Сорбционное концентрирование и последующее определение фенолов в объектах окружающей среды

Актуальность проблемы. Особую группу органических соединений, которые являются весьма токсичными для живых организмов, составляют фенолы. Эти соединения попадают в объекты окружающей среды в результате их использования как средств дезинфекции. Конечно, существуют нормы использования фенолов для уничтожения насекомых и бактерий в летнее время, но мест использования так много, что общее количество используемых фенолов для названных целей только по городу Астрахани составляет от 30 до 50 тонн в год. После дождя или таяния снега эти фенолы распространяются в почве, выносятся во внутренние городские водоемы и далее попадают в большие и малые реки. Следует отметить, что такое количество фенолов в объектах окружающей среды не может дать даже комплекс химических предприятий, работающих с полным нарушением технологического режима.

Естественно, почвенные микроорганизмы деструкту-рируют фенолы, в конечном итоге превращая их в углекислый газ и воду, но какая-то часть фенолов всегда остается в почве, воде, попадает в растения, а так же с пищей — в организм человека и животных. Многие средства защиты растений в результате деструкции в окружающей среде так же образуют фенолы и его производные.

Источниками загрязнения фенолами окружающей среды могут быть выбросы промышленных предприятий, выпускающих эти соединения или использующие их и выбросы целлюлозобумажной промышленности. Здесь источниками 5 фенолов могут быть продукты деструкции лигнина. Кроме того, источниками загрязнения могут быть сточные воды кожевенных, овчинно-меховых, лакокрасочных и других предприятий. В настоящее время существует система контроля экзотоксикантов, но часто она базируется на устаревших принципах анализа и не всегда методики определения являются достоверными. Определение следов токсичных органических веществ, к которым относятся и фе-нольные соединения, в промышленных выбросах, а так же и в воздухе рабочей зоны предприятий, по эффективности использования и практической ценности результатов существенно превосходит более абстрактные данные, полученные без «привязки» к конкретным источникам загрязнения атмосферы. Это объясняет многообразие методик определения таких веществ в указанных объектах и необходимость их дальнейшего совершенствования. В настоящее время около 95% веществ, включенных в официальные перечни соединений, нормируемых в воздухе рабочей зоны или в сточных водах, характеризуются значениями ПДК более 0,1 мкг/см3, а приблизительно для половины из них — более 1 мкг/см3.

Таким образом, в объектах окружающей среды и особенно в ¡-воде всегда присутствуют фенолы и в связи с этим существует большое количество различных методик определения этих веществ. Но зачастую главными критериями оптимизации способов определения следов органических соединений являются не снижение пределов обнаружения, а сокращение затрат времени и трудоемкости как отдельных стадий, так и всего анализа без ухудшения точности определений. Поэтому, в настоящее время 6 требуются высокочувствительные экспресс — методы определения фенолов. Существует большое количество методов определения фенолов, но дело в том, что лучшие результаты при анализе фенолов можно получить только при их предварительном концентрировании. Эта задача может быть решена при проведении селективного сорбционного концентрирования фенолов, как предварительного этапа подготовки. Для этих целей используются различные сорбенты. Наиболее дешевым способом концентрирования является сорбционное концентрирование, если для этого используются недорогие сорбенты. В данной работе предлагается возможность использования природных и синтетических сорбентов, а это связано с предварительным изучением взаимодействий в системе сорбент — сорбат.

Сорбционное концентрирование органических соединений — интенсивно развивающееся направление в современной аналитической химии. В первую очередь это относится к разработке новых и совершенствованию уже существующих и известных методов определения загрязнителей окружающей среды, характеризующихся токсичностью и низкими предельно допустимыми концентрациями. Для развития таких методов требуется систематическое изучение кислотно — основных и других равновесий в растворах, содержащих сами фенолы. Необходимо детальное изучение процессов сорбции и экстракции с целью выбора наиболее подходящих концентрирующих систем. Это позволило бы создать высокочувствительные методы определения фенолов, например при использовании фотометрии или спектроскопии диффузного отражения. 7.

Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ кафедры физической химии Астраханского государственного педагогического университета и РАН по направлению ЛЛ Органический анализ", в рамках комплексной программы ХЛЭкологическая безопасность России" .

Цель работы: Исследование закономерностей сорб-ционного и экстракционного концентрирования фенолов целью разработки экспресс — методов селективного и суммарного определения фенолов с применением спектро-фотометрии и спектроскопии диффузного отражения.

Для достижения поставленной цели необходимо было изучить:

•влияние на протекание сорбции и экстракции фенолов рН, ионной силы и температуры растворов;

• закономерности сорбции фенолов на таких сорбентах, как СВ — 1, К1езе1де1 60 — С и расчет основных термодинамических и кинетических характеристик изучаемых процессов;

• закономерности экстракции фенолов хлороформом и их последующее определение с использованием спектроскопии диффузного отражения;

• основные характеристики процессов десорбции.

Научная новизна. В результате исследований дана оценка сорбционной способности сорбента СВ — 1 по отношению к фенолам и разработана методика концентрирования исследуемых компонентов с целью их дальнейшего определения в воде различных источников.

Представлен возможный механизм сорбционного концентрирования фенолов сорбентом СВ — 1. 8.

Практическое значение и реализация результатов. Для сорбционного концентрирования фенолов из водных растворов впервые используется сорбент СВ-1, являющийся продуктом нехимической переработки опок Астраханской области.

Разработаны фотометрические методы определения фенолов в сточных водах, основанные на сорбционном концентрировании на сорбенте СВ — 1, которые характеризуются широким диапазоном определяемых содержаний и минимальными значениями относительного стандартного отклонения.

Разработан метод определения фенолов в воде с использованием спектроскопии диффузного отражения. На защиту выносятся:

• результаты изучения сорбционного и экстракционного концентрирования фенолов различными методами;

• результаты изучения использования метода диффузного отражения для определения фенолов;

• представление возможного механизма сорбции фенолов на сорбенте СВ — 1.

Апробация работы. Результаты работы доложены на семинаре кафедры физической химии Астраханского государственного педагогического университета (Астрахань, 1998). В целом материалы диссертации представлены на 14 различных конференциях, съездах и конгрессах, среди которых: Международный экологический конгресс (Воронеж, 1996), Российская конференция по экологическим проблемам Волги и Прикаспия (Астрахань, 1996), Международный конгресс по аналитической химии (Москва, 9.

1997), Российская научная конференция по экологическим проблемам Волжского региона и Северного Прикаспия (Астрахань, 1998).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 3 статьи и 6 тезисов докладов региональных и международных конференций и конгрессов.

Структура работы. Диссертация изложена на 10.& страницах, состоит из введения, четырех глав и выводов, включает 24 рисунка, 15 таблиц и список цитируемой литературы, содержащий 124 ссылки.

ВЫВОДЫ.

1. Изучено сорбционное концентрирование фенола, резорцина, пирогаллола и пирокатехина на сорбенте СВ-1, рассчитаны константы сорбции исследуемых компонентов и основные термодинамические характеристики исследуемых сорбатов.

2.Сделана попытка представления возможного механизма сорбции фенолов на сорбенте СВ-1. Предполагается, что процесс концентрирования исследуемых фенолов на поверхности сорбента связан с образованием водородных межмолекулярных связей адсорбатов с поверхностью сорбента. Установлены следующие точки взаимодействий: образование водородных связей между ионом водорода воды поверхности сорбента и атомом кислорода гидроксогруппы фенолавзаимодействие атома кислорода молекулы фенола с атомом алюминия, входящего в состав кластера сорбента, посредством водородных связей. С использованием литературных данных и экспериментальным результатам энергетических характеристик сорбента оценено участие каждой группы во взаимодействии сорбент — сорбат.

3.Разработаны методики определения фенолов с использованием сорбци-онного концентрирования и дальнейшего определения исследуемых компонентов и экстракционного определения фенолов с использованием метода спектроскопии диффузного отражения, где в качестве экстрагента использовался хлороформ.

4.Разработанные экстракционные и сорбционно-спектрофотометрические способы определения фенолов могут быть использованы для анализа сточных вод химических, лакокрасочных и других предприятий, загрязняющих объекты окружающей среды. Показана достаточно высокая эффективность СВ — 1 для концентрирования фенолов в аналитических целях.

На основании полученных результатов были разработаны: методика определения фенолов в воде и сточных водах после их концентрирования на СВ — 1- методика определения фенолов с использованием спектроскопии диффузного отражения.

Направлением дальнейших исследований по выбранной теме может быть разработка теоретических и экспериментальных положений сорбции различных физиологически активных веществ на основе исследования синтетических и природных сорбентов группы СВ, что позволило бы повысить избирательность адсорбции по отношению к определяемым веществам и послужило бы основой для разработки новых наиболее надежных методов определения.

Основное содержание диссертации изложено в работах:

1. Алыков Н. М., Клементьева А. В. Использование спектроскопии диффузного отражения для определения фенолов в воздухе. В кн. Тезисы докл. Межд. конф. «Спектрохимические методы анализа окружающей среды». Курск, 1−6 сентября, 1995. С. 102.

2. Алыков Н. М., Гламозда А. В., Клементьева А. В., Титова O. JL, Яковлева JT.B. Использование спектроскопии диффузного отражения в аналитической химии физиологически активных веществ. В кн. Тез. докл. межвуз. конф. «Органические реагенты. Синтез, изучение, применение.» Саратов. 23−24 февраля. 1996. С. 36.

3. Алыков Н. М., Клементьева А. В. Сорбционное концентрирование и последующее определение фенолов. Конференция по эколого-биологическим проблемам Волжского региона и Северного Прикас-пия. Астрахань. 3−4 октября. 1996. Тез. докл. С. 40.

4. Nariman М. Alykov, Anna. V. Glamozda, Alexandra V. Klementieva, Anna S. Resnyanskaya. Use of spectroscopy of diffusion reflection ecology-analytical investigations. Int. ecolog. congsess. September. 22−26. 1996. Voronezh/ Russia. Proceeding and abstracts. Section: Science and Environment. Kansas State University. Kansas. USA. P.l.

5. Nariman M. Alykov, Anna V. Glamozda, Alexandra V. Klementieva, Anna S. Resnyanskaya. Use of spectroscopy of diffusion reflection ecology-analytical investigations.// Ecological congress, International J., 1997. V.l.№ 2. P.2.

6. Tamara V. Alykova, Vladimir A. Vasiliev, Elena A. Kazmina, Alexandra V. Klementieva. The stady of sorption some organic combination on the SV-1 sorbent.// International Congress on analitical chemistry. Moscow. June. 15−21. 1997. Abstr.V.l. P.28.

7. Клементьева A.B. Изучение сорбции фенолов на сорбенте СВ-1.// «Астраханский край: история и современность» (к 280-летию образования Астраханской губернии). Астрахань. 26−27 ноября. 1997 Материалы Всероссийской научно-практической конф. С. 252.

8. Алыков Н. М., Воронин Н. И., Клементьева A.B., Кляев В. И., МорозовБ.Б. Физико-химическое изучение сорбентов группы СВ, получаемых из опок Астраханской области. III Всерос. науч. конфер. «Экоаналитика-98». Краснодар 22−26 сентября. 1998. Тез. докл. С. 42.

9. Алыкова Т. В., Клементьева A.B., Котляр Е. Г. Изучение сорбции фенолов на сорбенте СВ-1 с использованием реакции азосочетания. Всерос. науч. конф. «Эколого-биологические проблемы Волжского региона и Северного прикаспия». Астрахань, 19−20 октября. 1998. Матер, конф. С. 5.