Журнал аналитической химии, 2021, T. 76, № 7, стр. 603-611

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Модельными веществами служили арены группы С₆–С₉: бензол (Б), толуол (ТЛ), о-ксилол (ОК), м-ксилол (МК), п-ксилол (ПК), этилбензол (ЭБ) и кумол (КМ). Многокомпонентные растворы аренов в н-гексане готовили по точным навескам реактивов х. ч., как описано в статье [7]. Суммарные концентрации аренов в модельных растворах (“смесях”) составляли от 40 до 1500 мг/л, массовые соотношения разных аренов в смеси не превышали 10 : 1. Всего было получено и проанализировано более 30 таких смесей. Их использовали для приготовления имитатов сточных вод, т.е. водных растворов с известными значениями с_Ar. Для этого к точно измеренному объему (обычно 10.0 мл) аренсодержащего модельного раствора добавляли дистиллированную воду, серную кислоту или щелочь до желаемого значения рН, тщательно перемешивали и доводили до 1000 мл дистиллированной водой. Суммарные концентрации аренов в имитатах находились в диапазоне 0.1–50 мг/л, что примерно соответствует составу очищенных сточных вод и не превышает равновесную растворимость аренов C₆–C₉ в воде. Примеры имитатов показаны в табл. 1. Некоторые имитаты готовили из водорастворимых государственных стандартных образцов (ГСО) с известным суммарным содержанием УВ и приблизительно известной долей аренов; примером может быть ГСО 7117-94. В другие имитаты к аренам добавляли известные количества фенолов (собственно фенол, п-крезол, о-крезол). Имитаты применяли: а) для оценки степени извлечения аренов и степени очистки экстракта от фенолов; б) в качестве градуировочных растворов при построении многомерных градуировок; в) для проверки правильности разработанных методик. Обучающая выборка включала 25 имитатов, тест-выборка – 10 других имитатов.

Пробы сточных вод (1.0 л) отбирали на предприятиях разного профиля сотрудники заводских контрольно-аналитических лабораторий, руководствуясь стандартными рекомендациями по определению показателя “нефтепродукты”. Сильно загрязненные пробы перед анализом разбавляли дистиллированной водой. Отобранные пробы анализировали трижды (по возможности в день пробоотбора). И пробы, и имитаты хранили на холоду не более трех суток. В ходе анализа сумму аренов, содержавшихся в 250 мл имитата или исследуемой воды, экстрагировали 25 мл н-гексана в присутствии высаливателя (NaCl). Время контакта фаз – 5 мин. Для очистки от полярных соединений обезвоженный экстракт пропускали через колонку с Al₂O₃. Объем очищенного экстракта доводили н-гексаном до 25.0 мл, далее экстракт не фракционировали и не упаривали. Методика экстракции детально описана в предыдущем сообщении [7], а методика сорбционной очистки экстрактов – в стандарте [14]. Спектры поглощения модельных растворов и экстрактов регистрировали с помощью спектрофотометра СФ-2000, применяя кварцевые кюветы (l = 10.0 мм). Спектры снимали против н-гексана. Чистоту растворителя контролировали, измеряя его оптическую плотность при 220 нм против пустой кюветы. Значимость отклонений от аддитивности светопоглощения (ΔА) проверяли по методике [15], используя 3s-критерий.

Применяя метод одноволновой УФ-спектрометрии, измеряли оптическую плотность экстрактов при выбранной АДВ (обычно при 250 нм). Суммарное содержание аренов в экстракте в пересчете на Х_ст находили с помощью заранее построенного по растворам Х_ст прямолинейного градуировочного графика. Конечный результат анализа (С_Ar) вычисляли с учетом объемов пробы и экстракта.

Анализируя имитаты и сточные воды методом многоволновой УФ-спектрометрии, использовали метод множественной линейной регрессии в варианте непрямой градуировки (МЛР-2). Обычно оптические измерения проводили при семи АДВ (например, при 243, 250, 260, 265, 270, 275 и 280 нм). В некоторых случаях автоматически измеряли оптическую плотность экстракта с шагом в 1  или 0.2 нм. Для построения многомерных градуировок и расчета результатов анализа применяли программы Excel [13] и Optic-MLR [16]. Градуировку А строили по данным о светопоглощении 10 гексановых растворов с известными значениями c_Ar. Градуировку Б строили по данным о светопоглощении 25 экстрактов из имитатов, прошедших все стадии пробоподготовки. В обоих случаях решали методом наименьших квадратов (МНК) переопределенную систему линейных уравнений вида

где с_i – выраженное в мг/л суммарное содержание аренов в i-ом модельном растворе (градуировка А) или в i-ом имитате (градуировка Б); А_ij – оптическая плотность i-го модельного раствора или экстракта из i-го имитата при j-ой АДВ; k_j – j-й регрессионный коэффициент (в мг/л). Подставляя в формулу (1) найденные методом МНК оценки коэффициентов, получали искомые градуировки. Анализируя очередную пробу, в полученную градуировку подставляли оптические плотности фотометрируемого раствора при выбранных АДВ. По градуировке А находили содержание аренов в экстракте, а затем пересчитывали его на исходную пробу. По градуировке Б сразу находили содержание аренов в исследуемой воде, не вычисляя содержание аренов в экстракте. Статистическую обработку данных вели по традиционному алгоритму Стьюдента (n = 3, P = 0.95). Погрешности анализа имитатов (δс, отн. %) рассчитывали по формуле:

Для проверки правильности результатов анализа сточных вод применяли метод стандартных добавок (введено–найдено). В качестве добавок использовали смеси аренов. Некоторые пробы дополнительно анализировали экстракционно-хроматографическим методом [7].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Одноволновая спектрометрия: выбор аналитической длины волны. Выбирая условия спектрометрической оценки с_Ar, следует учесть несколько факторов: чувствительность и прецизионность измерений при разных АДВ, выполнение закона Бугера−Ламберта−Бера, внутригрупповую и межгрупповую селективность сигналов, аддитивность светопоглощения смесей. Сильнее всего арены поглощают в области 180–220 нм, но результаты соответствующих измерений недостаточно воспроизводимы и плохо подчиняются закону Бугера−Ламберта−Бера. При λ > 280 нм некоторые моноциклические арены (например, бензол) не поглощают УФ-излучение, что исключает возможность точной оценки с_Ar. Для такой оценки следует использовать область 240–280 нм, где хорошо поглощают свет все арены, градуировочные графики прямолинейны (r > 0.99), результаты измерений оптической плотности характеризуются хорошей сходимостью (s_r < 0.02) и приблизительно аддитивны (ΔA < 3s). К сожалению, чувствительность определения моноциклических аренов в области длин волн 240–280 нм невелика [17], причем при любой фиксированной АДВ удельные коэффициенты поглощения разных аренов различаются (рис. 1). Это приводит к образованию “веера градуировок” (рис. 2). Внутригрупповую селективность сигналов характеризовали безразмерным параметром Т, как принято при изучении интегральных показателей [18]:

В формуле (3) символами K_max и K_min обозначены максимальное и минимальное значения удельных коэффициентов светопоглощения индивидуальных аренов при фиксированной АДВ. Параметр Т зависит от выбора АДВ. Так, для набора исследованных нами аренов при 263 нм Т ≈ 4, а при 254 нм Т ≈ 2. Внутригрупповая селективность оказалась минимальной при λ = 250 нм (Т ≈ 1.5). Пределы обнаружения разных аренов в модельных растворах при этой АДВ довольно близки и составляют 1–2 мг/л. Следовательно, при 10-кратном концентрировании аренов их пределы обнаружения в воде примерно соответствуют значениям ПДК, а нижние границы определяемых содержаний (НГОС) близки к 0.5 мг/л. Для сравнения укажем, что при определении аренов по методике [7] значения НГОС в пять раз ниже. Тем не менее чувствительность УФ-спектрометрии достаточна для определения аренов в очищенных сточных водах многих промышленных предприятий.

Дополнительным преимуществом выбранной АДВ является уменьшение влияния фенолов, часто сопутствующих аренам в сточных водах и не полностью отделяемых в ходе сорбционной очистки экстракта. Известно, что светопоглощение фенолов в неводных растворах максимально при 210–230 и 270–280 нм, тогда как в области 240–250 нм оно существенно ниже [19]. Проверка подтвердила, что при 250 нм смеси фенолов поглощают УФ-излучение слабее, чем смеси моноциклических аренов. Следует отметить, что при этой АДВ сильно поглощают тяжелые арены (например, нафталин и фенантрен) [17].

Выбор стандартного вещества. Для правильной спектрометрической оценки суммарного содержания однотипных аналитов в пересчете на Х_ст необходимо, чтобы удельный коэффициент поглощения стандартного вещества (K_ст) отвечал условию:

Условию (4) отвечает множество веществ. Выбор лучшего стандарта облегчается, если концентрации всех аналитов искомой группы – величины одного порядка, а коэффициенты чувствительности для каждого аналита известны [12]. В этом случае для подбора оптимального стандарта пригодно эмпирическое соотношение:

Подстановка найденных при 250 нм значений K_max и K_min в формулу (5) приводит к выводу, что лучшие оценки с_Ar должны получаться в пересчете на о- или м-ксилол. При 250 нм эти арены определяются со средней и приблизительно одинаковой чувствительностью. Использование других стандартов должно приводить к систематически завышенным или систематически заниженным оценкам с_Ar, что и было подтверждено экспериментально. Результаты анализа одних и тех же модельных растворов, выраженные в пересчете на разные Х_ст, приведены в табл. 2. Все результаты характеризуются хорошей сходимостью (s_r < 0.05). Если суммарное содержание аренов в гексановых растворах выражено в пересчете на о-ксилол или м-ксилол, то δс < 7 отн. % (по модулю). При неудачном выборе Х_ст погрешности намного выше. Так, при использовании толуола погрешности отрицательны и достигают 20 отн. %, при использовании кумола – погрешности положительны и достигают 40 отн. %.

Одноволновая спектрометрия в анализе имитатов. Переход к анализу разбавленных водных растворов (в частности, имитатов сточных вод) существенно снижает точность оценки с_Ar. Поскольку анализ включает дополнительные операции, сходимость результатов ухудшается (s_r < 0.12). Результаты анализа оказываются сильно заниженными (табл. 3); значения δс имеют преимущественно систематический характер и превышают 50% (по модулю). Мы считаем, что эти погрешности в основном вызваны потерями аренов в ходе экстракции. Известно, что моноциклические арены намного лучше растворяются в воде, чем другие УВ, что и снижает степень их извлечения. По нашим данным, потери аренов при однократной экстракции небольшим объемом н-гексана составляют от 40 до 70% в зависимости от природы извлекаемого арена. Это совпадает с данными [20]. Кроме того, до 10% массы извлеченных аренов теряется в ходе сорбционной очистки экстракта.

Добиться количественного извлечения аренов н-гексаном можно, увеличивая объем экстрагента при единичной экстракции и/или проводя повторные экстракции и объединяя экстракты. Однако указанные операции помешают сконцентрировать арены! Мы полагаем, что добиваться полного извлечения аренов нецелесообразно, так как соответствующие потери можно учесть при расчете результатов анализа. Речь идет не о введении эмпирических поправочных коэффициентов (хотя в некоторых случаях может быть полезен и этот прием), а о способе построения градуировочной зависимости. В качестве градуировочных растворов можно использовать водные растворы с известным содержанием Х_ст, проводя их через те же операции пробоподготовки, что и исследуемые пробы. По нашим данным, применение этого приема при построении одномерных градуировок снижает систематические погрешности анализа имитатов, но не устраняет их. Очевидно, потери аренов в ходе пробоподготовки не являются единственным источником систематических погрешностей. Другим источником может быть различие в экстрагируемости индивидуальных аренов (при выборе АДВ и Х_ст этот фактор не учитывали). Чтобы снизить его влияние, желательно проводить многоволновые измерения и строить многомерные градуировки (см. следующий раздел).

Менее серьезной проблемой оказалось влияние фенолов. Степень их извлечения из водных растворов меньше, чем степень извлечения аренов, особенно в щелочной среде [19]. После сорбционной очистки экстракта в нем остается лишь 5–10% от массы ранее извлеченных фенолов. Кроме того, при 250 нм оставшиеся фенолы поглощают УФ-излучение слабее, чем арены С₆–С₉. Если исходный имитат содержит примерно одинаковые количества фенолов и аренов, результат определения аренов в пересчете на Х_ст повышается всего на 3–5% по сравнению с имитатом, не содержащим фенолов. При этом результаты определения аренов остаются заниженными (см. табл. 3, нижние строки). При очень большом избытке фенолов могут быть получены и завышенные оценки с_Ar. В частности, высокие соотношения с_ф/c_Ar характерны для сточных вод предприятий, производящих фенолы или фенолформальдегидные смолы. Проблема влияния посторонних веществ на результаты экстракционно-спектрометрического определения аренов в водах разного типа требует специального изучения и будет рассмотрена в следующем сообщении.

Использование многоволновых измерений и многомерных градуировок. Как уже отмечалось, в экстракционно-спектрометрическом анализе сточных вод (или их имитатов) внутригрупповая селективность должна проявляться сильнее, чем в анализе модельных растворов. К различиям эталонных УФ-спектров индивидуальных аренов добавляются различия в экстрагируемости этих веществ. Как показано в предыдущих исследованиях нашей группы [13, 17], в подобных случаях для правильной оценки суммарных содержаний желательно измерять оптическую плотность при нескольких длинах волн, а результаты анализа рассчитывать с помощью многомерных градуировок без пересчета на Х_ст. На рис. 3 приведена схема такого анализа применительно к определению суммарного содержания аренов.

Сравнение табл. 3 и 4 показывает, что переход к многоволновым измерениям и многомерным градуировкам значительно улучшает результаты анализа имитатов. Отметим, что многомерные градуировки должны быть построены по результатам измерений, проведенных именно на том спектрофотометре, который будет в дальнейшем использован для анализа реальных проб; пользоваться литературными данными в таких случаях нельзя. В связи с этим в настоящей статье громоздкие формулы многомерных градуировок А и Б не приводятся.

В табл. 4 сопоставлены результаты экстракционно-спектрометрического анализа имитатов из тест-выборки, полученные с помощью разных градуировок. Для расчетов использовали одни и те же исходные данные (значения оптической плотности гексанового экстракта при семи длинах волн). При использовании градуировки А погрешности не превышали 40 отн. %. Еще лучшие результаты были получены при использовании градуировки Б, построенной с помощью набора имитатов из обучающей выборки. В этом случае δс < 20% при s_r < 0.12. Погрешности анализа разных имитатов различались и по абсолютной величине, и по знаку. При определении аренов на уровне с_Ar < 1 мг/л погрешности иногда повышались до 30%. Тем не менее точность полученных результатов отвечает установленным в РФ нормам погрешностей при определении микропримесей в водах [21].

Дополнительную проверку разработанной методики проводили, анализируя водные растворы ГСО 7117-94 с известным содержанием нефтепродуктов. Найденное с помощью программы Optic-MLR суммарное содержание аренов (от 1 до 10 мг/л) хорошо соответствовало данным по групповому составу этого ГСО [10].

Увеличение числа АДВ до нескольких десятков (или даже сотен) и последующее применение хемометрического алгоритма PLS дополнительно повышают точность определения с_Ar. Однако мы не считаем целесообразным усложнять новую методику, поскольку это может затруднить ее внедрение в практику работы контрольно-аналитических лабораторий.

Результаты анализа сточных вод. Пробы очищенных и неочищенных сточных вод четырех промышленных предприятий отбирали в омском регионе в 2017–2019 гг.; отбор и анализ некоторых проб повторяли с интервалами в несколько месяцев. Профили предприятий, составы их сточных вод и технологии водоочистки существенно различались, что влияло на общее содержание и соотношение концентраций разных аренов. Одноволновую УФ-спектрометрию мы использовали для скрининга: если найденные значения С_Ar были менее НГОС, пробы далее не исследовали. Остальные пробы анализировали путем многоволновых измерений с применением многомерной градуировки Б. Продолжительность единичного анализа – 1 ч. Для большинства проб относительное стандартное отклонение в условиях сходимости (s_r) не превышало 0.12. Для слабо загрязненных вод (С_Ar < 1.0 мг/л) s_r < 0.20. Результаты анализа 11 проб приведены в табл. 5. Для сравнения представлены результаты анализа тех же проб хроматографическим методом [7].

Как видно из табл. 5, новая методика позволяет анализировать как неочищенные, так и очищенные сточные воды, что важно для правильной оценки эффективности очистки. Найденные спектрометрическим и хроматографическим методами значения С_Ar коррелируют между собой, линейная корреляция статистически значима (r > 0.99). Различия результатов для части проб статистически незначимы (эти результаты в табл. 5 выделены курсивом). Как правило, результаты определения с_Ar спектрометрическим методом были несколько выше, чем полученные для тех же проб методом ГЖХ. По-видимому, это связано с тем, что результаты экстракционно-спектрометрического анализа отражают суммарное содержание всех соединений, поглощающих УФ-излучение в области 240–280 нм, а не только содержание моноциклических аренов С₆–С₉, как в методике [7]. В частности, в указанной области УФ-излучение поглощают фенантрен, антрацен и другие полиарены, которые встречаются в сточных водах и тоже экстрагируются н-гексаном [17]. По методике [7] полиарены не определяются, так как при проведении хроматографического анализа экстракта опознают и учитывают лишь пики аренов С₆–С₉.

Спектры экстрактов из сточных вод очень похожи на спектры экстрактов из имитатов, содержащих смеси аренов С₆–С₉, и сильно отличаются от спектров поглощения полиаренов. По-видимому, вклад полиаренов в светопоглощение экстрактов из сточных вод невелик. Известно, что содержание полиаренов в природных и сточных водах намного меньше, чем содержание моноциклических аренов: из-за низкой растворимости в воде полиарены быстро переходят в донные отложения [22]. Тем не менее для некоторых сточных вод вклад полиаренов в светопоглощение экстрактов оказался статистически значимым.

Для проверки правильности результатов анализа сточных вод использовали способ добавок (табл. 6). В качестве добавок вводили водные растворы с известными значениями с_Ar. Погрешность при определении суммарного содержания аренов в добавках не превышала 25% (по модулю).

* * *

Таким образом, УФ-спектрометрию можно использовать для приблизительной (δc > 50%) оценки суммарного содержания аренов в водах в пересчете на стандартное вещество Х_ст, например, с целью скрининга. Для точного (δc < 20%) и метрологически корректного (без пересчета на Х_ст) определения суммарного содержания аренов в водах следует проводить многоволновые измерения светопоглощения в области 240–280 нм и использовать соответствующие многомерные градуировки. При построении градуировок следует использовать экстракты из водных растворов с известными значениями с_Ar, проведенных через все операции пробоподготовки. Результаты УФ-спектрометрического анализа ряда сточных вод несколько превышают результаты анализа тех же проб методом ГЖХ, хотя полученные данные коррелируют друг с другом, а расхождения средних значений не всегда значимы. По-видимому, расхождения объясняются тем, что спектрометрическим методом определяется более широкая группа углеводородов, включающая и моноциклические, и полициклические арены, тогда как хроматографическим методом определяются лишь моноциклические арены С₆–С₉ (основные, но далеко не единственные ароматические соединения в соответствующих углеводородных смесях). Разработанная методика экстракционно-спектрометрического определения суммарного содержания аренов в диапазоне 0.5–50 мг/л пригодна для анализа сточных вод и может быть рекомендована контрольно-аналитическим лабораториям природоохранного профиля. Анализировать слабо загрязненные природные воды, а также контролировать состав питьевой воды по этой методике нельзя. Для повышения чувствительности и межгрупповой селективности предлагаемой методики необходимы дополнительные исследования.

Исследования проведены при финансовой поддержке РФФИ (грант 16-03-550479). Авторы благодарят к. ф.-м. н. С.М. Добровольского и к. х. н. С.В. Усову за ценные советы и замечания. В выполнении эксперимента принимали участие студентки Т.П. Доманина, О.А. Казакова, А.В. Мамонтова и $\boxed{П.А.\,\,Бурюкина}$.