Способ количественного определения акрилонитрила в воде газохроматографическим методом с использованием парофазного анализа Российский патент 2024 года по МПК G01N30/12 G01N30/16 G01N30/34 G01N30/32 G01N30/68 G01N30/54 G01N30/86 

Изобретение относится к области токсикологических исследований, в частности к санитарной токсикологии, и может быть использовано для количественного определения акрилонитрила в воде.

Известен метод определения акрилонитрила в воде (А.с.СССР № 1059507) путем обработки анализируемой пробы раствором перманганата калия, удаления избытка последнего восстановителем, добавлением бромной воды и удалением избытка брома тем же восстановителем с последующим определением образующегося бромциана, при этом в качестве восстановителя используют 0,2-0,3%-ный раствор нитрита натрия, образующийся бромциан перед определением высаливают, экстрагируют толуолом и определение ведут путем газохроматографического анализа экстракта. Способ заключается в следующем: к 1 см³ воды добавляют 1 см³ щелочного раствора перманганата калия (3,5 см³ 0,1 н раствор KMnO4 доводят до 100 см³ 0,1 н раствором NaOH). Избыток KMnO4 удаляют добавлением 0,2 см³ 0,3% водного раствора NaNO₂ и подкисляют 0,5 см³ 2н раствором HCl. Раствор при этом обесцвечивается. Затем к смеси добавляют 0,1-0,2 см³ насыщенной бромной воды до образования ярко желтого окрашивания, перемешивают и избыток брома связывают добавлением 1,5 г NaCl и экстрагируют образовавшийся BrCN 2 см³ толуола энергичным встряхиванием в течение 3 мин. Аликвотную часть (3 мкл) толуольного слоя анализируют на хроматографе с ДЭЗ, используя стеклянную колонку длиной 2 м и внутренним диаметром 4 мм, заполненную силанизированным хроматоном, покрытым 15% полиэтиленгликоля 1500. Количественный анализ проводят методом абсолютной калибровки по высотам пиков. Чувствительность определения акрилонитрила 0,1 мкг/см3. Недостатком известного способа является трудоемкость выполнения подготовки пробы воды к химическому анализу акрилонитрила.

Также известен способ количественного определения акрилонитрила в воде (А.с.СССР №1493948). Известный способ осуществляют обработкой пробы воды объемом 1 см³ щелочным раствором перманганата калия объемом 1 см³ (1,9 см³ 0,1 н раствора перманганата калия доводят до 100 см³ 0,05н гидроксидом натрия) с последующим удалением его избытка и бромированием пробы 1-2 капли 10-40%-ной HBr, избыток которой удаляют 0,1 см³ 3%-ным раствором салицилата натрия до обесцвечивания жидкости. Далее раствор экстрагируют 2 см³ толуола в течение 3 мин. и экстракт (3 мкл) анализируют газохроматографическим методом с электронно-захватным детектором. Количественный анализ проводят методом абсолютной калибровки по высоте пиков. Чувствительность определения 0,001 мкг/см³. Недостатком известного способа также является трудоемкость выполнения подготовки пробы воды к химическому анализу акрилонитрила.

Из Методических указаний МУК 4.1.1206-03 «Газохроматографическое определение акрилонитрила, ацетонитрила, диметилформамида, диэтиламина и триэтиламина в воде». Минздрав России. М.2004, тоже известен метод определения акрилонитрила в воде, согласно которому производят отбор пробы воды в количестве не менее 100 мл, осуществляют подготовку ее к анализу путем добавления к пробе воды раствора щелочи до достижения рН = 8-10. В испаритель прибора вводят 5 мл пробы, выполняют нагрев до температуры 70 - 140°С со скоростью 5 °С/мин. Время удерживания пробы в колонке составляет для актиронитрила 15 мин 10 с (для колонки длиной 1 м, заполненную сорбентом Chromosorb 103) и 19 мин 1 с (для колонки длиной 3 м, заполненную сорбентом Gas Chrom R с жидкой фазой AT 223). А концентрацию акрилонитрила в воде определяют с использованием градуировочного графика. При этом газохроматографический анализ осуществляют при следующих параметрах: температура испарителя 210 °С; температура детектора 210 °С; расход газа-носителя (азота) 20 см³/мин; чувствительность шкалы усилителя детектора 2×10^-12 А. Недостатком известного способа является грубый нижний предел обнаружения в анализируемом объеме пробы - 0,3 мг/дм³ (не обеспечивает возможность определения 0,5 предельно-допустимой концентрации ПДК СаНПиН 1.2.3685-21 "Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания").

При этом из уровня техники не были выявлены известные технические решения, которые направлены на количественное определения акрилонитрила в воде газохроматографическим методом с использованием парофазного анализа. Парофазный анализ был использован только для определения акрилонитрила в крови (Патент РФ №2452961), однако это является объектом другого назначения, а потому не может выступать в качестве аналога.

Технический результат, достигаемый предлагаемым способом, заключается в повышении чувствительности и точности определения акрилонитрила в воде, при одновременном упрощении способа.

Поставленный технический результат достигается предлагаемым способом количественного определения акрилонитрила в воде газохроматографическим методом с использованием парофазного анализа, характеризующимся тем, что производят отбор пробы воды в количестве не менее 1000 мл, осуществляют подготовку ее к анализу путем добавления к пробе воды 18,5%-ного раствора соляной кислоты до достижения рН = 3 и последующего добавления высаливающего реагента – сульфата натрия, исходя из соотношения на 10 мл пробы воды 5 г сульфата натрия, производят выдерживание смеси в течение 5 минут для установления межфазового равновесия, производят установку флакона с указанной смесью пробы и сульфата натрия в дозатор равновесного пара газового хроматографа, выполняют нагрев до температуры 80°С и выдерживают при этой температуре 30 минут для установления фазового равновесия, далее осуществляют отбор из флакона шприцем 1 см³ образующейся паровой фазы, выполняют ее ввод в колонку хроматографа и анализируют на газовом хроматографе с термоионным детектором, снимают при этом хроматограмму, соответствующую акрилонитрилу, определяя площадь пика, причем время удерживания составляет 3,721 мин, а концентрацию акрилонитрила в воде определяют с использованием градуировочного графика, характеризующего зависимость площади пика от содержания исследуемого компонента на хроматограмме, при этом газохроматографический анализ осуществляют с использованием газового хроматографа с термоионным детектором на капиллярной колонке DB-624-30m*0,32mm*1,8µm длиной 30 метров, при температурном режиме: колонка – 50°С –100°С, при скорости нагревания 30°С /мин, испаритель – 160°С; детектор – 350°С, при расходе газа-носителя азота – 15 см³/мин и при делении потока азот : воздух как 1 к 14 соответственно.

Объемное соотношение 18,5%-ного раствора соляной кислоты к пробе воды составляет 1 к 1 соответственно.

Указанный технический результат обеспечивается за счет следующего.

Экспериментальным путем обнаружено, что указанный технический результат обеспечивается именно совокупностью предложенных признаков, при реализации которых и достигается высокая чувствительность и точность определения акрилонитрила в воде, а также упрощается способ.

В лабораторных условиях был проведен ряд опытов для установления существенности признаков, положенных в основу предлагаемого способа.

Предлагаемый способ иллюстрируется Фиг.1, на котором приведена хроматограмма стандартного образца акрилонитрила в пробе воды.

Пример.

Согласно заявляемому способу, берут пробу воды в количестве не менее 1000 мл (такой объем необходим для получения точных и достоверных результатов исследования воды на содержание акрилонитрила) в стеклянную емкость. Осуществляют подготовку ее к анализу (для анализа берут 10 мл отобранной пробы). Для этого добавляют к пробе воды раствор соляной кислоты 18,5 %-ной концентрации (преимущественно их объемное соотношение 1:1 соответственно) до достижения рН = 3. Затем вводят высаливающий реагент – сульфат натрия, исходя из соотношения на 10 мл пробы воды берут 5 г сульфата натрия. Производят выдерживание смеси в течение 5 минут для установления межфазового равновесия. Устанавливают флакон с указанной смесью пробы и сульфата натрия в дозатор равновесного пара газового хроматографа. Выполняют нагрев до температуры +80°С и выдерживают при этой температуре 30 минут для установления фазового равновесия. Причем следует пояснить, что указанный нагрев пробы воды выполняется в дозаторе равновесного пара (ДРП), который используется для анализа летучих компонентов методом статического равновесия паровой фазы. Максимальная температура термостата (контейнера с пробой) ДРП до 80 градусов задается программно. Виалы полностью изолированы от жидкости, применяемой в термостате ДРП, при этом обеспечивается равномерный прогрев по высоте виалы.

Осуществляют отбор из флакона шприцем 1 см³ образующейся паровой фазы и выполняют ее ввод в колонку хроматографа. И анализируют на газовом хроматографе с термоионным детектором. Снимают при этом хроматограмму, соответствующую акрилонитрилу, определяя площадь пика, причем время удерживания составляет 3,721 мин.

Концентрацию акрилонитрила в воде определяют с использованием градуировочного графика, характеризующего зависимость площади пика от содержания исследуемого компонента на хроматограмме. При этом газохроматографический анализ осуществляют с использованием газового хроматографа с термоионным детектором на капиллярной колонке DB-624-30m*0,32mm*1,8µm длиной 30 метров, при температурном режиме: колонка – от 50^оС–100°С при скорости нагревания, 30°С/мин, испаритель – 160°С; детектор – 350^оС, при расходе газа-носителя азота – 15 см³/мин и при делении потока азот : воздух как 1 к 14 соответственно.

Для построения градуировочного графика использовали следующую методику. Градуировка проводится с целью получения градуировочной зависимости, которая характеризует зависимость между величиной отклика детектора (площадь пика на хроматограмме в мм²) и концентрации (мкг/см³) акрилонитрила в пробе.

На первом этапе готовят исходный стандартный раствор для градуировки: для этого в мерную колбу объемом 50 см³, содержащую метанол в объеме 25 см³, вводят микрошприцем 1 мм³ акрилонитрила. Весовое содержание компонента в исходном стандартном растворе составляет (с учетом плотности и содержания основного вещества): акрилонитрил– 0,01612 мкг/мкл.

На втором этапе из исходного стандартного раствора готовят стандартные растворы для калибровки. Для этого готовят градуировочные смеси акрилонитрила. Она выражает зависимость площади пика на хроматограмме (мм²) от концентрации компонента (мкг/см³) и строится по 7 сериям стандартных растворов для градуировки. Каждую серию, состоящую из 7 стандартных растворов, готовят во флаконах объемом 10 см³. Для этого в каждый флакон вносят по 10 см³ бидистиллированной воды пипеткой и добавляют исходный стандартный раствор для градуировки в соответствии с таблицей 1.

Чувствительность и точность парофазного анализа лимитируется, прежде всего, процессом газовой экстракции. Константа распределения вещества между конденсированной и газовой фазами очень чувствительна к температуре. Это накладывает довольно жесткие ограничения на стабильность температуры в процессе распределения вещества между фазами при количественных измерениях, что значительно влияет на точность анализа и открывает дополнительные возможности повышения чувствительности парофазного анализа.

При проведении испытаний определяли температуру установления межфазового равновесия при нагревании пробы. Для этого был проведён парофазный анализ (ПФА) стандартного раствора при разных температурах дозатора равновесного пара (ДРП), а затем при разной продолжительности термостатирования уже при выбранной температуре ДРП (Журба, О. М. Химико-аналитические подходы определения содержания хлоруглеводородов и их метаболитов в биосредах / О. М. Журба, С. Ф. Шаяхметов, А. Н. Алексеенко // Бюллетень ВСНЦ СО РАМН. – 2012. – Т. 84, No 2-1. – С. 118 – 123).

Для определения времени установления межфазового равновесия была исследована зависимость сигнала детектора (высоты пика) от времени установления межфазового равновесия при нагревании пробы при температуре 80°С. Результаты изучения полноты экстракции акрилонитрила из проб воды представлены в таблице 2.

Данные, приведенные в таблице 2, показывают, что степень извлечения акрилонитрила из воды при отработанных условиях пробоподготовки составляет более 100%. Наиболее предпочтительным временем нагрева является 30 мин.

Важным этапом исследований являлось изучение влияния высаливающих реагентов и рН на степень извлечения акрилонитрила из водных сред с использованием стандартного раствора.

В процессе исследований для извлечения акрилонитрила из водной среды для выбора высаливающего реагента применяли нейтральные, солеподкисленные пробы воды и подщелачивали следующими реагентами: Na₂SO₄, HCl, NaOH. Для этого варьировали объемом высаливающего реагента: для исследований использовали 3 г, 5 г и 1 г соли (таблица 3).

Следующим этапом исследований по изучению полноты извлечения акрилонитрила из проб воды являлось подкисление и подщелачивание (изменение рН) пробы воды с использованием стандартного раствора. Для этого пробы воды подкисляли соляной кислотой при соотношении кислота : вода 1:1 и доводили рН до 3. Затем пробу воды подщелачивали 5%-ным NaOH до рН 9. Прецизионность анализа и эффективность извлечения акрилонитрила из водной среды устанавливали экспериментально способом «введено–найдено» с применением стандартных растворов. Средние значения полноты экстракции акрилонитрила из водной среды с применением нейтральных солей при п=5 и р=0,95 представлены в таблице 3.

Результаты исследований показали, что наибольшая степень извлечения акрилонитрила (318,7 %) из водной среды методом анализа равновесной паровой фазы достигается при времени нагрева 80°С в течение 30 минут при использовании высаливающего реагента сульфата натрия в количестве 5 г и составила для акрилонитрила более 100 %.

Кроме того, для подкисления пробы воды до рН=3 были использованы кислоты разной концентрации и наибольшую эффективность показала соляная кислота с концентрацией 18,5%.

Отработка оптимальных газохроматографических параметров для определения акрилонитрила в водных средах осуществлялась с использованием аппаратно-программного комплекса на базе газового хроматографа “Кристалл-5000” с термоионным детектором (ТИД), капиллярной колонки DB-624-30m*0,32mm*1,8µm длиной 30 метров, при температурном режиме: колонка – от 50^оС–100°С при скорости нагревания 30°С/мин, испаритель – 160°С; детектор – 350°С, при расходе газа-носителя азота – 20 см³/мин и при делении потока азот : воздух как 1 к 14 соответственно. Оптимальные газохроматографические параметры представлены в таблице 4.

В режимах 2 и 3 не наблюдалось достаточно эффективного разделения акрилонитрила с растворителем. Качественное разделение было достигнуто в режиме 1, который и был выбран для дальнейшей работы.

Экспериментальным путем было установлено, что только с использованием капиллярной колонки DB-624-30m*0,32mm*1,8µm длиной 30 метров обеспечивается высокая точность и чувствительность определения акрилонитрила в воде. Использование, например, другой колонки DB-624-30m*0,32mm*0,25µm сразу снижает чувствительность на 36% (при всех остальных режимах способа).

На Фиг. 1 представлена хроматограмма стандартного образца акрилонитрила в пробе воды, определенная при реализации предлагаемого способа, которая доказывает, что время удерживания составляет 3,721 мин.

Проведенные исследования показали, что высокая степень точности и чувствительности определения акрилонитрила в воде достигнута предлагаемым методом анализа равновесной паровой фазы при температуре нагрева пробы в ДРП +80°С и времени нагрева в течение 30 минут из предварительно подкисленной пробы крови соляной кислотой в соотношении кислота : вода 1:1 (18,5%-ным раствором соляной кислоты) до рН=3 в присутствии высаливающего реагента – сульфата натрия при соотношении на 10 мл пробы 5 г высаливающего реагента.

При этом газохроматографический анализ осуществляют с использованием газового хроматографа с термоионным детектором на капиллярной колонке DB-624-30m*0,32mm*1,8µm длиной 30 метров, при температурном режиме: колонка – от 50^оС–100°С при скорости нагревания, 30°С/мин, испаритель – 160°С; детектор – 350^оС, при расходе газа-носителя азота – 20 см³/мин и при делении потока азот : воздух как 1 к 14 соответственно.

Таким образом, предлагаемый газохроматографический метод позволяет с высокой степенью точности и чувствительности выполнять определение акрилонитрила в водных средах в диапазоне концентраций от 0,0008-0,0806 мкг/см³ при оптимальных параметрах газохроматографического анализа равновесной паровой фазы.

Таблица 1 – Растворы для установления градуировочной характеристики при определении в воде акрилониторила в диапазоне концентраций 0,0008-0,0806 мкг/см³

Градуировочный раствор 1 2 3 4 5 6 7 Объем исходного стандартного раствора, мм³ 50 25 10 5 2,5 1 0,5 Концентрация акрилонитрила,
мкг/см³ 0,0806 0,0403 0,016 0,008 0,004 0,0016 0,0008

Таблица 2. Средние значения полноты экстракции акрилонитрила из образцов воды с использованием различного времени установления межфазового равновесия при нагревании пробы при температуре 80 °С.

Время установления межфазового равновесия,
мин Акрилонитрил, мкг/см³ Степень экстракции, % введено найдено 20 0,016 0,016 100,0 30 0,017 106,3 40 0,018 112,5

Таблица 3. Результаты полноты экстракции акрилонитрила из водной среды

№ Высаливатель Введено Найдено Полнота экстракции, % Акрилонитрил (концентрация, мкг/см³) 1. С высаливающими реагентами: 3 г Na₂SO₄ 0,016 0,043 268,7 2. С высаливающими реагентами: 5 г Na₂SO₄ 0,051 318,7 3. С высаливающими реагентами: 1 г Na₂SO₄ 0,019 118,7 4. В щелочной среде pH=9 (добавили 5%-ный NaOH) 0,004 25,0 5. В кислой среде pH=3 (добавили р-р HCl) 0,017 106,3

Примечание: При проведении опытов использовали 10 мл пробы воды

Таблица 4 – Газохроматографические параметры для определения акрилонитрила в водных средах

Режим Температура, °С Расход газа-носителя, мл/мин Деление потока
азот:воздух колонка Скорость нагревания, °С/мин 1 50–200 10 20 1:14 2 70–160–180 15 30 1:20 3 70–160–200 25 30 1:0

Изобретение относится к области токсикологических исследований. Раскрыт способ количественного определения акрилонитрила в воде газохроматографическим методом с использованием парофазного анализа, характеризующийся тем, что производят отбор пробы воды, осуществляют подготовку ее к анализу путем добавления к пробе воды раствора соляной кислоты до достижения рН=3 и последующего добавления высаливающего реагента – сульфата натрия, производят выдерживание смеси для установления межфазового равновесия, производят установку флакона в дозатор равновесного пара газового хроматографа, выполняют нагрев до температуры 80°С и выдерживают при этой температуре 30 минут для установления фазового равновесия, далее осуществляют отбор образующейся паровой фазы, выполняют ввод в колонку хроматографа и анализируют на газовом хроматографе с термоионным детектором, снимают хроматограмму, соответствующую акрилонитрилу, определяя площадь пика, а концентрацию акрилонитрила в воде определяют с использованием градуировочного графика, при этом газохроматографический анализ осуществляют на капиллярной колонке. Изобретение обеспечивает повышение чувствительности и точности определения акрилонитрила в воде. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 4 табл., 1 пр.

1. Способ количественного определения акрилонитрила в воде газохроматографическим методом с использованием парофазного анализа, характеризующийся тем, что производят отбор пробы воды в количестве не менее 1000 мл, осуществляют подготовку ее к анализу путем добавления к пробе воды 18,5%-ного раствора соляной кислоты до достижения рН=3 и последующего добавления высаливающего реагента – сульфата натрия, исходя из соотношения на 10 мл пробы воды 5 г сульфата натрия, производят выдерживание смеси в течение 5 минут для установления межфазового равновесия, производят установку флакона с указанной смесью пробы и сульфата натрия в дозатор равновесного пара газового хроматографа, выполняют нагрев до температуры 80°С и выдерживают при этой температуре 30 минут для установления фазового равновесия, далее осуществляют отбор из флакона шприцем 1 см³ образующейся паровой фазы, выполняют ее ввод в колонку хроматографа и анализируют на газовом хроматографе с термоионным детектором, снимают при этом хроматограмму, соответствующую акрилонитрилу, определяя площадь пика, причем время удерживания составляет 3,721 мин, а концентрацию акрилонитрила в воде определяют с использованием градуировочного графика, характеризующего зависимость площади пика от содержания исследуемого компонента на хроматограмме, при этом газохроматографический анализ осуществляют с использованием газового хроматографа с термоионным детектором на капиллярной колонке DB-624-30m*0,32mm*1,8 μm длиной 30 м, при температурном режиме: колонка – 50°С-100°С, при скорости нагревания 30°С /мин; испаритель – 160°С; детектор – 350°С, при расходе газа-носителя азота – 15 см³/мин и при делении потока азот : воздух как 1 к 14 соответственно.

2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что объемное соотношение 18,5%-ного раствора соляной кислоты к пробе воды составляет 1 к 1 соответственно.