Способ определения железа(III) Российский патент 2021 года по МПК G01N21/64 

Изобретение относится к области аналитической химии элементов, а именно к методам определения железа в степени окисления +3, и может быть использовано при его определении в природных и техногенных водах.

Для определения железа(III) в объектах различного состава широко используется сорбционно-фотометрический метод, основанный на сорбционном выделении железа(III) сорбентами, с функциональными группами которых железо(III) образует интенсивно окрашенные комплексы, и последующем его определении непосредственно в фазе сорбента фотометрическим методом. Сорбционно-фотометрический метод характеризуется более низкими пределами обнаружения элементов и более высокой селективностью по сравнению с фотометрическим определением железа (III) в растворах.

Для сорбционно-фотометрического определения железа(III) в качестве органических реагентов широко используются сульфосалициловая кислота, 8-оксихинолин и их производные, закрепленные на поверхности твердых матриц различной природы. Данные реагенты образуют с железом(III) интенсивно окрашенные комплексные соединения, что позволяет достигать высокой чувствительности его определения.

Известен способ определения железа(III) с использованием акрилового полимера, модифицированного койевой кислотой [Vallejos S. Colorimetric detection, quantification and extraction of Fe(III) in water by acrylic polymers with pendant Kojic acid motifs / S. Vallejos, A. , F.C., R. Colleoni, R. Biesuz, G. Alberti, J.M. Garcia // Sensor and actuators B: Chemical, 2016. - V. 233. P. 120-126], предусматривающий проведение следующих операций:

- приготовление 10 мл раствора, содержащего железо(III), с рН 2,5 в присутствии 0,1 M KNO₃;

- опускание в полученный раствор на 30 мин диска акриловой мембраны, модифицированной койевой кислотой;

- извлечение диска из раствора и измерение его оптической плотности при 490 нм.

Содержание железа находят по градуировочному графику, построенному в аналогичных условиях. Предел обнаружения при концентрировании железа(III) из 10 мл раствора равен 3,6⋅10^-5 M (2,0 мг/л).

К недостаткам способа можно отнести большое время установления сорбционного равновесия (24 часа), высокий предел обнаружения и относительную сложность получения полимерной акриловой мембраны.

Известен способ определения железа(III) с использованием акрилового полимера, модифицированного терпиридиновыми группами [Trigo-Lopez M. Colorimetric detection and determination of Fe(III), Co(II), Cu(II) and Sn(II) in aqueous media by acrylic polymers with pendant terpyridine motifs / M. , A. , S. Ibeas, F. Serna, F.C., J.M. // Sensor and actuators B: Chemical, 2016. - V. 226. P. 118-126], предусматривающий проведение следующих операций:

- приготовление 1 мл раствора, содержащего железо(III), с рН 2,0 в присутствии буфера KCl-HCl;

- опускание в полученный раствор на 24 ч квадрата (~5 мм × 5 мм), вырезанного из акриловой мембраны, модифицированной терпиридиновыми группами;

- извлечение квадрата из раствора и измерение его цветометрических характристик.

Содержание железа находят по градуировочному графику, построенному в аналогичных условиях. Предел обнаружения при концентрировании железа из 1 мл раствора составляет 1,3⋅10^-7 M (7,3 мкг/л).

К недостаткам способа можно отнести длительное время установления сорбционного равновесия, сложность получения полимерных мембран.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и достигаемым результатам является способ определения железа (III) на пенополиуретанах (ППУ), импрегнированных сульфосалициловой и галловой кислотами [Суханов П.Т. Сорбционно-цветометрическое определение железа(III) в водах гальванического производства / П.Т. Суханов, С.П. Калинкина, К.С. Сердюкова, А.Н. Ильин / Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий, 2017. - Т. 79, №1. С. 215-221].

Способ предусматривает выполнение следующих операций:

- к 20 мл раствора, содержащего железо(III), добавляют 1 мл ацетатного буферного раствора (рН 4);

- вводят 0,03 г ППУ, импрегнированного сульфосалициловой или галловой кислотами;

- интенсивно перемешивают;

- таблетки ППУ вынимают из раствора и высушивают;

- измеряют цветометрические характеристики окраски сорбента.

Содержание железа находят по градуировочному графику, построенному в аналогичных условиях. Предел обнаружения железа составляет 0,3 мг/л при объеме раствора 20 мл и массе сорбента 0,03 г.

Недостатком способа является высокий предел обнаружения, узкий диапазон определяемых содержаний и высокая ошибка определения содержания железа, на уровне 25%.

Техническим результатом является снижение предела обнаружения и расширение диапазона определяемых содержаний.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения железа(III), включающем приготовление сорбента, извлечение железа(III) из раствора сорбентом, переведение железа(III) в комплексное соединение на поверхности сорбента, отделение сорбента от раствора, измерение коэффициента диффузного отражения поверхностного комплекса железа(III) и определение содержания железа по градуировочному графику, новым является то, что в качестве сорбента используют кремнезем, последовательно модифицированный полигексаметиленгуанидином и 7-йод-8-оксихинолин-5-сульфокислотой (феррон), а измерение коэффициента диффузного отражения осуществляют при 600 нм.

Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данных и смежных областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критериям «новизна» и «изобретательский уровень».

Сущность способа заключается в том, что железо(III) извлекается из водных растворов сорбентом на основе кремнезема, последовательно модифицированного полигексаметиленгуанидином и 7-йод-8-оксихинолин-5-сульфокислотой (феррон), в диапазоне рН 2-6, однако количественное извлечение (степень извлечения ≥99%) достигается в диапазоне рН 3-4.

Сорбция железа(III) в статическом режиме протекает быстро - время установления сорбционного равновесия не превышает 10 мин. В процессе сорбции на поверхности сорбента образуется окрашенный в зеленый цвет комплекс железа(III) с ферроном, имеющий максимум в спектре диффузного отражения, расположенный при 600 нм.

Способ осуществляют следующим образом.

Для синтеза сорбента к 10 г оксида кремния добавляют 100 мл 2%-ного раствора полигексаметиленгуанидина и перемешивают в течение 30 мин. Оксид кремния отделяют от раствора декантацией и промывают дистиллированной водой. Затем обработанный полигексаметиленгуанидином оксид кремния обрабатывают 2⋅10^-4 - 5⋅10^-4 M раствором феррона и интенсивно перемешивают в течение 15 мин. Сорбент отделяют от раствора декантацией, промывают дистиллированной водой и сушат на воздухе.

В исследуемый раствор с рН 3-4, содержащий железо(III) вносят 0,1 г сорбента -кремнезема, последовательно модифицированного полигексаметиленгуанидином и ферроном, перемешивают в течение 10 мин.

Сорбент отделяют от раствора декантацией, помещают во фторопластовую кювету и измеряют коэффициент диффузного отражения при 600 нм.

Содержание железа находят по градуировочному графику, построенному в аналогичных условиях. Предел обнаружения равен 0,03 мкг железа на 0,1 г сорбента или 0,003 мг/л (при сорбции из 10 мл), что в 10 раз меньше предела обнаружения достигаемого по известному способу (прототипу).

Данное количество железа является той минимальной концентрацией, которую возможно зарегистрировать на данной навеске сорбента на существующих приборах относительно сигнала фона, независимо от способа концентрирования железа (статический или динамический режим). Применение динамического режима сорбции позволяет сконцентрировать железо(III) на используемой массе сорбента из больших объемов растворов. Так, при сорбции железа из 10 мл раствора, относительный предел обнаружения железа составляет 3⋅10^-3 мг/л, а при сорбции из 100 мл раствора - 3⋅10^-4 мг/л. Таким образом, содержание железа, определяемого по заявляемому способу, в произвольном объеме раствора должно быть не менее 0,03 мкг. Линейность градуировочного графика сохраняется до 22 мкг железа на 0,1 г сорбента.

Увеличение или уменьшение рН раствора относительно оптимальных значений приводит к снижению степени извлечения железа(III) и, соотвественно, к увеличению предела его обнаружения (таблица 1).

Использование при синтезе сорбента растворов органического реагента - 7-йод-8-оксихинолин-5-сульфокислоты с большей концентрацией, чем 5⋅10^-4 М, приводит к окрашиванию сорбента в желтый цвет, что, в свою очередь, приводит к увеличению предела обнаружения железа(III) (таблица 2).

Пример 1 (прототип). Для определения содержания железа (III) к 20 мл водного раствора с рН 3, содержащего 1 мкг железа (III) добавляют 1 мл ацетатного буферного раствора до рН 4, вносят 0,03 г в виде таблетки ППУ, импрегнированного сульфосалициловой или галловой кислотами и интенсивно перемешивают. Таблетку ППУ вынимают из раствора, высушивают и измеряют цветометрические характеристики. Содержание железа находят по градуировочному графику, построенному в аналогичных условиях. Найдено 0,96±0,05 мкг железа (III).

Пример 2 (предлагаемый способ). К 10 мл раствора с рН 3-4, содержащего 0,1 мкг железа(III), вносят сорбент - кремнезем, последовательно модифицированный полигексаметиленгуанидином и ферроном, перемешивают в течение 10 мин, сорбент отделяют от раствора декантацией, помещают во фторопластовую кювету и измеряют коэффициент диффузного отражения при 600 нм.

Количество железа находят по градуировочному графику, построенному в аналогичных условиях. Найдено 0,09±0,01 мкг.

Пример 3 (предлагаемый способ). К 10 мл раствора с рН 3-4, содержащего 1 мкг железа(III), вносят сорбент - кремнезем, последовательно модифицированный полигексаметиленгуанидином и ферроном, перемешивают в течение 10 мин, сорбент отделяют от раствора декантацией, помещают во фторопластовую кювету и измеряют коэффициент диффузного отражения при 600 нм.

Количество железа находят по градуировочному графику, построенному в аналогичных условиях. Найдено 1,01±0,03 мкг.

Пример 4 (предлагаемый способ). Водный раствор объемом 500 мл с рН 3-4, содержащего 1,0 мкг железа, пропускают через хроматографическую миниколонку высотой 5 см и внутренни диаметром 3 мм, содержащую 0,1 г сорбента, со скоростью 2 мл/мин. Сорбент вынимают из мини колонки, помещают во фторопластовую кювету и измеряют коэффициент диффузного отражения при 600 нм.

Количество железа находят по градуировочному графику, построенному в аналогичных условиях. Найдено 1,05±0,06 мкг.

Способ характеризуется высокой чувствительностью и простотой выполнения. Использование кремнезема, модифицированного полигексаметиленгуанидином и ферроном, позволяет снизить относительный предел обнаружения железа(III) практически в 10 раз и на порядок расширить диапазон его определяемых концентраций по сравнению с прототипом.

Изобретение относится к аналитической химии элементов, а именно к методам определения железа(III), и может быть использовано для его определения в технологических растворах, природных и техногенных водах. Способ определения железа(III) включает приготовление сорбента, извлечение железа(III) из раствора сорбентом, переведение железа(III) в комплексное соединение на поверхности сорбента, отделение сорбента от раствора, измерение коэффициента диффузного отражения поверхностного комплекса железа(III) и определение содержания железа по градуировочному графику, при этом в качестве сорбента используют кремнезем, последовательно модифицированный полигексаметиленгуанидином и 7-йод-8-оксихинолин-5-сульфокислотой, а измерение коэффициента диффузного отражения осуществляют при 600 нм. Техническим результатом является снижение предела обнаружения и расширение диапазона определяемых концентраций. 2 табл.

Способ определения железа(III), включающий приготовление сорбента, извлечение железа(III) из раствора сорбентом, переведение железа(III) в комплексное соединение на поверхности сорбента, отделение сорбента от раствора, измерение коэффициента диффузного отражения поверхностного комплекса железа(III) и определение содержания железа по градуировочному графику, отличающийся тем, что в качестве сорбента используют кремнезем, последовательно модифицированный полигексаметиленгуанидином и 7-йод-8-оксихинолин-5-сульфокислотой (феррон), а измерение коэффициента диффузного отражения осуществляют при 600 нм.