MASARYKOVA UNIVERZITA Přírodovědecká fakulta Ústav chemie
SEKVENČNÍ ANALÝZA FOREM RTUTI V PŮDÁCH, SEDIMENTECH A ODPADU Z TĚŽBY
Bakalářská práce
autor: Ondřej Zvěřina
Brno, květen 2008
Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci vypracoval samostatně a uvedl v seznamu literatury všechny použité zdroje.
V Brně dne 23.5.2008 Ondřej Zvěřina -2-
Chtěl bych poděkovat svému vedoucímu práce prof. RNDr. Josefu Komárkovi, DrSc. za odborné vedení a poskytnutí literatury.
Dále bych rád poděkoval odbornému konzultantovi Mgr. Rostislavovi Červenkovi za ochotnou pomoc a rady.
Také škole bych rád poděkoval za poskytnutí přístrojů i prostor k vykonávání praktické části.
-3-
Obsah 1.Úvod............................................................................................................................6 2.Teoretická část............................................................................................................7 2.1.Rtuť..................................................................................................................................8 2.1.1.Vlastnosti prvku.......................................................................................................8 2.1.2.Formy rtuti a jejich toxicita.....................................................................................8 2.1.3.Rtuť v životním prostředí.......................................................................................10 2.1.4.Biodostupnost rtuti pro rostliny............................................................................10 2.1.5.Transformace forem rtuti v prostředí....................................................................11 2.1.6.Využitelnost rtuti....................................................................................................12 2.2.Rtuť v půdách a sedimentech........................................................................................12 2.2.1.Koncentrace rtuti v půdách a sedimentech...........................................................12 2.3.Stanovení forem rtuti....................................................................................................13 2.3.1.Sběr a uchování vzorků..........................................................................................13 2.3.2.Izolace forem..........................................................................................................14 2.3.3.Speciační analýza dle Blooma a kol.......................................................................15 2.3.4.Proměření obsahu celkové Hg ve frakcích............................................................15 2.3.5.Vliv doby extrakce..................................................................................................16 2.3.6.Vliv poměru extraktantu k pevné látce.................................................................16 2.3.7.Extrakční otisky......................................................................................................17 2.4.Termická desorpční analýza.........................................................................................18 2.4.1.Termická stabilita forem rtuti................................................................................18 2.4.2.Ukázkové vyhodnocení termické analýzy.............................................................19 2.5.Metody stanovení rtuti.................................................................................................20 2.5.1.Atomová absorpční spektrometrie (AAS).............................................................20 2.5.2.AMA 254 (Termooxidační metoda)......................................................................20 2.5.3.Metoda studených par (CV-AAS)..........................................................................21 2.5.4.Princip metody......................................................................................................22
3.Experimentální část.................................................................................................24 3.1.Chemikálie.....................................................................................................................25 3.2.Charakteristika vzorků..................................................................................................26 3.3.Přístroje.........................................................................................................................27 -4-
3.3.1.Měření pomocí AAS s metodou studených par.....................................................27 3.3.2.Úprava vzorků.......................................................................................................28 3.3.3.Postup extrakcí......................................................................................................28 3.3.4.Výsledky.................................................................................................................29 3.3.5.Termická desorpce.................................................................................................31
4.Diskuse.....................................................................................................................32 5.Závěr.........................................................................................................................34 6.Použité zkratky.........................................................................................................35 7.Literatura..................................................................................................................36
-5-
1. ÚVOD Rtuť a její sloučeniny patří k nejnebezpečnějším polutantům životního prostředí. Může být nalezena ve všech složkách životního prostředí, potravinový řetězec nevyjímaje. Jde však o průmyslově dobře využitelný prvek a existuje proto mnoho možností její depozice do prostředí. Znalost jejího obsahu i forem je tedy velmi důležitá. Do organismu se dostává běžnými způsoby, například dýcháním nebo konzumací kontaminovaných potravin, zejména ryb. Poté je v těle akumulována a svojí přítomností ovlivňuje činnost enzymů a proteinů. Cílem této práce je prostudovat a vyhodnotit způsoby sekvenčního stanovení forem rtuti v půdách, sedimentech a odpadu z těžby.
-6-
2. TEORETICKÁ ČÁST
-7-
2.1. RTUŤ 2.1.1. Vlastnosti prvku Rtuť (Hg – hydrargium) je jediný kov, který je za normálních podmínek tekutý (teplota tání činí –38.83ºC). Je toxická, má stříbrolesklou barvu a dobře vede elektrický proud. Dva valenční elektrony jsou v d-vrstvě a ve sloučeninách nabývá oxidačních stavů Hg+I a Hg+II. V
zemské
kůře
je
zastoupena poměrně
vzácně,
průměrný
obsah
činí
cca 0,1 – 0,3 mg.kg-1. Hlavním minerálem vyskytujícím se v přírodě je sulfid rtuťnatý HgS, neboli rumělka [7].
2.1.2. Formy rtuti a jejich toxicita Toxicita rtuti je závislá na konkrétní formě prvku a je značně ovlivněna její mobilitou. Její vztah k živým organismům je však jednoznačně negativní. Jedná se o kumulativní jed a z organismu se vylučuje jen velmi pozvolna. Při jednorázové otravě se dostavují bolesti, křeče a zvracení, chronická se pak projevuje neurologickými i psychickými potížemi, kandidózou nebo revmatem. Formy rtuti je pro znázornění toxicity vhodné dělit na organické a anorganické a na rozpustné a nerozpustné (tab.1) Tabulka 1: Dělení forem rtuti
celková Hg mobilní a toxická Hg organické formy
rozpustné anorganické formy
specie obsahující Hg chlorid methylrtuti chlorid ethylrtuti chlorid fenylrtuti HgCl2 Hg(OH)2 Hg(NO 3 )2
neextrahovatelná Hg
Semi-mobilní Hg
nemobilní Hg -8* tyto komplexy mohou být obsaženy v obou frakcích
HgSO 4 HgO Hg(II) komplexy* elementární rtuť Hg nebo Hg-M (amalgám) Hg(II) komplexy* Hg2 Cl2 (menší množství) Hg 2 Cl2 (větší množství) HgS HgSe
Mobilní organické sloučeniny rtuti jsou pro toxicitu vzorku zásadní. Jsou schopny pronikat do organismu i pouhým stykem s pokožkou. MeHg (methylrtuť) je z nich, vzhledem k svojí významné rozpustnosti v tucích, škodlivá nejvíce. Je velmi dobře absorbována ve střevech. Vylučovaná je až po 70 dní žlučí a výkaly. Toxická je pro lidi i živočichy – proto se využívaly sloučeniny Hg(II) pro hubení hlodavců. V organismu vytváří pevné vazby s atomy síry v proteinech a enzymech, čímž narušuje jejich funkce. Poškození mohou být vratná i trvalá. Zasažena v tomto případě bývá mozková kůra. Postupně se dostavuje únava, zapomnětlivost, třas a smyslové poruchy. Hlavním zdrojem rtuti pro člověka je konzumace slano- i sladkovodních ryb a rostlin. Rtuť je koncentrována především ve vnitřnostech (ledviny a játra). Pro dospělého člověka je smrtelná dávka až 200 mg [1], u prenatálních dětí je však tato hodnota mnohem nižší (prozatím nestanovena neškodná dávka) a tak se v některých státech těhotným ženám nedoporučuje konzumace ryb. MeHg tvoří 0,1-1,5% celkové rtuti v sedimentech a asi 2% v mořské vodě. Rozpustné anorganické formy zastupuje Hg(II), např. jako HgCl2. Bylo prokázáno, že tato forma podléhá methylaci mikroorganismy na methylrtuť a dimethylrtuť. K tomuto dochází především v půdách a sedimentech, a to jak za aerobních, tak anaerobních podmínek v neutrálním až kyselém pH. Ovlivňujícími faktory jsou teplota a koncentrace sulfidů. Odborníci se shodují na tom, že methylace je hlavním zdrojem methylrtuti ve vodních ekosystémech. Anorganické formy nejsou zdaleka tak nebezpečné jako organické. Symptomy otravy nastávají až při mnohem vyšších koncentracích. V těle se usazují v játrech, slezině a ledvinách, které jsou chronickou otravou ohroženy nejvíce. Elementární rtuť je naopak díky své minimální rozpustnosti téměř neškodná. Škodlivé jsou její páry, které se však důsledkem vysoké teploty varu (357 °C) uvolňují velmi pozvolna. Při vdechování vyvolávají záněty citlivých tkání dýchacího ústrojí. Dosud nebyla nalezena účinná protilátka, schopná odstranit rtuť z organismu, a tak silnější otravy končívají často smrtí. Z organismu se vylučuje velmi dlouho a to močí, stolicí, potem a nalezena byla i v mléce kojících žen [8].
-9-
2.1.3. Rtuť v životním prostředí Elementární a anorganická dvojmocná rtuť se v přírodě vyskytuje jen vzácně. Jejím obvyklejším zdrojem je antropogenní činnost. Přibližně 80% rtuti uvolňované lidskou činností je emitováno do vzduchu ve formě kovové rtuti. Bývá uvolňována při spalování uhlí a jiných fosilních paliv. Dalších 15% pochází z fungicidů, hnojiv a komunálního odpadu a zbylých 5% připadá na průmyslové odpadní vody. Jejími přirozenými zdroji jsou sopečné erupce a zvětrávání půdy. Celkové množství rtuti ročně uvolněné do atmosféry se odhaduje přibližně na 150 000 tun [3]. Vzhledem k vysoké těkavosti mohou být specie rtuti transportovány na dlouhé vzdálenosti. Jsou přenášeny atmosférou a vodou, následně ukládány v půdě, sedimentech i mikroorganismech. Tam jsou předmětem dalších transformací, například zmíněné anorganické Hg+II na methylrtuť. Některé cesty transportu rtuti znázorňuje obrázek:
Obr. 1: Některé cesty transportu rtuti v prostředí [1]
2.1.4. Biodostupnost rtuti pro rostliny Rostliny získávají výživu (spolu s případnými toxickými látkami) z půdního roztoku, jehož složení zatím nebylo dostatečně popsáno. Jsou v něm obsaženy kationty vápníku, hořčíku, sodíku a draslíku v koncentracích 2-3 mmol.l-1 a společně s nimi i kationty těžkých kovů. Biologický efekt daného prvku určuje jeho chemická forma v půdním roztoku. Povětšinou jsou vázány v komplexech, někdy navíc ve formě iontových - 10 -
párů. Rostlinou přijaté kationty jsou v roztoku nahrazeny H+ ionty, které jsou kořeny uvolňovány. Dochází k ustálení rovnovážného stavu. Kationtovou výměnu lze podpořit přídavkem velkého množství kationtu – např. přídavkem umělých hnojiv.
Obr. 2: Výměna kationtů mezi kořeny, půdním roztokem a půdním koloidem: (a) počáteční stav, (b) příjem základních kationtů kořenem a uvolnění H+ iontů z kořene, (c) ustavení nové rovnováhy mezi rozpuštěnými a vyměnitelnými kationty [4]
2.1.5. Transformace forem rtuti v prostředí Rozdělení rtuti v půdách a sedimentech je dynamické a je předmětem změny v závislosti na podmínkách prostředí. Ty zahrnují fyzikální a chemické faktory, hlavně pak mikrobiální populaci a aktivitu. Například bylo zaznamenáno, že nerozpustný HgS se stává rozpustným ve formě vodných komplexů se sulfidem, je-li akumulován v dostatečné koncentraci díky sulfátové redukci zprostředkované sulfát-redukující bakterií [5].
- 11 -
2.1.6. Využitelnost rtuti Rtuť nachází uplatnění ve formě slitin s jinými kovy (Au, Ag, Cu, Zn, Cd, Na), tzv. amalgámů. Běžně se setkáváme s dentálními amalgámy – odolné výplni zubu pro odstranění zubního kazu. V současné době je tendence nahrazovat je plastickými polymery, avšak mechanické vlastnosti amalgámů stále zůstávají nepřekonány. Uplatnění nachází i při těžbě zlata. Podrcená zlatá ruda je mísena se rtutí a zlato prakticky kvantitativně přechází do kapalného amalgámu, ze kterého se znovu získá odpařením rtuti. Problémem je však velká kontaminace prostředí, jelikož hlušinu není možné rtuti plně zbavit. Malé elektrické články obsahující rtuť se často používají např. v naslouchacích přístrojích, kamerách, hračkách, malých přenosných radiopřijímačích, kalkulačkách, měřících přístrojích, detektorech kouře a radiomikrofonech. Ve farmacii je mimo zmíněných zubních amalgámů využívána jako aktivní složka antiseptik a dermatologických přípravků, dále v elektrochemickém (výbojky) a polymerním průmyslu a při výrobě barviv.
2.2. RTUŤ V PŮDÁCH A SEDIMENTECH 2.2.1. Koncentrace rtuti v půdách a sedimentech Běžně se obsah celkové rtuti v nekontaminovaných půdách pohybuje kolem 0,02-0,2 mg.kg-1. Obsahy rtuti v kontaminovaných půdách mohou být podstatně vyšší (tab. 2), například v ostravském regionu obsahují půdy až 9,5 mg.kg-1 rtuti [4].
- 12 -
materiál
obsah rtuti
střední obsah Hg v půdách
0,02 – 0,2 mg.kg-1
lehké půdy
0,05 – 0,2 mg.kg-1
střední půdy
0,2 – 1 mg.kg-1
těžké půdy
1 – 20 mg.kg-1
půda s přídavkem odpadního kalu
5,0 mg.kg-1
půdní roztok
< 0,01 mg.l-1
sedimenty
0,15 – 1,50 mg.kg-1
skládky, komposty, domovní odpad
0,3 – 14 mg.kg-1
zemědělské kultury - nekontaminované
0,005 – 0,07 mg.kg-1
zemědělské kultury - kontaminované
0,3 – 0,5 mg.kg-1
spodní vody nekontaminované
0,01 – 45 μg.l-1
Tabulka 2: Obsah rtuti v půdách a jiných materiálech [4]
2.3. STANOVENÍ FOREM RTUTI Samotné stanovení celkového obsahu rtuti neposkytuje žádné informace o její biodostupnosti nebo o interakcích se sedimenty a půdami. Určení forem je tedy nepostradatelné k poznání toxicity rtuti pro organismy a pochopení jejího transportu v prostředí. Speciační analýza je postup mající za cíl rozlišit a stanovit jednotlivé formy ve vzorku. Součet koncentrací jednotlivých forem pak znamená celkovou koncentraci [10]. Rozbor vzorku na obsah forem rtuti probíhá v několika krocích: •
sběr vzorků a jejich uchování
•
izolace specií ze vzorku
•
proměření obsahu jednotlivých forem Hg ve frakcích
2.3.1. Sběr a uchování vzorků Pokud nelze vzorky analyzovat čerstvé, brzy po odběru, je třeba je uskladnit. V praxi se půdy a sedimenty skladují v temnu a za nízkých teplot, popř. lyofilizované. Názory na rozdíly v analýze čerstvých a uchovaných vzorků se mírně rozcházejí. Některé studie referují lepší výsledky (mírně vyšší výtěžnost, obzvláště pro methylrtuť) u lyofilizovaných vzorků. Otázkou však je, jaké změny forem to způsobí [6] [9].
- 13 -
2.3.2. Izolace forem Ke stanovení analytu je třeba jeho izolování ze vzorku, tedy uvolnění z matrice a úprava na detekovatelnou koncentraci. Žádoucí je kvantitativní extrakce a zamezení možným přeměnám forem. Způsob je závislý na konkrétním případu, na formě analytu i na typu matrice. V praxi se hojně využívá extrakce do kapalin – organických nebo anorganických rozpouštědel nebo destilace. Často používaným postupem k rozdělení forem těžkých kovů do frakcí je sekvenční extrakce podle Tessiera. Vzorek je postupně extrahován pěti činidly a vznikají tak následující frakce: 1. iontově vyměnitelný podíl (KNO3), 2. podíl vázaný na uhličitany (KHF2), 3. podíl vázaný na oxidy Mn a Fe (EDTA), 4. podíl vázaný na organické látky (Na4P2O7 . 10 H2O), 5. zbytkový podíl, vázaný v silikátové matrici, sulfidy (HNO3) Využívá se k extrakci půd, sedimentů a popílků. Obsahy forem rtuti ve frakcích jsou měřeny instrumentálními metodami jako AAS, ICP-AES nebo ICP-MS [11]. Lechler a kol. využívali ke stanovení Hg0 pyrolýzu při 180 °C a následné proměření úbytku celkové Hg. V sekvenčních extrakcích potom používali MgCl2 pro vyměnitelnou rtuť, HCl pro silně vázanou, směs NaOH a CH3COOH pro organicky vázanou rtuť a lučavku královskou pro reziduální rtuť a HgS [12]. Bombach a kol. provedli speciační analýzu rtuti v půdách a říčním sedimentu pomocí tepelného vypařování. Ze vzorku říčního sedimentu a půdy uvolnili Hg(NO3)2, HgCl2, HgO, HgSO4, HgS a Hg(CH3COO)2 při teplotách do 400 °C, tzn. bez rozkladu organické hmoty. Dosažené výsledky se shodovaly s certifikovanými hodnotami referenčních materiálů [11]. Di Giuliu a Ryan [12] dělili vzorek na následující frakce: –
rozpustná Hg (deionizovaná voda)
–
vyměnitelná Hg (octan amonný)
–
huminová Hg (amoniak)
- 14 -
–
organická a sulfidická Hg (kyselina dusičná + peroxid)
–
reziduální Hg (kyselina sírová a dusičná).
Revis a kol. [12] pyrolýzou při 150 °C stanovovali podle úbytku celkového obsahu rtuti Hg0 a sekvenční extrakcí extrahovali ze vzorku anorganickou rtuť kyselinou dusičnou a HgS sulfidem sodným. Celkový obsah rtuti určili výluhem ve směsi kyseliny dusičné a sírové. 2.3.3. Speciační analýza dle Blooma a kol. Extrakce podle Blooma rozdělí Hg sloučeniny pěti extrakčními roztoky do skupin: F1: ve vodě rozpustné sloučeniny rtuti (H2O) obsahuje: HgCl2, HgO, HgSO4 F2: v žaludeční kyselině rozpustné formy (HCl + CH3COOH) obsahuje: HgO, HgSO4, HgAu F3: organicky vázaná rtuť (KOH) obsahuje: Hg-půdní, CH3Hg F4: elementární rtuť (HNO3) obsahuje: Hg0 F5: reziduální rtuť (HCl + HNO3) HgS, HgSe, m-HgS Pro analýzu je navážka vzorku ve zkumavce extrahována postupně všemi extrakčními roztoky. Po ukončení každého kroku je obsah zkumavky centrifugován a zdekantován. Po promytí vzorku pomocí destilované vody je přidán další extrakční roztok. Ve frakcích je pak měřen obsah celkové rtuti spektrometricky.
2.3.4. Proměření obsahu celkové Hg ve frakcích V extrahovaných frakcích bývá ke stanovení obsahu rtuti využíváno především spektroskopických metod. V pevných zbytcích je možno využít AAS s dávkováním pevných vzorků – např. analyzátor AMA 254. V kapalných již mimo zmíněného AMA 254 i AAS spojené s metodou studených par (CV). Stanovení rtuti metodou studených par je možné díky vhodné tenzi rtuťových par. Metodu studených par je možno spojit i s atomovou fluorescenční spektrometrií (CVAFS). - 15 -
2.3.5. Vliv doby extrakce Extrakční účinnost je ovlivněna řadou faktorů jako doba extrakce, poměr frakcí při extrakci aj. Pro sledování vlivu doby extrakce byly využity čisté sloučeniny rtuti vpravené do kaolinu, přírodní vzorky a certifikované materiály (CRM) za využití zmíněných extrakčních postupů podle Blooma. Byly testovány extrakční doby od 1 až po 48 h (Obr 3).
Obr. 3: Obsahy rtuti extrahované extrakčním roztokem z hlušiny zlatého dolu (celkový obsah. 141 μg/g Hg) [5]. U všech vzorků byly získány podobné výsledky jako na obr. 3. Z něho plyne, že mezi 16 a 48 hodinou se rozdílnost průměrných koncentrací pohybovala mezi 2 až 11 %. Na základě těchto měření vybrali autoři extrakční dobu 18 h.
2.3.6. Vliv poměru extraktantu k pevné látce Byla zkoumána závislost účinnosti extrakce na poměru hmotnosti pevné látky ku objemu extrakčního roztoku. Zkoušky byly provedeny na několika matricích i extrakčních činidlech (Obr. 4). Teoreticky je nejvýhodnější použít nejmenší poměr pro plné vyluhování každé formy (z úsporných i praktických důvodů). V praxi je tento poměr limitován heterogenitou a dalšími vlivy.
- 16 -
Autoři doporučují extrakční poměr 100:1 [5].
Obr. 4: Závislost množství rtuti vyluhované z hlušiny zlatého dolu (celkový obsah 141 μg/l) na poměru extrakčního činidla (Vext) k hmotnosti pevné látky (mvz) [5].
2.3.7. Extrakční otisky Rozpustnost specií rtuti v extrakčních činidlech je různá. Proto byla sledována extrahovatelnost různých forem. 10 čistých sloučenin (HgSe, HgS, m-HgS, HgAu, HgO, HgSO4, HgCl2, Hg0, Hg2Cl2, huminová Hg, CH3Hg) dispergovaných v práškovém kaolinu bylo extrahováno různými roztoky k určení „extrakčních otisků“ (obr. 5). Jak se dalo očekávat, sloučeniny s velmi malou rozpustností, jako rumělka a metarumělka, nebyly znatelně vylouženy v žádném roztoku. Plně ale byly rozpuštěny lučavkou královskou. Podobné chování bylo očekáváno pro Au-Hg amalgam, ačkoli způsob zavedení Hg do zlata může způsobit, že zůstává na povrchu a nemůže být jednoduše vyloužen. Pro vyřešení tohoto rozporu bude nutný další výzkum přírodních amalgámů. Sloučeniny s relativně vysokou rozpustností ve vodě (HgCl2, HgSO4, HgO) byly vyloučené v F1+F2 frakcích. Elementární rtuť se objevovala v koncentracích až 20 μg.g-1 ve frakcích F1-F3 a v lučavce v koncentraci 5 μg.g-1. Pravděpodobně je to kvůli její rozpustnosti ve vodě (50 μg.l-1). Při vyšších koncentracích se všechna zbývající Hg0 objevuje ve frakci kyseliny - 17 -
dusičné. Vyšší podíl rtuti v F4 může indikovat vysoký obsah elementární rtuti ve vzorku. Rtuť s huminovým původem a Hg2Cl2 se objevuje hojně ve frakci F3. S výjimkou anorganických materiálů a průmyslových produktů (kalomel), nebyl Hg2Cl2 očekáván ve znatelném množství v přírodních vzorcích, takže vysoký Hg obsah v F3 frakci byl interpretován jako organo-chelatovaná Hg(II). Vzorky s vysokým humusovým obsahem běžně mají vysoký výskyt Hg v F3, a typickou barvu extraktantu tmavě hnědou. Navíc, Hg spojená s živou a mrtvou biokulturou je převážně ve frakci F3 jak bylo dokázáno pomocnými experimenty ve kterých 80% Hg v biologické tkání (játra máčky skvrnité) bylo extrahováno v F3 [5].
Obr. 5: Rozložení sloučenin v jednotlivých frakcích [5]
2.4. TERMICKÁ DESORPČNÍ ANALÝZA 2.4.1. Termická stabilita forem rtuti Různé Hg formy se uvolňují za různých teplot (tab. 3) a termická desorpční analýza může poskytnout informace o jejich přítomnosti. Při zahřívání vzorku na určitou teplotu po určitou dobu se uvolní určité množství forem rtuti [6].
- 18 -
Tabulka 3: Teploty uvolnění rtuti pro různé její formy [6] Forma rtuti
Teplota uvolnění [°C]
Hg0
< 150
Hg2Cl2
170
HgCl2
220 - 250
HgS
300 - 400
organicky vázaná Hg
200 - 300
Předpokládá se, že desorpce při teplotě do 180 °C uvolňuje primárně Hg0 a Hg2Cl2 a pravděpodobně i malou část dalších forem jako HgCl2, Hg(NO3)2 a HgO.
2.4.2. Ukázkové vyhodnocení termické analýzy Zkoumaná oblast - rezervace Oak Ridge (ORR), zvláště pak v oblastech okolo zbrojařského komplexu Y-12, byla těžce kontaminována rtutí. V 50. a 60. letech bylo uvolněno odhadem 108,000-212,000 kg rtuti do pramenů místní řeky během produkce Li obohaceného o 6Li v Y-12 závodu, což mělo za následek těžkou kontaminaci okolí. V této oblasti bylo provedeno stanovení obsahu rtuti, jejích forem, mobility a biodostupnosti. Bylo shledáno, že okolní půdy obsahují rtuť v koncentracích až 300 mg.kg-1 v kombinaci různých fyzikálně-chemických forem jako Hg0, rozpuštěná iontová Hg, jemné Hg částečky nanesené na suspendovaný materiál, oxidy rtuti, Hg kovalentně vázaná na organický materiál a sulfid rtuťnatý.
Obr. 6: Obsahy rtuti po úpravě vzorku za různých teplot [6] Ačkoli zkoumané prostředí bylo původně kontaminováno elementární rtutí Hg0, postupem času se přeměňovala na jiné formy. - 19 -
Při teplotách do 180 °C se odpařilo přibližně 10-30% celkové Hg. Tato byla vyhodnocena jako Hg0 a další lehce těkavé formy. Hodnota byla srovnatelná s F4 frakcí (asi 20-30%) získanou Bloomovou sekvenční extrakcí, kterou autoři studie prováděli jako srovnávací analýzu. Minimum rtuti uvolněné z půdy při 120 °C indikovalo její relativní teplotní stabilitu a neochotu odpařovat se za přirozených podmínek. Teploty vyšší než 180 °C nebyly testovány, protože studie byla zaměřena na Hg formy s vysokou mobilitou a těkavostí v přirozeném prostředí [6].
2.5. METODY STANOVENÍ RTUTI 2.5.1. Atomová absorpční spektrometrie (AAS) AAS je spektrometrická analytická metoda. Slouží ke stanovení obsahu více než 60 prvků (převážně kovových) od stopových až po významné koncentrace. Atomy prvku v plynném stavu po dodání energie v podobě elektromagnetického záření přecházejí na vyšší energetickou hladinu. Úbytek záření způsobený zachycením vzorkem je pak měřen. Rtuť je možno stanovit různými AAS technikami, mezi ně patří např. plamenová AAS, AAS s elektrotermickou atomizací, termooxidační metoda a metoda studených par (CVAAS). Absorpční maximum rtuti je na rezonanční čáře 253,7 nm.
2.5.2. AMA 254 (Termooxidační metoda) ADVANCED MERCURY ANALYSER AMA 254 je jednoúčelový atomový absorpční spektrofotometr pro stanovení rtuti. Je určen pro přímé stanovení obsahu rtuti v pevných a kapalných vzorcích bez potřeby chemické předúpravy vzorku (mineralizace apod.). Využitím techniky generování par kovové rtuti s následným zachycením a nabohacením na zlatém amalgamátoru se dosahuje mimořádně vysoké citlivosti stanovení a nezávislosti výsledku stanovení na matrici vzorku. Na spalovací lodičku je umístěn přesný objem nebo navážka vzorku a pokynem z řídícího počítače je lodička zavedena do spalovací trubice. Ze vzorku je řízeným ohřevem uvolněna veškerá rtuť (v případě hořlavosti je spálen). Produkty rozkladu jsou oxidovány vedením přes katalyzátor, kde jsou i zbaveny částic kyselé povahy. Na amalgamátoru je následně selektivně zachycena rtuť. Kondenzaci vody - 20 -
je zabráněno vyhříváním celé plynové cesty až po výstup na 120 °C. Když je rozklad vzorku dokončen a teplota stabilizována, je měřeno zachycené množství rtuti. Krátkým ohřátím je rtuť z amalgamátoru uvolněna. Oblak jejích par je nosným plynem unášen přes delší měřící kyvetu – pík 1. Po shromáždění rtuti ve zpožďovací nádobce (minimum mezi píky) je vedena do další, kratší měřící kyvety. Dochází tedy vždy k měření ve dvou rozsazích, v poměru 15:1. Celkový dynamický rozsah činí 0,05 - 600 ng Hg. Po měření chladicí čerpadlo obstará ochlazení amalgamátoru, což umožňuje provádět další měření bez prodlevy [2].
Obr. 7: Schéma analyzátoru využívajícího termooxidační rozklad vzorku
2.5.3. Metoda studených par (CV-AAS) Metoda studených par využívá klasickou detekci atomovým absorpčním spektrometrem, spojenou s vyvíjením a přívodem studených par rtuti vyredukované ze vzorku. Je uplatnitelná jen pro rtuť, vzhledem k vysoké tenzi jejích par (0,16 Pa při 20 °C). Formy rtuti jsou v kyselém prostředí redukovány na elementární monoatomickou rtuť a vedeny v uzavřeném okruhu do měřící kyvety, kterou prochází záření [10].
- 21 -
2.5.4. Princip metody Veškerá rtuť ve vzorku je převedena na Hg2+, což se nejčastěji provádí mineralizací vzorku pomocí roztoku KMnO4 nebo K2Cr2O7 v H2SO4. Nadbytek KMnO4 se následně odstraní přídavkem hydroxylaminu do odbarvení roztoku. Rtuť je poté redukována chloridem cínatým a lahev připojena do okruhu. Monoatomické páry rtuti jsou nosným plynem unášeny a v soustavě cirkulují (obr. 8). Absorbance tedy nabývá konstantní hodnoty. Vodní pára s případnými kapičkami vody je odstraněna vysoušedlem. Jde většinou o chloristan hořečnatý, silikagel nebo kyselinu sírovou. Vysoušedlo je umístěno v trubici, kterou páry prochází. Při měření vzorků o nízkých koncentracích je možno využít zakoncentrování amalgamací na pozlacené křemelině, asbestu, Au, Ag, Pd nebo Pt. Po určité době zachytávání par při teplotě cca do 100°C dochází k uvolnění rychlým ohřevem na 300-600°C podle použitého materiálu. Po ukončení měření jsou páry zachyceny dalším amalgamátorem, aby nedocházelo ke kontaminaci prostředí. Mezi výhody AAS s generováním studených par patří především vysoká citlivost. Metoda se nepotýká se spektrálními interferencemi. Analýzy probíhají rychle a jsou jednoduché na provedení [10].
- 22 -
Obr. 8: Schéma AAS s metodou studených par [10]
- 23 -
3. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST
- 24 -
3.1. CHEMIKÁLIE Kalibrační
roztoky
byly
připraveny
ředěním
standardního
roztoku
rtuti
(1 g.l-1, Český metrologický institut, Analytika spol.s.r.o., Česká republika) na koncentrace od 1 do 20 μg.l-1. V metodě studených par byl využit chloristan hořečnatý (čistota >98%, Fluka), kyselina sírová (p.a., 98%, Merck), dichroman draselný (čistota >99%, Merck), hydroxylaminhydrochlorid (čistota >99%, Fluka) a manganistan draselný (čistota>99%, Fluka). Jako certifikovaný referenční materiál pro celkový výluh byl použit ERM CC580 (IRMM, Belgie). K přípravě extrakčních i ostatních roztoků byly využity tyto chemikálie: –
kyselina chlorovodíková: p.a., 37%, Fluka
–
kyselina octová: p.a., 30%, Merck
–
hydroxid draselný: čistota >86%, Fluka
–
kyselina dusičná: p.a., 65%, Merck
–
chlorid sodný: pevný, p.a., Fluka
Jako extrakční roztoky byly použity pro: frakci F1:
Destilovaná voda
frakci F2:
0,1 M CH3COOH + 0,01 M HCl 500 ml odměrná baňka byla naplněna do poloviny destilovanou vodou, přidáno 0,4 ml kyseliny chlorovodíkové a 3 ml ledové kyseliny octové. Baňka byla doplněna po rysku vodou.
frakci F3:
1 M KOH V 500 ml odměrné baňce do poloviny naplněné vodou bylo rozpuštěno 33 g hydroxidu draselného a baňka doplněna po rysku vodou.
frakci F4:
12 M HNO3 250 ml odměrná baňka s 41 ml vody byla dolita koncentrovanou kyselinou dusičnou po rysku.
celkový výluh: 6 M HCl v 0,5 M NaCl 5,8 g NaCl bylo rozpuštěno ve vodě, doplněno na 100 ml a po vpravení do 200 ml odměrné baňky doplněno po rysku kys. chlorovodíkovou.
- 25 -
3.2. CHARAKTERISTIKA VZORKŮ Vzorky pro analýzu byly odpady z lokalit pro těžbu zlata. Byly dodány vysušené o velikosti zrn do 2 mm. lokalita/vzorek
materiál
stáří odpadů
technologické zpracování
s obsahem Fe sulfidů
1 – 2 roky
mletí v kolovém mlýnu, amalgamace pomleté rudy
2/1
Au křemenné žíly
70 – 80 let
mletí, amalgamace, historická úpravna
2/2
Au křemenné žíly
70 – 80 let
mletí, amalgamace, historická úpravna
3
Au křemenné žíly
4 – 6 let
mletí, amalgamace, možná kyanizace
4/1
Au křemenné žíly
2- 4 roky
mletí, amalgamace
4/2
Au křemenné žíly
2- 4 roky
mletí, amalgamace, odpady uloženy v kyanizační jímce
do 1 roku
mletí v kolovém mlýnu, amalgamace pomleté rudy
Au křemenné žíly 1
5
Au křemenné žíly, stopově PbZn sulfidy Au křemenné žíly
6/1
s Fe, méně Cu sulfidy
5 let
mletí, amalgamace, odpady uloženy v kyanizační jímce
5 let
mletí, amalgamace, možná kyanizace
Au křemenné žíly 6/2
s Fe, méně Cu sulfidy Au křemenné žíly
7
8
9
10
11
částečně limonitizovaná Au křemenné žilníky s Fe méně Cu sulfidy Au křemenné žilníky s Fe sulfidy Au křemenné žilníky s Fe sulfidy Au křemenné žilníky s Fe sulfidy
4 roky
do 10 let
semiprůmyslová gravitační, amalgamační, flotační a možná kyanizační úprava mletí v kolovém mlýnu, amalgamace pomleté rudy
70 – 80 let
mletí, amalgamace, historická úpravna
max. 3 roky
mletí v kolovém mlýnu, amalgamace pomleté rudy, možná kyanizace
max. 3 roky
mletí v kolovém mlýnu, amalgamace pomleté rudy, možná kyanizace
- 26 -
3.3. PŘÍSTROJE K mletí vzorku byl použit kulový mlýn Fritsch Puluerisette 7. Extrakce probíhaly na vratné třepačce GFL 3006. Vzorky byly odstřeďovány na centrifuze Hettich EBA 20. Kapalné vzorky byly dávkovány mikropipetami Eppendorf. K navažování byly použity analytické váhy Mettler Toledo AB104-S. Termické odpařování a sušení vzorků probíhalo v sušárně Memmert UFE 400. Obsahy rtuti byly stanoveny pomocí atomového absorpčního spektrometru AMA 254 (Altec) s obslužným programem WinAMA software a atomového absorpčního spektrometru Perkin Elmer 306. Cirkulace v metodě studených par byla zajištěna čerpadlem Perkin Elmer.
3.3.1. Měření pomocí AAS s metodou studených par Kalibrační roztoky a podíly vzorků byly uchovány přídavkem 1 ml
5 g.l-1
dichromanu draselného a doplněny vodou na 100 ml. Po přenesení do promývací lahve spolu s 0,1 ml 50 g.l-1 manganistanu draselného byly okyseleny 1 ml konc. kyseliny dusičné, 1 ml konc.
kyseliny
sírové
a
přebytek
manganistanu
byl
odstraněn
5 ml
hydroxylaminhydrochloridu. Těsně před uzavřením promývací lahve byl přidán chlorid cínatý jako redukční činidlo. Kalibrační závislosti byly získány proměřením kalibračních roztoků připravených ředěním standardu rtuti. Kalibrační závislost je na obr. 9.
Obr. 9: kalibrační závislost pro měření pomocí CVAAS - 27 -
3.3.2. Úprava vzorků Před analýzou byly vzorky uchovávány v ledničce. Pro homogenizaci byly pomlety v kulovém mlýně. Mletí probíhalo 5 min při 420 rpm.
3.3.3. Postup extrakcí Do 10 ml centrifugačních zkumavek s víčky potaženými teflonem bylo naváženo 0,1±0,01 g vzorků s přesností na 0,1 mg. Ke vzorkům bylo přilito 8 ml destilované vody (frakce F1), zkumavky byly umístěny do vratné třepačky a extrahovány po dobu 18 h při 300 rpm. Po uplynutí této doby byla provedena centrifugace při 4 000 rpm po dobu 10 minut a odsáta kapalina nad vzorkem. Do zkumavek byl přidán roztok 0,01 M HCl + 0,1 M CH3COOH. Znovu byla provedena extrakce po dobu 18 h, odstředění vzorku s následným odsátím extraktu (frakce F2). Navážka ve zkumavce byla poté resuspendována v destilované vodě, zcentrifugována a dekantována pro úplné odstranění předešlého extraktantu. K promytému vzorku ve zkumavkách bylo přidáno další extrakční činidlo 1 M KOH (frakce F3). Následovala opět extrakce po dobu 18 h, centrifugace, odsátí extraktu, resuspendace v destilované vodě a její odstranění. Poslední
extrakční
krok
byl
proveden
stejným
postupem
jako
předchozí, extrakčním činidlem byla 12 M HNO3 (frakce F4). Navážky byly ve zkumavkách přes noc umístěny do sušárny (teplota 55 °C) a dokonale vysušeny (frakce F5). Samostatně pak byl proveden výluh pro stanovení celkového obsahu rtuti s 6 M HCl v 0,5 M NaCl. Jeho účinnost byla stanovena na certifikovaném referenčním materiálu CRM CC580. Roztoky z frakcí F1-F3 a F5 byly analyzovány pomocí analyzátoru AMA 254. Do lodiček bylo dávkováno podle obsahu rtuti 50 až 250 μl. Poslední frakce, obsahující reziduální rtuť, byla měřena v pevných zbytcích s dávkováním 50 - 100 mg. Frakce F0 a F4 musely být díky své silné kyselosti proměřeny na systému CVAAS, s dávkováním 0,5 - 3 ml. Relativní směrodatná odchylka (RSD) metody byla vyhodnocena na vzorku 6/2. Extrakce s ním byly podle uvedeného postupu provedeny pětkrát vedle sebe.
- 28 -
3.3.4. Výsledky Obsahy rtuti v jednotlivých frakcích, jejich součet i obsah rtuti v celkovém výluhu shrnuje tabulka 2. Přehledné grafické znázornění rozložení rtuti ve frakcích je na obr. 9. Přítomnost elementární rtuti ve vzorcích byla dokázána CVAAS stanovením bez přídavku chloridu cínatého. Byla vypuzena rtuť v koncentracích blízkých rozpustnosti rtuti ve vodě. RSD pro měření vzorku 6/2 z 5 provedených extrakcí byly pro frakci F1 2,2%, pro F2 1,8%, pro F3 3,2%, pro F4 3,9%, pro F5 4,0% a pro celkový výluh 2,3%. Jednotlivá měření byla prováděna vícenásobně a jejich RSD bylo pod <3%. Extrakční účinnost výluhu v 6 M HCl v 0,5 M NaCl byla 99,6 %.
Tabulka 4: Obsahy rtuti v jednotlivých frakcích a celkový obsah rtuti
vzorek/lokalita
F1
F2
F3
F4
F5
součet
[mg/kg]
F0 [mg/kg]
1
1,15
0,471
0,204
17,5
0,037
19,6
23,3
2/1
3,31
4,64
0,595
8,78
0,052
17,6
19,3
2/2
0,087
0,125
0,258
6,72
0,024
7,33
6,80
3
0,114
0,237
0,155
5,36
0,016
5,97
5,32
4/1
0,308
2,20
0,310
10,3
0,007
13,3
14,9
4/2
0,132
0,249
0,103
4,30
0,017
4,88
4,95
5
0,516
2,32
0,259
13,7
0,075
17,2
19,3
6/1
13,3
1,62
2,06
13,6
1,16
33,1
46,3
6/2
19,9
14,1
2,85
26,0
1,37
66,2
61,9
7
5,97
3,18
0,301
6,42
0,020
16,0
16,0
8
6,35
3,63
1,01
49,7
1,33
64,0
89,9
9
0,189
0,323
0,107
6,48
0,014
7,22
6,20
10
0,108
1,24
0,806
20,3
0,024
22,8
26,0
11
1,01
0,794
4,36
59,6
1,37
69,3
85,2
- 29 -
1 2/1 2/2 3 4/1 4/2 5 6/1 6/2 7 8 9 10 11 0%
10%
20%
F1: ve vodě rozpustná rtuť F4: elementární rtuť
30%
40%
50%
F2: V žaludeční kyselině rozpustná rtuť F5: reziduální rtuť
60%
70%
F3: organicky vázaná rtuť
Obr. 10: grafické znázornění rozložení rtuti mezi frakcemi
- 30 -
80%
90%
100%
3.3.5. Termická desorpce Navážky vzorků 0,1±0,01 g s přesností na 0,1 mg byly v 10 ml ampulích umístěny do sušárny na 15 h za teplot 100, 120, 140, 160 a 180 °C. Po zchladnutí bylo do ampulí přidáno 5 ml extrakční směsi 6 M HCl v 0,5 M NaCl. Extrakce probíhala přes noc na třepačce (300 rpm). Po centrifugaci (10 min při 4000 rpm) byly mikropipetou odebírány alikvoty (0,25 - 3 ml podle obsahu rtuti) výluhu pro měření na systému CVAAS.
1
2/1
6/1
8
11
0,00
20,00
bez úpravy 140°C
40,00
100°C 160°C
60,00
80,00
100,00
120°C 180°C
Obr. 11: Obsahy rtuti dle jednotlivých frakcí po termické úpravě a bez ní
- 31 -
120,00
4. DISKUSE Jednotlivé vzorky byly proměřeny na přístroji AMA 254 jak v kapalné tak v pevné formě. Jelikož některé ze vzorků měly tak vysokou koncentraci nebo silnou kyselost (výluh v 12 M HNO3 a 6 M HCl v 0,5 M NaCl), že by přístroj kontaminovaly nebo poškodily, musely být proměřeny pomocí metody studených par (CVAAS). Celkové obsahy rtuti ve vzorcích odpadů z těžby jsou 5 - 90 mg.kg-1 ±2%. Příspěvek ve vodě rozpustných forem rtuti byl 0,1 - 20 mg.kg-1. Běžně rtuť nebývá přítomna ve formě vodou rozpustných iontových forem, ale jako formy vázané na organický materiál nebo jako suspendované minerální částice [13]. Formy rtuti rozpustné v kyselině bývají označovány jako reaktivní a snadno biodostupné. Mohou zahrnovat specie organicky vázané či sorbované na povrch matrice. Bývají vázány na monosulfidy, hydroxidy železa a manganu a uhličitany. Jejich obsah ve vzorcích byl 0,1 - 14 mg.kg-1. Organicky vázanou rtuť představují sloučeniny jako methylrtuť, Hg2+ vázanou na huminové a fulvinové kyseliny, popř. aminokyseliny. Tyto formy rtuti, ač málo zastoupeny, představují hlavní zdroj rizika pro živé organismy. Jejich obsah v měřených vzorcích byl 0,1 - 4,4 mg.kg-1. Elementární rtuti bylo ve vzorcích nalezeno 4 - 60 mg.kg-1 což odpovídá odpadu z těžby amalgamací. Množství rtuti odpařené termickou analýzou při 180 °C je v dobré shodě (95,8 %) s frakcí F4, což svědčí o její využitelnosti pro stanovení Hg0 a dalších lehce těkavých forem rtuti. K významnému odpaření dochází od 160 °C a při 180 °C je veškerá Hg0 ze vzorku uvolněna. Úbytek rtuti po pyrolýze při 180 °C byl 7,4 - 63,5 mg.kg-1. Sulfidická rtuť je nerozpustná a je hlavním zdrojem methylrtuti v půdách. Za aerobních podmínek je sulfid oxidován na síran a uvolňuje rtuť ve formě Hg2+, která je náchylná k methylaci. Proto je běžnější nacházet sulfáty v půdách charakteristických redukčními podmínkami (např. na dně Gdaňského zálivu byly sulfidické formy rtuti nalezeny v koncentraci až 96 % [13]). Ve zkoumaných vzorcích bylo jejich zastoupení 0 - 1,4 mg.kg-1. Velké množství elementární rtuti nalezené ve frakci F4 potvrzuje, že jde o odpady z těžby pomocí amalgamace. Významné zastoupení rtuti ve frakcích F1 a F2 u některých - 32 -
vzorků pak naznačuje její postupnou konverzi v jiné formy. Zejména u F1 může jít o předpokládaný efekt kyanizační úpravy. K rozdílnosti hodnot celkového výluhu a součtu frakcí u některých vzorků mohla přispět sorpce rtuti na sklo zkumavek.
- 33 -
5. ZÁVĚR V této práci je uvedeno stanovení rtuti v půdách, sedimentech a odpadech z těžby pomocí sekvenčních extrakcí. Byla provedena speciační analýza dle Blooma [5], využívající rozdělení forem ve vzorku do pěti frakcí podle rozpustnosti (formy rozpustné ve vodě, v žaludeční kyselině, v hydroxidu, elementární rtuť a reziduální). Extrakčními roztoky byly destilovaná voda, 0,01 M HCl + 0,1 M CH3COOH, 1 M KOH a 12 M HNO3. Extrakce probíhaly po vždy dobu 18 h. Dále byla využita termická analýza s měřením úbytku celkové rtuti po zahřívání vzorků na 100, 120, 140, 160 a 180 °C, která byla s extrakcí dle Blooma porovnána. Ke stanovení rtuti ve frakcích byla použita termooxidační metoda na přístroji AMA 254 a AAS s metodou studených par. Ve všech analyzovaných vzorcích byla zjištěna vysoká kontaminace, zejména elementární rtutí. To odpovídá odpadu z těžby pomocí amalgamace. Vysoký obsah rtuti ve frakci F1 některých vzorků může být způsobena kyanizační úpravou a s ní je spojenou tvorbou ve vodě rozpustného kyanidu rtuťnatého.
- 34 -
6. POUŽITÉ ZKRATKY AAS – atomová absorpční spektrometrie CVAAS – atomová absorpční spektrometrie s metodou studených par CVAFS – atomová fluorescenční spektrometrie s metodou studených par MeHg – methylrtuť CRM – cetrifikovaný referenční materiál ICP-MS – hmotnostní spektrometrie s indukčně vázaným plazmatem ICP-AES – atomová emisní spektrometrie s indukčně vázaným plazmatem RSD – relativní směrodatná odchylka
- 35 -
7. LITERATURA [1]
H. Emteborg: Speciation of merceury in enviromental and biological matrices at ultra-trace levels based on capillary gas chromatography and atomic spectrometry. Solfjädern Offset AB, Umeå University, Sweden (1995)
[2]
AMA 254 Advanced mercury analyzer návod na obsluhu. Altec s.r.o (2002)
[3]
http://www.irz.cz/latky/rtut_a_sl
[4]
Bulletin odboru agrochemie, půdy a výživy rostlin, číslo 4/2002. Ústřední kontrolní a zkušební ústav zemědělský v Brně (2002)
[5]
N. S. Bloom, E. Preus, J. Katon, M. Hiltner: Selective extractions to assess the biogeochemically relevant fractionation of inorganic mercury in sediments and soils. Anal Chim Acta 479 (2003) 233-248
[6]
G. Liu, J. Cabrera, A. Marshall, Y. Cai: Mercury characterization in a soil sample collected nearby the DOE Oak Ridge Reservation utilizing sequential extraction and thermal desorption method. Science of total environment 369 (2006) 384-392
[7]
N. N. Greenwood, A. Earnshaw: Chemie prvků II. 1. vyd. 1993.
[8]
J. Novotná: Diplomová práce. Masarykova univerzita (2006)
[9]
Z. Dubová: Bakalářská práce. Masarykova univerzita (2004)
[10]
J. Komárek: Návod k úloze: Stanovení rtuti ve vodách atomovou absorpční spektrometrií s generováním studených par (CVAAS). Brno.
[11]
V. Štefanidesová, T. Trefilová: Vyluhovatelnost rtuti sekvenční extrakcí. Chemické listy 100, 906-910 (2006)
[12]
Ch. Sladek, M. S. Gustin: Evaluation of sequential and selective extraction methods for determination of mercury speciation and mobility in mine waste. Applied Geochemistry 18 (2003) 567-576
[13]
L. Boszke, A. Kowalski, A. Astel, A. Baranski, B. Gworek, J. Siepak: Mercury mobility and bioavailability in soil from contaminated area. Environ Geol. 2007
- 36 -
