VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
FAKULTA CHEMICKÁ ÚSTAV CHEMIE A TECHNOLOGIE OCHRANY ŽIVOTNÍHO PROSTŘEDÍ FACULTY OF CHEMISTRY INSTITUTE OF CHEMISTRY AND TECHNOLOGY OF ENVIRONMENTAL PROTECTION
ORGANOHALOGENOVÉ SLOUČENINY - KONTAMINANTY ŽIVOTNÍHO PROSTŘEDÍ
DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER'S THESIS
AUTOR PRÁCE AUTHOR
BRNO 2013
Bc. VERONIKA KOCIÁNOVÁ
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
FAKULTA CHEMICKÁ ÚSTAV CHEMIE A TECHNOLOGIE OCHRANY ŽIVOTNÍHO PROSTŘEDÍ FACULTY OF CHEMISTRY INSTITUTE OF CHEMISTRY AND TECHNOLOGY OF ENVIRONMENTAL PROTECTION
ORGANOHALOGENOVÉ SLOUČENINY KONTAMINANTY ŽIVOTNÍHO PROSTŘEDÍ ORGANOHALOGENIC COMPOUNDS - CONTAMINANTS OF ENVIRONMENT
DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER'S THESIS
AUTOR PRÁCE
Bc. VERONIKA KOCIÁNOVÁ
AUTHOR
VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR
BRNO 2013
prof. RNDr. MILADA VÁVROVÁ, CSc.
Vysoké učení technické v Brně Fakulta chemická Purkyňova 464/118, 61200 Brno 12
Zadání diplomové práce Číslo diplomové práce: Ústav: Student(ka): Studijní program: Studijní obor: Vedoucí práce Konzultanti:
FCH-DIP0686/2012 Akademický rok: 2012/2013 Ústav chemie a technologie ochrany životního prostředí Bc. Veronika Kociánová Chemie a technologie ochrany životního prostředí (N2805) Chemie a technologie ochrany životního prostředí (2805T002) prof. RNDr. Milada Vávrová, CSc.
Název diplomové práce: Organohalogenové sloučeniny - kontaminanty životního prostředí
Zadání diplomové práce: 1. Vypracovat literární rešerši zaměřenou na přítomnost organohalogenovaných sloučenin typu retardérů hoření ve vybraných matricích. 2. Na podkladě rešerše vybrat vhodné analyty ke sledování v hydrosféře a pedosféře. 3. Provést výběr a optimalizaci vybrané metody na bázi separačních metod. 4. Optimalizovanou metodu použít pro analýzu reálných vzorků odebraných z environmentálních matric. 5. Provést zhodnocení získaných výsledků a jejich interpretaci.
Termín odevzdání diplomové práce: 10.5.2013 Diplomová práce se odevzdává ve třech exemplářích na sekretariát ústavu a v elektronické formě vedoucímu diplomové práce. Toto zadání je přílohou diplomové práce.
----------------------Bc. Veronika Kociánová Student(ka)
V Brně, dne 31.1.2013
----------------------prof. RNDr. Milada Vávrová, CSc. Vedoucí práce
----------------------doc. Ing. Josef Čáslavský, CSc. Ředitel ústavu ----------------------prof. Ing. Jaromír Havlica, DrSc. Děkan fakulty
ABSTRAKT Polybromované difenylethery patĜí do skupiny bromovaných retardérĤ hoĜení. DĤležitou vlastností tČchto látek je schopnost snižovat hoĜlavost, popĜípadČ zabraĖovat vznícení mnoha produktĤ denní potĜeby, napĜ. televizorĤ, kobercĤ, matrací a dalších. Polybromované difenylethery se však vyznaþují také vysokou perzistencí a lipofilitou, což vede k jejich kumulaci v životním prostĜedí. V posledních letech rostou obavy z úþinkĤ tČchto organohalogenových slouþenin na zdraví lidí, což naznaþuje i jejich zaĜazení v roce 2009 na seznam perzistentních organických polutantĤ. Tyto kontaminanty jsou schopné dálkového transportu a kumulace ve složkách životního prostĜedí. Proto je výskyt polybromovaných difenyletherĤ systematicky sledován v abiotických i biotických složkách životního prostĜedí po celém svČtČ. Jejich pĜítomnost byla prokázána i v oblastech, které jsou jednoznaþnČ mimo dosah zdrojĤ kontaminace. PĜedložená diplomová práce je zamČĜena na využití plynové chromatografie k hodnocení úrovnČ kontaminace vybraných složek životního prostĜedí, pĜedevším pĤd. Pro tyto úþely byla použita metoda plynové chromatografie s detektorem elektronového záchytu a hmotnostním detektorem. ABSTRACT Polybrominated diphenyl ethers belong to group of brominated flame retardants. Important property of these substances is their ability to reduce flammability or to prevent ignition of many products of daily use, such us televisions, carpets, mattresses and many others. Polybrominated diphenyl ethers however are characterized by high persistence and lipophility, leading to their accumulation in the environment. In recent years, concerns about the effects of organic halogen compounds on human health, suggesting their inclusion in the list of persistent organic pollutants in 2009. These contaminants are capable of long-range transport and accumulation in the environment. Therefore, the presence of polybrominated diphenyl ethers is systematically observed in the abiotic and biotic components of the environment worldwide. Their presence has been demonstrated in areas that are clearly very distant from sources of contamination. This thesis is focused on the use of gas chromatography to assess the level of contamination of selected components of the environment, especially of soil. For these purposes was used method of gas chromatography with electron capture detection mass spectrometry.
KLÍýOVÁ SLOVA: polybromované difenylethery, retardéry hoĜení, separaþní metody, plynová chromatografie KEYWORDS: polybrominated diphenyl ethers, flame retardants, separation methods, gas chromatography
3
KOCIÁNOVÁ, V. Organohalogenové slouþeniny - kontaminanty životního prostĜedí. Brno: Vysoké uþení technické v BrnČ, Fakulta chemická, 2013. 60 s. Vedoucí diplomové práce prof. RNDr. Milada Vávrová, CSc.
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem diplomovou práci vypracovala samostatnČ a že všechny použité literární zdroje jsem správnČ a úplnČ citovala. Diplomová práce je z hlediska obsahu majetkem Fakulty chemické VUT v BrnČ a mĤže být využita ke komerþním úþelĤm jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a dČkana FCH VUT. …………………………………………… Podpis
PodČkování: V první ĜadČ bych chtČla podČkovat vedoucí diplomové práce paní prof. RNDr. MiladČ Vávrové, CSc. za odborné vedení diplomové práce, cenné rady a pomoc pĜi zpracování této diplomové práce. Dále bych ráda podČkovala doktorandĤm ÚCHTOŽP za ochotu, cenné rady a pomoc bČhem prací v laboratoĜi. NejvČtší podČkování si zaslouží pĜedevším mí rodiþe a pĜítel, kteĜí mČ bČhem mých studií ve všem podporovali a byli mi oporou.
4
1. OBSAH 1. OBSAH
5
2. ÚVOD
7
3. RETARDÉRY HOěENÍ
8
3.1. MECHANISMUS ÚýINKU RETARDÉRģ HOěENÍ 3.1.1. FYZIKÁLNÍ PģSOBENÍ RETARDÉRģ HOěENÍ 3.1.2. CHEMICKÉ PģSOBENÍ RETARDÉRģ HOěENÍ 3.2. TYPY RETARDÉRģ HOěENÍ 3.2.1. ANORGANICKÉ RETARDÉRY HOěENÍ 3.2.2. ORGANOHALOGENOVANÉ RETARDÉRY HOěENÍ 3.2.2.1. Tetrabromobisfenol A (TBBPA) 3.2.2.2. Polybromované bifenyly (PBB) 3.2.2.3. Hexabromcyklododekan (HBCD) 3.2.2.4. Nové bromované retardéry hoĜení 3.2.3. ORGANOFOSFOROVÉ RETARDÉRY HOěENÍ 3.2.4. RETARDÉRY HOěENÍ NA BÁZI DUSÍKU
8 8 8 9 9 10 11 11 12 13 14 14
4. POLYBROMOVANÉ DIFENYLETHERY
15
4.1. STRUKTURA A NÁZVOSLOVÍ 4.2. FYZIKÁLNÍ A CHEMICKÉ VLASTNOSTI PBDE 4.3. VÝROBA PBDE 4.4. POUŽITÍ PBDE 4.4.1. DEBDE 4.4.2. OBDE 4.4.3. PEBDE 4.5. ZDROJE PBDE V ŽIVOTNÍM PROSTěEDÍ 4.6. OSUD PBDE V ŽIVOTNÍM PROSTěEDÍ
15 17 18 18 18 19 19 19 20
5. STANOVENÍ PBDE VE SLOŽKÁCH ŽIVOTNÍHO PROSTěEDÍ
22
5.1. ODBċR VZORKģ 5.1.1. VODA 5.1.2. PģDA 5.2. PěÍPRAVA VZORKU 5.2.1. EXTRAKCE KAPALINA – KAPALINA 5.2.2. SOXHLETOVA EXTRAKCE 5.2.3. TLAKOVÁ EXTRAKCE ROZPOUŠTċDLEM (PSE, ASE) 5.2.4. ULTRAZVUKOVÁ EXTRAKCE (USE) 5.2.5. MIKROVLNNÁ EXTRAKCE 5.2.6. SUPERKRITICKÁ FLUIDNÍ EXTRAKCE 5.3. PěEýIŠTċNÍ EXTRAKTģ
22 22 22 23 23 24 24 25 25 25 26
5
26 5.3.1. ADSORPýNÍ CHROMATOGRAFIE 5.4. PLYNOVÁ CHROMATOGRAFIE 26 5.4.1. PLYNOVÝ CHROMATOGRAF 26 5.4.2. DETEKTORY 28 5.4.2.1. Detektor elektronového záchytu (ECD) 28 5.4.2.2. Hmotnostní spektrometrie 29 5.4.3. SPOJENÍ PLYNOVÉ CHROMATOGRAFIE A HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE (GC/MS) 31 5.4.4. ORTHOGONÁLNÍ DVOJROZMċRNÁ PLYNOVÁ CHROMATOGRAFIE S HMOTNOSTNÍ DETEKCÍ (GCXGC-TOF MS) 31 6. EXPERIMENTÁLNÍ ýÁST
33
6.1. POUŽITÉ PěÍSTROJE A ZAěÍZENÍ 6.2. POUŽITÉ CHEMIKÁLIE A STANDARDY 6.3. NASTAVENÍ PěÍSTROJģ 6.4. OPTIMALIZACE STANOVENÍ 6.4.1. OPTIMALIZACE NASTAVENÍ PěÍSTROJģ 6.4.2. OPTIMALIZACE EXTRAKCÍ 6.4.2.1. Extrakce ultrazvukem 6.4.2.2. Tlaková extrakce rozpouštČdlem 6.4.3. ADSORPýNÍ CHROMATOGRAFIE 6.4.4. KALIBRACE 6.4.5. STANOVENÍ SUŠINY
33 33 34 35 35 35 35 35 36 36 36
7. VÝSLEDKY A DISKUZE
37
7.1. 7.2. 7.3. 7.4. 7.5. 7.6.
37 39 42 42 44 44
EXTRAKCE ULTRAZVUKEM TLAKOVÁ EXTRAKCE ROZPOUŠTċDLEM ADSORPýNÍ CHROMATOGRAFIE KALIBRACE STANOVENÍ SUŠINY PģDY REÁLNÉ VZORKY
8. ZÁVċR
47
9. POUŽITÁ LITERATURA
49
10. POUŽITÉ ZKRATKY
54
11. PěÍLOHY
55
6
2. ÚVOD Vývoj a zavádČní nových chemických látek pĜináší sebou vesmČs Ĝadu výhod a prospČšných úþinkĤ. Všude kolem nás nacházíme produkty chemického prĤmyslu, které jsou pro lidstvo pĜínosné. Plastové výrobky, kosmetika, léþiva, motorová paliva – to všechno dnes bČžnČ používáme. VČtšina lidí však ani netuší, co všechno tyto produkty obsahují. DĜíve se pĜi zavádČní chemických látek do obČhu nepĜemýšlelo o jejich úþincích a dopadech na obyvatele a na životní prostĜedí. PĜíkladem mĤže být tĜeba zavedení pesticidu DDT. Jeho objevitel za nČj dokonce obdržel i Nobelovu cenu. Tato nebezpeþná látka se dĜíve hojnČ používala jako insekticid k hubení hmyzích škĤdcĤ v zemČdČlství a pĜedevším k likvidaci komárĤ v tropických oblastech. Tehdy ovšem lidé ocenili pouze jeho pozitivní vlastnosti a úþinky. Postupem þasu se však prokázaly nebezpeþné vlastnosti tohoto pesticidu, zejména jeho chronická toxicita. V souþasné dobČ je jeho použití ve vČtšinČ zemí, pĜedevším v EvropČ, zakázáno. A podobných pĜíkladĤ bychom našli více. Dnes se chemické látky vyskytují prakticky ve všem, co nás obklopuje. Jedná se o nábytek, automobily, obleþení i kosmetiku. To je jen malý výþet z obrovské škály výrobkĤ. PĜedložená diplomová práce je zamČĜena na sledování a hodnocení kontaminace životního prostĜedí organohalogenovými slouþeninami, zejména polybromovanými difenylethery, používanými jako retardéry hoĜení. Tyto látky byly v minulém století hojnČ používány právČ pro své retardaþní vlastnosti. V roce 2009 však byly tyto chemické slouþeniny pĜipsány na seznam prioritních organických polutantĤ, a proto jsou dnes sledovány nejen ve složkách životního prostĜedí, ale také v potravinách a potravinových doplĖcích. Tato diplomová práce je rozdČlena do dvou þástí: teoretické a experimentální. Hlavním cílem teoretické þásti bylo vypracování literární rešerše, která je zamČĜena na pĜítomnost organohalogenovaných retardérĤ hoĜení ve složkách životního prostĜedí a na výbČr vhodné separaþní metody pro stanovení tČchto kontaminantĤ ve vybraných matricích odebraných ze životního prostĜedí. V experimentální þásti diplomové práce byla pozornost vČnována pĜedevším optimalizaci analytické metody, která byla následnČ použita pro stanovení vybraných kontaminantĤ v reálných vzorcích pĤdy.
7
3. RETARDÉRY HOěENÍ Retardéry hoĜení jsou chemické slouþeniny, které se používají pro zpomalení procesu hoĜení, popĜípadČ k zabránČní vznícení daného materiálu. ZabránČním vzniku a rozšíĜení požáru tak chrání nejen životy lidí, ale zejména i jejich majetek. První myšlenka a potĜeba omezení hoĜlavosti materiálĤ se datuje pĜibližnČ do období kolem roku 450 let pĜed Kristem. Tehdy staĜí EgypĢané používali kamenec k potlaþení hoĜlavosti dĜeva. PozdČji, kolem roku 200 pĜed Kristem, využívali ěímané ke snížení hoĜlavosti dĜeva pĜevážnČ smČs kamence a octa. V souþasnosti se retardéry hoĜení pĜidávají do materiálĤ, které jsou souþástí vČtšiny domácností, kanceláĜí nebo automobilĤ. Jedná se o rĤzné textilie (napĜ. koberce, záclony, potahy na sedaþky, odČvy), plasty (kryty televizorĤ, poþítaþe, kanceláĜská zaĜízení), pĜípadnČ nátČrové hmoty [1].
3.1. Mechanismus úþinku retardérĤ hoĜení Hlavní funkcí retardérĤ hoĜení je potlaþení hoĜení urþitých materiálĤ. PĤsobením vyšších teplot mohou být výrobky vytvoĜené z pĜírodních nebo syntetických polymerĤ zapáleny. K zapálení mĤže dojít buć spontánnČ, nebo zažehnutím z vnČjšího zdroje (napĜ. jiskrou, plamenem). Retardéry hoĜení mohou bČhem hoĜení podstatnČ ovlivĖovat chemické a fyzikální procesy, které probíhají v pevné, kapalné nebo plynné fázi [2]. Celý proces hoĜení se rozdČluje na þtyĜi þásti, a to na pĜedehĜev, rozklad, zapálení a vlastní hoĜení. BČhem pĜedehĜevu dochází ke zvyšování teploty materiálu v závislosti na tepelné intenzitČ zápalného zdroje, tepelné vodivosti materiálu, mČrném teplu materiálu a teplu tání a vypaĜování daného materiálu. Pokud se materiál ohĜeje na dostateþnou teplotu, zaþne se pomalu rozkládat, þímž dojde k pĜetržení nejslabších vazeb. Materiál ztrácí své pĤvodní vlastnosti a vznikají hoĜlavé plyny, jejichž koncentrace postupnČ roste. V urþitém okamžiku dojde k dosažení limitu, pĜi kterém nastane oxidace plynĤ za pĜítomnosti vnČjšího zápalného zdroje. Po zapálení a odstranČní vnČjšího zdroje probíhá proces hoĜení. HoĜení je ovlivĖováno nČkolika faktory, napĜ. mírou vzniklého tepla, mírou pĜenosu tepla k povrchu, plochou povrchu a stupnČm rozkladu. OvlivnČním tČchto faktorĤ mĤže být proces hoĜení omezen nebo potlaþen. PĜítomností retardérĤ hoĜení mohou být jednotlivé fáze procesu ovlivnČny [1, 2]. 3.1.1.
Fyzikální pĤsobení retardérĤ hoĜení
Ke zpomalení procesu hoĜení mĤže docházet nČkolika zpĤsoby. První možností je tzv. chlazení. Použité pĜísady ochladí substrát na teplotu, která je nižší než teplota potĜebná k udržení procesu hoĜení. VytvoĜení ochranné vrstvy na povrchu materiálu má nČkolik úþinkĤ, napĜ. snížení teploty, vyvíjení menšího množství hoĜlavých plynĤ, narušení pĜenosu tepla a zabránČní pĜístupu kyslíku. ZaþlenČní inertních látek a pĜísad do materiálĤ vede k tomu, že se bČhem rozkladu vyvíjejí i inertní plyny, které Ĝedí palivo v pevné a plynné fázi. Tím je zabránČno pĜekroþení limitu, potĜebného k zapálení materiálu [2]. 3.1.2.
Chemické pĤsobení retardérĤ hoĜení
NejvýznamnČjší chemické reakce retardérĤ hoĜení probíhají v plynné nebo pevné fázi. V plynné fázi probíhá spalovací proces pĤsobením volných radikálĤ. Retardéry hoĜení vychytávají volné radikály a tak pĜerušují probíhající proces. Systém se ochladí a množství hoĜlavých plynĤ je redukováno. ProstĜednictvím retardérĤ hoĜení mĤže být urychleno porušení polymeru, který je pak odtažen z oblasti ovlivĖované plamenem. Další možností je vytvoĜení uhlíkové vrstvy prostĜednictvím retardéru na povrchu daného polymeru. Tvorbou filmu na povrchu materiálu se sníží tepelná vodivost, popĜípadČ se zvýší odrazivost. Tím se
8
sníží míra ohĜívání daného materiálu. Jednou z možností, jak omezit rozkladné procesy, mĤže být napĜíklad výbČr chemicky odolných složek nebo úprava struktury polymeru [2]. ObecnČ lze Ĝíci, že pokud se podaĜí zabránit vzniku hoĜlavé smČsi plynĤ, pak se zabrání také zapálení materiálu. Proto se používají retardéry hoĜení, které pĤsobením vyšší teploty uvolĖují tČkavé látky, které mohou reagovat v plynné fázi a pĜispČt tak k potlaþení zapálení materiálu [2]. Retardéry hoĜení úþinkují v kondenzované nebo v plynné fázi. PĤsobení retardérĤ v kondenzované fázi je typické pro fosforové slouþeniny. Jejich úþinky mohou být synergisticky zvýšeny pĜídavkem nČkterých dusíkatých slouþenin, napĜíklad melaminu a moþoviny. Fosforové a organofosforové slouþeniny jsou obvykle souþástí celulózy a termoplastĤ [2]. BČhem zahĜívání hoĜlavých materiálĤ vznikají vodíkové, kyslíkové, hydroxidové a peroxidové radikály, které jsou následnČ oxidovány. NČkteré retardéry hoĜení vychytávají volné radikály a zabraĖují jejich oxidaci. Za nejúþinnČjší jsou považovány právČ slouþeniny bromu. Ty uvolĖují bromovodík, který pak v plynné fázi reaguje s volnými radikály [1, 2, 3]. Rozhodujícím faktorem ovlivĖujícím úþinnost daného retardéru hoĜení je jeho tepelná stabilita, a to v porovnání s polymerem, k nČmuž je retardér pĜidáván. Teplota rozkladu retardéru hoĜení by mČla být alespoĖ o 50 °C nižší než teplota rozkladu daného polymeru. Vzhledem k relativnČ nízké vazebné energii mezi uhlíkem a bromem dochází k rozkladu bromovaných slouþenin pĜi teplotČ okolo 200 – 300 °C. Teplota rozkladu bČžnČ používaných polymerĤ je v porovnání s bromovanými retardéry mnohem vyšší. Proto jsou, a to v porovnání s chlorovanými slouþeninami, bromované slouþeniny úþinnČjšími retardéry hoĜení [2, 3]. V nČkterých pĜípadech se rovnČž používají látky potlaþující kouĜ. Tyto látky pĤsobí v plynné nebo kondenzované fázi. V kondenzované fázi se þasto využívá tvorby povlakĤ nebo ĜedČní pĜídavkem inertních plniv, þímž se omezí tvorba produktĤ pyrolýzy, tj. i kouĜe. V plynné fázi se potom Ĝedí kouĜové plyny, popĜípadČ se eliminují saze nebo jejich prekurzory [2].
3.2. Typy retardérĤ hoĜení Retardéry hoĜení se dČlí na dvČ podskupiny v závislosti na zpĤsobu, jakým je retardér zaþlenČn do polymerní struktury. Reaktivní retardéry, napĜ. tetrabrombisfenol A (TBBPA), jsou chemicky vázány pevnou kovalentní vazbou na polymerní strukturu. Tyto slouþeniny se proto málo uvolĖují do životního prostĜedí. Naproti tomu aditivní retardéry hoĜení jsou pouze smíchány s daným polymerem, þímž dochází ke snadnému uvolĖování tČchto kontaminantĤ a k jejich následnému hromadČní ve složkách životního prostĜedí. Do skupiny aditivních retardérĤ hoĜení patĜí zejména polybromované bifenyly (PBB), polybromované difenylethery (PBDE) a hexabromcyklododekan (HBCD) [1, 2, 3]. V souþasnosti se rozlišují þtyĜi hlavní skupiny retardérĤ hoĜení, a to anorganické, halogenované, organofosforové a retardéry na bázi dusíku. 3.2.1.
Anorganické retardéry hoĜení
Hlavními zástupci anorganických retardérĤ hoĜení jsou hydroxidy kovĤ, které se používají samostatnČ nebo v kombinaci s jinými retardéry k dosažení lepší úþinnosti. Hydroxidy kovĤ úþinkují v kondenzované i v plynné fázi. Absorpcí tepla a uvolĖováním vody chladí proces hoĜení a Ĝedí smČs hoĜlavých plynĤ. Hydroxid hlinitý a hydroxid hoĜeþnatý jsou hlavními zástupci této skupiny. Hydroxid hlinitý se rozkládá již pĜi teplotách nad 200 °C, což znaþnČ limituje jeho použití. Naopak hydroxid hoĜeþnatý je stálý do teplot pĜevyšujících 300 °C, a proto bývá používán v nČkolika polymerech [1, 2].
9
Další skupinu anorganických retardérĤ hoĜení tvoĜí slouþeniny antimonu. Oxid antimonový se vyznaþuje synergistickými úþinky a je souþástí plastĤ, pryží, textilií, papíru a barev. Aby mohly oxidy antimonu a antimoniþnany správnČ pĤsobit, musí být pĜevedeny do plynné fáze. Z tohoto dĤvodu jsou používány v kombinaci s halogenovými slouþeninami, které pĜi teplotách plamene uvolĖují halogenové kyseliny reagující s antimonem obsaženým v daném materiálu. Touto reakcí vznikají trihalogenidy a halogen oxidy antimonu, tj. inertní plyny, které tvoĜí jakousi „deku“ nad substrátem. Inertní plyny zamezí pĜístupu kyslíku a tak zabrání dalšímu rozšíĜení ohnČ. Oxid antimoniþný nachází uplatnČní pĜedevším v prĤmyslu zpracovávajícím vlákna a tkaniny. Antimoniþnan sodný se používá tam, kde je zapotĜebí docílit sytých barevných odstínĤ, pĜípadnČ kde by oxid antimoniþný podporoval nežádoucí chemické reakce [2]. Ze slouþenin boru jsou významnými zástupci kyselina boritá a tetraboritan sodný (borax). ObČ slouþeniny jsou rozpustné ve vodČ, což omezuje jejich použití. Obvykle jsou používány v celulózních materiálech, napĜ. v bavlnČ nebo papíru. Boritan zineþnatý je ve vodČ nerozpustný, a proto je hojnČ používán v plastových a pryžových výrobcích. Boritan zineþnatý vykazuje synergistické úþinky v kombinaci s oxidy antimonu a mĤže pĤsobit jako retardér hoĜení nebo jako látka potlaþující kouĜ [2]. ýervený fosfor a polyfosforeþnan amonný patĜí do skupiny anorganických fosforových retardérĤ. ýervený fosfor se bČhem hoĜení oxiduje na kyselinu fosforeþnou nebo na oxid fosforeþný. ýervený fosfor bývá souþástí polyamidĤ. Polyfosforeþnan amonný je aplikován v nátČrových hmotách a v barvách na ochranu dĜeva a plastĤ [2]. 3.2.2.
Organohalogenované retardéry hoĜení
Organohalogenové slouþeniny patĜí do skupiny látek, které se vyznaþují pevnou vazbou mezi halogenovým prvkem a uhlíkem. Do této skupiny kontaminantĤ lze zaĜadit halogenované alkany, alkeny a alkiny, alkoholy, aminy, aromatické slouþeniny, cykloalkany a cykloalkeny, ethery a heterocyklické slouþeniny. Mezi významné kontaminanty této skupiny patĜí nejen již výše zmínČné DDT, ale pĜedevším polychlorované bifenyly a difenylethery, pĜípadnČ polybromované bifenyly a difenylethery. Rozlišují se aromatické, alifatické a cykloalifatické halogenované retardéry hoĜení. Jednotlivé retardéry se liší svou tepelnou stabilitou. ObecnČ jsou aromatické bromované slouþeniny stabilnČjší než chlorované alifatické slouþeniny, které jsou však odolnČjší, než bromované alifatické slouþeniny. Vzhledem k nižší tepelné stabilitČ bývají proto k alifatickým slouþeninám pĜidávány stabilizátory [1, 2, 3]. Halogeny velmi úþinnČ zachycují volné radikály, které vznikají bČhem procesu hoĜení. Tím dochází k úþinnému zabránČní dalšího rozšiĜování ohnČ. Úþinnost eliminace volných radikálĤ roste s velikostí halogenu, avšak ne všechny prvky této skupiny jsou vhodné pro použití jako retardéry hoĜení. Vazba mezi fluorem a uhlíkem je velmi pevná, fluorované slouþeniny jsou proto velmi stabilní a rozkládají se pĜi vysokých teplotách. UvolnČné halogeny tak úþinkují pĜíliš pozdČ. Naproti tomu slouþeniny jodu jsou nestabilní a rozkládají se již pĜi mírnČ zvýšených teplotách. Proto je použití slouþenin fluoru a jodu jako retardérĤ hoĜení nevhodné. Organobromované slouþeniny se naopak vyznaþují vyšší úþinností eliminace volných radikálĤ a nižší dekompoziþní teplotou v porovnání s organochlorovanými slouþeninami. To je také hlavní dĤvod, proþ jsou jako retardéry hoĜení nejvhodnČjší a nejpoužívanČjší právČ organobromované slouþeniny. Sledování jejich prĤniku do vybraných složek životního prostĜedí bylo hlavním tématem této diplomové práce [1]. Mezi hlavní zástupce bromovaných retardérĤ hoĜení patĜí pĜedevším tetrabrombisfenol A, polybromované bifenyly, hexabromcyklododekan a polybromované difenylethery, kterým je dále v této práci vČnována vČtší pozornost.
10
3.2.2.1.
Tetrabrombisfenol A (TBBPA)
Tetrabrombisfenol A je bílý až bezbarvý krystalický prášek, který se vyznaþuje slabým charakteristickým zápachem. Ve vodČ je velmi málo rozpustný, avšak výbornČ se rozpouští v methanolu nebo acetonu. Vzhledem k jeho špatné rozpustnosti ve vodČ se v pĜírodČ vyskytuje vázaný pĜedevším v sedimentech, popĜípadČ v organických složkách pĤdy. V životním prostĜedí mĤže docházet k methylaci fenolické skupiny ve struktuĜe tetrabrombisfenolu A, který je pravdČpodobnČ metabolizován mikroorganismy v sedimentech. Tímto zpĤsobem postupnČ vzniká dimethylether (Me2-TBBPA), který je však mnohem lipofilnČjší a kumuluje se v sedimentech a rybách [4, 5, 6]. PĜibližnČ 90 % TBBPA je používáno jako reaktivní retardér v epoxidových a polykarbonátových pryskyĜicích, zbylých 10 % pĜedstavují deriváty TBBPA. KonkrétnČ lze uvést, že napĜ. dimethyl TBBPA je používán jako aditivní retardér v akrylonitril-butadienstyrenových pryskyĜicích, zatímco další derivát, bis(2-hydroxyethyl ether) TBBPA, je souþástí lepidel a nátČrĤ [1]. TBBPA má podobnou strukturu jako tyroxin, hormon produkovaný ve štítné žláze; TBBPA se váže na transportní protein transtyretin silnČji než tyroxin [1]. Br
Br CH 3
HO
OH CH3 Br
Br
Obrázek 1: Strukturní vzorec tetrabrombisfenolu A 3.2.2.2.
Polybromované bifenyly (PBB)
Jednotlivé polybromované bifenyly vznikají substitucí vodíkĤ atomy bromu ve struktuĜe bifenylu. Teoreticky mĤže vzniknout až 209 kongenerĤ, stejnČ jako je tomu u polychlorovaných bifenylĤ. Tyto slouþeniny jsou vyrábČny Friedel-Craftsovou reakcí, bČhem níž reaguje bifenyl s bromem buć za pĜítomnosti, nebo bez pĜítomnosti organického rozpouštČdla. Tato reakce je katalyzována chloridem hlinitým (AlCl3), bromidem hlinitým (AlBr3), pĜípadnČ železem [7]. Polybromované bifenyly jsou pevné látky s nízkou tČkavostí, která klesá s rostoucím poþtem atomĤ bromu v molekule. Tyto slouþeniny se vyznaþují nerozpustností ve vodČ, perzistencí a relativní stabilitou. Jsou velmi odolné vĤþi pĤsobení kyselin a zásad, teploty a oxidaþních a redukþních þinidel. KromČ toho jsou rozpustné v tucích a nČkterých organických rozpouštČdlech, a to v závislosti na stupni bromace; s rostoucím poþtem bromĤ klesá jejich rozpustnost [7]. Tyto látky nejsou pĜírodního pĤvodu, jsou dĤsledkem antropogenní þinnosti þlovČka. Jako retardéry hoĜení byly poprvé použity na poþátku 70. let 20. století. V životním prostĜedí se nČkteré kongenery hromadí zejména v sedimentech a lipidických složkách bioty. Bylo prokázáno, že tyto kontaminanty byly již detekovány v jednotlivých þláncích potravního ĜetČzce [1, 7]. KomerþnČ jsou vyrábČny technické smČsi polybromovaných bifenylĤ. Jedná se o hexa-, okta/nona- a deka-PBB. Tyto komerþnČ vyrábČné smČsi jsou bílé, bezbarvé, popĜípadČ béžové práškovité látky. Jednotlivé technické smČsi se liší svým složením a zastoupením jednotlivých kongenerĤ [7]. V roce 1973 došlo v Michiganu (USA) k neúmyslnému pĜimíchání polybromovaných bifenylĤ do krmiva pro dobytek a drĤbež. Následkem této nešĢastné události došlo
11
ke kontaminaci masa, mléka a vajec. Vzhledem k tomu, že byla kontaminace tČmito látkami zjištČna až po delší dobČ, došlo k expozici obyvatel. Uvádí se, že bylo exponováno až devČt milionĤ lidí. Tato nehoda vedla k tomu, že v roce 1974 bylo v USA zakázáno použití polybromovaných bifenylĤ jako retardérĤ hoĜení [1, 5, 7]. Hexabrombifenyl je prĤmyslová chemikálie, která se vyznaþuje vysokou perzistencí v životním prostĜedí, vysokou bioakumulací a schopností dálkového transportu. PatĜí mezi možné lidské karcinogeny a má rovnČž další toxické úþinky. Na základČ toho byl v roce 2009 zaĜazen na seznam perzistentních organických polutantĤ. V EvropČ a v Severní Americe je použití hexabrombifenylu zakázáno. Uvádí se, že úþinky 3,3',4,4',5,5'-hexabrombifenylu, ve kterém nejsou atomy bromu navázány v ortho pozici na žádném kruhu, jsou velmi toxické. Naproti tomu 2,2',4,4',5,5'-hexabrombifenyl je relativnČ málo toxický. To naznaþuje, že toxicita polybromovaných bifenylĤ úzce souvisí s polohou atomĤ bromu na obou fenylových kruzích. Produkce technického dekabrombifenylu byla v EvropČ ukonþena již v roce 2000 [3, 5, 8].
Br y
Br x x + y = 1 - 10
Obrázek 2: Strukturní vzorec polybromovaných bifenylĤ 3.2.2.3.
Hexabromcyklododekan (HBCD)
Tato slouþenina je za normálních podmínek bílá krystalická nebo práškovitá látka. Díky své nízké rozpustnosti ve vodČ a odolnosti vĤþi pĜírodním degradaþním procesĤm se tato chemikálie hromadí v životním prostĜedí pĜedevším v sedimentech a v pĤdČ. Pokud jde o živoþichy, byla prokázána kumulace hexabromcyklododekanu v tukových tkáních (napĜ. v játrech, ledvinách) [2]. Toxické úþinky hexabromcyklododekanu se projevují neurobehaviorálními zmČnami a pĤsobením na játra a thyroidní hormony [9, 10] Od 80. let minulého století je tato slouþenina používána jako aditivní retardér hoĜení. KomerþnČ je tato cyklická slouþenina vyrábČna bromací cyklododekatrienu. Touto reakcí vzniká smČs 3 izomerĤ – alfa, beta a gama, pĜiþemž gama izomer je hlavním produktem. Hexabromcyklododekan je souþástí stavebních materiálĤ (nejþastČji polystyrenových pČn), þalounČného nábytku, textilu, automobilových sedaþek a potahĤ [1, 2, 5]. PĜítomnost hexabromcyklododekanu byla prokázána v arktických oblastech. Tento polutant byl detekován ve vzorcích vzduchu, sedimentĤ, moĜských živoþichĤ i polárních medvČdĤ. Gama izomer se vyskytoval zejména ve vzduchu a alfa izomer v biotČ; podobné zastoupení všech izomerĤ bylo identifikováno také v moĜských sedimentech. StejnČ jako polybromované difenylethery podléhá i hexabromcyklododekan dálkovému transportu prostĜednictvím ovzduší [11].
12
Br Br Br
Br
Br Br
Obrázek 3: Strukturní vzorec hexabromcyklododekanu 3.2.2.4.
Nové bromované retardéry hoĜení
V posledních desetiletích roste snaha nahradit stávající retardéry hoĜení novými, které by mČly být šetrnČjší k životnímu prostĜedí. Mezi nejvýznamnČjší zástupce této skupiny retardérĤ hoĜení patĜí pĜedevším dekabromdifenyl ethan (DBDPE), hexabrombenzen (HxBBz), pentabromethylbenzen (PBEB), pentabromtoluen (PBT) a mnoho dalších. Strukturní vzorce tČchto chemických slouþenin jsou prezentovány na obrázku þ. 4. Všechny tyto výše specifikované slouþeniny patĜí do skupiny aditivních retardérĤ hoĜení [11].
Název
Strukturní vzorec Br
Br Br
Dekabromodifenyl ethan (DBDPE)
Br
Br Br Br
Br Br
Br
Br Br
Br
Br
Br
Hexabrombenzen (HxBBz) Br
Br Br CH3
Pentabromoethylbenzen (PBEB) Br
Br Br Br Br
CH3
Br
Br
Pentabromotoluen (PBT) Br
Obrázek 4: Strukturní vzorce vybraných nových bromovaných retardérĤ hoĜení [11]
13
Dekabromdifenyl ethan je prodáván pod obchodním názvem Saytex 8010 a je souþástí tzv. „high impact“ polystyrenu a kabelových izolaþních materiálĤ. Dekabromdifenyl ethan by mČl postupnČ nahradit DecaBDE. Hexabrombenzen je používán zejména v Japonsku, kde je pĜidáván do papírových, plastových a elektronických produktĤ. Pentabromethylbenzen se pĜevážnČ používá v termosetech, termoplastech, textiliích, lepidlech a je pĜidáván do polyurethanu. Pentabromtoluen lze detekovat v textiliích, polyesterových pryskyĜicích a nátČrových emulzích [11, 12]. 3.2.3.
Organofosforové retardéry hoĜení
Fosfor je v porovnání s bromem mnohem úþinnČjším retardérem a bylo prokázáno, že použití jeho slouþenin je rovnČž šetrnČjší vĤþi životnímu prostĜedí, protože se jedná pĜedevším o slouþeniny vesmČs netoxické a biologicky odbouratelné. Tato skupina retardérĤ hoĜení se rozdČluje na nehalogenované a halogenované retardéry hoĜení. Mezi aditivní nehalogenované retardéry mĤžeme zaĜadit napĜíklad fosfátové estery (trialkylové, triarylové nebo aryl-alkylové deriváty). Halogenované fosforové retardéry našly široké uplatnČní v aplikaþní sféĜe, protože kombinují vlastnosti halogenové i fosforové skupiny. Jako pĜíklad lze uvést tris(1-chloro-2-propyl) fosfát, který je souþástí polyuretanových pČn, pĜípadnČ tris(2chlorethyl) fosfát, pĜidávaný pĜedevším do polyakrylátových nebo celulózních derivátĤ. Další slouþenina této skupiny, tris(2,3-dibromopropyl) fosfát, byla v mnoha zemích stažena z trhu, neboĢ vykazuje karcinogenní vlastnosti [2]. 3.2.4.
Retardéry hoĜení na bázi dusíku
Tyto retardéry jsou obvykle používány v polymerech obsahujících ve své struktuĜe dusík, napĜ. v polyurethanech nebo polyamidech. NejpoužívanČjšími zástupci tČchto retardérĤ jsou melamin, melamin kyanurát, deriváty melaminu nebo guanidinové slouþeniny. Melamin je aditivní retardér, který se pĜidává do polypropylenu nebo polyethylenu. Melamin bČhem hoĜení sublimuje a spotĜebovává obrovské množství energie, þímž dochází ke snížení teploty. Deriváty melaminu jsou velmi þasto pĜidávány do tereftalátĤ nebo do epoxidových a polyuretanových pryskyĜic [1, 2]. NH2 N
H2N
N
N
NH2
Obrázek 5: Strukturní vzorec melaminu
14
4. POLYBROMOVANÉ DIFENYLETHERY 4.1. Struktura a názvosloví Základní struktura polybromovaných difenyletherĤ je tvoĜena dvČma fenylovými kruhy, které jsou spojeny etherovou vazbou. Molekula difenyletheru obsahuje ve své struktuĜe deset atomĤ vodíku, které mohou být nahrazeny jedním až deseti atomy bromu. Polybromované difenylethery jsou charakterizovány sumárním vzorcem C12H10-(x+y)Br(x+y)O. Souþet hodnot promČnných x a y nabývá hodnot jedna až deset. Strukturní vzorec polybromovaných difenyletherĤ je znázornČn na obrázku þ. 6. O
Br y
x + y = 1 - 10
Br x
Obrázek 6: Strukturní vzorec polybromovaných difenyletherĤ Teoreticky mĤže vzniknout až 209 kongenerĤ, které se navzájem odlišují polohou a poþtem atomĤ bromu. Pro pojmenování a þíslování kongenerĤ je používána nomenklatura IUPAC, která je shodná s nomenklaturou pro polychlorované nebo polybromované bifenyly. V tabulce þ. 1 je zobrazen pĜehled všech kongenerĤ, které mohou být teoreticky vytvoĜeny. TmavČ jsou v této tabulce vyznaþeny tzv. majoritní kongenery [1, 3]. I když je poþet možných kongenerĤ tak vysoký, v životním prostĜedí lze obvykle detekovat asi 20 až 25 kongenerĤ ve vyšších koncentracích. Další kongenery mohou být pĜítomny ve vzorcích, v nichž dochází k nČkterým degradaþním procesĤm, napĜ. fotolytické debromaci, biologické debromaci, mikrobiální debromaci v pĤdČ, popĜípadČ metabolismu probíhajícímu u živoþichĤ. Nejvíce zastoupeným kongenerem v pĜírodČ je BDE-209, což je dĤsledkem jeho fyzikálnČ chemických vlastností. Tento kongener má v porovnání s ostatními kongenery silnČjší afinitu k pevným þásticím a je málo tČkavý [13, 14].
15
Tabulka 1: PĜehled kongenerĤ PBDE [34] Kruh 1 0 2 3 4 23 24 25 26 34 35 234 235 236 245 246 345 2345 2346 2356 23456
1 4 2 6 3 8 5 16 7 17 9 18 10 19 12 33 14 34 21 41 23 43 24 45 29 48 30 50 38 76 61 86 62 88 65 93 116 142 0 2
11 13 20 25 26 27 35 36 55 57 59 67 69 78 106 109 112 160 3
15 22 28 31 32 37 39 60 63 64 75 75 81 114 115 117 166 4
40 42 44 46 56 58 82 83 84 97 98 122 129 131 134 173 23
47 49 51 66 68 85 90 91 99 100 123 137 139 147 181 24
52 52 70 72 87 92 95 101 103 124 141 144 151 185 25
54 71 73 89 94 96 102 104 125 143 145 152 186 26
77 79 105 107 110 118 119 126 156 158 163 190 34
80 108 111 113 120 121 127 159 161 165 192 35
128 130 132 138 140 157 170 171 177 195 234
133 135 146 148 162 172 175 178 198 235
136 149 150 164 174 176 179 199 236
153 154 167 180 183 187 203 245
155 168 182 184 188 204 246
169 189 194 191 196 197 193 201 200 202 205 206 207 208 209 345 2345 2346 2356 23456 Kruh 2
16
4.2. Fyzikální a chemické vlastnosti PBDE Distribuce polybromovaných difenyletherĤ v životním prostĜedí se odvíjí od jejich vlastností. Polybromované difenylethery patĜí mezi látky, které se vyznaþují znaþnou odolností vĤþi pĤsobení kyselin a zásad, tepla, svČtla i oxidaþním a redukþním reakcím. Vyskytují se v pevném nebo kapalném skupenství. Tyto kontaminanty jsou charakteristické nízkou rozpustností ve vodČ, protože jsou velmi lipofilní. Jejich lipofilita roste s rostoucím poþtem atomĤ bromu ve struktuĜe molekuly. Nížebromované slouþeniny se v porovnání s výšebromovanými slouþeninami vyznaþují lepší rozpustností ve vodČ a vyšší tČkavostí. To má za následek, že nížebromované difenylethery se þastČji vyskytují v atmosféĜe a ve vodách, zatímco výšebromované difenylethery pĜevažují v sedimentech, pĤdách a tukových tkáních živoþichĤ. Do tabulky þ. 2 jsou shrnuty nČkteré vybrané fyzikální a chemické vlastnosti jednotlivých isomerních skupin polybromovaných difenyletherĤ [2, 3, 15]. Tabulka 2: Vybrané fyzikální a chemické vlastnosti PBDE [2] PBDE
Sumární vzorec
Mr (g·mol-1)
Mono-BDE Di-BDE Tri-BDE Tetra-BDE Penta-BDE Hexa-BDE Hepta-BDE Okta-BDE Nona-BDE Deka-BDE
C12H9BrO C12H8Br2O C12H7Br3O C12H6Br4O C12H5Br5O C12H4Br6O C12H3Br7O C12H2Br8O C12HBr9O C12Br10O
PBDE Mono-BDE Di-BDE Tri-BDE Tetra-BDE Penta-BDE Hexa-BDE Hepta-BDE Okta-BDE Nona-BDE Deka-BDE
Skupenství kapalina pevná látka – – kapalina – pevná látka pevná látka – pevná látka
249,1 328 407,1 485,8 564,75 643,62 722,3 801,5 880,4 959,2
Poþet isomerĤ 3 12 24 42 46 42 24 12 3 1
Majoritní kongenery 3 15 28 47 99, 100, 118 153, 154 183 – – 209
Bod tání (°C) 18,72 60,5 – – (-7) – (-3) – 70 – 150 80 – >200 – 290 – 306
Bod varu (°C) 310 338 – 340 – – >300 – – – – –
log Kow 4,28 5,03 5,47 – 5,58 5,87 – 6,16 6,64 – 6,97 6,86 – 7,92 – 8,35 – 8,9 – 9,97
Díky svým lipofilním a perzistentním vlastnostem pĜetrvávají tyto polutanty ve složkách životního prostĜedí znaþnou dobu. Kumulují se pĜedevším v sedimentech a pĤdách, protože se zde vážou na pevné þástice. Byl prokázán také výskyt tČchto kontaminantĤ v polárních oblastech, což nasvČdþuje jejich dálkovému transportu prostĜednictvím prachových þástic. Polybromované difenylethery byly identifikovány také v nČkterých druzích moĜských živoþichĤ, kde se kumulují zejména v tukových tkáních [3].
17
BČhem spalovacích procesĤ mohou z polybromovaných difenyletherĤ vznikat i nebezpeþné a pĜedevším toxické slouþeniny, napĜ. polybromované dibenzo-p-dioxiny a dibenzofurany. Jejich množství je závislé pĜedevším na typu PBDE, teplotČ spalování, množství kyslíku, popĜípadČ na použitém polymeru [15].
4.3. Výroba PBDE Jedná se o syntézu probíhající v prostĜedí nenukleofilního rozpouštČdla katalyzovanou železem, pĜiþemž vzniká smČs rĤzných izomerĤ. PĜi halogenaci aromátu za katalýzy vhodného kovu (Fe, Zn) vzniká bČhem reakce Lewisova kyselina a bromidový kation, který se aduje na aromatické jádro jako první. NáslednČ dochází i k navázání bromidového anionu a vzniku disubstituovaného jádra [1, 34]. Br O
O Br 2 /CCl 4 (Fe)
Br
4,2´-dibrom difenylether
Obrázek 7: Bromace difenyletheru [1]
4.4. Použití PBDE Polybromované difenylethery jsou vyrábČny jako komerþní smČsi, které se liší nejen svým složením, ale také použitím. Obvyklé složení tČchto vyrábČných smČsí je prezentováno v tabulce þ. 3 [1, 15]. Tabulka 3: Složení komerþních smČsí PBDE [15] Komerþní smČs PBDE
PeBDE
Tri-BDE Tetra-BDE Penta-BDE Hexa-BDE Hepta-BDE Okta-BDE Nona-BDE Deka-BDE
0–1% 24 – 38 % 50 – 62 % 4–8%
4.4.1.
OBDE
DeBDE
10 – 12 % 43 – 44 % 31 – 35 % 9 – 11 % 0–1%
0,3 – 3 % 97 – 98 %
DeBDE
Komerþní smČs DeBDE je tvoĜena z 97-98 % deka-BDE, zbytek tvoĜí jiné slouþeniny, nejþastČji nona-BDE. DeBDE je sypký prášek, který nezapáchá a má krémovČ bílou barvu. Vyznaþuje se pĜedevším tepelnou stabilitou a nereaktivností; proto se používá jako aditivní retardér hoĜení [1, 15]. Technická smČs je vyrábČna pod mnoha obchodními jmény. V této souvislosti lze uvést napĜíklad Bromkal 81, Bromkal 83-10 DE, FR-300 BA a Saytex 102 [15]. Byly provádČny studie zkoumající degradaci smČsi obsahující DeBDE. Bylo prokázáno, že dochází k fotodegradaci v organických rozpouštČdlech (napĜ. hexanu, xylenu), bČhem které vznikají pĜevážnČ tri- až okta-BDE. BČhem provádČných analýz byly rovnČž
18
detekovány polybromované dibenzofurany, které pravdČpodobnČ vznikly v rámci degradace [3, 15]. SmČs DeBDE se používá do termoplastĤ a termosetĤ, dále je souþástí rĤzných lepidel, nátČrových hmot a také textilií. Hlavní uplatnČní nachází napĜíklad v tzv. „high impact“ polystyrenu, akrylonitril-butadien-styrenových pryžích, epoxidových a polyesterových pryskyĜicích, v polyvinylchloridu nebo nylonu. Koncentrace DeBDE v jednotlivých polymerech se liší, obvykle se pohybuje v rozmezí 6 – 22 % [1, 15]. 4.4.2.
OBDE
Slouþenina prodávaná komerþnČ jako OBDE je tvoĜena hexa- až nona-BDE, avšak obsahuje také malé množství deka-BDE. Bývá vyrábČna pod obchodními názvy Bromkal 798 DE, DE 79 nebo Tardex 80. Je souþástí akrylonitril-butadien-styrenu (ABS), který se používá na výrobu poþítaþových a kanceláĜských zaĜízení [15]. NČkteré komponenty této smČsi byly identifikovány rovnČž v sedimentech a v tukových tkáních, penta- a hexa-BDE se naopak vyskytovaly pĜevážnČ v biotČ. ObecnČ však tato smČs vykazuje nízký bioakumulaþní faktor. 4.4.3.
PeBDE
SmČs obsahující PeBDE je vyrábČna pod obchodními jmény Bromkal 70, DE 71, Pentabromprop nebo Bromkal 70-5 DE. Hlavními složkami PeBDE jsou tri- až hexa-BDE, avšak v nČkterých produktech byly obsaženy také hepta-BDE. Výskyt této smČsi polybromovaných difenyletherĤ byl prokázán v biotČ a v sedimentech a pĜedpokládá se, že jsou bioakumulativní [15]. Tato smČs je používána zejména jako aditivní retardér hoĜení v epoxidových a fenolových pryskyĜicích a je souþástí polyurethanĤ, polyesterĤ a textilií [5]. Jak již bylo výše uvedeno, tyto látky jsou aplikovány v mnoha prĤmyslových odvČtvích a jejich produktech. Hlavní aplikací jsou pĜedevším plastové výrobky (poþítaþová a kanceláĜská technika, televizory, domácí spotĜebiþe), drátové a kabelové izolace, desky plošných spojĤ, lepidla, nátČrové hmoty, textilie a mnoho dalších. V srpnu 2004 byla v EvropČ zakázána produkce výrobkĤ obsahujících koncentrace technických smČsí PeBDE a OBDE vyšší než 0,1 hmot. %. Tento zákaz byl v þervenci 2008 rozšíĜen také na elektrické a elektronické produkty obsahující DeBDE. Na þtvrtém setkání v kvČtnu 2009 byly na konferenci smluvních stran pĜijaty zmČny pĜíloh A, B a C Stockholmské úmluvy. Na seznam perzistentních organických zneþišĢujících látek bylo pĜidáno devČt nových polutantĤ, mezi nimi také tetra- a pentaBDE (komerþní smČs PeBDE) a hexa- a heptaBDE (komerþní smČs OBDE) [8, 16, 17].
4.5. Zdroje PBDE v životním prostĜedí Xenobiotika vstupující do životního prostĜedí se šíĜí jednotlivými složkami životního prostĜedí v závislosti na svých fyzikálnČ chemických a environmentálních vlastnostech. KolobČh polutantĤ zaþíná od zdrojĤ kontaminace. V pĜípadČ polybromovaných difenyletherĤ jsou rozlišovány dva druhy zdrojĤ kontaminace, primární a sekundární. Primárními zdroji kontaminace jsou chápána ta místa, kde se vyrábČjí polybromované difenylethery a výrobky, které PBDE obsahují. Jednotlivé produkty obsahující tyto chemické slouþeniny patĜí rovnČž mezi primární kontaminanty životního prostĜedí. K sekundární kontaminaci dochází uvolĖováním zneþišĢujících látek do prostĜedí, napĜ. pĜi spalování produktĤ obsahujících PBDE ve spalovnách, pĜi požárech nebo po uložení produktĤ na tzv. þernou skládku, ze které mohou výše specifikované polutanty unikat jako souþást emisí nebo výluhĤ. Dalšími
19
zdroji kontaminace mohou být také místa, kde dochází k shromažćování a likvidaci elektroodpadĤ [3]. Polybromované difenylethery nejsou pouze antropogenního pĤvodu. Bylo prokázáno, že nČkteré metabolity polybromovaných difenyletherĤ jsou produkovány také živými organismy. Bylo zjištČno, že moĜské organismy obsahující homoperoxidázové enzymy mohou produkovat vysoce bromované metabolity i z nízkých koncentrací bromidĤ vyskytujících se v moĜské vodČ. PĤvodcem methoxylovaných polybromovaných difenyletherĤ mohou být také nČkteré houby [3]. Marsch se svými spolupracovníky sledovali obsah methoxylovaných (MeO-PBDE) a hydroxylovaných polybromovaných difenyletherĤ (OH-PBDE) v krvi lososĤ obecných, kteĜí byli odloveni v Baltském moĜi. V jejich krvi bylo identifikováno celkem devČt OH-PBDE a šest MEO-PBDE, které ve své struktuĜe obsahovaly þtyĜi nebo pČt atomĤ bromu. PČt polutantĤ z této skupiny obsahovalo také jeden atom chloru. TémČĜ ve všech strukturách byla hydroxylová nebo methoxylová skupina navázána v ortho poloze vĤþi etherové vazbČ. Na základČ struktury tČchto látek autoĜi publikace usoudili, že identifikované slouþeniny jsou spíše pĜírodního pĤvodu; pouze jednu hydroxylovanou strukturu oznaþili jako možný metabolit BDE-47 [18, 19].
4.6. Osud PBDE v životním prostĜedí Aþkoliv bylo použití nČkterých kontaminantĤ ze skupiny PBDE již zakázáno, nutno konstatovat, že jsou stále všudypĜítomné. Vzhledem k tomu, že jsou polybromované difenylethery používány jako aditivní retardéry hoĜení, jsou postupnČ uvolĖovány z výrobkĤ a odpadĤ. V posledních letech narĤstá jejich koncentrace nejen v sedimentech a biotČ. Proto je nezbytné, aby byl jejich výskyt sledován rovnČž ve tkáních þlovČka a tČlních tekutinách, pĜedevším u malých dČtí, které je nutné zaĜadit mezi rizikové skupiny [5]. Jak již bylo výše zmínČno, osud kontaminantu v životním prostĜedí je ovlivnČn jeho fyzikálními a chemickými vlastnostmi. DĤležitými vlastnostmi jsou v tomto pĜípadČ poþet a poloha atomĤ bromu ve struktuĜe difenyletheru. Vzhledem k lepší rozpustnosti ve vodČ a vyšší tČkavosti se nížebromované slouþeniny vyskytují více ve vodním ekosystému a v atmosféĜe. Výšebromované difenylethery jsou naopak dominantní v pĤdách a také v sedimentech. Jejich výskyt byl rovnČž potvrzen v tukových tkáních nČkterých živoþichĤ [15]. Perzistence polybromovaných difenyletherĤ v životním prostĜedí je vysoká. Podle názorĤ nČkterých odborníkĤ degradují polybromované difenylethery v životním prostĜedí mnohem lépe než napĜ. polychlorované bifenyly. To je pravdČpodobnČ zpĤsobeno tím, že vazba mezi bromem a uhlíkem je v porovnání s vazbou mezi chlorem a uhlíkem mnohem slabší [3]. Studie provádČná za úþelem sledování atmosférické degradace polybromovaných difenyletherĤ naznaþila, že mono- a di- BDE jsou degradovány pĤsobením hydroxylových radikálĤ. Naproti tomu tri- až hexa- BDE podléhají fotolytickému pĤsobení, pokud se vyskytují v plynné fázi. K odstraĖování deka- BDE z atmosféry dochází pĜevážnČ mokrou depozicí. V pĜípadČ, že je delší dobu období bez srážek, váže se BDE-209 na prachové þástice a pĤsobením silných vČtrĤ mohou být tyto þástice transportovány na velmi dlouhé vzdálenosti. Nížebromované difenylethery se pĜi nízkých teplotách váží na þástice ve vzduchu, þímž je znaþnČ omezena jejich fotodegradace [20, 21, 22]. Sledováním dálkového transportu polybromovaných difenyletherĤ a polychlorovaných bifenylĤ se zabýval Ter Schure a kol. Ve vzorcích odebraného vzduchu a deponovaných þástic z ostrova v Baltském moĜi byly detekovány PBDE i PCB. V plynné fázi byly identifikovány pĜedevším polychlorované bifenyly, zatímco polybromované difenylethery byly
20
prokázány zejména v prachových þásticích. Celkem bylo detekováno deset kongenerĤ polybromovaných difenyletherĤ, pĜiþemž dominantním byl kongener BDE-209; následovaly kongenery BDE-47 a BDE-99. Výsledky této i další studie naznaþují, že zatímco koncentrace PCB vykazuje klesající trend, koncentrace PBDE naopak stále vzrĤstá [19, 23]. ZávČry prezentované v rámci nČkterých dalších studií upozorĖují na zvýšenou koncentraci polybromovaných difenyletherĤ v prachu pocházejícím zejména z domácností a také v prachu z automobilĤ. Hlavním kontaminantem prachových þástic je BDE-209, který je charakteristický svoji silnČjší afinitou k pevným þásticím. Nutno upozornit pĜedevším na tu skuteþnost, že kontaminovaným prachem z domácího prostĜedí mohou být exponována pĜedevším batolata, která se pohybují po zemi a pĜicházejí s prachem nejþastČji do pĜímého kontaktu. V automobilovém prachu byla v porovnání s prachem z domácností zjištČna mnohem vyšší koncentrace ostatních polybromovaných difenyletherĤ [14, 24]. NČkteré studie naznaþily, že polybromované difenylethery mohou podléhat dálkovému transportu. Ve vzorcích odebraných v polárních oblastech byl prokázán výskyt diaž hepta-BDE. Kontaminanty byly prokázány nejen v abiotických (pĤda, voda, vzduch, mechy, sedimenty), ale pĜedevším v biotických složkách životního prostĜedí (zooplankton, bezobratlí, ryby, ptáci a nČkteĜí savci). V tČchto vzorcích byly detekovány také hexabromcyklododekan, polybromované bifenyly a tetrabrombisfenol A. Z uvedených studií rovnČž vyplynulo, že evropské polární oblasti vykazují vyšší stupeĖ kontaminace než polární oblasti v Severní Americe. Podobný trend byl potvrzen rovnČž pro organochlorované polutanty. Kontaminace tČchto oblastí nebezpeþnými organohalogenovanými polutanty pochází pĜedevším z východní þásti Severní Ameriky a západní a centrální Evropy. U nČkterých nížebromovaných difenyletherĤ byla rovnČž sledována bioakumulace, která byla prokázána napĜ. pro BDE-47 a BDE-153 [11]. Výsledky sledování úrovnČ kontaminace živoþišných druhĤ polybromovanými defenylethery ukazují na to, že suchozemské organismy mohou být více exponovány výšebromovanými difenylethery, zejména v porovnání s moĜskými organismy. K tČmto závČrĤm dospČli ve své studii také Herzke a kol. [19, 25].
21
5. STANOVENÍ PBDE VE SLOŽKÁCH ŽIVOTNÍHO PROSTěEDÍ V posledních letech roste potĜeba sledovat úroveĖ kontaminace jednotlivých složek životního prostĜedí nebezpeþnými polutanty na bázi organických slouþenin. Tato diplomová práce byla zamČĜena na stanovení polybromovaných retardérĤ hoĜení v hydrosféĜe a pedosféĜe. Polybromované difenylethery se již bohužel staly souþástí potravního ĜetČzce, a proto je naprosto nezbytné sledovat úroveĖ kontaminace tČmito polutanty. PĜítomnost PBDE se sleduje nejen v pĤdČ, sedimentech, ve vodách, ale také v prachu z domácností, kanceláĜí nebo automobilĤ, v potravinách, pĜípadnČ v pracovních prostorech. Pro analýzu polybromovaných difenyletherĤ jsou þasto používány stejné postupy jako pro stanovení jiných perzistentních organických polutantĤ, napĜ. polychlorovaných bifenylĤ, organochlorovaných pesticidĤ nebo polychlorovaných dibenzo-p-dioxinĤ a dibenzofuranĤ. Jako standardizované metody pro stanovení polybromovaných difenyletherĤ jsou používány metody ISO 22032:2006 a U.S. EPA Method 1614:2007.
5.1. OdbČr vzorkĤ Velmi dĤležitým krokem pro pĜesné a správné stanovení urþitého polutantu je správný odbČr vzorku. ŠpatnČ provedený odbČr vzorku mĤže negativnČ ovlivnit výsledek celé analýzy. V literatuĜe se uvádí, že špatnČ provedený odbČr mĤže tvoĜit až 90 % podíl na nejistotČ výsledku. Proto je velmi dĤležité, aby byly vzorky odebrány peþlivČ, a to podle navrženého plánu vzorkování. RovnČž musí být dodržena urþitá pravidla vzorkování, a to striktnČ podle systému QA/QC. 5.1.1.
Voda
Voda je heterogenní systém promČnlivý v prostoru i v þase. Stojaté a tekoucí vody se liší v nČkterých vlastnostech, a proto i postupy odbČru mají svá specifika. Pro stojaté vody jsou obvykle voleny manuální vzorkovaþe, zatímco pro tekoucí vody jsou vhodnČjší vzorkovaþe automatické. Pro odbČr reprezentativního vzorku je nutné, aby byla voda odebrána vhodným odbČrovým zaĜízením a souþasnČ aby reprezentovala místo a dobu odbČru vzorku. Správné uchování a pĜevoz vzorku jsou také dĤležité. Nedodržení správných podmínek mĤže mít rovnČž negativní dopad na generaci pĜesných a správných výsledkĤ [26]. SmČsným vzorkem je charakterizován odbČr takového množství vzorku, který po analýze poskytne hodnotu prĤmČrné koncentrace kontaminantu za urþitou þasovou jednotku. Tento typ vzorku je typický zejména pro odbČr odpadních vod. Analýzou nČkolika vzorkĤ odebraných z dané oblasti lze získat informace o distribuci polutantu v celém vzorkovaném objemu. V takových pĜípadech bývají vzorky odebírány na rĤzných místech, popĜípadČ v rĤzných hloubkách, a to v závislosti na povaze vzorkované oblasti. Odebíráme-li vzorky tekoucí vody, je lepší provádČt odbČr ve stĜedu toku, aby nedocházelo ke zvíĜení sedimentĤ. S ohledem na stratifikaci stojatých vod je vhodnČjší odebírat vodu z vČtších hloubek [26]. Po každém provedeném odbČru je nutné vzorek oznaþit a vyplnit protokol o odbČru, který obsahuje základní popis daného vzorku. Tím se rozumí typ a druh vzorku, místo odbČru, datum a þas odbČru, zpĤsob odbČru, úþel odbČru, oznaþení vzorkovnice, teplota vody a vzduchu pĜi odbČru, hodnota prĤtoku nebo vodní stav. 5.1.2.
PĤda
PĤda je charakterizována jako tenká vrstva na zemském povrchu, která se vytváĜela zvČtráváním hornin a pĤsobením pĤdotvorných þinitelĤ. PĤdotvorný proces je velmi dlouhý a složitý dČj. Vlastnosti pĤdy jsou ovlivnČny pĜedevším pĤdotvornými þiniteli, tj. geologickým
22
substrátem, reliéfem terénu, klimatem, biotou, þasem a pĜedevším pĤsobením lidské þinnosti. PĤda patĜí mezi abiotické složky životního prostĜedí a je tvoĜena pevnou složkou, pĤdním vzduchem a pĤdní vodou, tj. vlhkostí. U pĤdy je však nezbytné poþítat, a to zejména pĜi distribuci organických lipofilních kontaminantĤ, eventuálnČ pĜi degradaci, také s biotickou složkou reprezentovanou mikroflorou a mikrofaunou [26]. PĜi vzorkování pĤdy je nezbytné zohlednit fyzikální, chemické, biologické a také radiologické vlastnosti vzorkované pĤdy. Plán vzorkování by mČl obsahovat vzorkovací schéma v dané lokalitČ, typ vzorku, techniku vzorkování, hloubku odbČru, hmotnost vzorku, þas odbČru, balení, uchování a podmínky pĜepravy. Obvykle je odebrán smČsný vzorek pĤdy, který reprezentuje vzorkovanou oblast [26].
5.2. PĜíprava vzorku PĜíprava vzorku k analýze je þasovČ nejnároþnČjší a nejpracnČjší þást analýzy vzorkĤ. Izolace analytĤ z matrice se provádí nejþastČji extrakcí. Extrakcí se zjišĢované analyty pĜevedou z matrice, která mĤže být pĜevážnČ v kapalné nebo v pevné formČ, do vhodného rozpouštČdla, popĜípadČ do smČsi rozpouštČdel. PĜechod þástice z tuhé do kapalné fáze, pĜípadnČ mezi dvČma vzájemnČ nemísitelnými kapalnými fázemi, je zpĤsoben interakcí molekul rozpouštČdla s molekulami rozpouštČné nebo extrahované látky. Volba vhodného rozpouštČdla je závislá na charakteru tČchto interakcí. PĜi rozpouštČní nepolárních látek v nepolárních rozpouštČdlech jsou pĜednostnČ uplatĖovány slabé disperzní síly. Dipól – dipólové interakce zpĤsobují zase orientaci molekul rozpouštČdla v prostoru. Tyto pĜitažlivé síly mezi molekulami rozpouštČdla musí rozpuštČná látka pĜekonat. Velmi silné interakce se uplatĖují zejména pĜi tvorbČ vodíkových mĤstkĤ [27, 28]. VýbČr vhodné extrakþní metody je ovlivnČn povahou analyzovaného vzorku. Pro analýzu polybromovaných difenyletherĤ ve vzorcích vody je ve vČtšinČ pĜípadĤ používána extrakce kapalina – kapalina. Je však zapotĜebí velkého množství vzorku, neboĢ koncentrace sledovaných analytĤ ve vodČ je obvykle velmi nízká. Pro stanovení polybromovaných retardérĤ hoĜení v pĤdČ nebo v sedimentu je možno vesmČs použít nČkterou z následujících extrakþních technik. Soxhletova extrakce je standardizovaná metoda vhodná pro extrakci všech tČchto polutantĤ, avšak vzhledem k její znaþné þasové nároþnosti a vysoké spotĜebČ organických rozpouštČdel bývá þasto nahrazována jinými postupy. V mnoha pĜípadech jsou pro stanovení polybromovaných difenyletherĤ používány tlaková extrakce rozpouštČdlem (PSE, ASE), extrakce ultrazvukem (USE), superkritická fluidní extrakce (SFE) nebo extrakce podporovaná mikrovlnným ohĜevem (MAE) [28, 29]. Volba vhodného extrakþního rozpouštČdla, doba extrakce, teplota a tlak hrají pĜi nČkterých extrakþních postupech dĤležitou roli, které je nutné zohlednit pĜi optimalizaci zvoleného extrakþního postupu. Pro extrakci polybromovaných difenyletherĤ jsou velmi þasto používána rozpouštČdla jako dichlormethan, n-hexan, toluen, pĜípadnČ smČs rozpouštČdel dichlormethan a n-hexan smíchané v pomČru 1:1, nebo smČsi n-hexanu a acetonu, pĜípadnČ n-hexanu a petroletheru, smíchaných v rĤzných pomČrech. Protože se sledované analyty vyskytují ve stopových množstvích, je nutné izolované analyty pĜed finální analýzou vždy optimálním zpĤsobem zakoncentrovat [24, 27, 28]. 5.2.1.
Extrakce kapalina – kapalina
Pro stanovení polybromovaných difenyletherĤ ve vodách lze použít extrakci kapalinou. Principem metody je rozdČlení analytu mezi dvČ vzájemnČ nemísitelné kapaliny, ve kterých mají analyty odlišnou rozpustnost. Podle pravidla „Podobné v podobném se rozpouští“, jsou nepolární látky extrahovány nepolárním nebo mírnČ polárním rozpouštČdlem a naopak [26].
23
Výhodou této techniky je jednoduchý postup a pĜístrojové vybavení a použití široké škály rozpouštČdel. Pro urychlení pĜechodu analytĤ z jedné kapaliny do druhé je využíváno tĜepání smČsí rozpouštČdel. Velkou nevýhodou extrakce z kapaliny do kapaliny je pĜedevším þasová nároþnost a zejména spotĜeba velkých objemĤ organických rozpouštČdel [26]. 5.2.2.
Soxhletova extrakce
Soxhletova extrakce je vhodnou standardizovanou metodou pro stanovení polybromovaných difenyletherĤ v pĤdách. Papírová nebo sklenČná extrakþní patrona je naplnČna vzorkem a umístČna do stĜední þásti pĜístroje. Ve varné baĖce je k bodu varu zahĜíváno extrakþní rozpouštČdlo, jehož páry stoupají postranní trubicí kolem stĜední þásti extraktoru do chladiþe, kde kondenzují. RozpouštČdlo potom stéká do extrakþní patrony se vzorkem. StĜední þást pĜístroje se naplĖuje rozpouštČdlem do okamžiku, kdy hladina dosáhne úrovnČ pĜepadové trubice. Po pĜeteþení veškerého extraktu do varné baĖky se celý postup kontinuálnČ opakuje [26,30]. Velkou nevýhodou Soxhletovy extrakce je její þasová nároþnost, obvykle 24 hodin, v pĜípadČ polárnČjších rozpouštČdel i více. SpotĜeba organických rozpouštČdel se pohybuje v Ĝádu stovek mililitrĤ. Soxhletova extrakce je však stále považována za extrakþní standard, s nímž jsou vesmČs všechny novČjší techniky porovnávány [28].
Obrázek 8: Schéma Soxhletova extraktoru [31] 5.2.3.
Tlaková extrakce rozpouštČdlem (PSE, ASE)
Tlaková extrakce rozpouštČdlem (Pressurized Solvent Extraction, PSE) je technika založená na extrakci analytĤ rozpouštČdlem za zvýšeného tlaku (100 – 150 barĤ) a teploty nad bodem varu použitého rozpouštČdla za atmosférického tlaku (50 – 200 °C). Tím je dosaženo rychlejší a úþinné extrakce požadovaných analytĤ ze vzorku, který je v tuhém nebo polotuhém stavu [28]. Pro získání vysoké výtČžnosti extrakce je nutné optimalizovat urþité parametry extrakce. Proto je nezbytné použít vhodné rozpouštČdlo, popĜípadČ smČs rozpouštČdel. DĤležité parametry, které obvykle bývají optimalizovány, jsou teplota, tlak, množství a objem použitého rozpouštČdla, doba extrakce, poþet cyklĤ extrakce nebo množství vzorku.
24
Zvýšením teploty mohou být pĜekonány silné interakce mezi roztokem a matricí, které jsou zpĤsobené van der Waalsovými silami, vodíkovými mĤstky a dipólovými interakcemi, þímž dojde ke snížení energie potĜebné pro desorpþní procesy. Díky vyšší teplotČ se snižuje viskozita rozpouštČdel, což vede k lepšímu pronikání rozpouštČdla do matrice. KromČ toho dochází pĜi tomto procesu také ke zvýšení difuzní rychlosti a rozpustnosti analytĤ a ke snížení povrchového napČtí rozpouštČdla [28]. Aby bylo rozpouštČdlo i pĜi vysokých teplotách v kapalném stavu, musí být udržováno za vysokého tlaku. Použitím vyššího tlaku mohou být extrahovány i ty analyty, které jsou uzavĜeny v pórech matrice [28]. Optimalizací doby extrakce a poþtu extrakþních cyklĤ lze zvýšit výtČžnost extrakce. Obvykle je lepších výsledkĤ dosaženo v pĜípadČ, pokud použijeme kratší dobu extrakce a nČkolik cyklĤ, a to v porovnání s delší dobou extrakce a jedním cyklem. Hlavní pĜedností této techniky je rychlost extrakce a nízká spotĜeba organických rozpouštČdel. 5.2.4.
Ultrazvuková extrakce (USE)
Principem této extrakþní techniky je pĤsobení ultrazvuku, který zpĤsobuje expanzi a stlaþování rozpouštČdla. BČhem extrakce dochází ke vzniku tlaku podporujícího tvorbu bublin a dutin. Ty následnČ zanikají a v okolí pevné látky vytváĜejí proudČní kapaliny, která tak lépe proniká do extrahovaného vzorku. 5.2.5.
Mikrovlnná extrakce (MAE)
Mikrovlnná extrakce využívá mikrovln k ohĜevu extrakþního rozpouštČdla, které je v kontaktu se vzorkem. Vzorek je spolu s rozpouštČdlem umístČn do uzavĜené nádoby, která neabsorbuje mikrovlny. Extrakþní rozpouštČdlo, které má vysokou dielektrickou konstantu, absorbuje mikrovlny a ohĜívá se [28]. Výhody tohoto typu extrakce spoþívají v rychlé extrakci, nízké spotĜebČ extrakþních rozpouštČdel a extrakci nČkolika vzorkĤ najednou. Lepší pĜístroje umožĖují extrahovat souþasnČ až 15 vzorkĤ najednou. 5.2.6.
Superkritická fluidní extrakce (SFE)
V poslední dobČ je pro stanovení polybromovaných difenyletherĤ používána superkritická fluidní extrakce. Tato extrakþní technika je jednou z moderních technik izolace organických látek z pevných matric. Superkritická fluidní extrakce využívá fyzikálních a chemických vlastností tekutin v superkritickém stavu. PĜi teplotách a tlacích vČtších než kritický bod se tekutina nachází v nadkritické oblasti, v níž už nelze rozlišit kapalnou a plynnou fázi. Tekutina v superkritickém stavu se vyznaþuje vyšší difuzivitou a nižší viskozitou, což urychluje pĜestup hmoty a také zkracování doby extrakce. Superkritické fluidum snadno prochází do pórĤ matrice, a to v dĤsledku témČĜ nulového povrchového napČtí tekutiny v superkritickém stavu [32]. Obvykle je pro tyto úþely používán oxid uhliþitý (TK = 31,1 °C, pk = 7,38 MPa). Jeho pĜednostmi jsou nízká kritická teplota a tlak, nízká cena a snadná dostupnost; kromČ toho je chemicky inertní, netoxický a nehoĜlavý. Jeho velkou nevýhodou je rovnČž nízká polarita, neboĢ s rostoucí polaritou analytĤ klesá jejich rozpustnost. ěešením tohoto problému je použití modifikátoru, tj. vhodné polární látky pĜidávané v malém množství (1 – 5 %) do oxidu uhliþitého; pro tyto úþely se nejþastČji využívá methanol, ethanol, acetonitril, pĜípadnČ jiné rozpouštČdlo [32].
25
Obrázek 9: Fázový diagram oxidu uhliþitého [33] Mezi hlavní výhody této techniky patĜí kratší doba extrakce, zisk þistých extraktĤ, použití netoxických a levných chemikálií a možnost extrakce tepelnČ labilních látek. Nevýhodou je však vysoká poĜizovací cena a materiálové náklady spojené s použitím vysokého tlaku [32].
5.3. PĜeþištČní extraktĤ Získané extrakty obvykle obsahují kromČ analytĤ i Ĝadu balastních látek a neþistot. Tyto je nezbytné pĜed finální analýzou odstranit, aby nedocházelo k zanášení lineru a kolon plynového chromatografu. Dále mohou neþistoty zvyšovat intenzitu signálĤ sledovaných analytĤ a tak zkreslovat získané výsledky (falešnČ pozitivní hodnoty). 5.3.1.
Adsorpþní chromatografie
Sloupcová nebo také kolonová chromatografie je používána pro odstranČní nežádoucích složek obsažených v extraktu. Nežádoucí látky, nejþastČji lipidy a pigmenty, jsou selektivnČ zachycovány sorbentem, kterým je naplnČna sklenČná kolona. NáslednČ jsou sledované analyty eluovány vhodným eluþním þinidlem. Pro stanovení polybromovaných difenyletherĤ je vhodným sorbentem silikagel, alumina i florisil, v nČkterých pĜípadech se doporuþuje i použití smČsné kolony vytvoĜené z tČchto sorbentĤ.
5.4. Plynová chromatografie Plynová chromatografie je separaþní technika, která k separaci a finální analýze tČkavých látek využívá dvČ heterogenní fáze. Stacionární fáze je zakotvená na vnitĜní stČnČ separaþní kolony, mobilní fáze, která je v plynném stavu, proudí kolonou a zajišĢuje pĜenos analytĤ separaþní kolonou. V posledních letech nabývá plynová chromatografie na významu právČ díky svým pĜednostem, kterými jsou rychlá a jednoduchá analýza, úþinná separace analytĤ a potĜeba malého množství vzorku k analýze. Plynová chromatografie je významnou analytickou metodou používanou pĜedevším v petrochemickém, chemickém, farmaceutickém a potravináĜském prĤmyslu. Své uplatnČní má však také pĜi analýze kontaminantĤ pĜítomných ve složkách životního prostĜedí [27]. 5.4.1.
Plynový chromatograf
Schéma jednodimenzionálního plynového chromatografu je znázornČno na obrázku 10. Plynový chromatograf tvoĜí šest þástí: zásobník nosného plynu, zaĜízení
26
pro regulaci a mČĜení prĤtoku nosného plynu, injektor, kolona umístČná v termostatu, detektor a zaĜízení pro vyhodnocení namČĜených dat [36].
Obrázek 10: Schematický nákres jednodimenzionálního plynového chromatografu [34] Zásobníkem nosného plynu je tlaková láhev obsahující vodík, helium, dusík nebo argon. Mezi faktory ovlivĖující volbu nosného plynu patĜí inertnost vĤþi stacionární fázi a analytĤm, þistota, viskozita, hustota plynu a bezpeþnost pĜi práci. Hustota a viskozita plynu ovlivĖují difuzi a prĤtok plynu kolonou. Pro udržení konstantního prĤtoku bČhem celé analýzy slouží regulátor prĤtoku nosného plynu. V nČkterých pĜípadech je pĜed regulátor prĤtoku nosného plynu umístČno þistící zaĜízení, které odstraĖuje nežádoucí neþistoty a vlhkost, které mohou být souþástí nosného plynu [27, 35, 36]. Injektor slouží k zavedení analyzovaného vzorku do proudu nosného plynu, k jeho zplynČní a pĜenosu na kolonu; teplota injektoru je volena tak, aby došlo k rychlému odpaĜení vzorku a aby nedošlo k pĜípadné kondenzaci vzorku na nČkterých þástech injektoru (povrch septa, povrch lineru). Ve stĜední þásti injektoru je umístČn liner, který slouží k vytvoĜení chemicky inaktivního prostĜedí pro vzorek, který je v plynném stavu. Dalším úkolem lineru je homogenizace vzorku a úprava profilu proudČní. Vzorek je dávkován mikrodávkovaþem, nejþastČji automatickým. NástĜik vzorku je uskuteþĖován nČkolika zpĤsoby. Mezi jedny z nejpoužívanČjších technik dávkování vzorku patĜí dČliþový nebo bezdČliþový nástĜik. NástĜik s dČliþem toku (split) je používán pro vzorky, u nichž je pĜedpoklad vysoké koncentrace sledovaného analytu. OdpaĜený vzorek je smíchán s nosným plynem a pouze definovaný podíl je veden na kolonu. BezdČliþový nástĜik (splitless) je používán tehdy, pokud se pĜedpokládá, že koncentrace sledovaných analytĤ ve vzorku je velmi nízká. PĜi použití tohoto typu nástĜiku je analyzován celý nastĜíknutý objem vzorku. Dalším typem nástĜiku je nástĜik s programovatelnou teplotou vypaĜování (PTV). Vzorek je nastĜíknut do lineru, který je zahĜíván podle zvoleného teplotního programu. VČtšina odpaĜeného rozpouštČdla je odfouknuta ventilem, zatímco analyty zĤstávají v prostoru lineru. Zvýšením teploty jsou analyty pĜevedeny na kolonu. Výhodou PTV nástĜiku je možnost nástĜiku vČtšího objemu vzorku [36, 37].
27
Obrázek 11: Schéma split/splitless injektoru [46] DĤležitou þástí chromatografu je separaþní kolona. V souþasné dobČ jsou vČtšinou používány kapilární kolony, které jsou tvoĜeny kapilárou z taveného kĜemene. Ta je potažena vrstvou polyimidu, který ji dodává pružnost a odolnost vĤþi mechanickému poškození. Dnes používané kapilární kolony jsou dvojího typu; prvním typem jsou kolony s kapalinou zakotvenou na vnitĜních stČnách kapilární trubice (typ WCOT), druhým typem kolony s adsorbentem, který je zachycen na vnitĜní stČnČ kapiláry (typ PLOT). Volba stacionární fáze závisí na povaze sledovaných analytĤ. V souþasnosti jsou na trhu pouze fáze s vysokou reprodukovatelností a s vysokou tepelnou a chemickou odolností. ObecnČ platí, že siloxanové fáze jsou tepelnČ stabilní a v závislosti na složení funkþních skupin makromolekulárního ĜetČzce pokrývají rozsah polarit od nepolárních až po stĜednČ polární. Stacionární fáze s vysokou polaritou jsou založeny na polyethylenglykolu [38]. Chromatografická kolona je vždy umístČna v termostatu. V pĜístrojích, dodávaných nyní na trh, jsou aplikovány pĜevážnČ teplovzdušné termostaty. Po zahĜátí je vzduch vhánČn do prostoru termostatu, kde jsou kolony umístČny. Ten postupnČ mČní teplotu kolony bČhem analýzy podle zvoleného teplotního programu, který je nutné pĜedem optimalizovat [36]. Nosný plyn protéká detektorem, který zaznamenává urþitý signál. Jsou-li spolu s nosným plynem pĜivádČny na detektor také analyty, je zaznamenána zmČna tohoto signálu. Výsledný signál je zpracován vyhodnocovacím zaĜízením a vyhodnocen v podobČ chromatogramu. Pro detekci polybromovaných difenyletherĤ jsou prioritnČ používány detektory elektronového záchytu nebo hmotnostní spektrometry [35,36]. 5.4.2.
Detektory
5.4.2.1.
Detektor elektronového záchytu (ECD)
Princip detektoru elektronového záchytu spoþívá ve schopnosti látek vytvoĜit negativní ion zachycením nízkoenergetického elektronu. Detektor obsahuje ȕ záĜiþ 63Ni emitující elektrony s energií 67 eV. Ty interagují s molekulami dusíku pĜivádČného do detektoru jako pĜídavný plyn za vzniku pomalých (termálních) elektronĤ, které mohou být
28
zachyceny analyty obsahujícími ve své molekule elektronegativní atomy, což vyvolá snížení ionizaþního proudu. Tento proces je naznaþen v rovnici (1) a (2): ȕ N2 → N +2 + e-
(1)
e- + AB → AB-
(2)
Hmotnost tČchto anionĤ je vČtší než hmotnost elektronĤ. DĤsledkem je pokles intenzity elektrického proudu protékajícího mezi katodou a anodou detektoru, který je úmČrný koncentraci analytĤ [27, 39]. Detektor je tvoĜen prĤtokovou ionizaþní komĤrkou se dvČma elektrodami. Zdrojem primárních elektronĤ je zdroj mČkkého záĜení ȕ, který je umístČn na katodČ. Anodu tvoĜí sbČrná elektroda ve formČ váleþku. Jako radioaktivní záĜiþ bývá nejþastČji používán 63Ni [27]. Detektor elektronového záchytu poskytuje selektivní odezvu na slouþeniny obsahující ve své struktuĜe atomy halogenĤ, dusíku, síry nebo fosforu. Tento detektor je nedestruktivní, velmi citlivý a vysoce selektivní pro analýzu organohalogenových slouþenin, mezi nČž polybromované difenylethery patĜí [40]. 5.4.2.2.
Hmotnostní spektrometrie
Hmotnostní spektrometrie využívá pro urþení hmotnosti iontĤ pĤsobení magnetického, popĜípadČ elektrického pole. Hmotnostní spektrometr je složen z nČkolika þástí, tj. iontového zdroje, analyzátoru, detektoru, vyhodnocovacího zaĜízení a vakuového systému [41]. Iontovým zdrojem jsou vytváĜeny ionty z elektricky neutrálních molekul. PĜi elektronové ionizaci jsou elektrony emitovány žhaveným wolframovým, pĜípadnČ rheniovým vláknem. Tyto elektrony o energii 70 eV ionizují neutrální molekuly, které se nacházejí v plynné fázi. V okamžiku, kdy se elektron pĜiblíží k neutrální molekule, mĤže být vyražen elektron z elektronového obalu molekuly. Tuto situaci popisuje rovnice:
M + e - → M +• + 2 e -
(3)
Množství pĜedaného kvanta energie je závislé na charakteru srážky. Tím dochází k fragmentaci ionizované molekuly. BČhem fragmentace vznikají fragmenty, které jsou obvykle charakteristické pro danou slouþeninu a podle nichž lze slouþeninu identifikovat. Vzhledem k pĜedávané energii patĜí elektronová ionizace mezi tvrdé ionizaþní techniky. V mnoha pĜípadech je signál molekulového iontu velmi nízký a v dĤsledku toho je obtížné stanovit relativní molekulovou hmotnost analytu [27, 41]. V porovnání s výše zmínČnou ionizací je pĜi chemické ionizaci pĜítomen reakþní plyn (obvykle methan), který je vzhledem k analytu v nadbytku. Nejprve jsou ionizovány elektrony molekuly reakþního plynu, pĜiþemž vznikají ionty CH5+ a C2H5+, které vyvolávají ionizaci analytĤ podle rovnic:
M + CH 5+ → MH + + CH 4
(4)
M + C 2 H 5+ → MH + + C 2 H 4
(5)
Tato technika je zaĜazena mezi mČkké ionizaþní techniky, a to díky nižší pĜedávané energii. Její pĜedností je intenzivní signál kvazimolekulového iontu MH+, což umožĖuje stanovení relativní molekulové hmotnosti analytu [27, 41].
29
V analyzátoru jsou ionty rozdČleny podle pomČru jejich hmotností a náboje (m/z). Na podkladČ fyzikálních principĤ je rozlišováno nČkolik typĤ analyzátorĤ. ýasto používaným analyzátorem je kvadrupólový analyzátor. Kvadrupól je tvoĜen þtyĜmi tyþemi, z nichž vždy dvČ protilehlé jsou elektricky propojeny a je na nČ vkládáno stĜídavé a stejnosmČrné napČtí. Po vlétnutí iontĤ do prostoru mezi tyþemi jsou ionty pĜitahovány a odpuzovány jednotlivými tyþemi. PĜitom vykonávají krouživý pohyb smČrem k detektoru. V urþitém okamžiku má stabilní oscilaci pouze urþitý pomČr m/z, který prolétne kvadrupólem a dopadne na detektor. Ostatní ionty s nestabilní oscilací jsou zachyceny na tyþích [41].
Obrázek 4: Schéma kvadrupólu [47] Princip analyzátoru doby letu (TOF) spoþívá v urychlení iontĤ na stejnou kinetickou energii, prĤletu iontĤ evakuovanou letovou trubicí, jejich dopadu na detektor a zjištČní hmotnosti tČchto iontĤ na základČ doby jejich letu [41].
Obrázek 5: Schéma analyzátoru doby letu [48] Sektorový separátor je tvoĜen elektromagnetem s pólovými nástavci ve tvaru kruhové výseþe. Mezi póly magnetu se nachází zakĜivená trubice. Urychlené ionty vstupují do trubice s urþitou kinetickou energií. PĜi vstupu do magnetického sektoru pĤsobí kolmo na ionty magnetické pole a jejich dráha se zakĜivuje. Ionty opisují dráhu o urþitém polomČru v závislosti na své hmotnosti a dopadají na detektor [27].
30
Obrázek 6: Schéma sektorového analyzátoru [49] Detektor zaznamenává ionty, které opouštČjí analyzátor a pĜevádí je na mČĜitelný signál [41]. K zajištČní dostateþného vakua je u hmotnostních spektrometrĤ obvykle používán dvoustupĖový vakuový systém, který je v prvním stupni tvoĜen rotaþní olejovou vývČvou a ve druhém stupni buć difuzní vývČvou, nebo turbomolekulárním þerpadlem [41]. 5.4.3. Spojení plynové chromatografie a hmotnostní spektrometrie (GC/MS) Plynová chromatografie poskytuje úþinnou separaci analyzovaných látek, zatímco hmotnostní spektrometrie je velmi úþinná metoda pro identifikaci analytĤ. Spojením plynové chromatografie s hmotnostní spektrometrií byla vytvoĜena zatím nejefektivnČjší technika pro analýzu složitých smČsí organických látek [42]. Propojení plynového chromatografu a hmotnostního spektrometru je v podstatČ bezproblémové, neboĢ prĤtok nosného plynu kapilární kolonou je relativnČ nízký. Z tohoto dĤvodu mĤže být konec kolony umístČn pĜímo do iontového zdroje, aniž by bylo narušeno vakuum. V pĜípadČ jeho narušení by došlo ke snížení citlivosti detekce, zhoršení charakteru spekter a ke zkrácení životnosti souþástí iontového zdroje. Kapilární kolona vede do iontového zdroje prostorem s vyšší teplotou, než je maximální teplota ohĜevu v plynovém chromatografu; vyšší teplota by mČla zaruþit to, aby nedošlo ke kondenzaci analytĤ pĜed vstupem do hmotnostního spektrometru [42]. 5.4.4. Orthogonální dvojrozmČrná plynová s hmotnostní detekcí (GCxGC-TOF MS)
chromatografie
Orthogonální dvojrozmČrná plynová chromatografie je v posledních letech jednou z nejvýznamnČjších technik akceptovaných pro analýzu komplexních smČsí volatilních a semivolatilních slouþenin. Tato technika nachází uplatnČní pĜedevším v petrochemickém a potravináĜském prĤmyslu a také v analýze polutantĤ ve složkách životního prostĜedí [43, 44]. V systému GCxGC je vzorek separován na dvou po sobČ následujících kolonách s rozdílnými stacionárními fázemi. Separace v první dimenzi probíhá obvykle na nepolárních kolonách, na kterých se analyty dČlí hlavnČ díky odlišným bodĤm varu, tj. jako u klasické plynové chromatografie. ObČ kolony (primární a sekundární) jsou spojeny modulaþním zaĜízením (tzv. interface), v nČmž je eluent z první kolony rozdČlen na velké množství krátkých úsekĤ, obvykle po 2 – 6 s. Každá frakce je opČtovnČ dávkována na sekundární kolonu (polární stacionární fáze), kde jsou látky dále separovány, avšak jiným mechanismem separace, než který byl použit v první dimenzi. Separace na sekundární kolonČ je velmi 31
rychlá, probíhá pĜi izotermních podmínkách a k dČlení dochází vlivem interakcí mezi analyty a stacionární fází. Každý pík, který je eluován z primární kolony, je nČkolikrát modulován, což vede k zachování chromatografického rozlišení z první dimenze. Výhodou tohoto uspoĜádání je, že složky, které nejsou rozdČleny v první dimenzi, mohou být rozdČleny ve druhé dimenzi [43, 44]. Výstupem je dvourozmČrný chromatogram, kde je každá dimenze charakterizována retenþními þasy z obou kolon. Jedním ze zpĤsobu vizualizace dvourozmČrného chromatogramu je obrysový (vrstevnicový) diagram, v nČmž jsou píky znázornČny jako skvrny a jejich intenzita je vyjádĜena použitím barev a stínĤ [43]. Hlavními výhodami této techniky je pĜedevším vysoký stupeĖ separace látek a vysoká citlivost, která je dána zvýšeným pomČrem signál/šum [44].
Obrázek 7: Schéma orthogonální dvojrozmČrné plynové chromatografie s hmotnostní detekcí [50]
32
6. EXPERIMENTÁLNÍ ýÁST 6.1. Použité pĜístroje a zaĜízení Plynový chromatograf Agilent Technologies 6890N Series II 9 automatický dávkovaþ – Agilent Technologies 7683 Series Injector 9 PTV injektor 9 nosný plyn – vodík – vyvíjeþ vodíku Domnick Hunter 20 H Generator 9 make-up plyn – dusík 4.7 9 detekce – dva 63Ni mikro-detektory elektronového záchytu (µ-ECD) 9 kolony pĜední – HT-8 (SGE), 50 m x 220 µm x 0,25 µm, 8% fenyl polycarboransiloxan zadní – DB-17MS (Agilent), 60 m x 250 µm x 0,25 µm, (50% fenyl)methylpolysiloxan 9 software – HP GC ChemStationRev. A. 10. 01 Plynový chromatograf Pegasus IV D GCxGC-TOFMS (LECO, USA) 9 primární kolona – Rxi-5Sil MS, 30 m x 250 µm x 0,25 µm, 5% difenyl/95% dimethylarylenpolysiloxan 9 sekundární kolona – BPX-50, 1,5 m x 100 µm x 0,1 µm, 50% difenyl/50% dimethylpolysiloxan 9 nosný plyn – helium 6.0 9 detekce – hmotnostní spektrometr s elektronovou ionizací a analyzátorem doby letu 9 software – ChromaTOF verze 2.32 Vakuová odparka (BÜCHI Laboratortechnik AG, Švýcarsko) 9 vodní lázeĖ BüchiHeatingBath B-490 9 rotaþní vakuová odparka BüchiRotavapor R-205 9 elektronické Ĝízení vakua BüchiVac V-500 Tlakový extraktor onePSE (AppliedSeparations, USA) Ultrazvuková lázeĖ (Teson 4, TESLA, ýeská republika) PĜístroj pro zahĜívání a sušení vzorkĤ pod proudem dusíku EVATERM (LABICOM s.r.o., ýeská republika) Analytické váhy HR-120 (A&D Instruments, Japonsko)
6.2. Použité chemikálie a standardy Technické plyny 9 dusík 4.7 (SIAD Czech spol. s r.o. BraĖany u Mostu) 9 helium 6.0 (SIAD Czech spol. s r.o. BraĖany u Mostu) Chemikálie 9 hexan (Merck, NČmecko) 9 petrolether (Merck, NČmecko) 9 dichlormethan (Merck, NČmecko; J. T. Baker, Nizozemí) 9 aceton (Merck, NČmecko) 9 isooktan (Merck, NČmecko) 9 kyselina sírová (Lach-Ner, s.r.o., ýeská republika) 9 síran sodný bezvodý (Penta, ýeská republika) 9 silikagel (Merck, NČmecko) 9 florisil (Merck, NČmecko) 9 hydromatrix (Agilent Technologies) 33
9 standardní pĤda Lufa (Speyer, NČmecko) Standardy – smČsi PBDE s kongenery BDE-28, BDE-47, BDE-99, BDE-100, BDE-153, BDE-154, BDE-183 a BDE-209 9 BDE-CSM – smČs PBDE ve smČsi isooktan:toluen (80:20) (AccuStandard, Inc., USA) 9 BDE-CM – smČs PBDE v isooktanu (AccuStandard, Inc., USA) 9 M-1614-CM – smČs PBDE v isooktanu (AccuStandard, Inc., USA) 9 M-1614-MS – smČs PBDE v isooktanu (AccuStandard, Inc., USA) 9 PBDE/PCBs in soil – certifikovaný referenþní materiál (Fluka, Švýcarsko)
6.3. Nastavení pĜístrojĤ Plynový chromatograf Agilent Technologies 6890N Series II 9 množství nastĜikovaného vzorku: 2 µl 9 teplotní program nástĜiku: poþáteþní teplota 90 °C po dobu 0,1 min, následnČ zvyšováno rychlostí 720 °C·min-1 na 350 °C, izoterma 5 min, dále rychlostí 10 °C·min-1 na 220 °C 9 metoda nástĜiku – splitless 9 prĤtok nosného plynu H2: 1,5 ml·min-1 9 prĤtok make-up plynu N2: 10 ml·min-1 9 teplotní program pece: poþáteþní teplota 100 °C po 2 min, dále 30 °C·min-1 na 200 °C izoterma 3 min, pak 3 °C·min-1 do 230 °C na 15 min, následnČ 5 °C·min-1 na 270 °C po dobu 15 min, nakonec rychlostí 10 °C·min-1 na 310 °C, finální izoterma 25 min 9 celková doba analýzy: 85,33 min 9 teplota detektoru: 300 °C Plynový chromatograf Pegasus IV D GCxGC-TOFMS 9 nastavení plynového chromatografu množství nastĜíknutého vzorku: 1 µl teplota nástĜiku: 280 °C metoda nástĜiku: splitless prĤtok nosného plynu: 1,5 ml·min-1 teplotní program: poþáteþní teplota 110 °C po 1 min, dále 45 °C·min-1 na 270 °C, poté 20 °C·min-1 na 320 °C, finální izoterma 10 min celková doba analýzy: 17,06 min teplota Transfer Line: 280 °C 9 nastavení hmotnostního spektrometru solvent delay: 300 s rozsah sledovaných molekulových hmotností: 50 – 1000 skenovací rychlost: 10 spekter·s-1 napČtí detektoru: 1850 V ionizaþní energie: -70 eV teplota iontového zdroje: 220 °C Tlakový extraktor onePSE 9 teplota: 125 °C 9 tlak: 120 barĤ 9 doba extrakce: 5 min 9 poþet cyklĤ: 2 9 proplach rozpouštČdlem: 20 s 9 sušení dusíkem: 2 min
34
6.4. Optimalizace stanovení 6.4.1.
Optimalizace nastavení pĜístrojĤ
Pro úþely této diplomové práce byly pro stanovení polybromovaných difenyletherĤ použity plynové chromatografy lišící se detekcí sledovaných analytĤ. Po optimalizaci byly vyhodnoceny meze detekce a meze kvantifikace, které byly vzájemnČ porovnány. Pro plynový chromatograf s detekcí elektronového záchytu byla pĜevzata metoda, kterou již dĜíve využíval Ing. Martin Hroch, Ph.D. ve své dizertaþní práci. Polybromované difenylethery byly vzhledem k lepší separaci a vyšší intenzitČ signálu kvantifikovány na kolonČ DB-17MS [34]. Pro stanovení PBDE na plynovém chromatografu s hmotnostní detekcí se pro nastavení pĜístroje vycházelo z práce Kazdy a kol., kteĜí pro svá stanovení používali plynový chromatograf spojený s hmotnostním spektrometrem s analyzátorem doby letu, avšak s chemickou ionizací. Pro tuto práci byl teplotní program kolony nepatrnČ upraven [45]. 6.4.2.
Optimalizace extrakcí
Polybromované difenylethery byly zjišĢovány ve vzorcích pĤdy. Proto byla pro optimalizaci extrakce analytĤ použita extrakce ultrazvukem a tlaková extrakce kapalinou. 6.4.2.1.
Extrakce ultrazvukem
Optimalizace extrakþních podmínek byla provedena dvČma postupy. V obou pĜípadech bylo k 30 g pĤdy pĜidáno 100 ng PBDE. Tato pĤda byla kvantitativnČ pĜevedena do baĖky spoleþnČ s 60 ml extrakþního rozpouštČdla. Poté byla baĖka umístČna do ultrazvukové láznČ. U dalších postupĤ se podmínky mírnČ lišily. Pro první skupinu vzorkĤ byla zvolena doba extrakce 20 minut. K extrakci byly zvoleny dvČ smČsi rozpouštČdel – hexan:petrolether (3:1) a hexan:aceton (3:1). Další skupina byla extrahována po dobu jedné hodiny stejnými extrakþními þinidly. Extrakty byly nejprve pĜefiltrovány pĜes bezvodý síran sodný a zakoncentrovány na objem pĜibližnČ 2 ml. NáslednČ byly extrakty pĜeþištČny sloupcovou chromatografií pĜes silikagel a florisil. 6.4.2.2.
Tlaková extrakce rozpouštČdlem
Do 10 g pĤdy bylo pĜidáno 100 ng smČsi PBDE. Extrakþní patrona byla naplnČna vzorkem pĤdy smíchaným s 10 g hydromatrix. Patrona byla umístČna do extraktoru. I v tomto pĜípadČ byly použity dva rĤzné postupy. Nastavené podmínky extrakce jsou prezentovány v následující tabulce. Tabulka 4: Podmínky tlakové extrakce rozpouštČdlem pro oba použité postupy Parametr Teplota Tlak Doba extrakce Poþet cyklĤ Proplach rozpouštČdlem Sušení dusíkem
Postup þ. 1 100 °C 100 barĤ 5 min 2 20 s 2 min
Postup þ. 2 125 °C 120 barĤ 5 min 2 20 s 2 min
35
V obou postupech byly pro extrakci analytĤ použity smČsi rozpouštČdel hexan:dichlormethan (1:1), hexan:aceton (1:1) a hexan:petrolether (9:1). Získané extrakty byly zakoncentrovány a pĜeþištČny sloupcovou chromatografií. 6.4.3.
Adsorpþní chromatografie
Kolony byly naplnČny hexanem a 3 g florisilu a 3 g silikagelu. Pro optimalizaci bylo na kolonu naneseno 100 ng smČsi PBDE. Jako eluþní þinidlo byla použita smČs rozpouštČdel hexanu a dichlormethanu v pomČru 3:1. NáslednČ bylo do odpaĜovacích banČk jímáno pČt frakcí po 20 ml. Každá frakce byla odpaĜena do sucha, rozpuštČna v 1 ml isooktanu a kvantitativnČ pĜevedena do vialky. Takto získané frakce byly analyzovány. Po vyhodnocení získaných výsledkĤ byly analyty eluovány 80 ml eluþní smČsí. Celý objem byl jímán do odpaĜovací baĖky a odpaĜen do sucha. NáslednČ byly analyty rozpuštČny v 1 ml isooktanu a pĜevedeny do vialky. Poté následovala analýza na plynovém chromatografu. 6.4.4.
Kalibrace
Pro stanovení PBDE ve vzorcích pĤdy byla vytvoĜena kalibraþní Ĝada, která zahrnovala koncentrace 1, 5, 10, 25, 50, 100, 200, 300, 400, 500, 1000, 2000 a 3000 ng.ml-1. Kalibrace z matrice zahrnovala stejné koncentrace a byla provedena stejným postupem, který byl použit pro jednotlivé vzorky pĤdy. 6.4.5.
Stanovení sušiny
Pro stanovení sušiny pĤdy bylo naváženo 5 g vzorku s pĜesností na þtyĜi desetinná místa. Vzorky pĤdy byly umístČny na þtyĜi hodiny pĜi teplotČ 105 °C do sušárny. Po uplynutí doby sušení byly vzorky pĜeváženy a znovu umístČny do sušárny na 30 minut. Poté byly opČt zváženy.
36
7. VÝSLEDKY A DISKUZE 7.1. Extrakce ultrazvukem Optimalizace extrakþních podmínek vycházela ze dvou parametrĤ extrakce. Prvním byla doba extrakce, která byla zvolena na 20 minut a 1 hodinu. Z výsledkĤ je patrné, že doba extrakce má výrazný vliv na její výtČžnost. Pro pĜehlednost byly z prĤmČrných hodnot namČĜených dat vytvoĜeny následující grafy, v nichž je zĜetelnČ vidČt, že pĜi použití extrakþní doby 20 minut bylo dosaženo velmi nízkých hodnot výtČžností, a to jak pro smČs rozpouštČdel hexan:petrolether (3:1), tak také pro smČs hexan:aceton (3:1). PĜi použití smČsi hexan:aceton (3:1) nebyly vĤbec detekovány BDE-153 a BDE-183. Po prodloužení doby extrakce na 1 hodinu se výtČžnost pohybovala v rozmezí 40 až 70 %, a to pĜi použití obou extrakþních smČsí.
80,00 70,00 60,00
VýtČžnost (%)
50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00
PBDE 20 minut
1 hodina
Graf 1: Porovnání výtČžností extrakce ultrazvukem v závislosti na þase pro hexan:petrolether (3:1)
37
80,00 70,00 60,00
VýtČžnost (%)
50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00
PBDE 20 minut
1 hodina
Graf 2: Porovnání výtČžností extrakce ultrazvukem v závislosti na þase pro hexan:aceton (3:1) Dalším optimalizovaným parametrem extrakce byl výbČr nejvhodnČjšího extrakþního þinidla. Pomocí grafu þ. 3 bylo provedeno porovnání vlivu extrakþních smČsí na výtČžnost extrakce ultrazvukem po dobu 1 hodiny. Z grafu vyplynulo, že smČs hexan:petrolether (3:1) poskytuje jen nepatrnČ vyšší výtČžnost dané extrakce v porovnání se smČsí hexan:aceton (3:1). Tento trend byl pozorován pro všechny sledované PBDE. Z namČĜených hodnot vyplývá, že extrakce ultrazvukem neposkytuje dostateþnou extrakþní výtČžnost a na podkladČ tČchto experimentálnČ ovČĜených podkladĤ nebyla extrakce ultrazvukem vybrána pro následnou analýzu reálných vzorkĤ pĤdy.
38
80,00 70,00
VýtČžnost (%)
60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00
PBDE hexan:petrolether (3:1)
hexan:aceton (3:1)
Graf 3: Porovnání výtČžností extrakce ultrazvukem s rĤznými extrakþními þinidly; doba extrakce 1 hodina
7.2. Tlaková extrakce rozpouštČdlem Druhou optimalizovanou extrakþní technikou byla tlaková extrakce rozpouštČdlem. VýtČžnost extrakce byla hodnocena z hlediska závislosti na nastavených parametrech extrakce a také v závislosti na volbČ extrakþní smČsi. Nastavené podmínky tlakového extraktoru jsou prezentovány v tabulce þ. 4. Z prezentovaných grafĤ lze odvodit, že zvýšením teploty a tlaku bylo dosaženo zvýšení výtČžnosti extrakce všech analytĤ. PĜi teplotČ 100 °C a tlaku 100 barĤ se výtČžnost tlakové extrakce rozpouštČdlem pohybovala v rozmezí mezi 0 až 27 %, a to pro všechny smČsi rozpouštČdel. BDE-183 nebyl extrahován ani jednou z použitých extrakþních smČsí. Po zvýšení teploty na 125 °C a tlaku na 120 barĤ došlo k mnohonásobnému zvýšení výtČžnosti tlakové extrakce pro všechna použitá extrakþní þinidla.
39
80,00 70,00
VýtČžnost (%)
60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00
PBDE 100 °C, 100 barĤ
125 °C, 120 barĤ
Graf 4: Porovnání výtČžností tlakové extrakce rozpouštČdlem v závislosti na volbČ teploty a tlaku pro extrakþní smČs hexan:aceton (1:1)
120,00 100,00
VýtČžnost (%)
80,00 60,00 40,00 20,00 0,00
PBDE 100 °C, 100 barĤ
125 °C, 120 barĤ
Graf 5: Porovnání výtČžností tlakové extrakce rozpouštČdlem v závislosti na volbČ teploty a tlaku pro extrakþní smČs hexan:DCM (1:1)
40
120,00 100,00
VýtČžnost (%)
80,00 60,00 40,00 20,00 0,00
PBDE 100 °C, 100 barĤ
125 °C, 120 barĤ
Graf 6: Porovnání výtČžností tlakové extrakce rozpouštČdlem v závislosti na volbČ teploty a tlaku pro extrakþní smČs hexan:petrolether (9:1) Hodnocení výtČžností tlakové extrakce rozpouštČdlem v závislosti na volbČ extrakþní smČsi rozpouštČdel je zpracováno do následujícího grafu, z nČhož vyplývá, že nejvyšší extrakþní výtČžnosti bylo dosaženo v pĜípadČ použití smČsi hexan a petrolether v pomČru 9:1. Použitím této smČsi se výtČžnost tlakové extrakce rozpouštČdlem pohybovala v rozmezí 92 až 112 %. SmČsí hexan:aceton (1:1) byly polybromované difenylethery extrahovány s výtČžností 47 až 72 %, a proto nebyla tato smČs dále použita jako vhodná pro analýzu reálných vzorkĤ. PodstatnČ lepších výsledkĤ bylo dosaženo rovnČž pĜi použití smČsi hexan:dichlormethan (1:1). Z výsledkĤ jednoznaþnČ vyplývá, že pro stanovení polybromovaných difenyletherĤ v reálných vzorcích pĤdy a pro vytvoĜení kalibrace z matrice byla jako optimální extrakþní technika zvolena tlaková extrakce rozpouštČdlem. Teplota a tlak extrakce byly nastaveny na 125 °C a 120 barĤ a jako extrakþní þinidlo byla použita smČs hexanu a petroletheru v pomČru 9:1. Vzhledem k dosaženým výsledkĤm by mohla být jako extrakþní þinidlo použita i smČs hexanu a dichlormethanu v pomČru 1:1.
41
120,00 100,00
VýtČžnost (%)
80,00 60,00 40,00 20,00 0,00
PBDE hexan:aceton (1:1)
hexan:DCM (1:1)
hexan:petrolether (9:1)
Graf 7: Porovnání výtČžností tlakové extrakce rozpouštČdlem v závislosti na volbČ extrakþní smČsi pĜi teplotČ 125 °C a tlaku 120 barĤ
7.3. Adsorpþní chromatografie Optimalizovaná byla rovnČž metoda použitá pro þištČní extraktu. Pro optimalizaci sloupcové chromatografie byla použita smČsná kolona obsahující sorbenty florisil a silikagel. Optimalizace byla provedena na kolonách, které se lišily poĜadím použitých adsorbentĤ. Jako eluþní þinidlo byla použita smČs rozpouštČdel hexan a dichlormethan v pomČru 3:1. Bylo získáno pČt frakcí, které byly následnČ analyzovány na plynovém chromatografu. Bylo zjištČno, že poĜadí použitých sorbentĤ v kolonách nemá vliv na výtČžnost pĜeþistČní extraktu. V prvních tĜech frakcích bylo eluováno v prĤmČru 98 % analytĤ. Ve þtvrté frakci byly detekovány stopy BDE-28, BDE-47, BDE-99 a BDE-154. Po zhodnocení získaných výsledkĤ bylo pro další postupy zvoleno jako optimální množství eluþního þinidla 80 ml.
7.4. Kalibrace V rámci Ĝešení experimentální þásti práce byla ovČĜována dvojí kalibrace, a to kalibrace na standardech a také na matrici. Jako matrice byla použita pĜesnČ definovaná pĤda Lufa, u které bylo zjištČno, že není kontaminována sledovanými analyty. Kalibrace i kalibrace z matrice byla provedena tĜikrát pro každou koncentraci a její správnost byla ovČĜena stanovením koncentraþních závislostí optimalizovanou metodou plynové chromatografie. Protože bylo v prĤbČhu optimalizace zjištČno, že matrice vykazuje matriþní efekt, byly pro výpoþet dále používány pouze matriþní kalibrace. Ze získaných výsledkĤ byly sestrojeny kalibraþní závislosti pro jednotlivé sledované polybromované difenylethery. V následujících tabulkách jsou prezentovány retenþní þasy analytĤ, rovnice kalibraþních pĜímek, linearita, limity detekce (LOD) a limity kvantifikace (LOQ); v pĜípadČ hmotnostní
42
spektrometrie jsou zde uvedeny také kvantifikaþní ionty. Hodnoty limitĤ detekce a limitĤ kvantifikace byly vypoþítány na základČ rovnic (6) a (7):
LOD =
3⋅ hn m
(6)
LOQ =
10 ⋅ h n m
(7)
kde hn je prĤmČrná výška šumu a m smČrnice kalibraþní pĜímky sestrojené z výšek píkĤ.
Tabulka 1: Základní metrologické parametry pro plynový chromatograf s detekcí elektronového záchytu PBDE retenþní þas (min) BDE-28 26,22 BDE-47 38,43 BDE-99 47,79 BDE-100 45,52 BDE-153 59,34 BDE-154 55,88 BDE-183 67,11
rovnice kalibraþní pĜímky linearita LOD (ng·ml-1) y = 270,19 x 0,9995 0,322 y = 272,31x 0,9990 0,320 y = 228,45x 0,9992 0,380 y = 232,98x 0,9994 0,373 y = 265,92x 0,9994 0,327 y = 154,62x 0,9990 0,563 y = 150,15x 0,9993 0,580
LOQ (ng·ml-1) 1,073 1,065 1,267 1,245 1,091 1,876 1,932
Tabulka 2: Základní metrologické parametry pro plynový chromatograf s hmotnostním spektrometrem
PBDE BDE-28 BDE-47 BDE-99 BDE-100 BDE-153 BDE-154 BDE-183
retenþní þas (s) 414,9 462,0 521,7 506,1 601,1 569,7 718,7
kvantifikaþní rovnice ionty kalibraþní pĜímky linearita 246 y = 27,001x 0,9979 326 y = 13,177x 0,9979 408 y = 4,4554x 0,9977 408 y = 5,9062x 0,9986 484 y = 1,7390x 0,9990 484 y = 3,0499x 0,9962 526 y = 0,5633x 0,9936
LOD (ng·ml-1) 10,33 21,17 62,76 47,24 160,4 91,48 495,3
LOQ (ng·ml-1) 34,44 70,58 209,2 157,5 534,8 304,9 1650
Jak je zĜejmé z výše uvedených tabulek, pĜi použití plynového chromatografu s detekcí elektronového záchytu bylo dosaženo mezí detekce v Ĝádech desetin nanogramĤ na mililitr, zatímco v pĜípadČ použití plynového chromatografu s hmotnostní detekcí, a to patrnČ z dĤvodĤ opakované poruchy pĜístroje, mezí detekce v desítkách až stovkách nanogramĤ na mililitr. To byl dĤvod, proþ byl následnČ pro stanovení polybromovaných difenyletherĤ v reálných vzorcích použit plynový chromatograf s detekcí elektronového záchytu. ZjištČný obsah, vztažený na sušinu, je uveden níže v následujících tabulkách.
43
7.5. Stanovení sušiny pĤdy U všech reálných vzorkĤ pĤdy byla stanovena sušina, na jejímž základČ byl proveden výpoþet množství analytĤ pĜítomného v reálných vzorcích pĤdy. Získané výsledky jsou zpracovány do následující tabulky. Tabulka 3: Stanovení sušiny pĤdy Vzorek pĤdy
sušina (%)
SbČrný dvĤr – Malšice Velmovice – požár lesa Brandýs – požár paneláku Brandýs – Melicharka – krb Brandýs – Melicharka – požár skladu Radostovice – požár Malšice – sbČrný dvĤr Malšice – požár srubu Zlín – Areál Svit Ludvíkov – požár traktoru Karlovice – chvojí HeĜmanovice – rekreaþní chata
98,50 95,93 97,06 95,34 97,98 98,09 97,79 97,81 97,85 97,89 99,08 97,64
7.6. Reálné vzorky Bylo analyzováno celkem 12 reálných vzorkĤ pĤdy a standardní referenþní materiál. Stanovení bylo pro každý vzorek provedeno tĜikrát, a proto jsou v následující tabulce prezentovány prĤmČrné hodnoty namČĜených dat, pĜevedené na jednotky ȝg·kg-1 sušiny. Výsledky jsou souhrnnČ prezentovány v tabulce 9. Z uvedené tabulky je zĜejmé, že nejvíce byly kontaminovány vzorky pĤdy odebrané z požáĜišĢ v Radostovicích, Velmovicích, Brandýse nad Labem, ZlínČ a LudvíkovČ. RovnČž bylo prokázáno, že pouze ve vzorku z požáru zemČdČlského objektu v Radostovicích byly detekovány všechny sledované analyty. ÚroveĖ kontaminace vzorku pĤdy pocházející z lesního požáru poukazuje na celkovou kontaminaci dané lokality, protože jehliþí stromĤ je v environmentální analýze bČžnČ používáno jako bioindikátor pro hodnocení úrovnČ kontaminace životního prostĜedí. Pro porovnání, zda bude pĜi požáru lesa kontaminováno také jehliþí, bylo spáleno chvojí odebrané z þisté oblasti JeseníkĤ. V tomto vzorku spáleného chvojí nebyl detekován žádný sledovaný analyt, což svČdþí o kvalitČ ovzduší a þistotČ životního prostĜedí v okolí nejvyšší hory JeseníkĤ. Kontaminace vzorku pocházející z požáru bytu v Brandýse nad Labem je z hlediska detekce jednotlivých kongenerĤ PBDE rovnČž rĤznorodá. Lze pĜedpokládat, že matrice pocházela z vybavení bytu, kde se vyskytovaly sedaþky, koberce, televizory a jiné výrobky urþené pro domácí potĜebu. PĜi velkém požáru, ke kterému došlo poþátkem roku 2013 v areálu bývalého výrobního podniku Svit ve ZlínČ, byl zcela zniþen sklad elektroniky, který zde byl v této dobČ umístČn. Lze se proto domnívat, že právČ z plastových souþástí elektroniky mohla pocházet zjištČná kontaminace PBDE. Dále bylo konstatováno, že pĜi požáru v LudvíkovČ shoĜel traktor. Proto se lze domnívat, že kontaminace pĤdy po požáru mohla pocházet pĜevážnČ ze sedaþky traktoru, pĜípadnČ z plastových souþástí.
44
Ze všech zjištČných hodnot kontaminace reálných vzorkĤ pĤdy PBDE byl sestrojen graf, který dokumentuje zastoupení jednotlivých kongenerĤ PBDE v tČchto vzorcích. Bylo prokázáno, že nejvíce byly zastoupeny kongenery BDE-47, BDE-153, BDE 154 a BDE-183.
Tabulka 4: Stanovení PBDE ve vzorcích pĤdy v ȝg·kg-1 sušiny
Vzorek pĤdy SbČrný dvĤr – Malšice Velmovice – požár lesa Brandýs – požár paneláku Brandýs – Melicharka – krb Brandýs – Melicharka – požár skladu Radostovice – požár – zem. objekt Malšice – sbČrný dvĤr Malšice – požár srubu Zlín – areál Svit – požár Ludvíkov – požár traktoru Karlovice – chvojí HeĜmanovice – rekreaþní chata
BDE-28
BDE-47
BDE-99 BDE-100 BDE-153 BDE-154 BDE-183
0,2457
n.d.
n.d.
n.d.
1,010
1,489
0,4525
1,878
2,672
3,962
n.d.
6,788
0,1803
n.d.
0,757
0,2115
0,2142
n.d.
0,1498
2,152
n.d.
n.d.
0,1073
1,607
1,305
0,2942
1,124
1,731
1,935
n.d.
0,2615
n.d.
0,2341
0,2290
0,1818
n.d.
8,150
n.d.
n.d.
1,121
4,395
0,1836
3,478
n.d.
n.d.
0,854
n.d.
22,63
n.d.
n.d.
n.d.
n.d.
n.d.
n.d.
n.d.
n.d.
0,2929
n.d.
n.d.
0,3122
0,2594
45
HeĜmanovice - rekreaþní chata Karlovice - chvojí Ludvíkov - požár traktoru Zlín - Areál Svit - požár skladu Malšice - požár srubu Malšice - sbČrný dvĤr Radoslavice - požár zem. objektu Brandýs - Melicharka - požár skladu Brandýs - Melicharka - krb Brandýs - požár paneláku Velmovice - požár lesa SbČrný dvĤr - Malšice 0%
10% 20% 30% 40%
BDE28
BDE47
BDE99
50% 60% 70% 80% 90% 100%
BDE100
BDE153
BDE154
BDE183
Graf 8: Zastoupení jednotlivých kongenerĤ v reálných vzorcích pĤd
Souþástí této diplomové práce bylo také, a to v souladu se systémem QA/QC, ovČĜení optimální metody na základČ provedení analýzy certifikovaného referenþního materiálu, který obsahoval polychlorované bifenyly a polybromované difenylethery. Pro úþely této práce však byly hodnoceny pouze polybromované difenylethery. V následující tabulce jsou uvedena deklarovaná, akceptovatelná a zjištČná množství sledovaných analytĤ. Tabulka 5: Stanovení PBDE ve standardním referenþním materiálu PBDE BDE-28 BDE-47 BDE-99 BDE-100 BDE-153 BDE-154 BDE-183
stanovené množství (ȝg·kg-1) n.d. 308,9 228,1 103,5 206,3 276,1 330,6
deklarované množství (ȝg·kg-1) – 286 ± 17,3 173 ± 8,36 84,8 ± 5,1 162 ± 9,85 215 ± 10,5 253 ± 13,7
akceptovatelné množství (ȝg·kg-1) – 179 – 393 108 – 238 53 – 117 102 – 223 151 – 280 169 – 337
Z výsledkĤ prezentovaných v této tabulce je zĜejmé, že všechny námi zjištČné hodnoty obsahu PBDE se vyskytují v rozmezích akceptovatelných množství, a proto je možné konstatovat, že optimalizovaná metoda je vhodná pro stanovení polybromovaných difenyletherĤ ve zneþištČných vzorcích pĤdy.
46
8. ZÁVċR V rámci pĜedložené diplomové práci byla Ĝešena stále vysoce aktuální problematika hodnocení kontaminace pĤdy polybromovanými difenylethery. Práce byla rozdČlena na þást teoretickou a experimentální. Teoretickou þást diplomové práce tvoĜí literární rešerše, která je zamČĜena pĜedevším na charakteristiku polybromovaných difenyletherĤ, používaných jako retardéry hoĜení. V první její þásti jsou charakterizovány jednotlivé typy retardérĤ hoĜení. V další kapitole jsou potom popsány fyzikálnČ chemické a environmentální vlastnosti PBDE, jejich použití a osud v životním prostĜedí. KromČ toho jsou zde uvedeny postupy izolace sledovaných analytĤ z matric, vesmČs založené na extrakþních postupech, dále þištČní extraktu a jeho zakoncentrování pĜed finální analýzou separaþními postupy. Pro stanovení úrovnČ kontaminace je používána zejména plynová chromatografie s rĤzným zpĤsobem detekce, pĜedevším s detektorem elektronového záchytu a hmotnostním detektorem. Praktická þást byla orientována na optimalizaci metody pro stanovení PBDE ve vzorcích vody a pĤdy. Pro extrakci analytĤ z vody byla zvolena extrakce kapalina – kapalina. PĜi analýze vody nebyly identifikovány kongenery PBDE, a proto nejsou výsledky zpracovány do tabulek. Pro extrakci analytĤ z pĤdy byly použity dvČ extrakþní techniky. První z nich byla ultrazvuková extrakce, jejíž výtČžnost nebyla dostaþující pro další stanovení a nemohla být proto následnČ aplikována pro analýzu reálných vzorkĤ. Dalším extrakþním postupem pro izolaci PBDE z pĤdy byla tlaková extrakce rozpouštČdlem. Na základČ porovnání obou extrakþních postupĤ mĤžeme konstatovat, že pĜi použití tlakové extrakce rozpouštČdlem bylo dosaženo podstatnČ lepších výsledkĤ, a proto byla tato metoda zvolena jako optimální pro stanovení PBDE v reálných vzorcích pocházejících z požáĜišĢ.
9 9
9
9 9
9 9
9
PĜi analýze reálných vzorkĤ pĤdy bylo dosaženo následujících konkrétních výsledkĤ: PBDE byly detekovány témČĜ ve všech vzorcích; Nejvyšší obsah PBDE, vztažený na sušinu, byl identifikován ve vzorcích pocházejících z požáru lesa ve Velmovicích, dále ze zemČdČlského objektu v Radostovicích, skladových prostor v Areálu Svit ve ZlínČ, v požáru bytu v Brandýse nad Labem a shoĜelého traktoru z lokality Ludvíkov; Vysoký obsah analytĤ ve vzorku z požáru lesa lze odĤvodnit kumulací polutantĤ v jehliþí stromĤ. Pro porovnání byl proto použit vzorek popelu chvojí pocházejícího z okolí PradČdu v Jeseníkách. V nČm nebyl detekován žádný ze sledovaných analytĤ. Tyto výsledky souþasnČ potvrzují kvalitu ovzduší a þistotu životního prostĜedí v Jeseníkách; Kontaminace vzorkĤ z požáru skladových prostor ve ZlínČ pocházela pĜedevším z uskladnČné elektroniky; Kontaminace vzorkĤ z požáru zemČdČlského objektu by mohla pocházet z kontaminovaného prachu, plastových souþástí a jiného vybavení používaného v zemČdČlství; PĜi požáru bytu pochází kontaminace PBDE pravdČpodobnČ ze shoĜelých sedaþek, kobercĤ, popĜípadČ elektroniky; V lokalitČ Ludvíkov v Jeseníkách shoĜel traktor. V tomto pĜípadČ se lze domnívat, že kontaminace pĤdy po požáru mohla pocházet pĜevážnČ ze shoĜelé sedaþky traktoru, pĜípadnČ z plastových souþástí, které byly použity pĜi výrobČ traktoru. Analýza certifikovaného referenþního materiálu prokázala, že optimalizovaná metoda použitá pro všechny analýzy odpovídá systému QA/QC.
47
Výsledky, které byly získány v rámci pĜedložené diplomové práce, potvrdily nutnost stálého sledování difenyletherĤ, intenzivnČ využívaných jako retardéry hoĜení. DĤvodem je pĜedevším to, že jsou stále závažným kontaminantem terestrického ekosystému, i když hladiny jednotlivých kongenerĤ PBDE nejsou pĜíliš vysoké. Závažná je však pĜedevším þetnost jejich nálezĤ. Na základČ tohoto tvrzení lze doporuþit jejich setrvání ve skupinČ perzistentních organohalogenovaných kontaminantĤ, které je nutné dále sledovat v abiotických i biotických složkách životního prostĜedí.
48
9. POUŽITÁ LITERATURA [1]
ALAEE, M., ARIAS, P., SJÖDIN, A., BERGMAN, A. An overview of commercially used brominated flame retardants, their applications, their use patterns in different countries/regions and possible modes of release. Environment International [online]. 2003, roþ. 29, þ. 6, s. 683-689 [cit. 2013-02-17]. ISSN 01604120. DOI: 10.1016/S0160-4120(03)00121-1. Dostupné z:
[2]
WHO International Programme on Chemical Safety (IPCS), 1997. Flame retardants: A General Introduction. Environmental Health Criteria 192, World Health Organization, Geneva.
[3]
RAHMAN, F., LANGFORD, K. H., SCRIMSHAW, M. D., LESTER, J. N. Polybrominated diphenyl ether (PBDE) flame retardants. Science of The Total Environment [online]. 2001, roþ. 275, 1-3, s. 1-17 [cit. 2013-02-17]. ISSN 00489697. DOI: 10.1016/S0048-9697(01)00852-X. Dostupné z:
[4]
WHO International Programme on Chemical Safety (IPCS), 1995. Tetrabromobisphenol A and derivatives. Environmental Health Criteria 172, World Health Organization, Geneva.
[5]
DE WIT, C. A. An overview of brominated flame retardants in the environment. Chemosphere [online]. 2002, roþ. 46, þ. 5, s. 583-624 [cit. 2013-02-19]. ISSN 00456535. DOI: 10.1016/S0045-6535(01)00225-9. Dostupné z:
[6]
WATANABE, I., KASHIMOTO, T., TATSUKAWA, R. The flame retardant tetrabromobisphenol A and its metabolite found in river and marine sediments in Japan. Chemosphere [online]. 1983, roþ. 12, 11-12, s. 1533-1539 [cit. 2013-02-20]. ISSN 00456535. DOI: 10.1016/0045-6535(83)90084-X. Dostupné z:
[7]
WHO International Programme on Chemical Safety (IPCS), 1994. Polybrominated biphenyls. Environmental Health Criteria 152, World Health Organization, Geneva.
[8]
Stockholm Convention [online]. 2008 [cit. 2013-02-23]. Dostupné z:
[9]
ERIKSSON, P., FISCHER, C., WALLIN, M., JAKOBSSON, E., FREDRIKSSON, A. Impaired behaviour, learning and memory, in adult mice neonatally exposed to hexabromocyclododecane (HBCDD). Environmental Toxicology and Pharmacology [online]. 2006, roþ. 21, þ. 3, s. 317-322 [cit. 2013-02-23]. ISSN 13826689. DOI: 10.1016/j.etap.2005.10.001. Dostupné z:
[10]
VAN DER VEN, L. T. M., VAN DE KUIL, T., LEONARDS, P. E. G., SLOB, W., LILIENTHAL, H., LITENS, S., HERLIN, M., HAKANSSON, H., CANTÓN, R. F., VAN DEN BERG, M., VISSER, T. J., VAN LOVEREN, H., VOS, J. G., PIERSMA, A. H. Endocrine effects of hexabromocyclododecane (HBCD) in a one-generation reproduction study in Wistarrats. Toxicology Letters [online]. 2009, roþ. 185, þ. 1, s. 51-62 [cit. 2013-02-23]. ISSN 03784274. DOI: 10.1016/j.toxlet.2008.12.003. Dostupné z:
[11] DE WIT, C. A., HERZKE, D., VORKAMP, K. Brominated flame retardants in the Arctic environment - trends and new candidates. Science of The Total Environment [online]. 49
2010, roþ. 408, þ. 15, s. 2885-2918 [cit. 2013-02-17]. ISSN 00489697. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2009.08.037. Dostupné z: [12] WATANABE, I. Environmental release and behavior of brominated flame retardants. Environment International [online]. 2003, roþ. 29, þ. 6, s. 665-682 [cit. 2013-02-23]. ISSN 01604120. DOI: 10.1016/S0160-4120(03)00123-5. Dostupné z: [13] KORYTÁR, P., COVACI, A., DE BOER, J., GELBIN, A., BRINKMAN, U. A. Th. Retention-time database of 126 polybrominated diphenyl ether congeners and two Bromkal technical mixtures on seven capillary gas chromatographic columns. Journal of Chromatography A [online]. 2005, roþ. 1065, þ. 2, s. 239-249 [cit. 2013-02-15]. ISSN 00219673. DOI: 10.1016/j.chroma.2004.12.059. Dostupné z: [14] KALACHOVA, K., HRADKOVA, P., LANKOVA, D., HAJSLOVA, J., PULKRABOVA, J. Occurrence of brominated flame retardants in household and car dust from the Czech Republic. Science of The Total Environment [online]. 2012, roþ. 441, s. 182193 [cit. 2013-02-23]. ISSN 00489697. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2012.09.061. Dostupné z: [15] WHO International Programme on Chemical Safety (IPCS), 1994. Brominated diphenyl ethers. Environmental Health Criteria 162, World Health Organization, Geneva. [16] SmČrnice Evropského parlamentu a rady týkající se omezení uvádČní na trh a používání nČkterých nebezpeþných látek a pĜípravkĤ (pentabromdifenylether, oktabromdifenylether). In: SmČrnice 2003/11/ES. 2003. Dostupné z: [17] Bromine Science and Environmental Forum [online]. [cit. 2013-02-23]. Dostupné z: [18] MARSH, G., ATHANASIADOU, M., BERGMAN, A., ASPLUND, L. Identification of Hydroxylated and Methoxylated Polybrominated Diphenyl Ethers in Baltic Sea Salmon (Salmosalar) Blood. Environmental Science [online]. 2004, roþ. 38, þ. 1, s. 10-18 [cit. 2013-02-23]. ISSN 0013-936x. DOI: 10.1021/es034671j. Dostupné z: [19] LAW, R. J., ALLCHIN, C. R., DE BOER, J., COVACI, A., HERZKE, D., LEPOM, P., MORRIS, S., TRONCZYNSKI, J., DE WIT, C. A. Levels and trends of brominated flame retardants in the European environment. Chemosphere [online]. 2006, roþ. 64, þ. 2, s. 187-208 [cit. 2013-02-23]. ISSN 00456535. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2005.12.007. Dostupné z: [20] HARNER, T., SHOEIB, M. Measurements of Octanol-Air Partition Coefficients (KOA) for Polybrominated Diphenyl Ethers (PBDEs): Predicting Partitioning in the Environment. Journal of Chemical [online]. 2002, roþ. 47, þ. 2, s. 228-232 [cit. 201302-24]. ISSN 0021-9568. DOI: 10.1021/je010192t. Dostupné z: [21] SU, Y., HUNG, H., SVERKO, E., FELLIN, P., LI, H. Multi-year measurements of polybrominated diphenyl ethers (PBDEs) in the Arctic atmosphere. Atmospheric
50
Environment [online]. 2007, roþ. 41, þ. 38, s. 8725-8735 [cit. 2013-02-24]. ISSN 13522310. DOI: 10.1016/j.atmosenv.2007.07.032. Dostupné z: [22] RAFF, J. D., HITES, R. A. Deposition versus Photochemical Removal of PBDEs from Lake Superior Air. Environmental Science [online]. 2007, roþ. 41, þ. 19, s. 6725-6731 [cit. 2013-02-24]. ISSN 0013-936x. DOI: 10.1021/es070789e. Dostupné z: [23] TER SCHURE, A. F. H., LARSSON, P., AGRELL, C., BOON, J. P. Atmospheric Transport of Polybrominated Diphenyl Ethers and Polychlorinated Biphenyls to the Baltic Sea. Environmental Science [online]. 2004, roþ. 38, þ. 5, s. 1282-1287 [cit. 2013-02-27]. ISSN 0013-936x. DOI: 10.1021/es0348086. Dostupné z: [24] KRÓL, S., ZABIEGAŁA, B., NAMIEĝNIK, J. PBDEs in environmental samples: Sampling and analysis. Talanta [online]. 2012, roþ. 93, s. 1-17 [cit. 2013-02-17]. ISSN 00399140. DOI: 10.1016/j.talanta.2012.01.048. Dostupné z: [25] HERZKE, D., BERGER, U., KALLENBORN, R., NYGARD, T., VETTER, W. Brominated flame retardants and other organobromines in Norwegian predatory bird eggs. Chemosphere [online]. 2005, roþ. 61, þ. 3, s. 441-449 [cit. 2013-02-17]. ISSN 00456535. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2005.01.066. Dostupné z: [26] POPL, Milan. Analytická chemie životního prostĜedí. 4. pĜeprac. vyd. Praha: VŠCHT, 1999, 218 s. ISBN 80-708-0336-3. [27]
CHURÁýEK, Jaroslav: Analytická separace látek. 1. vyd. Praha: SNTL, 1990, 384 s. ISBN 80-030-0569-8.
[28] VENTURA, K., ADAM, M. PĜíprava vzorkĤ: PĜíprava vzorkĤ k analýze - extrakþní techniky. In: HELÁN, Václav. Analýza organických látek: sborník pĜednášek z kurzu. 1. vyd. ýeský TČšín: 2 THETA, 1999, s. 17-30. ISBN 80-902-4329-0. [29] LLORCA-PORCEL, J., MARTÍNEZ-SÁNCHEZ, G., ÁLVAREZ, B., COBOLLO, M. A., VALOR, I. Analysis of nine polybrominated diphenyl ethers in water samples by means of stir bar sorptive extraction – thermal desorption – gas chromatography – mass spectrometry. Analytica Chimica Acta [online]. 2006, roþ. 569, 1-2, s. 113-118 [cit. 2013-02-20]. ISSN 00032670. DOI: 10.1016/j.aca.2006.03.100. Dostupné z: [30]
COUFAL, P. Extrakce [online]. 2004, poslední revize 28. 7. 2004 [cit. 2013-04-20]. Dostupné z:
[31]
Schéma Soxhletova extraktoru [online]. 2006, poslední revize 18. 2. 2006 [cit. 201304-20]. Dostupné z:
[32] ADAM, M., VENTURA, K. PĜíprava vzorkĤ: PĜíprava vzorkĤ k analýze - extrakþní techniky, SFE a SPE. In: HELÁN, Václav. Analýza organických látek: sborník pĜednášek z kurzu. 2., upr. a dopl. vyd. ýeský TČšín: 2 THETA, 2005, s. 15-24. ISBN 80-863-8029-7. [33]
COUFAL, P. GC [online]. 2004, poslední revize 28. 7. 2004 [cit. 2013-04-20]. Dostupné z:
51
[34]
HROCH, M. Studium distribuce halogenovaných difenyletherĤ do složek životního prostĜedí. Brno, Vysoké uþení technické v BrnČ, Fakulta chemická, 2012. 135 s. (Dizertaþní práce.) Vedoucí dizertaþní práce prof. RNDr. Milada Vávrová, CSc.
[35] PERTILE, E., ýABLÍK, V. Instrumentální metody analýzy. Ostrava: VŠB - Technická univerzita Ostrava, 2006, 238 s. ISBN 80-248-1049-2. [36] ŠEVýÍK, J. K. G. Plynová chromatografie: Plynová chromatografie a její aplikace v organické analýze. In: HELÁN, Václav. Analýza organických látek: sborník pĜednášek z kurzu. 2., upr. a dopl. vyd. ýeský TČšín: 2 THETA, 2005, s. 103-150. ISBN 80-8638029-7. [37] HAJŠLOVÁ, J., ALTEROVÁ, K., KěIVÁNKOVÁ, J., GODULA, M. Plynová chromatografie: Aplikace chromatografických metod ve stopové analýze pesticidĤ. In: HELÁN, Václav. Analýza organických látek: sborník pĜednášek z kurzu. 1. vyd. ýeský TČšín: 2 THETA, 1999, s. 105-123. ISBN 80-902-4329-0. [38] VOLKA, K. Analytická chemie II. 1. vyd. Praha: VŠCHT, 1995, 236 s. ISBN 80-7080227-8. [39] JANOUŠKOVÁ, E., ěEHģěKOVÁ, I., ýÁSLAVSKÝ, J., RUPRICH, J. Plynová chromatografie: Stanovení PCB a OCHP v potravinách metodou GC s ECD. In: HELÁN, Václav. Analýza organických látek: sborník pĜednášek z kurzu. 2., upr. a dopl. vyd. ýeský TČšín: 2 THETA, 2005, s. 201-208. ISBN 80-863-8029-7. [40]
CHURÁýEK, J., KOTRLÝ, S. Analytická chemie II. 1. vyd. Pardubice: VŠCHT v Pardubicích, 1983. 189 s.
[41]
ýÁSLAVSKÝ, J. Chromatografie s hmotnostní detekcí: Úvod do hmotnostní spektrometrie. In Helán, Václav. Analýza organických látek: sborník pĜednášek z kurzu. 2., upr. a dopl. vyd. ýeský TČšín: 2 THETA, 2005, s. 273-281. ISBN 80-8638029-7.
[42]
ŠTULÍK, K. a kol.: Analytické separaþní metody. 1. vyd. Praha: Karolinum, 2004, 264 s. ISBN 80-246-0852-9.
[43]
SCHģREK, J., HAJŠLOVÁ, J., ZROSTLÍKOVÁ, J. Chromatografie s hmotnostní detekcí: Plynová chromatografie s „time-of-flight“ hmotnostnČ spektrometrickou detekcí a její aplikaþní potenciál. In Helán, Václav. Analýza organických látek: sborník pĜednášek z kurzu. 2., upr. a dopl. vyd. ýeský TČšín: 2 THETA, 2005, s. 321-350. ISBN 80-863-8029-7.
[44]
HARYNUK, J.: Comprehensive Two – dimensional Gas Chromatography (GCxGC) [online]. 2009, poslední revize 18.6. 2009 [cit. 2013-04-20]. Dostupné z:
[45] KAZDA, R., HAJŠLOVÁ, J., POUSTKA, J., ýAJKA, T. Determination of polybrominated diphenylethers in human milk samples in the Czech Republic. Analytica Chimica Acta [online]. 2004, roþ. 520, 1-2, s. 237-243 [cit. 201302-23]. ISSN 00032670. DOI: 10.1016/j.aca.2004.04.069. Dostupné z: [46] Faculty of Health and Wellbeing (Sheffield Hallam University): Gas chromatography [online]. [cit. 2013-04-20]. Dostupné z:
52
[47] GATES, P. Quadrupole & Triple Quadrupole (QQQ) Mass Analysis [online]. 2009, poslední revize 26. 5. 2009 [cit. 2013-04-20]. Dostupné z: [48] GATES, P. Time-of-Flight (TOF) Mass Analysis [online]. 2002-2005, poslední revize 18. 9. 2005 [cit. 2013-04-20]. Dostupné z: [49] The University of Maine: Mass spectrometry [online]. Dostupné z: [50] Webové stránky firmy Leco (Orthogonální dvojrozmČrná plynová chromatografie s hmotnostním spektrometrem Time-of-Flight). Dostupné z:
53
10.
POUŽITÉ ZKRATKY
ASE – Accelerated Solvent Extraction DBDPE – dekabromdifenyl ethan DDT – dichlordifenyltrichlorethan DeBDE – technická smČs dekabromovaného difenyletheru ECD – Elektron Capture Detector GC – Gas Chromatography HBCD – hexabromcyklododecan HxBBz – hexabrombenzen ISO – International Organization for Standardization LOD – Limit of Detection LOQ – Limit of Quantification MAE – Microwave Assisted Extraction MeO-PBDE – methoxylované polybromované difenylethery MS – Mass Spectrometry OBDE – technická smČs oktabromovaného difenyletheru OH-PBDE – hydroxylované polybromované difenylethery PBB – polybromované bifenyly PBDE – polybromovane difenylethery PBEB – pentabromethylbenzen PBT – pentabromtoluen PCB – polychlorované bifenyly PeBDE – technická smČs pentabromovaného difenyletheru PLOT – Porous Layer Open Tubular PSE – Pressurized Solvent Extraction PTV – Prorammed Temperature Vaporizing Injector QA/QC – Quality Assurance / Quality Control SFE – Supercritic Fluid Extraction TBBPA – tetrabrombisfenol A TOF – Time-of-flight USA – Spojené státy americké USE – Ultrasonic Assisted Extraction U.S. EPA – United States Environmental Protection Agency WCOT – Wall Coated Open Tubular
54
11.
PěÍLOHY PĜíloha 1: Extrakce podporovaná tlakem – reálný vzorek pĤdy
PĜíloha 2: Extrakce ultrazvukem
55
PĜíloha 3: OdpaĜování na vakuové odparce
PĜíloha 4: PĜeþištČní extraktĤ
56
PĜíloha 5: Plynový chromatograf s detekcí elektronového záchytu
PĜíloha 6: Plynový chromatograf s hmotnostním spektrometrem
57
PĜíloha 7: Chromatogram – matriþní kalibrace, koncentrace 400 ng ·ml-1
58
PĜíloha 8: Chromatogram – certifikovaný referenþní materiál
59
PĜíloha 9: Chromatogram – vzorek pĤdy z požáru lesa ve Velmovicích
60
61