální část 10. Popis neutralizační stanice ……………………………………………….. 32 11. Stanovení Cr(VI) metodou spektrofotometrickou s difenylkarbazidem … 33 12. Stanovení Cr(III) metodou spektrofotometrickou s chromazurolem-S ….. 35 13. Stanovení celkového obsahu chromu metodou FAAS …………………... 37 14. Výsledky a diskuze ………………………………………………………. 38 15. Závěr ……………………………………………………………………... 40 16. Seznam použité literatury ………………………………………………... 41 17. Seznam použitých zkratek a symbolů …………………………………… 43
6
I. Teoretická část 1.
ÚVOD
V přírodě, biosféře i v každém jednotlivém ekosystému (les, pole, rybník apod.) probíhá neustálý oběh látek umožňovaný jednosměrným tokem energie, jejímž základním zdrojem je sluneční záření. Na těchto dějích je v podstatě založen život a jsou nezbytné i pro existenci lidské společnosti. Všechny děje v přírodě probíhají v cyklech. [1] Životní prostředí je v současné době neúměrně zatěžováno stále větším množstvím vznikajících odpadů. V řadě průmyslových procesů je produkován odpad, který obsahuje toxické látky v rozpuštěné nebo pevné formě. Mezi tyto kontaminanty patří i těžké kovy, které mohou pronikat do potravního řetězce, kumulovat se v živých tkáních a způsobovat tak vážné poškození zdraví. Těžké kovy se tedy řadí díky svým toxickým účinkům a rozsáhlým průmyslovým využitím mezi nejvíce sledované látky v životním prostředí. Souhrnným názvem těžké kovy označujeme skupinu ekotoxikologicky významných kovů s vysokou hustotou, do které patří i chrom. [2]
7
2.
OBECNÁ CHARAKTERISTIKA
2.1.
Chemické a fyzikální vlastnosti chromu
Chrom je stříbrobílý kov, v čistém stavu poměrně měkký. Patří do VI. B skupiny periodické tabulky, mezi tzv. přechodné kovy (nebo-li d-prvky) a s tím souvisejí i jeho fyzikální a chemické vlastnosti. [3, 4] Vyskytuje se ve všech oxidačních stavech od -II do VI, ale pouze stavy 0 (kovový chrom), II, III a VI jsou běžné. Ve sloučeninách je nejstálejší v oxidačním stavu III, sloučeniny obsahující chrom s oxidačním číslem VI (chromany a dichromany), vykazují silné oxidační účinky, naopak chrom v oxidačním stavu II vykazuje silné redukční vlastnosti. [3, 5] Za normální teploty je chrom na vzduchu stálý, proto se také používá k povrchové ochraně jiných, méně stálých, kovů. V kyslíkové atmosféře se okamžitě tvoří tenká vrstvička oxidu, která je nepropustná pro kyslík a kov tak chrání. [4, 5] Chrom reaguje poměrně ochotně s kyselinami. Rozpustnost chromu v minerálních kyselinách závisí na jeho čistotě a může být zpomalena pasivací. Snadno se rozpouští ve zředěné HCl, snadno také podléhá alkalickému oxidačnímu tavení s KNO3 nebo KClO3. Oproti tomu ve velmi čistém stavu snadno odolává účinkům zředěné kyseliny sírové. Kyselina dusičná (zředěná i koncentrovaná), spolu s lučavkou královskou, jej pasivuje. [3] Je to dobrý vodič tepla a elektrického proudu, snadno tvoří slitiny a komplexní sloučeniny (v důsledku přítomnosti většího počtu valenčních elektronů), které jsou stabilní a barevné. Má poměrně vysokou teplotu tání a hustotu. Některé vlastnosti chromu jsou uvedeny v tabulce 1. [3, 5] Tabulka 1: Některé chemické a fyzikální vlastnosti chromu [3] atomové číslo
24
počet přírodních izotopů
4
atomová hmotnost
51,996
elektronegativita
1,56
elektronová konfigurace
[Ar]3d54s1
teplota tání [°C]
1900
teplota varu [°C]
2670 -3
hustota při 20 °C [g·cm ]
8
7,19
2.2.
Výskyt v přírodě
Chrom je v zemské kůře obsažen v průměrném množství 122 mg.kg-1. Volný chrom byl nalezen pouze v meteoritech, jinak se v přírodě vyskytuje pouze ve sloučeninách. Z minerálů je nejvýznamnější chromit (FeCr2O4), který je svými vlastnostmi velmi podobný magnetitu. Jeho největší naleziště jsou v bývalé SSSR, Jižní Africe nebo na Filipínách. [3] Z dalších nerostů zasluhují zmínky krokoit (PbCrO4) a chromový okr (Cr2O3). Chrom se také vyskytuje ve stopovém množství v diamantech smaragdu a rubínu, kterým dodává příslušnou barvu a v minerálech obsahujících hliník, který doprovází. [3] Chrom byl objeven v roce 1797 Francouzem F. N. Vaquelinem v sibiřském minerálu krokoitu a byl pojmenován podle výrazné barevnosti svých sloučenin (z řeckého chromos – barva). [4]
2.3.
Biologický význam chromu
V trojmocné formě je biogenním prvkem, který se významným způsobem podílí na metabolismu cukrů a tuků. Cr(III) patří mezi esenciální stopové prvky. Zvyšuje účinnost inzulínu a pomáhá tak udržovat metabolizmus glukózy, cholesterolu a tuku. Nedostatek chromu muže vyvolat únavu, stres, úbytek váhy a snížení schopnosti těla odstraňovat glukózu z krve. [4]
3.
TOXICITA CHROMU A JEHO SLOUČENIN
3.1.
Účinky chromu na životní prostředí – ekotoxicita
V jedovatosti sloučenin chromu jsou velmi značné rozdíly, které jsou zřetelně vázány na to, v jaké valenci v nich chrom vystupuje. Šestimocný chrom je klasifikován jako jeden z nejvýznamnějších kontaminantů životního prostředí, zejména atmosféry, ale i ostatních abiotických složek, jako je pedosféra a hydrosféra. Na rozdíl od chromitého kationu, Cr(VI) je v životním prostředí velmi mobilní, a to zvláště v půdních vodách. V přítomnosti organických látek se však rychle transformuje na Cr(III). Chromité ionty se poměrně silně váží na záporně nabité částice půdy, proto jen malá část proniká z půdy do podzemních vod. Ve vodě se většina Cr(III) váže na částice nečistot a spolu s nimi klesá ke dnu. Velká část nenasorbovaného Cr(III) tvoří nerozpustné koloidní hydroxidy, proto je ve vodě obvykle přítomno jen malé množství iontů Cr3+. [6, 7]
9
Některé sloučeniny chromu jsou vysoce toxické a karcinogenní. Emise chromu do prostředí, kde se může akumulovat, například v zeminách či sedimentech, jsou proto velmi nežádoucí, protože z takových rezervoárů muže být chrom, například změnou vnějších podmínek, i za mnoho let uvolněn a způsobit závažné škody a zdravotní rizika. [6, 7] Pro většinu rostlin je šestimocný chrom značně toxický, při vysokém obsahu chromu v půdě klesá její úrodnost. Citlivost rostlin na chrom je velmi rozdílná, např. ječmen a hrách jsou citlivější, než pšenice a kukuřice, u kterých, ještě při koncentraci 100 mg.kg-1 Cr(III), bylo zaznamenáno příznivé ovlivnění růstu a výnosu, zatímco ovsu škodil již 1 mg.kg-1 Cr(III). [8] Je tedy zřejmé, že některé rostliny (včetně zemědělských – např. obilí) mohou přijmout určitou koncentraci chromu z půdy, ale většinou ji zadrží ve svém kořenovém systému, a chrom tak nepřechází do dalších pletiv, tvořících nadzemní části. Podle některých autorů rostliny vstřebávají chrom pouze v chelatované formě a nikoliv anorganické sloučeniny chromu, rozpuštěné v půdním prostředí. [6, 7] Cr(VI) je velmi toxický pro vodní organismy. Na rozdíl od Cr(III) se vyskytuje ve formě záporně nabitých komplexů, proto se nesorbuje na půdní částice a je mnohem mobilnější. Cr(VI) je však velmi silné oxidační činidlo, v přítomnosti jakékoliv organické hmoty se poměrně rychle redukuje na Cr(III). Proto nebezpečí vysokých koncentrací Cr(VI) hrozí jen v blízkosti jeho zdroje. Pokud nejsou organické látky přítomné, je Cr(VI) za aerobních podmínek stabilní po dlouhou dobu. V anaerobním prostředí se Cr(VI) redukuje velmi rychle. Chrom se obvykle neakumuluje v potravních řetězcích. [6]
3.2.
Nebezpečí pro člověka
Kovový chrom není považován za toxický, ale některé jeho sloučeniny působí na lidský organismus jako alergeny a senzibilizující látky. Soli dvojmocného chromu mají silné redukční vlastnosti, které mají za následek dráždivé účinky. Některé osoby mohou být alergické i na soli trojmocného chromu. Taktéž sloučeniny chromičité jsou velmi málo toxické. [8, 9, 10] Chromité ionty jsou podstatně méně toxické, než chromany, které prostupují buněčnou membránou. V buňce se Cr(VI) redukuje na Cr(III), který se pravděpodobně váže na cukr – fosfátové vlákno DNA, čímž jsou indukovány změny v genetickém kódu buňky. Sloučeniny Cr(VI) tedy vykazují maximální mutagenní účinek v mikrobiálních testech. [6, 8, 9] Cr(III) je zdraví prospěšný, ale jen do určitého množství, při vyšších dávkách je zdraví škodlivý. Cr(III) se váže na krevní bílkoviny, může tvořit koordinační komplexy s biologickými ligandy i s nukleovými kyselinami. [8, 9]
10
Inhalační expozice může mít nepříznivé účinky na respirační systém a může působit i na imunitní systém. U citlivých jedinců může inhalace vysokých dávek vyvolat až astmatický záchvat. Při orální expozici mohou hodně vysoké dávky vést k žaludečním potížím a vředům, křečím, k poškození ledvin a jater i ke smrti. Místně vyvolávají sloučeniny Cr(III) (pouze u velmi citlivých osob) podráždění kůže. [6, 8, 9] Rozpustné sloučeniny Cr(VI) jsou svým místním účinkem daleko nebezpečnější, důležitou úlohu přitom hraje pravděpodobně jejich účinek oxidační. Při vdechování prachu nebo mlhy roztoků je drážděna sliznice dutiny nosní, poškozovaná sliznice však nebolí, projevuje se jen rýmou. Aniž by byla pociťována bolest, dochází k tvorbě vředů na přepážce a brzy k proděravění (perforaci) její chrupavčité části. Je-li expozice přerušena v počátcích procesu, může ještě dojít k vyhojení, později se stává defekt trvalým, na kostěnou část přepážky se však nerozšiřuje. Perforace nosního septa je při práci s chromany velmi obvyklá a dochází k ní takřka u každého exponovaného. Může vzniknout již po několika týdnech nebo dokonce dnech práce, obvykle však až po několika měsících. Nepůsobí většinou žádné obtíže. Podobně jako na sliznici nosní se mohou vřídky vytvořit i na mandlích, může být postižena Eustachova trubice, střední ucho a může dojít k perforaci bubínku. Zasažen může být i hrtan, vazy hlasové a průdušnice – v těchto místech nese s sebou poškození i daleko větší obtíže a nebezpečí. Poškození plic je vzácné, jsou však popisovány změny plicní funkce po exposici chromu při pokovování. [4, 6, 11] Oči jsou prachem nebo mlhou roztoků sloučenin Cr(VI) rovněž silně drážděny, dochází k zánětům spojivek a může být poškozena i rohovka. Podle některých údajů jsou pro oči dichromany podstatně nebezpečnější než chromany. [6] Na kůži působí rozpustné sloučeniny Cr(VI) několikerým způsobem. Nejobvyklejší jsou vředy, které vznikají na místech, kde byl již před jejich působením povrch kůže třeba jen nepatrně poškozen. Vředy nebolí, ale při dalším styku s těmito sloučeninami se zvětšují a prohlubují. [6, 9] Kromě vředů mohou působením sloučenin chromu vznikat záněty kůže, mohou se vytvořit i velké puchýře na rukou, na předloktích i na obličeji. Kůži mohou primárně dráždit i slabé roztoky chromanů. Mohou však vznikat i alergická kožní onemocnění; ke vzniku přecitlivělosti může dojít dosti rychle, nebo až po letech kontaktu. [6, 9] Při požití rozpustných sloučenin Cr(VI) se projeví v první fázi jejich leptavý účinek a těžké poleptání zažívacího systému může vést k šoku a následně i ke smrti. Ve druhé fázi prozradí výskyt bílkoviny a krve, někdy i cukru v moči poškození ledvin; může se projevit celkový účinek vstřebávaného chromu. [6, 9] Celkové účinky chromu, nepočítáme-li sem karcinogenitu, nejsou tak dobře známy jako účinky místní. Uvádí se poškození dýchacích fermentů buněčných, dále nefrotoxický a hepatotoxický účinek, vzácně i účinky jiné. U zvířat byla po dlouho aplikovaných malých dávkách sloučenin dříve popisována vyhublost (kachexie) bez zřetelnějších patologických nálezů na orgánech. [6, 10, 11]
11
Nejzávažnějším nebezpečím je účinek karcinogenní. Vina se připisuje takřka výhradně sloučeninám Cr(VI), pouze vzácně i sloučeninám Cr(III). Chromové rudy podle některých autorů karcinogenní účinek nemají, podle jiných ano. Za zvláště účinný se v posledních letech považuje chroman vápenatý. Chrom je klasifikován jako lidský karcinogen, způsobující rakovinu plic. Významným protijedem je kyselina askorbová, která Cr(VI) redukcí převádí na netoxické sloučeniny Cr(III). Vysoce toxický je i hexakarbonyl chromu, i když méně než tetrakarbonyl niklu. [6, 10, 11]
3.3.
Toxicita některých významných sloučenin chromu
CrCl3 – chlorid chromitý způsobuje dráždění sliznic. Projevy mohou být kašel, bolesti hlavy, horečka a otok plic. Při požití dochází k gastrointestinálnímu podráždění. Při kontaktu s kůží má dráždivé a leptavé účinky. Delší expozice může způsobit hnisání kůže. Po vniknutí do očí má dráždivé a leptavé účinky, způsobuje zčervenání a bolest. [6] CrO3 – oxid chromový má všechny účinky rozpustných sloučenin Cr(VI), stejně jako chromany a dichromany. Při požití usmrcuje dávka od 1 do 10 g. Při inhalaci dráždí již koncentrace 0,015 mg.m-3. Od koncentrace 0,1 až 1 mg.m-3 vznikají perforace přepážky nosní a koncentrace přes 10 mg.m -3 vede k prudkým zánětům respiračního traktu. [6] Cr2O72- (dichromany): dráždivý účinek na sliznice i karcinogenní účinek dichromanů alkalických kovů je snad poněkud větší než účinek obdobných chromanů. Při požití usmrcuje dávka 1 až 8 g. Požití 30 g vedlo k smrti po 30 minutách. Dávky mnohem menší než 1 g mají za následek poškození ledvin. Podle údajů o dávkách by bylo možno považovat dichroman draselný za jedovatější než dichroman sodný a amonný, rozdíly jsou však nepatrné. [6, 9]
4.
VYUŽITÍ CHROMU V PRŮMYSLOVÉ VÝROBĚ
Hlavním spotřebitelem chromu je metalurgický průmysl (přibližně 2/3 průmyslové spotřeby), následovaný výrobou zrcadel, chemickým průmyslem a koželužnami. Významný podíl zaujímá i výroba chromových pigmentů s jejich využitím v barvířství i tiskařském průmyslu, fotografii, při impregnaci dřeva a v mnoha dalších odvětvích. [3, 12, 13] Chrom se často používá v ocelářství, k výrobě speciálních slitin nebo ke galvanickému pokovování. Oxid chromový je složkou pokovovacích lázní, používá se jako oxidační činidlo a muže být výchozí látkou pro přípravu některých organokovových sloučenin a esteru kyseliny chromové (estery kyseliny chromové se uplatňují v katalytické chemii, zejména v organické syntéze). [3, 13, 14] Soli chromité a chromany slouží k vybarvování tkanin, k moření a leptání kovů a v kožedělném průmyslu při vyčiňování kůží. [3]
12
Chromany se též používají při výrobě organických barviv. Některé sloučeniny chromu mají upotřebení jako anorganické pigmenty (Cr2O3, PbCrO4), jsou obsaženy také v některých přípravcích na konzervaci dřeva a jako inhibitory koroze v chladících vodách elektráren. [3]
5.
ANTROPOGENNÍ CHROMEM
ZNEČIŠTĚNÍ
ŽIVOTNÍHO
PROSTŘEDÍ
Mezi antropogenní zdroje emisí chromu patří zejména: • • • • •
spalování fosilních paliv odpadní vody ze strojírenského, kožedělného a textilního průmyslu odpadní vody z metalurgie a povrchové úpravy kovu úniky chladících vod obsahující inhibitory koroze nakládání s odpady s obsahem chromu (komunální odpady, galvanické kaly)
Chrom se dostává do ovzduší ve velkém množství v prachových částicích, uvolňovaných při spalování fosilních paliv (ve stavu Cr(III)). Dalšími zdroji chromu jsou cementárny, spalovny komunálních odpadů, výfukové plyny z automobilů s katalyzátorem, emise z klimatizačních chladících věží používajících sloučeniny chromu jako inhibitory koroze a polétavý azbest z opotřebovaných brzdových obložení automobilů (azbest obsahuje chrom). Atmosférickou depozicí se chrom dostává do ostatních složek životního prostředí. [4, 6, 15] Antropogenním zdrojem chromu ve vodách jsou odpadní vody z barevné metalurgie, povrchové úpravy kovu, kožedělného a textilního průmyslu, kde je součástí některých barvicích lázní. Dalším zdrojem jsou některé inhibitory koroze používané v chladicích okruzích, při rozvodu teplé vody nebo při čištění kotlů. Značné koncentrace lze nalézt ve vodách z hydraulické dopravy popílku. [4, 5, 13] Chrom může unikat do půdy či podzemní vody i ze špatně zabezpečených skládek. Může se také uvolňovat do prostředí při nakládání s odpady s obsahem chromu (komunální odpad, odpadní kaly, odpady z pokovování a zpracování chromu). Chromem obohacují půdy i imise vzniklé z emisí energetiky při spalování uhlí. [3, 8, 13] Chrom mohou obsahovat i některé výrobky denní spotřeby: některé inkousty, barviva, papír, podlahové krytiny, výrobky z kůže, magnetické pásky, baterie, nekorodující oceli a několik málo jiných slitin, či některé tonery pro kopírky. [3, 4, 13] Kovy, které se v důsledku lidské činnosti dostávají do životního prostředí (např. ve formě odpadních roztoků) dříve nebo později přicházejí do kontaktu se zeminou nebo horninovým materiálem. [4, 13] Možné vstupy toxických látek, včetně chromu, a jejich koloběh v životním prostředí je zobrazen na obrázku 1.
13
Obrázek 1: Zdroje toxických látek pro lidský organismus, převzato z [1]
6.
TRANSFORMACE CHROMU A JEHO SLOUČENIN VE SLOŽKÁCH ŽIVOTNÍHO PROSTŘEDÍ:
V ekosystémech se může chrom pohybovat specifickými cestami svých biogeochemických cyklů. Z těchto cyklů v různých momentech vystupuje a kumuluje se velmi často např. v půdách. S mobilitou je úzce spjata rozpustnost jednotlivých forem chromu ve vodě – čím je sloučenina rozpustnější, tím je mobilita kovu větší. U rozpuštěných látek je podstatné, zda jde o nestálou hydratovanou iontovou sloučeninu nebo o stabilní komplex. [7]
6.1.
Přítomnost chromu ve vodách
Jak už bylo uvedeno výše, chrom může být přítomen ve vodách v oxidačním stupni III nebo VI. U Cr(III) přicházejí z rozpuštěných forem výskytu v úvahu jednoduchý ion Cr3+ a hydroxokomplexy [CrOH]2+ až [Cr(OH)4]-. Ion Cr3+ může převažovat jen v silně kyselém prostředí, při hodnotách pH asi pod 3,5. V rozmezí hodnot pH 6 až 8 se na rovnováze rozpuštěných forem podílejí oba kationtové hydroxokomplexy a elektroneutrální trihydrochromitan [Cr(OH)3(aq)]0. Za určitých podmínek se ve vodě vyskytují i polynukleární hydroxokomplexy, např. [Cr2(OH)2]4+, [Cr3(OH)4]5+ a [Cr4(OH)6]6+. Stejně jako měď má ion Cr3+ velkou komplexační schopnost. Jako ligandy přicházejí v úvahu sírany, fluoridy, NH3, kyanidy aj. Co se týká Cr(VI), je situace jednoduchá. Ve vodách je možný výskyt pouze těchto forem: CrO42-, HCrO4-. A v některých průmyslových odpadech také Cr2O72-. [12, 13]
14
Ionty Cr3+ podléhají snadno hydrolýze a posléze se vylučuje Cr(OH)3(s). Proto je rozpustnost Cr(III) ve vodě velmi malá a je dána rozpustností tohoto hydratovaného oxidu (hydroxidu). Je však rozpustnější, než Fe(III) a v kyselém prostředí než Al(III). [13] Většina sloučenin Cr(VI) je ve vodě dobře rozpustná, s výjimkou chromanu olovnatého, stříbrného a barnatého. Proto pokud je zapotřebí odstranit chrom z vody, musí být napřed redukován na Cr(III). V praxi se redukce nejčastěji provádí železnatými solemi. [13] V rozmezí hodnot oxidačně-redukčního potenciálu ve vodách (asi od -0,5 V do 0,5 V) může docházet buď k oxidaci Cr(III), nebo naopak k redukci Cr(VI). Možnost existence jednotlivých forem chromu ve vodách při různých hodnotách pH je znázorněna na obrázku 2. [13] Chromany jsou stabilní především v alkalickém prostředí. V kyselém prostředí mohou chromany převažovat jen při poměrně vysokých hodnotách oxidačně-redukčního potenciálu. Oxidace může probíhat působením kyslíku rozpuštěného ve vodě nebo pomocí MnO2. Redukce probíhá zpravidla za přítomnosti Fe(II), huminových látek, organických látek obsahujících thiolovou skupinu SH, nebo za přítomnosti anorganické sulfidické síry. [13]
Obrázek 2: Diagram převažující existence forem chromu (E – pH diagram) systému Cr(III) – Cr(VI) při koncentraci veškerého chromu 0,01 mmol.l-1 (0,52 mg.l-1), t = 25 °C, I = 0; převzato ze zdroje [13] 15
Oxidace Cr(III) na Cr(VI) kyslíkem rozpuštěným v přírodních vodách je velmi pomalá. Katalyzátorem tohoto procesu, který probíhá spíše v alkalickém prostředí, jsou oxidy manganu ve vyšších oxidačních stupních (MnO2) a lze ji rozdělit do tří dílčích procesů: adsorpce Cr(III) na MnO2, oxidace Cr(III) v povrchové vrstvě MnO2 a desorpce reakčních produktů Cr(VI) a Mn(II) zpět do kapalné fáze. Tato oxidace probíhá i za nepřítomnosti rozpuštěného kyslíku. Naopak redukce Cr(VI) na Cr(III) v přírodních vodách probíhá v bezkyslíkatém prostředí sloučeninami Fe(II), sulfidy, huminovými látkami (především fulvokyselinami) a organickými látkami obsahujícími thiolovou skupinu SH. Redukci podporuje kyselé prostředí. [12, 13] Oxidace rozpuštěným kyslíkem v rozmezí hodnot pH od 6,5 do 8,5, probíhá podle rovnice: 4Cr (OH )2+ + 3O2 + 2 H 2O → 4CrO42− + 12 H + Avšak oxidace samotným kyslíkem probíhá velmi pomalu a v závislosti na teplotě může trvat až několik desítek dnů. Za přítomnosti MnO2(s) probíhá oxidace Cr(III) značnou rychlostí a může být ukončena v několika hodinách. Stechiometrie této oxidace je poměrně složitá, protože závisí na hodnotě pH a kromě toho se zde uplatňují i sorpční procesy. V úvahu přichází například reakce: Cr (OH ) 2+ + 3MnO2 ( s ) + 3H 2O → HCrO4− + 3MnO (OH )( s ) + 3H + Přibližně stejně snadno probíhá i redukce Cr(VI) sloučeninami Fe(II) podle rovnice: 3Fe2 + + CrO42− + 7 H 2O → 3Fe(OH )3 ( s ) + Cr (OH )+2 + 3H + Srovnatelnou rychlostí probíhá i redukce Cr(VI) sulfidy. Cr(VI) je redukován i huminovými látkami, především fulvokyselinami. Redukce probíhá snáze v kyselejším prostředí. Některé bakterie jsou schopny redukovat Cr(VI) i v aerobním prostředí biochemickou cestou. [12, 13] Uvedené procesy se podílejí na vertikální stratifikaci chromu ve vodách nádrží a jezer. Jestliže je v období podzimí a jarní cirkulace objem nádrže dobře promíchán a voda obsahuje rozpuštěný kyslík, může být Cr(VI) dominující formou výskytu. Naopak v období letní stagnace může být redukční prostředí hypolimnia příčinou toho, že zejména ve vrstvě nad dnovým sedimentem může dominovat Cr(III). Jeho koncentrace bývají ovšem v kapalné fázi velmi nízké v důsledku srážení Cr(OH)3(s) a adsorpce na hydratovaných oxidech železa a manganu, včetně sedimentů. [13] V odpadních vodách z koželužen byla též prokázána celá řada organických komplex ů s bílkovinami a organickými kyselinami včetně aminokyselin, které mohou ovlivňovat nejenom distribuci forem výskytu, ale i rychlost oxidace a redukce či sorpční jevy. [12, 13]
16
Cr(III) se významně sorbuje na hydratovaných oxidech Fe, Al, Mn aj. zejména v alkalickém prostředí. Proto je značná část chromu v přírodních vodách obsažena v nerozpuštěných látkách a v sedimentech. Cr(VI) se sorbuje méně a převážně jen v kyselém prostředí, protože chrom je přítomen jako anion. [13]
6.2.
Přítomnost chromu v půdách
Setrvání rizikových prvků v půdách je poměrně delší než v atmosféře a hydrosféře a ve srovnání s hydrosférou a atmosférou je detoxikace půdy technickými prostředky velmi omezená. Samotná kontaminace půdy, zvláště v povrchové vrstvě, roste úměrně s intenzifikací a chemizací průmyslové a zemědělské výroby. Znečištění půdy těžkými kovy má převážně bodový charakter s výjimkou zvýšeného používání průmyslových hnojiv a atmosférických spadů. [16] Půda je nejsilnějším přírodním pufrem prvků, proto další jejich osud v přírodním koloběhu je podstatně více ovlivňován základními půdními vlastnostmi, než podmínkami atmosférickými a hydrologickými. [16] Toxicita těžkých kovů se mění se změnou jejich forem (valence). Při jejich vstupu do půdy dochází k fyzikálně-chemickým změnám a prvek se sorbuje do biogeochemického koloběhu. V důsledku toho vzniká nebo zaniká řada látek, které zvyšují, případně snižují toxicitu daného prvku v prostředí. Krátkodobý toxický vliv těžkých kovů je poměrně znám, mnoho toho však ještě nevíme o jejich dlouhodobé pomalé akumulaci, která je právě typická pro půdy. [16] Každá zemina (horninový materiál) vykazuje určitou sorpční kapacitu, která je v přirozeném, nekontaminovaném stavu nasycena zejména vápníkem a hořčíkem. Většina těžkých kovů vykazuje ovšem podstatně vyšší sorpční schopnost a dokáže tyto přirozeně nasorbované prvky vytěsnit. V této fázi tedy zemina kontaminující kovy zadržuje a zásadním způsobem snižuje jejich nebezpečnost vůči okolnímu prostředí. Při pokračující kontaminaci se ovšem v určitém okamžiku sorpční kapacita zeminy těmito kontaminujícími kovy nasytí a jejich další šíření (například do podzemní vody) není již zeminou omezováno. [4, 6] Takto nakoncentrované kontaminující kovy potom navíc představují velké nebezpečí, neboť pouhou změnou okolních podmínek (např. snížením pH při kyselém dešti) může docházet k jejich nárazovému vyplachování. [4, 6] Mobilita chromu v půdě tedy závisí na pH, rozložitelnosti půdní organické hmoty, obsahu jílových částic a na redox-potenciálu půdy. Většina půdního chromu je v málo pohyblivé formě, jako Cr(III) ve strukturách oxidů železa a hliníku, které pro svou podobnost iontového poloměru v těchto oxidech zastupuje. V oxidačních podmínkách se oxiduje na Cr(VI), který je jak v půdách kyselých, tak alkalických, velmi mobilní. [8, 12] Při stejném redox-potenciálu půdy však alkalická reakce podporuje tvorbu Cr(VI), kyselá reakce vznik Cr(III). Cr3+ ionty vytváří v kyselém prostředí rozpustné komplexy, v alkalickém prostředí se srážejí jako hydroxidy a hydratované oxidy, které jsou jen omezeně rozpustné. 17
Půdní reakce ovlivňuje i sorpci chromu – směrem od kyselé reakce k alkalické adsorpci chromu jílovými minerály se u Cr(III) zvyšuje, u Cr(VI) se adsorpce snižuje. [8] Stejně jako může nastat oxidace trojmocného chromu na šestimocný, probíhá zpětně i redukce Cr(VI) → Cr(III) především mikrobiální v přítomnosti snadno rozložitelné organické půdní hmoty. Chrom není charakteristický vysokou bioakumulací, přesto jeho obsah v půdním profilu klesá směrem od humusového horizontu. [8] Uvolnitelnost chromu z půdy je velmi nízká a obsahy chromu zjištěné ve výluzích jsou velmi malé. Například ve výluhu s octanem amonným při pH = 7, je to 0,1 až 1 % celkového obsahu. Výluh kyseliny dusičné o koncentraci 1 mol.l-1 zachytil jen 34 % celkového obsahu chromu. Chrom je tedy v půdním roztoku poměrně velmi slabě rozpustný, proto je překvapivé, že rostliny jej přijímají z půdy celkem snadno. [8]
6.3.
Přítomnost chromu v ovzduší
Antropogenním zdrojem chromu v ovzduší je spalování fosilních paliv, základní zpracování rud obsahujících chrom, metalurgie, chemický a kožedělný průmysl. V ovzduší je chrom navázán na prachové částice. Průměrná doba setrvání v atmosféře je 10 dní, poté suchou nebo mokrou depozicí přechází do vody nebo půdy. [14, 15, 17] Suchá depozice plynů a aerosolových částic na povrch receptorů je určena jednak jejich koncentrací v ovzduší, turbulentními přenosovými procesy v hraniční vrstvě atmosféry a samozřejmě také jejich chemickými a fyzikálními vlastnostmi a schopností povrchu zachytit nebo absorbovat tyto plyny a částice. [15, 17] V blízkosti zdrojů znečištění je suchá depozice určena hlavně umístěním zdroje, typem zdroje a promícháním znečišťujících látek v atmosféře. Depozice blízko vysokoúrovňových zdrojů je nízká a roste se vzdáleností od zdroje, dokud nedosáhne maxima a opět klesá. U nízkoúrovňových zdrojů, kde je koncentrační gradient nejvyšší a přízemní vítr klesá, dopadá depozice přímo vedle zdroje. Nejčastějšími mechanismy depozice jsou difúze, intercepce a gravitační sedimentace. [15, 17] Mokrá depozice značí přestup látek z atmosféry na zemský povrch, který se uskutečňuje srážkovou činností. Mokrá depozice má především složku vertikální: sníh, déšť, mrholení a ostatní srážky, které spolu s vodou přenášejí řadu rozpuštěných i nerozpuštěných látek, zachycených prašných a aerosolových částic. [15, 17] Fyzikální mechanismy, které mají rozhodující vliv při mokrém odnímání látek z atmosféry, působí jak při vymývání uvnitř oblaků, tak i pod oblačnou vrstvou. Jsou to difuzoforéza, brownovská difuze, impakce, intercepce a některé další mechanismy, které pro naše účely nemá smysl uvádět. [17]
18
Pozn. Na území České republiky byl v roce 1995 proveden biomonitoring atmosférické depozice stopových prvků a sloučenin síry, prostřednictvím analýzy mechů druhu Pleurozuium schreberi, Pseudoscleropodium purum a Hypnum cupressiforme. Výsledky atmosférické depozice chromu jsou zobrazeny na obrázku 3. [15]
Obrázek 3: Výsledky biomonitoringu atmosférické depozice chromu na území České republiky v roce 1995, převzato z [15]
Distribuce chromu na území České republiky je dobře popsaná na výše uvedeném obrázku a přiloženém sloupci naměřených hodnot, kde jsou jednotlivé lokality barevně rozlišeny podle zjištěné koncentrace chromu, obsaženého v mechorostech. Nejvyšší koncentrace chromu (červeně zbarvené oblasti) byla naměřena v průmyslové oblasti mezi městy Mostem a Lovosicemi v severních Čechách. Zvýšená depozice chromu byla odhalena také v okolí měst Třinec a Uherské Hradiště na Moravě. [15] Průměrné hodnoty zatížení atmosférickou depozicí chromu na území České republiky v mechorostech jsou ve srovnání s nejčistšími oblastmi Evropy, jako jsou např. severské země, asi dvakrát vyšší. [15]
19
7.
VZORKOVÁNÍ PŘÍRODNÍCH MATERIÁLŮ
7.1.
Zásady správného vzorkování
Správný způsob odběru reprezentativního vzorku je základní podmínkou pro úspěšné provedení všech potřebných zkoušek – analýz, kterým má být tento materiál podroben a rovněž k získání správných výsledků. Odebraný vzorek musí mít průměrné vlastnosti, složení i další charakteristické znaky zkoušeného materiálu (populace, lokalita, apod.). Špatně odebraný vzorek může být příčinou zkreslení, či úplného znehodnocení konečného výsledku analýzy. [18] Analytický postup zahrnuje čtyři hlavní stupně: • • • •
kvalifikovaný odběr vzorku, jeho uchovávání a transport přípravu vzorku k analýze volbu analytické metody a vlastní analýzu zpracování výsledků a jejich interpretace
Vzorek by měl být reprezentativní, dostatečně veliký pro potřeby analýzy a zároveň stabilní. Jeho vlastnosti musí být zachovány jak během doby skladování, tak i během další manipulace se vzorkem jako v okamžiku vlastního odběru materiálu. Nesmí tedy dojít ke změnám fyzikální formy, ani chemického složení vzorku. [18]
7.2.
Odběr vzorků vod
Způsob vzorkování se liší v závislosti na druhu odebírané vody: Tekoucí vody – z hlediska vzorkování rozlišujeme malé a velké vodní toky s různým podílem vlivu dna a břehů. Typ toku (rychlost proudění, typ a tvar koryta, materiál dna) určuje množství suspendovaných látek, do kterých se může vázat významný podíl některých látek (některé kovy, fosfor, organické látky, apod.). Vzhledem k proudění, zdrojům znečištění apod., je nutné počítat se značnou nehomogenitou jak v příčném, tak v podélném profilu toků a vzorky odebírat s dostatečnou vzdáleností od přítoků odpadních vod, soutoků toků, nebo odebírat více vzorků v příčném profilu. Vzhledem k proudění a nevýznamné vertikální stratifikaci lze po vstupu do toku a eliminaci vlivu břehů většinou odebírat přímo do vzorkovnic otevřených proti proudu. Pro dlouhodobé vzorkovací programy se doporučuje odběr například z mostů. Režimové vzorkování musí respektovat případné periodické jevy na tocích. [19, 20] Stojaté vody – u nás jsou základními typy rybníky a přehradní nádrže. Rybníky jsou relativně mělké, většinou účelově obhospodařené (chov ryb, dočišťování odpadních vod, atd.) a vertikální nebo horizontální stratifikace v nich nebývá stálá. [19]
20
V nádržích se většinou během léta vytváří stálá vertikální stratifikace s oddělením horní vrstvy (epilimnion) od vrstvy u dna (hypolimnion) a vzhledem k jejich většinou korytovému tvaru je popsaný i horizontální gradient. Rozhodujícími charakteristikami jsou hloubka, objem a průměrná doba zdržení. Je tedy nutné počítat se značnou nehomogenitou v prostoru i čase. Téměř ve všech případech je nutno používat speciální odběrová zařízení. [19, 20] Podzemní vody – v původním prostředí se podzemní voda (kromě krasových oblastí) nachází v kontaktu s obrovskou plochou fázového rozhranní hornina-voda. Vzorek odebraný jako spojité vodní těleso tedy teoreticky reprezentuje původní zvodnělé horninové prostředí jen zprostředkovaně. Dostatečnou vypovídající hodnotu mají jen vzorky z pramenů nebo čerpaných vrtů, kdy reprezentativnost odebíraného vzorku není příliš ovlivněna podmínkami ve vrtu. [19] Vzorky vody pro analýzu kovů, stanovovaných metodou AAS, se odebírají do polyethylenových nebo skleněných nádob (vzorkovnic) a to ručně, nebo s použitím různých typů vzorkovačů. Vzorek může být odebrán jednorázově, nebo se provádí slévání několika vzorků, odebraných z různých míst, či různé hloubky z jednoho místa (bodu) vodní plochy, případně v různých časových intervalech (u tekoucích vod). [19, 20] Speciální způsob odběru vyžadují vody odpadní. U vzorku odpadní vody je třeba před vlastní analýzou odstranit přítomné organické látky. [20] Odebrané vzorky se uchovávají při teplotě 2 až 5 °C, můžeme provést konzervaci přídavkem 5 ml koncentrované kyseliny dusičné na 1 litr vzorku. Vzorek by měl být nejlépe zpracován do 24 hodin po odběru. [19]
7.3.
Odběry vzorků půd a sedimentů
Sedimenty – v zásadě se podle charakteru toku dělí na bahnité, kamenité, písčité a štěrkové. Vzorky bahnitých sedimentů je třeba před analýzou dělit podle velikostní frakce. [19, 20] Pro vzorkování sedimentů se používají ruční zarážené sondy nebo drapáky („bagry“) nebo velké drapáky, ovládané jeřábem z lodi. Takové vzorky reprezentují známou plochu dna a získané sloupce pak lze dělit podle hloubek apod. Pro kvalitativní vzorkování se používají například zatížené vlečné sítě s okovaným ústím (tzv. „dredže“). Tímto způsobem se získávají jak vzorky pro chemická stanovení, tak (po proprání a koncentraci) vzorky benthických organismů. [19, 20] Jednotlivé podíly vzorku se homogenizují a zhomogenizovaný vzorek sedimentu se odebere do polyethylenové nádobky s dobře těsnícím víčkem. Po dobu transportu je vhodné vzorky uchovávat v chladicím boxu. V laboratoři se pak vzorky sedimentu zmrazí na teplotu -18 °C, čímž jsou stabilizovány. [19, 20] 21
V další fázi zpracování se nádobky se sedimenty přemístí do vymrazovacího zařízení, kde se za použití vakua vysuší. Následuje separace jednotlivých frakcí sedimentu podle velikost částic (za sucha nebo za mokra) a rozklad pomocí minerálních kyselin. [19, 20] Půda – při vzorkování půd můžeme odebírat vzorky v terénu například pomocí vrtáku, upraveného rýče nebo trubkového vzorkovače. Hloubku odběru volíme s ohledem na analyt. Běžné je vzorkování do hloubky 15 až 25 cm. Terénní vzorky se odebírají poměrně velké, následuje však promíchávání a kvartace. Podstatně menší část zeminy – tzv. laboratorní vzorek se transportuje do laboratoře, kde se vzorek dále zpracovává: homogenizace, sušení, prosévání a rozklad (převedení do kapalné fáze). [19, 20]
7.4.
Odběr vzorků ovzduší
Obsah kontaminantů v ovzduší je značně proměnlivý jak v čase, tak v prostoru a je ovlivňován mnoha faktory. [21] Vzorkování emisí, kde je zdrojem vzorkování zpravidla komín, nepřináší většinou velké problémy, protože škodlivina je přítomna v relativně velké koncentraci a tato koncentrace se jen málo mění. Chrom se v odpadních plynech vyskytuje ve formě solí, hydratovaných oxidů a dále ve formě chromanů (popř. dichromanů). Složitá speciace tohoto analytu vyžaduje: • •
izokinetický odběr vzorků odběr vzorků zahrnujících všechny fáze výskytu analytu, tzn. pevnou i kapalnou. [21]
Toxické vlastnosti obou oxidačních stupňů chromu, tzn. Cr(III) a Cr(VI), se výrazně liší. S ohledem na své chemické a fyzikální vlastnosti se však většinou obsah tohoto analytu určuje jako obsah celkového chromu. V odpadních plynech se vyskytují v rozsahu jednotek až desítek mg.m-3 a ve volném ovzduší v jednotkách až desítkách µg.m-3. [21, 22] Z potrubí či komína se v určitém časovém intervalu odebere izokineticky vzorek odpadního plynu známého objemu. Prachové částice se v odebraném vzorku plynu zachytí na filtru. Proud plynného vzorku je dále veden sérií absorbérů, obsahujících absorpční roztoky, v nichž se zachytí materiál prošlý filtrem. Absorpční roztok je tvořen vodným roztokem kyseliny dusičné a peroxidu vodíku. Filtr, absorpční roztok a oplachové roztoky se shromažďují k analýze. Exponovaný filtr se mineralizuje v uzavřené PTFE (teflonové) nádobě a stejně jako exponované absorpční roztoky a oplachové roztoky se připravuje k vlastní analýze. [21, 22] Při vzorkování imisí se zpravidla odebírají vzorky ve volné krajině. Pokud má mít analýza význam, je třeba měnit vzorkovací body a vzorkovat přes určitou časovou periodu. Naměřené hodnoty mohou být mimo jiné závislé na místě odběru, denní a roční době, rychlosti a směru větru, teplotě vzduchu, relativní vlhkosti, srážkách (déšť, sníh, mlha, apod.), slunečním svitu, celkové povětrnostní situaci (např. rozptylových podmínkách). [21, 22] Pří zachytávání prachových částic obsahujících chrom je vzduch prosáván účinným čerpadlem přes filtr z vhodného materiálu. Nejčastěji se používají filtry obsahující skleněná 22
vlákna, modifikovanou celulosu nebo porézní polymerní membrány, které jsou vyráběny s velmi dobře definovanou velikostí pórů. Analyt se z filtru buď extrahuje, případně se spolu s filtrem mineralizuje nebo se analyzuje přímými metodami (např. rentgenovými či radiochemickými metodami). Ke vzorkování volného ovzduší se často používají speciálně konstruované sondy. Sondu je možné konstruovat tak, aby do značné míry odebírala pouze prachové částice do určité velikosti. [21, 22]
8.
METODY STANOVENÍ JEDNOTLIVÝCH FOREM CHROMU VE SLOŽKÁCH ŽIVOTNÍHO PROSTŘEDÍ
8.1.
Stanovení chromu jako majoritní složky
8.1.1. Úprava vzorku před vlastním stanovením (separační postupy) Jelikož chrom je v prostředí přítomen zpravidla v nižších koncentracích a to v nejrůznějších fyzikálně-chemických formách a různých matricích, je někdy nutné ho před vlastním stanovením oddělit od rušící matrice, eventuálně jej zakoncentrovat. Ze separačních postupů se nejčastěji používá extrakce, iontová výměna a srážení.
Srážení Kationy I. a II. třídy mohou být od chromu v oxidačním stupni III odděleny působením thioacetamidu v prostředí zředěné kyseliny chlorovodíkové nebo sírové, přičemž obsažený chrom zůstane v roztoku. Nejdříve musí být chrom obsažený ve vzorku redukován na trojmocnou formu. Po té se k roztoku vzorku v nadbytku ethanolu za varu přidá thioacetamid (vznikající formaldehyd se odstraní varem). [23] Srážení chromu v podobě oxidu chromitého je běžnou metodou oddělení chromu, železa a hliníku od niklu, kobaltu, manganu a zinku. Používá se pyridinový pufr o pH 5, který umožní dokonalé oddělení chromu od ostatních iontů v případě, že ve vzorku je obsažen i hliník a železo v množství srovnatelném s množstvím obsaženého chromu. Jestliže ve vzorku není přítomné železo ani hliník, železo může být k roztoku přidáno jako „nosič“. Můžeme také přidat koncentrovanější roztok pyridinu o pH > 6 a roztok povaříme. K oddělení železa, hliníku a niklu od chromu je třeba chrom přítomný ve vzorku oxidovat pomocí peroxidu vodíku v alkalickém prostředí, přičemž dojde k vysrážení těchto iontů. [23]
Extrakce K oddělení Cr(III) lze použít tvorby chelátu s acetylacetonem po 30-ti minutovém zahřívání za přítomnosti aminů (nejčastěji butylaminu nebo benzylaminu). Provádí-li se
23
extrakce za studena, chrom zůstává ve vodné fázi a dělí se tak od acetylacetonátů některých kovů (např. Al, Fe, Mo, V). [23] Častější je extrakce Cr(VI) například za použití isobutylmethylketonu a tribenzylaminu, trioktylaminu i tributylaminu. Extrakcí s isobutylmethylketonem z prostředí HCl je možno oddělit Cr(VI) od řady alkalických kovů, kovů alkalických zemin, Be, Mg, Al, In, Pb, As, Se, Te, Cd, Mo, Co, Ni. Extrakci ruší přítomnost Tl, Sn, Sb, Ti. Za přítomnosti Hg a Mn se extrahuje méně než 90 % obsaženého chromu. [22] Z prostředí obsahujícího současně H2O2 je možno extrahovat chrom ve formě peroxochromanů do fáze tributylfosfátu. Ve vodné fázi zůstávají např. Cu, Ni, Co, Fe a Th. [22]
Chromatografické metody: a) Iontoměničová chromatografie K oddělení chromu od ostatních iontů obsažených ve vzorku lze také dosáhnout pomocí iontoměničů a to jak kationtových, tak aniontových. Tyto metody se nejčastěji používají k separaci chromu od ostatních kovů v rudách a slitinách obsahujících chrom. [23] b) Adsorpční chromatografie Touto metodou může být separován Cr(III) od jiných kovů (např. Al, Fe(III), Ti, Ni, Cu, Mo, Mn, Co, Zn, V, In, Ga, …) v koloně s aktivovanou aluminou. Vysušená sraženina se rozpustí v chloroformu, naředí se ekvivalentním objemem benzenu a prochází kolonou obsahující aktivní aluminu. Chrom je eluován spolu s chloroformem a benzenem (1:1) a ostatní kovy zůstávají zachyceny v koloně. Chrom ve směsi organických rozpouštědel je pak stanoven spektrofotometricky. [23]
8.1.2. Identifikace Při identifikaci chromu ve vzorku nám může hodně pomoci barevnost sloučenin chromu (chromité soli jsou zelené, chromany žluté, dichromany oranžové až červené a sloučeniny chromu obsahující hliník, mají fialové zbarvení). Většina identifikačních zkoušek je založena na předchozí separaci. Nejprve se provádí oxidace chromu obsaženého ve vzorku na Cr(VI) a následuje převedení vzorku na barevnou sraženinu či roztok. [22] Snad nejlepší metodou vhodnou pro identifikaci chromu je atomová emisní spektrometrie. Nejintenzivnější emisní čáry jsou při vlnových délkách 278,0; 298,0; 301,5 a 425,0 nm. Nejvýraznější emisní čáry při plamenové fotometrii se objevují při 358,0; 425,0; 427,5 a 429,0 nm. Detekční limity v plameni vodík-vzduch a vodík-kyslík při těchto vlnových 24
délkách jsou okolo 0,1 mg.l-1. Použijeme-li extrakci do methylisobutylketonu, pak citlivost této metody v plameni acetylen-kyslík vzroste na 0,01 mg.l-1. [23]
8.1.3. Vlastní stanovení Gravimetrie Chrom může být ve větších koncentracích stanoven jako chroman olovnatý, chroman rtuťnatý, nebo oxid chromitý. Avšak nejvíce používaná gravimetrická metoda je založena na tvorbě chromanu barnatého. Chroman je srážen z neutrálního nebo slabě kyselého roztoku kyseliny octové za přídavku octanu barnatého nebo BaCl2. Roztok nesmí obsahovat kyselinu sírovou ani sírany, protože by vznikala sraženina síranu barnatého. [17]
Stanovení Cr(III) ve formě hydroxidu Ionty Cr3+ se již při nízkém pH sráží jako hydroxid. Vhodným srážedlem je NH3 a NH4Cl odpovídající optimálnímu pH pro srážení těchto hydroxidů. Izolované hydroxidy se žíháním převádí na vážitelnou formu, tj. na jejich oxidy. Pro vyžíhání Cr(OH)3 je doporučena teplota 800 – 900 °C. [22]
Volumetrické metody stanovení Oxidačně-redukční metody stanovení jsou založeny na titraci šestimocného chromu odměrným roztokem obsahujícím dvojmocné železo: Cr2O7 2 − + 6 Fe2 + + 14 H + → 2Cr 3+ + 6 Fe3+ + 7 H 2O Můžeme také použít zpětnou titraci (retitraci), kdy k roztoku vzorku obsahujícího Cr(VI) přidáme nadbytek roztoku dvojmocného železa a jeho nezreagované množství titrujeme odměrným roztokem dichromanu draselného nebo manganistanu draselného: 5 Fe 2+ + MnO4− + 8 H + → 5 Fe3+ + Mn 2 + + 4 H 2O Cr(VI) může také reagovat s nadbytkem jodidu draselného za vzniku ekvivalentního množství jodu, které se titruje odměrným roztokem thiosíranu sodného: Cr2O72− + 6 I − + 14 H + → 2Cr 3+ + 3I 2 + 7 H 2O
25
Chelatometrické metody stanovení chromu jsou založeny na nepřímé titraci, kde Cr(III) reaguje s většinou chelatometrických činidel za laboratorní teploty velmi pomalu (tvorba komplexu se podstatně urychlí varem):
Cr 3+ + H 2Y 2 → CrY − + 2 H + H 2Y 2− + M 2 + → MY 2 − + 2 H + Ačkoliv se jako titrační činidlo nejčastěji používá EDTA, může se také použít 1,2-diaminocyklohexantetraoctová kyselina (CDTA). [23]
Atomová absorpční spektrometrie AAS je optická metoda, založená na měření absorpce elektromagnetického záření v rozmezí vlnových délek 190 až 850 nm (UV, VIS) volnými atomy. Volný atom je schopen absorbovat energii z této oblasti záření za přechodu valenčního elektronu ze základního do excitovaného stavu. Použití této metody předpokládá převedení analyzované látky z roztoku na volné atomy v plynné fázi. Atomizace tedy vyžaduje prostředí o vysoké teplotě. [12, 24, 25, 26] AAS je velmi používanou metodou ke kvantifikaci chromu ve vzorcích. Chrom nejlépe absorbuje záření při vlnové délce 358 nm. Detekční limit při této vlnové délce je 0,05 mg.l-1. Při vlnových délkách 359 a 425 nm, se detekční limit pohybuje kolem 0,5 mg.l-1. [23]
8.2.
Stanovení chromu jako minoritní složky
Pro stanovení chromu ve vzorcích s nízkým obsahem tohoto prvku se nejčastěji se používají metody atomové absorpční a atomové emisní spektrometrie. Pro citlivější stanovení lze však použít i některé specializované modernější metody.
8.2.1. Plamenová atomová absorpční spektrometrie Metoda FAAS spočívá v absorpci monochromatického záření, vysílaného ze zdroje, kterým je v případě stanovení chromu výbojka s dutou katodou vyzařující spektrální čáry určovaného prvku a detekci rozdílu mezi původní a po absorpci sníženou intenzitu záření. Atomizačním prostředím je zde plamen. Vzorek je ve formě roztoku nasáván do proudu okysličovadla, které se mísí s plynným palivem. Nejčastěji se používá kombinace plynů acetylen-vzduch, acetylen-oxid dusný, propan-vzduch, vodík-kyslík. Teplota plamene se volí kombinací okysličovadla a paliva, pohybuje se v rozmezí 2 000 až 3 000 °C. [24, 25, 26]
26
Tato metoda je použitelná k rozboru vody včetně odpadních vod a výluhů půd pro koncentrace chromu v rozmezí od 0,5 mg.l-1 do 20 mg.l-1. Nižší koncentrace než 0,5 mg.l-1 lze stanovit po opatrném odpaření okyseleného vzorku na malý objem. Musí se dbát na to, aby nedošlo k tvorbě sraženiny. Absorpce vzorku je měřena po okyselení v plameni oxid dusný-acetylen. Měří se při vlnové délce 357,9 nm. Pokud je třeba, snižuje se vliv matrice přídavkem lanthanité soli. [24, 25, 27]
8.2.2. Atomová absorpční spektrometrie s elektrotermickou atomizací Princip metody je stejný, jako u FAAS s výjimkou atomizačního prostředí, kterým je elektrotermický atomizátor, jehož hlavní součástí je grafitová trubice, která je elektricky vyhřívána na požadovanou teplotu a do které se dávkuje vzorek. [25, 26, 27] Měření obsahu chromu se provádí na linii 357,9 nm za použití korekce pozadí pomocí deuteriového korektoru pozadí. Atomizace se provádí ze stěny grafitové kyvety s povlakem pyrolytického grafitu nebo platformy. [24, 25, 27] Tato metoda je použitelná k rozboru vody včetně odpadních vod pro koncentrace chromu v rozmezí od 5 µg.l-1 do 100 µg.l-1 při dávkovaném objemu vzorku 20 µl. S menším objemem vzorku ji lze použít ke stanovení vyšších koncentrací. Chrom se stanoví přímo v okyselených vzorcích atomovou absorpční spektrometrií s elektrotermickou atomizací. [24, 25, 27] Vzorek se nastřikuje do elektricky vyhřívané grafitové trubice. Absorbance se měří při vlnové délce 357,9 nm. Pokud je třeba, pracuje se metodou přídavku standardu. [24, 25, 27]
8.2.3. Spektrofotometrické metody Spektrofotometrická metoda s 1,5-difenylkarbazidem Metodu lze používat ke stanovení rozpuštěného Cr(VI) ve vodách v koncentračním rozmezí od 0,05 mg.l-1 do 3 mg.l-1. Rozsah stanovení je možné rozšířit zředěním vzorku. [21] Po předběžné úpravě vzorku, jejímž účelem je stabilizovat přítomné oxidační stupně Cr(VI) a Cr(III), reaguje Cr(VI) v kyselém prostředí (nejlépe H2SO4) s 1,5difenylkarbazidem za tvorby červenofialového chrom-1,5-difenylkarbazonového komplexu. Absorbance tohoto komplexu se měří při vlnové délce 540 nm až 550 nm. Toto zbarvení je také možno extrahovat různými organickými rozpouštědly, jako je např. isoamylalkohol, amylalkohol, hexanol, cyklohexanol, benzylalkohol a pod. [21, 28] Stanovení ruší redukční činidla a silná oxidační činidla. Dále ruší železo, sulfidy, silně alkalické prostředí a také barevné ionty (Cu, Co, platinové kovy). [21, 28]
27
Spektrofotometrická metoda s chromazurolem-S Pro fotometrické stanovení Cr(III) lze využít tvorby chelátů s vysoce barevnými činidly, jaké představují některé chelatometrické indikátory. Chromazurol-S poskytuje velmi citlivou reakci s trojmocným chromem. Tato reakce probíhá za laboratorní teploty velmi pomalu (2 až 4 dny), zatímco ve vroucí vodní lázni se tvoří červenofialové zbarvení během 30-ti minut. Činidlo samo je zbarveno červeně. K předběžné úpravě pH se používá barevného tónu methyloranže, stanovení se pak provádí v prostředí acetátového pufru při pH 3,6. Absorbanci tohoto roztoku měříme při 570 nm. Touto metodou je možno stanovit množství 0,04 – 0,4 µg.l-1 Cr(III). [29]
Spektrofotometrické stanovení s chelatonem 3 Tato metoda se opět používá ke stanovení Cr(III), který tvoří s chelatonem 3 červenofialový komplex, který má ve viditelné oblasti maximum absorpce při 550 nm. Tvorba komplexu probíhá v mírně kyselém prostředí (pH 2 – 7). V alkalickém prostředí (pH < 11) přechází purpurové zabarvení do modrého tónu (590 nm), při ještě vyšší alkalitě se již komplex rozkládá a sráží se hydroxid chromitý. [29] Za studena probíhá reakce velmi pomalu, za zvýšené teploty pak během několika minut. Zbarvení chelátu je značně stálé (nejméně 15 dní) a není ovlivňováno ani nadbytkem chelatonu 3, ani delší dobou zahřívání. Ačkoliv tato metoda byla v minulosti hojně využívána, není tolik citlivá jako stanovení Cr(III) s chromazurolem-S a hodí se tedy spíše pro stanovení Cr(III) ve vzorcích obsahujících 0,4 až 10 mg.l-1. [29]
Stanovení Cr a Mn vedle sebe v aerosolech, metodou spektrofotometrickou Podstata stanovení: aerosol, případně prachové částice chromu a manganu se z ovzduší zachytí membránovým filtrem Synpor a získaný vzorek se společně s filtrem mineralizuje a oxiduje. Celkový obsah manganu se stanoví spektrofotometricky jako manganistan a celkový obsah chromu jako komplex s difenylkarbazidem rovněž spektrofotometricky. Železo se maskuje přídavkem kyseliny fosforečné. S ohledem na objem prosátého vzduchu se vypočítá koncentrace manganu a chromu v ovzduší. [30]
28
8.2.4. Optická emisní spektrometrie s indukčně vázaným plazmatem Tato metoda je založena na měření intenzity emitovaného záření, jež odpovídá přechodům tepelně excitovaných valenčních elektronů z vyšších energetických hladin na nižší na vybraných emisních čarách určitých vlnových délek po excitaci vzorku pomocí indukčně vázané plazmy. Plazma představuje značně nebo zcela ionizovaný plyn složený z atomů, iontů a volných elektronů. [22] Plazmový výboj je velmi účinným budícím zdrojem dosahujícím teplot 5 000 až 10 000 K. Dochází tedy snadno k vypařování aerosolu vzorku, disociaci, atomizaci a excitaci atomů a iontů prvků. Při následném přechodu valenčních elektronů na základní energetickou hladinu atomy prvků v plazmatu emitují záření v ultrafialové a viditelné oblasti, které prochází monochromátorem a dopadá na detektor, kterým je například diodové pole v plošném uspořádání. [22] ICP-OES se používá k rozborům vod, kalů, odpadů, metalurgických materiálů, skel, materiálů v průmyslu silikátů a keramiky a lze ji také využít ke zjišťování příměsí ve vzorcích s organickou matricí. [22]
8.2.5. Hmotnostní spektrometrie s buzením v indukčně vázaném plazmatu Základním principem této metody je ionizace prvků přítomných v argonovém indukčně vázaném plazmatu. Přenos iontů do hmotnostního analyzátoru se uskutečňuje za pomocí spojovacího článku (tzv. interface), jelikož ICP pracuje za atmosférického tlaku a hmotnostní analyzátor za nízkého tlaku. [22] Tento spojovací článek je tvořen dvěma konusy, mezi nimiž se tlak snižuje pomocí rotační vývěvy. Ionty jsou při průchodu skrz něj urychlovány tlakovým spádem. [22] Nejčastěji se používají dva typy spektrometrů: spektrometry s kvadrupolovým analyzátorem a spektrometry s velkým rozlišením. K detekci se používají elektronové násobiče. [22] Problémem při stanovení chromu jsou interference (spektrální, nebo-li izobarická, a nespektrální). K eliminaci spektrální interference se používá kombinace metody ICP-MS a DRC (dynamic reaction cell), kde se jako reakční plyn použije amoniak. K vyloučení druhého typu interference se používá indium jako vnitřní standard, který složí ke kompenzaci interferencí způsobených matricí. [22] ICP-MS je užívána k analýze stopového množství chromu v životním prostředí, případně i ke stanovení izotopového složení. [22]
29
8.2.6. Voltametrické stanovení Diferenční pulsní adsorpční katodická rozpouštěcí voltametrie vychází z klasické polarografie. Původní metoda je založena na sledování protékajícího proudu v závislosti na vloženém, plynule rostoucím napětí mezi pracovní a referenční elektrodou, které jsou umístěny v základním elektrolytu s depolarizátorem (vzorkem). [31] U diferenční pulsní voltametrie jsou na toto lineárně rostoucí napětí superponovány obdélníkové pulsy. Měří se rozdíl protékajícího proudu před pulsem a ke konci pulsu. Záznam tak místo polarografických vln poskytuje píky, kde výška píku je mírou kvality. Vlivem potlačení nabíjecího proudu vzroste detekční limit z 10-5 až na 10-8 a DPV je tak spolu s metodou square-wave nejcitlivější elektrochemickou metodou. Měří se vlastně protékající proud při redukci, či oxidaci na povrchu pracovní elektrody a sledovat opačný děj, tedy oxidaci respektive redukci, čímž se zvýší asi o tři řády citlivost metody. [31] Chrom je možno stanovit DPAdCSV po nahromadění na povrchu rtuťové kapkové elektrody ve formě chelátu. Nejvíce používaný je diethylentriaminpentaoctový komplex (DTPA), kdy trojmocný chrom poskytuje kyselinou diethylentriamin-N,N,N,,N,,,N,,pentaoctovou v pufrovém prostředí (pH = 6,1 – 6,2) komplex, který se sorbuje na pracovní rtuťové elektrodě při -1 000 mV proti nasycené argentochloridové elektrodě. Elektrochemické rozpouštění je prováděno katodickou polarizací od -1 000 do -1 400 mV s využitím katodického efektu dusičnanových iontů. [31]
8.2.7.
Metoda PIXE
Tato metoda využívá pro analýzu charakteristické Rentgenovo záření vznikající při bombardování vzorku urychlenými nabitými částicemi. Pro bombardování se v praxi používají převážně protony a pro urychlení částic se používají nejčastěji Van de Graffovy lineární urychlovače. [22] Od urychlovače je svazek částic veden do ozařovací komory pomocí iontovou, ve kterém je systém iontových čoček a clon, pomocí kterých se svazek částic upravuje na požadované parametry. [22] Celá soustava je evakuována na nízký tlak 10-4 až 10-5 Pa. V ozařovací komoře je umístěn detektor a nosič vzorků. Jako detektory se používají Si(Li) detektory, pro větší energie pak Ge(Li) detektory. [22] Největší uplatnění našla metoda při analýze aerosolů zachycených na filtrech. Detekční limit metody PIXE při analýze aerosolů zachycených na filtru pro chrom je 0,83 ng.ml-1. [22]
30
9.
MAXIMÁLNÍ PŘÍPUSTNÉ LIMITY A KONCENTRACE CHROMU VE SLOŽKÁCH ŽIVOTNÍHO PROSTŘEDÍ
9.1.
Chrom ve vodách
U většiny přírodních vod je obsah chromu řádově v desítkách µg.l-1. Za přirozené pozadí veškerého chromu a Cr(VI) v podzemních vodách se považují koncentrace od 1 µg.l-1 do 3 µg.l-1. V pitných vodách České republiky nejsou tyto koncentrace většinou překračovány. V plněných minerálních vodách se nacházejí koncentrace chromu v rozmezí od 0,1 µg.l-1 až do 3,4 µg.l-1, avšak zcela převažují vody s koncentrací pod 1 µg.l-1. V mořské vodě je koncentrace chromu velmi nízká, asi 0,02 µg.l-1 až 0,35 µg.l-1. Odpadní vody z kožedělného a textilního průmyslu mohou obsahovat chrom v jednotkách, nejvýše v desítkách mg.l-1. Ještě větší koncentrace se nacházejí v odpadních vodách z galvanického pokovování. [13] Toxicita chromu závisí na jeho oxidačním stupni. Toxicky působí na vodní flóru, faunu a živočichy zejména Cr(VI). Předpokládají se i karcinogenní účinky. Kromě toho ovlivňuje Cr(VI) chuť a barvu vody. Na chuť vody má nepříznivý vliv v koncentracích asi nad 1,0 mg.l-1 a na zbarvení vody v koncentracích asi nad 3 mg.l-1. [13] ČSN 75 7111 „Pitná voda“ připouští celkový chromu o koncentraci nejvýše 0,05 mg.l-1 (0,961 µmol.l-1). V kojenecké a stolní vodě je limit přísnější 0,025 mg.l-1 (0,481 µmol.l-1). Ve vodárenských tocích nemá koncentrace veškerého chromu přesáhnout 0,05 mg.l-1 a koncentrace Cr(VI) nejvýše 0,02 mg.l-1 (0,384 µmol.l-1 ). [13] V ostatních tocích se připouští koncentrace veškerého chromu nejvýše 0,3 mg.l-1 a Cr(VI) nejvýše 0,05 mg.l-1. Ve vodě určené pro chov ryb se doporučuje koncentrace Cr(VI) nižší než 0,05 mg.l-1 0,1 mg.l-1. Pro Cr(III) platí hodnoty 0,1, resp. 0,5 mg.l-1. Ve vodě vhodné pro závlahu je NPK veškerého chromu 0,2 mg.l-1 (0,846 µmol.l-1) dle ČSN 75 7143. [13] V odpadní vodě odváděné jednotnou a splaškovou kanalizací nemá koncentrace veškerého chromu překročit hodnotu 0,5 mg.l-1 a koncentrace šestimocného chromu hodnotu 0,1 mg.l-1. V dešťové kanalizaci se limituje pouze koncentrace veškerého chromu a to hodnotou 0,1 mg.l-1 (týká se pražského kanalizačního řádu). [13]
9.2.
Chrom v půdách
Indikační hodnota obsahu chromu, jakožto potenciálně rizikového stopového prvku v půdě (mg.kg-1 sušiny) v extraktu lučavkou královskou, je 300 mg.kg-1. Maximální přípustná koncentrace pro chrom v půdě je 100 mg.kg-1. [32]
31
II. Experimentální část Vzorky pro analytická stanovení byly odebrány z neutralizační stanice Chemické fakulty VUT v Brně dne 26. 3. 2009, a to ze čtyř různých míst: z odtoku, neutralizační nádrže, jímky č. 2 a jímky č. 1.
10.
POPIS NEUTRALIZAČNÍ STANICE
Páteř neutralizační stanice tvoří dvě podzemní betonové jímky, ve kterých dochází k akumulaci surových odpadních vod z jednotlivých výukových prostor (zejména laboratoří) fakulty. V těchto jímkách dochází k prvotní neutralizaci kyselých a zásaditých roztoků, které do jímek přitékají. Po určité době zdržení, která je dostatečná k sedimentaci vodou přinesených pevných částic a k odloučení solí, vzniklých při neutralizační reakci, je odpadní voda čerpána do vlastního reaktoru (užitečný objem 1 200 l), kde dochází k úpravě pH odpadní vody. Zneutralizovaná voda, upravená na požadovanou hodnotu pH (6 – 8,5), je automaticky vypouštěna z reaktoru neutralizace do kanalizace. Schéma neutralizační stanice je znázorněno na obrázku 4. [33]
Neutralizační nádrž
Odtok
Jímka 1 Jímka 2
Obrázek 4: Schéma neutralizační stanice (1 – neutralizační nádrž, 2 – zásobní nádrž roztoku hydroxidu sodného, 3 – zásobní nádrž kyseliny sírové, 4 – čerpadlo surové vody), převzato z [33]
32
11.
STANOVENÍ Cr(VI) METODOU SPEKTROFOTOMETRICKOU S DIFENYLKARBAZIDEM
Principy všech vybraných metod pro stanovení chromu byly již popsány výše, proto se budu v následujících kapitolách věnovat pouze problematice vlastního stanovení. Je nutno podotknout, že všechna analytická stanovení byla provedena ve stejný den, při stejné laboratorní teplotě a tlaku, s čerstvě odebranými vzorky (předcházejícího dne), přičemž každý vzorek byl stanoven třikrát, výsledky byly zprůměrňovány a byla vypočítána směrodatná odchylka. Pomůcky a přístroje: spektrofotometr Thermospectronic, odměrné baňky o objemu 50 a 100 ml, plastové zátky, pipety dělené (1, 2, 5 a 10 ml), střička, kyveta skleněná (2 kusy). Chemikálie: zásobní roztok dichromanu draselného, obsahující 100 µg chromu v 1 ml, vybarvovací činidlo (0,25% roztok difenylkarbazidu v etanolu, stabilizovaný anhydridem kyseliny ftalové), kyselina sírová (o c = 3 mol.l-1), destilovaná voda. Pracovní postup: Zásobní roztok chromu byl zředěn tak, aby množství Cr(VI) v 1 ml pracovního roztoku bylo 10 µg. Z připraveného zásobního roztoku bylo do 50-ti ml odměrných baněk potupně odpipetováno 0,75; 1,5; 2,25; 3 a 3,75 ml (kalibrační roztoky) a z každého ze čtyř odebraných vzorků odpadní vody z jímky bylo do 50-ti ml odměrných baněk odpipetováno 5 ml. Dále bylo do každé baňky přidáno 1,7 ml roztoku kyseliny sírové (o c = 3 mol.l-1), 0,5 ml činidla a obsah baněk byl doplněn destilovanou vodou po rysku. Stejným způsobem byl připraven i slepý vzorek. U prostředního kalibračního roztoku byla změřena absorbance při různých vlnových délkách a po vynesení závislosti absorbance na vlnové délce záření byla sestrojena absorpční křivka (viz obrázek 5). U takto připravených roztoků byla stanovena absorbance v maximu absorpčního pásu, tedy při vlnové délce 540 nm (viz obrázek 5) a po vynesení závislosti stanovené absorbance na koncentraci připravených roztoků, byla sestrojena kalibrační křivka (viz obrázek 6), dále byla použita funkce LINREGRESE pro zjištění odchylek směrnice a úseku kalibrační křivky (viz tabulka 2).
Tabulka 2: směrodatná odchylka kalibrační křivky Cr(VI) a
b
0,0103
-0,0012
∆a
∆b
0,0001
0,0014
33
Absorpční křivka Cr(VI) 0,050 0,045 0,040 0,035
A
0,030 0,025 0,020 0,015 0,010 0,005 0,000 445
465
485
505
525
545
565
585
605
35
40
λ (nm)
Obrázek 5: Absorpční křivka šestimocného chromu
Kalibrační křivka stanovení Cr(VI) 0,5 0,4
y = 0,0103x - 0,0012 2 R = 0,9999
0,4 0,3 A
0,3 0,2 0,2 0,1 0,1 0,0 0
5
10
15
20
25
µg Cr(VI)
Obrázek 6: Kalibrační křivka Cr(VI)
34
30
12.
STANOVENÍ Cr(III) METODOU SPEKTROFOTOMETRICKOU S CHROMAZUROLEM-S
Pomůcky a přístroje: spektrofotometr Thermospectronic, odměrné baňky o objemu 50, 100 a 250 ml, plastové zátky, skleněné kyvety (2 kusy), pipety dělené (2, 5 a 10 ml), plynový kahan, kádinka, azbestová síťka, střička. Chemikálie: zásobní roztok síranu chromito-draselného, obsahující 100 µg Cr(III) v 1 ml, 0,06% roztok chromazurolu-S ve vodě, methyloranž (0,1% roztok ve vodě), acetátový pufr (pH = 3,6), destilovaná voda. Pracovní postup: Zásobní roztok chromu byl zředěn tak, aby množství Cr(III) v 1 ml pracovního roztoku bylo 10 µg. Z připraveného pracovního roztoku bylo do 50-ti ml odměrných baněk potupně odpipetováno 0,4; 0,8; 1,2; 1,6 a 2 ml (kalibrační roztoky) a z každého ze čtyř odebraných vzorků odpadní vody z jímky bylo do 50-ti ml odměrných baněk odpipetováno 5 ml. Dále byly do každé baňky přidány 4 kapky methyloranže, 10 ml acetátového pufru, 2 ml činidla a 10 ml vody. Následně byly baňky ponořeny na 30 minut do vroucí vodní lázně a po ochlazení na laboratorní teplotu byl obsah baněk doplněn destilovanou vodou po rysku. Stejným způsobem byl připraven i slepý vzorek. U prostředního kalibračního roztoku byla změřena absorbance při různých vlnových délkách a po vynesení závislosti absorbance na vlnové délce záření byla sestrojena absorpční křivka (viz obrázek 7). U takto připravených roztoků byla stanovena absorbance v maximu absorpčního pásu, tedy při vlnové délce 570 nm (viz obrázek 7) a po vynesení závislosti stanovené absorbance na koncentraci připravených roztoků byla sestrojena kalibrační křivka (viz obrázek 8), dále byla opět použita funkce LINREGRESE pro zjištění odchylek směrnice a úseku kalibrační křivky (viz tabulka 3).
Tabulka 3: směrodatná odchylka kalibrační křivky Cr(III) a
b
0,0075
0,0008
∆a
∆b
0,0001
0,0006
35
Absorpční křivka Cr(III) 0,16 0,14 0,12
A
0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0 500
510
520
530
540
550
560
570
580
590
600
610
620
630
640
λ (nm)
Obrázek 7: Absorpční křivka trojmocného chromu
Kalibrační křivka stanovení Cr(III) 0,16
y = 0,0075x + 0,0008 2 R = 0,9998
0,14 0,12
A
0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0 0
2
4
6
8
10
12
14
µg Cr(III)
Obrázek 8: Kalibrační křivka Cr(III)
36
16
18
20
22
13.
STANOVENÍ CELKOVÉHO OBSAHU CHROMU METODOU FAAS
Pomůcky a přístroje: spektrometr SpectraA-30 od firmy Varian, výbojka s dutou katodou, obsahující chrom; odměrné baňky o objemu 50 ml, plastové zátky, pipety dělené (2, 5 a 10 ml), kádinka, střička. Chemikálie: zásobní roztok chromu o koncentraci 1 ± 0,002 g.l-1 (od firmy ANALYTIKA, s. r. o., Praha, Česká republika) ve vodě, okyselený HCl; destilovaná voda. Pracovní postup: ze zásobního roztoku chromu o koncentraci 1 ± 0,002 g.l-1 bylo do 50-ti ml odměrných baněk postupně odpipetováno 0,1; 0,2; 0,3; 0,4 a 0,5 ml tohoto roztoku a doplněním destilovanou po rysku, byly připraveny kalibrační roztoky. Po zapnutí a seřízení plamene acetylen – vzduch atomového absorpčního spektrometru byly postupně proměřovány absorbance roztoků o známé koncentraci, ze kterých byla sestrojena kalibrační křivka v příslušném počítačovém softwaru připojenému k přístroji (viz obrázek 9). Stejným způsobem byly analyzovány i vzorky odpadní vody.
Kalibrační křivka stanovení celkového chromu 0,35 0,3 0,25
A
0,2 0,15 0,1 0,05 0 0
2
4
6
8
10
-1
c Cr (mg.l )
Obrázek 9: Kalibrační křivka stanovení celkového obsahu chromu
37
14.
VÝSLEDKY A DISKUZE
Ve čtyřech odebraných vzorcích odpadní vody z chemické laboratoře byl vypočítán obsah trojmocného, šestimocného a celkového chromu na základě příslušných kalibračních křivek. Výsledky jsou uvedeny v tabulce 4 a 5. Příklad výpočtu koncentrace Cr(VI) ve vzorku odpadní vody č. 1: y = 0,0103x - 0,0012 x = (y + 0,0012)/0,0103 c (Cr) = (A + 0,0012)/0,0103 c (Cr) = (0,008 + 0,0012)/0,0103 c (Cr) = 0,8932 µg (v 5-ti ml) c (Cr) = 178,6408 µg.l-1 = 0,1786 mg.l-1 Tabulka 4: Výsledky spektrofotometrické analýzy ( x = ± s, pro n = 3) Vzorek číslo:
Obsah Cr(III)
Obsah Cr(VI)
Celkový obsah Cr
[mg.l-1]
[mg.l-1]
[mg.l-1]
1
0,00 ± 0,001
0,179 ± 0,015
0,195 ± 0,080
2
0,00 ± 0,001
0,897 ± 0,098
1,06 ± 0,093
3
0,859 ± 0,076
1,95 ± 0,100
2,99 ± 0,150
4
3,47 ± 0,130
3,62 ± 0,200
7,14 ± 0,400
Tabulka 5: Porovnání výsledků spektrofotometrické analýzy a FAAS ( x = ± s, pro n = 3) Vzorek číslo:
Cr(III) + Cr(VI)
1
0,179 ± 0,015
0,195 ± 0,080
2
0,897 ± 0,098
1,06 ± 0,093
3
2,80 ± 0,126
2,99 ± 0,150
4
7,09 ± 0,239
7,14 ± 0,400
-1
[mg.l ]
Celkový obsah Cr (FAAS) [mg.l-1]
Pozn. Vzorek č. 1 – výtok; Vzorek č. 2 – voda před neutralizací; Vzorek č. 3 – jímka 2; Vzorek č. 4 – jímka 1
38
Byly použity dvě různé metody stanovení veškerého chromu v odpadní vodě z neutralizační stanice Chemické fakulty VUT v Brně. Hodnoty obsahu celkového chromu ve vzorcích odpadní vody naměřené spektrofotometricky, jako součet obsahu trojmocného a šestimocného chromu, se shodují s hodnotami naměřenými plamenovou atomovou absorpční spektrometrií. Získané výsledky tedy můžeme považovat za věrohodné. Podrobnější statistické vyhodnocení chyb analytického stanovení nebylo předmětem této práce, jejíž výsledky poslouží jako základ pro další experimenty.
39
15.
ZÁVĚR
Pro ochranu zdraví obyvatel, hospodářských i divoce žijících zvířat a rostlin je velice důležité sledovat obsahy toxických a zdravotně závadných látek ve všech složkách životního prostředí. Chrom, jakožto jeden z toxických kovů ve své šestimocné formě, může mít velice negativní dopad na zdraví obyvatelstva, a proto jeho výskyt v životním prostředí nesmíme podceňovat. Předložená bakalářská práce má z velké části rešeržní charakter. Zabývá se především chromem a jeho sloučeninami, toxicitou jednotlivých forem chromu, možnostmi vstupu chromu do životního prostředí, chováním jednotlivých specií chromu ve vodě, půdě, ovzduší a způsobem, jakým mohou přecházet mezi těmito složkami životního prostředí. Dále jsou zde popsány postupy při odběru vzorku přírodních materiálů a metody stanovení jednotlivých forem chromu. V experimentální části byl stanoven Cr(III), Cr(VI) a obsah celkového chromu ve vzorcích odpadní vody odebraných z neutralizační stanice Chemické fakulty VUT v Brně dne 26. 3. 2009. Získané výsledky byly vzájemně porovnány a srovnány s nařízením vlády č. 61/2003 sb., které stanovuje ukazatele a hodnoty přípustného znečištění povrchových a odpadních vod, náležitosti a povolení k vypouštění odpadních vod do vod povrchových a do kanalizací. Toto nařízení vlády udává maximální přípustnou koncentraci celkového chromu v odpadních vodách z většiny průmyslových odvětví 0,5 mg.l-1. Obsah celkového chromu ve vzorku č. 1, tedy v předčištěné vodě, která je vypouštěna do kanalizace, je 0,195 ± 0,080 mg.l-1a je tedy v souladu s tímto nařízením. Vzhledem k tomu, že odpadní vody z chemických laboratoří při VUT v Brně jsou po předčištění vypouštěny do městského kanalizačního řádu a dále putují na čistírnu odpadních vod, nedochází zde k žádnému porušování zákonů České republiky, ani k nadměrnému zatěžování životního prostředí.
40
16.
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY
[1]
HAVRÁNKOVÁ, V., SPÁČIL, R., MANHART, J., LAUTNER, J., Informační pomůcka k problematice nebezpečných odpadů. MŽP, Odbor odpadů [online]. 2007 [cit. 2009-04-17]. Dostupný z WWW:
. KAFKA, Z., ČUDOVÁ, P. Stabilizace/solidifikace odpadů obsahujících těžké kovy. Chemické listy [online]. 2001, roč. 95, č. 7 [cit. 2009-02-15], s. 400-403. Dostupný z WWW: . ISSN 1213-7103. GREENWOOD N. N., EARNSHAW A. Chemie prvků. Sv. 2. Prof. Ing. František Jursík, CSc.. Praha : Informatorium, 1993. 1. vyd. s.794-1635. ISBN 80-85427-38-9. s. 1238-1263. Chrom a jeho sloučeniny (jako Cr). [on-line] [cit. 2009-02-11]. Dostupný z WWW: http://www.irz.cz/repository/latky/chrom_a_jeho_slouceniny.pdf KRAFT, M. Bindungsverhalten von Arsen, Cadmium, Chrom, Quecksilber, Nickel und Blei an schwerverdauliche Lebensmittel und Lebensmittelkomponenten in künstlichem Magen-Darm-Saft. Bochum: [s.n.], 1998. Chrom, s. 5-6. KŮSOVÁ, J. Toxicita chrómu a jeho sloučenin. Toxicology [online]. 2006 [cit. 200904-08]. Dostupný z WWW: . KAFKA, Z., PUNČOCHÁŘOVÁ, J. Těžké kovy v přírodě a jejich toxicita. Chemické listy [online]. 2002, roč. 96, č. 7 [cit. 2009-02-15], s. 611-617. Dostupný z WWW: . ISSN 1213-7103. BENEŠ, S. Obsahy a bilance prvků ve sférách životního prostředí: II. část. Praha: Ministerstvo zemědělství ČR, 1994. ISBN 80-7084-090-0. Chrom, s. 100-101. TICHÝ, M. Toxikologie pro chemiky. Praha : Karolinum, 2004. ISBN 80-246-0566-X. Prvky 6. vedlejší skupiny, s. 83-84. HORÁK, J., LINHART, I., KLUSOŇ, P. Úvod do toxikologie a ekologie pro chemiky. Praha : [s.n.], 2004. 188 s. ISBN 80-7080-548-X. RUSEK, Vlastimil. Základy toxikologie. Pardubice: Univerzita Pardubice, 2001. CAROLI, S. Element speciation in bioinorganic chemistry. New York : [s.n.], 1996. ISBN 0-471-57641-7. Case of chromium, s. 423-429. PITTER P., Hydrochemie /Praha. VŠCHT,1999. 2. vyd. 568 s. ISBN 8003005256. SUCHAROVÁ, J., SUCHARA, I. Biomonitoring of the atmospheric deposition of metals and sulphur compounds using moss analysis in the Czech Republic . Results of the international biomonitoring programme 1995. 1st edition. Vol. 1.. Pelhřimov : Nová tiskárna Pelhřimov, 1998. ISBN 80-901916-8-1. Chromium, s. 58-62. VOJTĚŠEK, M., MIKUŠKA, P., VEČEŘA, Z. Výskyt, zdroje a stanovení kovů v ovzduší. Chemické listy [online]. 2009, roč. 103, č. 2 [cit. 2009-02-15], s. 136-144. Dostupný z WWW: < http://www.chemicke-listy.cz/docs/full/2009_02_136-144.pdf BENEŠ, S. Obsahy a bilance prvků ve sférách životního prostředí: I. část. Praha: ministerstvo zemědělství ČR, 1993. Charakteristické vlastnosti rizikových prvků v půdách, s. 6-7.
[2]
[3]
[4] [5]
[6]
[7]
[8] [9] [10] [11] [12] [13] [14]
[15]
[16]
41
[17]
[18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32]
[33]
42
ZAPLETAL, M. Mokrá a suchá depozice. In Atmosférická depozice acidifikačních činitelů na území ČR. 1. vyd. Opava: Apro Bruntál, 1997. s. 42-49. ISBN 80-85879-68-9. ČURDOVÁ, E., KOPLÍK, R., MESTEK, O. Zásady správného vzorkování. In Odběry vzorků v terénu. Český Těšín : [s.n.], 1999. s. 16-20. ČÍŽEK, Z. Základní typy vod a specifita vzorkování. In Vzorkování a analýza kontaminovaných vod. Praha : [s.n.], 1997. s. 12-16. POPL, M. Analytická chemie životního prostředí. Praha : [s.n.], 1999. s. 96-99. Metody měření znečišťujících látek [online]. 2005-2008 [cit. 2009-02-06]. Dostupný z WWW: . DUCHOŇOVÁ, T. Chrom. Brno, 2002. 23 s. VUT v Brně. Vedoucí seminární práce není uveden. SNELL, F. D., et al. Encyclopedia of industrial chemical analysis : Casein to chromium. [s.l.] : Interscience puclishers, [198-?]. 709 s. ČERNOHORSKÝ, T., JANDERA P. Atomová spektroskopie: Univerzita Pardubice, 1997. SOMMER, L. Analytical absoptoin spectrophotometry in the visible and ultraviolet: The principles. Budapest : [s.n.], 1989. ISBN 963054752. s. 260-270. KLOUDA, P. Moderní analytické metody. 2. upr. vyd. Ostrava : Nakladatelství Pavel Klouda, 2003. ISBN 80-86369-07-2. Atomová spektrometrie, s. 64-70. SOMMER, L. Analytická spektrometrie. Praha : Státní pedagogické nakladatelství, 1986. s. 87-96. MALÁT, M. Extrakční spektrofotometrie kovů a nekovů. Sv. 41. Praha : SNTL nakladatelství technické literatury, 1988. Chrom, s. 132-133. MALÁT, M. Absorpční anorganická fotometrie. 1. vyd. Praha: Academia, 1973. Chrom, s. 582-585. VANĚČEK, M., WALDMAN, M. Návrh metod pro stanovení chemických škodlivin v ovzduší. Praha: [s.n.], 1984. s. 71-72. HOUSER, J. Využití chromu a jeho voltametrické stanovení v ŽP. Zlín, 2005. 40 s. Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně. Vedoucí disertační práce prof. Ing. Jan Kupec, CSc. Kritéria pro hodnocení kontaminace půd. [on-line] [cit. 2009-04-01]. Dostupný z WWW: . RUSNÍK, I. Provozní řád neutralizační stanice VUT – FCH v areálu Purkyňova 118 Brno: [s.n.], 1999. 9 s.
17.
SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ
Cr(III) – chrom v oxidačním stupni III Cr(VI) – chrom v oxidačním stupni VI PTFE – polytetrafluorethylen EDTA – kyselina ethylendiamintetraoctová SSSR – svaz sovětských socialistických republik UV – ultrafialová oblast spektra VIS – viditelná oblast spektra AAS – atomová absorpční spektrometrie FAAS – plamenová atomová absorpční spektrometrie ICP-OES – optická emisní spektrometrie s indukčně vázaným plazmatem ICP-MS – hmotnostní spektrometrie s buzením v indukčně vázaném plazmatu DRC – dynamic reaction cell DPAdCSV – diferenční pulsní adsorpční katodická rozpouštěcí voltametrie DPV – diferenční pulsní voltametrie PIXE – partikule-Induced X-Ray Emission NPK – nejvyšší přípustná koncentrace ČSN – česká státní norma VUT – Vysoké učení technické I – iontová síla c – látková koncentrace [mol.l-1] λ – vlnová délka [nm] t – teplota [°C] K – Kelvin V – Volt Pa – Pacsal a, ∆ a – směrnice kalibrační křivky a její směrodatná odchylka b, ∆ b – úsek kalibrační křivce a jeho směrodatná odchylka x – průměr hodnot s – směrodatná odchylka n – počet měření
43
