Stanovení těžkých kovů ve vodách pomocí AAS, rozpouštěcí voltametrie a chronopotenciometrie Úkol Stanovte obsah Cd a Pb ve vzorcích vod s využitím AAS, rozpouštěcí voltametrie a chronopotenciometrie. 1. Atomová absorpční spektrometrie Teoretický úvod Většina prvků v periodické soustavě má kovový charakter. Z 90 kovovových prvků pouze některé kovy můžeme považovat za esencialní a jejich negativní dopad na člověka se projevuje při vysokých koncentracích. Naopak některé kovy, u kterých byl prokázán pouze negativní dopad na člověka, ale i na životní prostředí považujeme za toxické. Mezi toxické kovy patří: Ag, Cd, Sn, Au, Hg, Tl, Pb, Al, As, Ni, Zn a nejsou dosud známy jejich biologické funkce. Za těžké kovy můžeme označit kovy s hustotou větší než 5 g/cm3. Tato definice těžkých kovů není ale ustálená a je vhodnější z hlediska posouzení negativních dopadů na složky životního prostředí a na člověka užívat termín toxické kovy. Určitou negativní vlastností toxických kovů je, že nemohou být ze složek životního prostředí ostraněny, ovlivnit můžeme pouze tu část toxických kovů, která je produkována z antropogenních zdrojů. Můžeme je označit za persistentní, nedegradabilní prvky s vysokým bioakumulačním potenciálem. Antropogenním zdroji toxických (těžkých) kovů jsou zejména: těžký průmysl (metalurgie), splachy z městských aglomerací, textilní barviva, splachy zemědělských ploch (některé pesticidy obsahují toxické kovy jako je např. Hg, Zn, Cd, Ni apod. Kovy ve složkách životního prostředí se vyskytují v různých formách: − volné kovy, − jednoduché komplexy s anorganickými ligandy (zejména ve vodném prostředí), − cheláty s vícevazebnými organickými ligandy (přírodními, antropogenní), − sorbované na pevné povrchy. Mezi často sledované toxické kovy ve složkách životního prostředí patří Pb a Cd. Jde o vysoce toxické kovy, u nichž je znám pouze negativní dopad na životní prostředí a člověka. V anorganických sloučeninách se vyskytují v oxidačním stavu II (Pb může být v menší míře přítomno i v oxidačním stavu IV) a mají poměrně velkou schopnost tvořit komplexy s organickými sloučeninami. Pb a Cd tvoří i komplex s biologicky významnými organickými sloučeninami (proteiny, nukleové kyseliny, enzyma a fosfolipidy). Pb a Cd jsou přítomny ve všech složkách životního prostředí (voda, ovzduší, půda). Přirozeně se vyskytují ve velmi nízkých (stopových) koncentracích, vyšší koncentrace pak poukazují na antropogenní znečištění. Koncentrace toxických kovů se kontroluje pravidelně v pitných vodách, odpadních vodách, ale i v povrchových vodách. Limitní koncentrace pro Pb a Cd v povrchových a pitných vodách je uveden v následující tabulce: Tabulka 1: Limitní koncentrace Pb a Cd pro povrchovou a pitnou vodu v µg/l Těžký kov Povrchová voda Pitná voda Typ limitu 1 5 NMH Cd 15 10 NMH Pb NMH = nejvyšší mezní hodnota – hodnota zdravotně závažného ukazatele jakosti pitné vody, v důsledku jehož překročení je vyloučeno použití vody jako pitné, neurčí-li orgán ochrany veřejného zdraví jinak. Z uvedených hodnot NMH pro povrchovou a pitnou vodu plyne, že zatímco NMH pro povrchovou
vodu jsou stanoveny s přihlédnutí k toxicitě kovů pro vodní organismy a jejich bioakumulace v živých organismech, které jsou součástí potravinového řetězce člověka, NMH pro pitnou vodu jsou stanoveny z hlediska účinku na lidský organismus, přičemž se vychází z množství dlouhodobě přijmané vody. Stanovení toxických kovů je možné provést celou řadou instumentálních metod. Nejčastěji se jedná o optické metody AAS, AES, ICP, ICP-MS podle vybavenosti laboratoře. Kromě optických metod je možné toxické kovy s výhodou stanovit i s pomoci elektrochemických metod, které mají společný základ ve voltametrii (polarografie, voltametrie, stripping voltametrie, chronopotenciometrie apod.). Jak optické metody, tak elektrochemické metody disponují nízkými detekčními limity i dostatečnou selektivitou pro stanovení toxických kovů. Základní princip AAS Principem je absorpce záření volnými atomy v plynném stavu, které vznikají v atomizátorech. Volné atomy v plynném stavu absorbují fotony určité energie, záření o určité vlnové délce. Energetická hodnota fotonů je charakteristická pro určitý druh atomů a počet absorbovaných fotonů je mírou množství stanovovaných atomů. Metoda umožňuje stanovení více než 60 prvků, kovových prvků polokovů. Monochromatické záření vhodného zdroje je absorbováno volnými atomy stanovovaného prvku v základním stavu. Neabsorbované záření prochází monochromátorem, dopadá na fotonásobič a vzniklý proudový signál je po zesílení indikován elektrickým indikátorem, digitálním záznamem nebo registrován jako absorpce nebo absorbance. Vhodným zdrojem atomů ve volném stavu jsou plameny nebo elektrotermické atomizátory. Primární záření je modulováno, aby nerušila spojitá emise atomizátoru nebo souběžně probíhající emise atomů. Schéma AAS je na obrázku 1.
Obrázek 1: Schéma AAS Absorbance ve vztahu ke koncentraci atomů a délce absorpčního prostředí A = log I0/I = κ.N.l kde I0, I je intenzita záření před a po průchodu absorpčním prostředím, N je počet volných atomů v jednotce objemu, κ je atomový absorpční koeficient, vztažený na jeden atom, je možno udat hodnoty absorpčního koeficientu pro různý profil absorpční čáry. Pro celý profil absorpční čáry je vyjádřena integrální hodnota absorpce a absorpčního koeficientu. Pro praktické využití atomové absorpce musí být emisní čára vždy užší než absorpční a v průběhu měření nebo kalibrace se nesmí měnit stupeň atomizace α = N/cM. Teoreticky je tedy závislost absorbance na koncentraci volných atomů a při zachování konstantního stupně atomizace i na koncentraci prvku v roztoku, lineární.
Chemikálie, pomůcky, přístrojové vybavení Chemikálie zásobní roztoky kovů o koncentraci Cd2+ 10 µg.l-1 a Pb2+ 10 µg.l-1, deionizovaná voda Pomůcky kádinky, odměrné baňky na 50 ml Přístrojové vybavení AAS Varian AA20+ Postup 1. Podle pokynů vedoucího cvičení proveďte odběr pitné vody, říční vody a rybniční vody (vzorky rybniční a říční vody se odebírají den předem). Vzorek odpadní vody je v laboratoři. 2. Připravte standardní roztoky Cd2+ a Pb2+ od 50 ml odměrných baněk o hmotnostní koncentraci 0,01, 0,02, 0,05, 0,08 a 0,1 µg.ml-1. 3. Prověďte zapnutí AAS a nastavení metody pro měření Pb a Cd s pomocí vedoucího cvičení. 4. Kalibrační roztoky postupně proměřte na atomovém absorpčním spektrometru podle pokynů vedoucího cvičení. Pro každou koncentraci zaznamenejte hodnotu absorbance. Měření absorbancí kalibračních roztoků opakujte pro každou koncentraci 5x. Každou sérií měření statisticky vyhodnoťte (aritmetický průměr, směrodatná odchylka). Vyhodnoťte kalibrační přímky pro oba kovy. 5. Za stejných podmínek jako jste prováděli měření standardních roztoků proměřte vzorky rybniční, říční, pitné a odpadní vody. Každý vzorek proměřte 5x. 6. Z kalibrační křivky odečtěte hodnoty hmotnostních koncentrací pro jednotlivé kovy a statisticky opět vyhodnoďte. 2. Anodická rozpouštěcí (stripping) voltametrie Úkol Určete obsah iontů těžkých kovů (Cu2+, Pb2+, Cd2+ a Zn2+) ve vzorcích pitné, říční a rybniční vody metodou anodické rozpouštěcí voltametrie. Teoretický úvod Analýza metodou anodické rozpouštěcí voltametrie (ASV) využívá předběžného nahromadění analytu z roztoku vzorku na pracovní elektrodě elektrolýzou za konstantního potenciálu. Stanovované ionty kovů se redukují na povrchu pracovní rtuťové elektrody a tvoří amalgám. Po určité době prekoncentrace se elektroda anodicky polarizuje technikou diferenčně pulzní voltametrie a přitom se vyloučené prvky oxidují a rozpouštějí z elektrodového povrchu zpět do roztoku. Měří se anodický proudový signál v závislosti na potenciálu pracovní elektrody. Plocha, resp. výška registrovaných proudových píků je přímo úměrná koncentraci kovů v měřeném roztoku. Stanovení se provede metodou standardního přídavku s jedním roztokem. Při současném stanovení Zn a Cu dochází k tvorbě intermetalické sloučeniny Cu-Zn-Hg, která vzniká ve rtuťové elektrodě během elektrolytické akumulace. Důsledkem jsou nižší proudové odezvy Zn a vyšší píky Cu, než by odpovídalo jejich skutečné koncentraci ve vzorku. Vzniku nežádoucí intermetalické sloučeniny se zabrání přídavkem iontů gallia. Přístrojové vybavení Voltametrický analyzátor Eco-Tribo s pracovní visící rtuťovou kapkovou elektrodou (HMDE) resp. rtuťovou filmovou elektrodou (MFE), referentní argentchloridovou a pomocnou platinovou
elektrodou. Chemikálie a pomůcky konc. HNO3 (suprapur), roztok octanu sodného (1 mol/l, připraví se rozpuštěním 13,608 g CH3COONa·3H2O v redestilované vodě a doplněním vodou na celkový objem 100 ml), standardní roztok směsi kovů: Zn (20 mg/l), Cd (0,5 mg/l), Pb (1 mg/l) a Cu (5 mg/l), roztok GaCl3 (25 mg GaCl3 se rozpustí v redestilované vodě a doplní na objem 1 litru), roztok Hg2(NO3)2 (0,14 g Hg2(NO3)2·2H2O se rozpustí v 0,1M-HNO3 a doplní se touto kyselinou na celkový objem 100 ml), vodná suspenze Al2O3 (0,05 µm), voltametrické nádobky, odměrné baňky (100 ml), pipety (50 a 20 ml), mikropipety a špičky Postup: 1. Příprava vzorků: • 50 ml vzorku vody převeďte do 100 ml odměrné baňky, přidejte 0,5 ml konc. HNO3, 1 ml octanu sodného (1 mol/l), doplňte redestilovanou vodou na 100 ml. • Stejně připravte i slepý pokus s redestilovanou vodou. 2. Měření s visící rtuťovou elektrodou (HMDE) • Do voltametrické nádobky odeberte 20 ml roztoku slepého pokusu, přidejte 100 µl roztoku GaCl3 (10 mg/l). Rozpuštěný kyslík z roztoku odstraňte bubláním dusíkem po dobu 10 min. • V programu Polar zadejte název vzorku a zvolte metodu DP stripping - HMDE. Nastavte následující parametry měření: Potenciál
Parametry metody
Počáteční Ein
-1200 mV
doba bublání
600 s
konečný Efin
-150 mV
počet měření
2
rychlost
20 mV/s
potenciál akumulace doba akumulace
• • •
• • •
-1200 mV 120 s
klidová doba
15 s
výška pulsu
50 mV
šířka pulsu
80 ms
Zaznamenejte anodický rozpouštěcí voltamogram slepého pokusu. Do čisté nádobky odměřte 20 ml vzorku analyzované vody a po přídavku 100 µl roztoku GaCl3 a 10 minutovém probublání dusíkem změřte voltamogram vzorku. Ke vzorku v nádobce přidejte odměřený objem standardní směsi iontů kovů a po 5 minutách bublání zaznamenejte voltamogram. Objem standardního roztoku kovů závisí na obsahu těchto prvků ve vzorku, obvykle bývá v rozmezí 0,1 až 1 ml. Přídavek stejného objemu standardního roztoku a příslušné měření opakujte ještě dvakrát. Po ukončení měření roztok z nádobky vylijte do připravené odpadní nádoby na rtuť a elektrody důkladně opláchněte destilovanou vodou. Stejným postupem změřte další vzorky vod. Měření každého vzorku opakujte nejméně dvakrát.
3. Měření se rtuťovou filmovou elektrodou (MFE): •
Elektrodu ze skelného uhlíku vyleštěte suspenzí aluminy na mikrotextilním podkladu a důkladně opláchněte destilovanou vodou. Pak elektrodu ponořte do zkumavky s destilovanou vodou, vložte na 10 – 20 s do ultrazvukové lázně a znova důkladně opláchněte vodou.
•
V programu Polar zvolte metodu DP stripping - SE a nastavte následující parametry měření:
Potenciál
Parametry metody
Počáteční Ein
-1200 mV
doba bublání
600 s
konečný Efin
-150 mV
počet měření
2
rychlost
20 mV/s
potenciál čištění doba čištění potenciál akumulace doba akumulace
•
+1000 mV 1s -1200 mV 120 s
klidová doba
15 s
výška pulsu
50 mV
šířka pulsu
80 ms
Analýzu vzorků vody proveďte stejně jako s pracovní HMDE, pouze k měřenému roztoku ve voltametrické nádobce přidejte navíc 100 µl roztoku Hg2(NO3)2 a vyleštěte pracovní elektrodu postupem popsaným výše.
Vyhodnocení: Koncentrace jednotlivých kovů ve vzorku určete metodou standardního přídavku: odečtěte hodnoty anodického proudu v maximu, příslušejícího danému kovu, pro vzorek a jednotlivé přídavky. Výsledky analýzy, zaokrouhlené nejvýše na tři platné číslice, vyjádřete v mg/l včetně směrodatné odchylky.
3. Průtoková chronopotenciometrie Úkol: Určete obsah iontů těžkých kovů (Cu2+, Pb2+, Cd2+ a Zn2+) ve vzorcích pitné, říční a rybniční vody metodou galvanostatické rozpouštěcí chronopotenciometrie. Teoretický úvod Kovové ionty se nejprve elektrochemicky vyloučí z proudícího roztoku na povrchu pracovní elektrody, tvořené porézním uhlíkem se rtuťovým filmem, ve formě elementárních kovů: Mz+ + ze ' M0 které se rozpouští ve rtuti za vzniku amalgámu. Elektrolýza se provádí za konstantního proudu udržovaného na pracovní elektrodě pomocí galvanostatu. Ve druhém kroku se vyloučené kovy rozpustí konstantním proudem opačné polarity. Registruje se závislost potenciálu pracovní elektrody na čase - rozpouštěcí chronopotenciogram. Čas potřebný k rozpuštění veškerého vyloučeného kovu, tzv. přechodový čas, je přímo úměrný obsahu kovu ve vzorku. Měřená závislost E = f(t) se matematicky zpracuje derivací času podle potenciálu. Zobrazovaná závislost dt/dE = f(E) má tvar píku, jehož plocha je rovna přechodovému času. Přístrojové vybavaní Elektrochemický analyzátor EcaFlow 120 GLP s průtokovou celou EcaCell 353 vybavenou pracovní porézní uhlíkovou elektrodou se rtuťovým filmem E56-LMF, referentní argentchloridovou a pomocnou platinovou elektrodou.
Chemikálie a pomůcky roztok základního elektrolytu: 0,10M-Na2SO4, 0,01M-CH3COOH a 0,01M-CH3COONa , standardní roztok směsi kovů pro kalibraci: Zn (2 mg/l), Cd (0,05 mg/l), Pb (0,1 mg/l) a Cu (0,5 mg/l) v 0,1M-HCl, roztok 1M-HCl, roztok 0,1M-HCl, odměrná baňka (100 ml), pipety (5, 10 a 50 ml), kádinky (100 ml) Pracovní postup 1. Příprava vzorků vody: • Vzorek vody smíchejte s roztokem 1M-HCl v objemovém poměru 10:1. Analyzovaný vzorek by měl mít pH 2 až 3. • Modelový vzorek na ověření správné činnosti analyzátoru připravte desetinásobným zředěním standardního roztoku směsi kovů roztokem 0,1M-HCl. 2. Příprava elektrody: • Na PC spusťte program Gst_eca.exe a v panelu Setup zvolte metodiku 27. • Nasávací hadičky průtokového analyzátoru ponořte do roztoků elektrolytu (modrá), standardu (červená) a modelového vzorku (žlutá). • Průtokový systém naplňte roztokem elektrolytu, standardu a modelového vzorku pomocí příkazu Fill System. • Do cely umístěte novou elektrodu E56-LMF a celu připojte k panelu přístroje. • Příkazem Preparation spusťte přípravu elektrody. V průběhu 20 minutového programu se na elektrodě vyloučí rtuťový film. Poté se provedou 3 přípravná měření s modelovým vzorkem při standardně nastavených parametrech: Proud nahromadění Počáteční potenciál Konečný potenciál Rozpouštěcí proud Doba ustálení Max. doba měření Regenerační potenciál
-5000 µA -1800 mV 300 mV 200 µA 10 s 30 s 100 mV
Doba regenerace
10 s
Objem vzorku Objem na promytí Objem na měření pozadí Průtok Čerpadlo při rozpuštění „Stand by“ potenciál Objem standardního přídavku
1 ml 5 ml 4 ml 3 ml/min vypnuté -200 mV 0,05 až 0,2 ml (dle složení vzorku)
3. Měření vzorku: • Nasávací hadičku průtokového analyzátoru (označenou žlutě) ponořte do upraveného vzorku vody. • V panelu Run zapište název vzorku, zvolte kalibrační mód a 3 opakovaná měření. • Příkazem Start spusťte měření. Analyzátor automaticky změří signál pozadí, vzorku a vzorku se standardním přídavkem. • Po ukončení měření, které je signalizováno zvukovým signálem, vyjměte nasávací hadičku ze změřeného vzorku, opláchněte ji destilovanou vodou, osušte čtverečkem buničiny a ponořte do dalšího měřeného vzorku. • V panelu Run změňte název vzorku a odstartujte měření. • Stejným způsobem proměřte postupně všechny vzorky. • Na závěr ponořte všechny hadičky do destilované vody a průtokový systém nejméně třikrát promyjte destilovanou vodou (Fill System). Vyhodnocení V panelu Window – Signal integrujte zaznamenané rozpouštěcí píky ve vhodně nastavených
mezích. Výsledky analýzy, zaokrouhlené nejvýše na tři platné číslice, vyjádřete v mg/l včetně směrodatné odchylky. Otázky: 1. Srovnejte výhody a nevýhody AAS, voltametrie a průtokové chronopotenciometrie pro stanovení toxických kovů. 2. Jakým způsobem probíhá vymývání toxických kovů z půdy do podzemní vody?
