1.2 Физико-химические методы определения нефтепродуктов и других токсинов в окружающей среде
Загрязнения окружающей среды нефтью и нефтепродуктами (НП) одни из основных и наиболее часто встречающихся. Их источниками могут быть разливы топлива при транспортировке, хранении и т.п., остатки несгоревшего топлива в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания (природные источники нефтяных загрязнений при выходе на поверхность нефтеносных пород играют минимальную роль в общем загрязнении окружающей среды нефтяными углеводородами). Нефтепродукты являются нормируемым видом загрязнений. В РФ установлены предельно допустимые концентрации (ПДК) нефтепродуктов в воде (0.1 мг/л для керосина, 0.1-0.3 мг/л для нефти), водоемов рыбохозяйственного назначения 0.05 мг/л . (Основные свойства…, 1985; Санитарные…).
Основные методы определения НП в объектах окружающей среды основаны на следующих принципах: 1) селективное выделение суммы НП (или веществ, принимаемых за НП) из воды, почвы или поглотительных растворов, фильтров, сорбентов и определение массы экстрагируемых продуктов (гравиметрический метод); 2) определение какой-либо характеристической группы компонентов или структурной характеристики молекул, входящих в состав нефти или нефтепродуктов, на основании чего судят об общей концентрации нефтепродуктов (ИК- или УФ- фотометрия, люминесцентная, содержание определенных металлов и др.); 3) по возможности полное определение всех возможных компонентов НП с помощью ЯМР или ИК-спектрометрии, газовой хроматографии (ГX), сочетания ГХ и масс-спектрометрии (ГX-МС). Для дистанционного детектирования нефтяных разливов используют ИК- спектры в нехарактеристической области в окнах прозрачности атмосферы (Бродский и др., 1998).
Для характеристики различных методов определения нефти и нефтепродуктов в воде, почве и других объектах необходимо, прежде всего, определить понятие «нефтепродукты». Нефть, нефтяные фракции и нефтепродукты состоят главным образам из углеводородов: н- и изоалканов, циклоалканов с 1-7 и более кольцами, среди которых можно выделить так называемые реликтовые углеводороды – изопренаны, стераны, тритерпаны; ароматических и гидроароматических углеводородов, а также гетероатомных соединений – алифатических, алициклических и ароматических. Экстракты наряду с собственно НП обязательно содержат сопутствующие углеводороды, кислоты и др. Согласно определению, принятому Комиссией по унификации методов анализа природных и сточных вод стран - членов СЭВ (1968 г.), а также Международным симпозиумом в Гааге (1968 г.) за «нефтепродукты» при анализе вод следует принимать сумму неполярных и малополярных соединений, растворимых в гексане (Лурье, 1985). Поэтому НП из проб воды рекомендуется экстрагировать неполярным растворителем, а экстрагируемые полярные примеси удалять хроматографией на силикагеле, флориселе или оксиде алюминия. Существующие нормы предельно допустимой концентрации НП в воде (0.3-0.05 мг/л) были введены в результате исследования растворов различных НП и сырой нефти в воде и по существу не могут применяться, скажем, к сумме углеводородов или других органических веществ (Бродский и др., 1998).
Методы, применяемые в массовом анализе. В практике экологического аналитического контроля для определения НП в воде наиболее широко применяются гравиметрический, ИК- спектрометрический и флуориметрический методы (Лурье, 1985; Руководство…,1977; Дмитриев и др., 1989). В гравиметрическом методе органические соединения экстрагируют из воды неполярным растворителем (четыреххлористый углерод, пентан, гексан, петролейный эфир, фреон-1,1,2-трихлор-1,2,2-трифторэтан); экстракт пропускают через колонку с сорбентом (активный оксид алюминия или силикагель), который сорбирует полярные вещества. Затем после выпаривания растворителя остаток взвешивают для определения суммы «нефтепродуктов». Обычно для анализа берут 0.1-3 л воды, подкисляют НСl до рН < 5, экстрагируют двумя порциями по 20 мл растворителя и объединяют экстракты. При концентрации НП в воде <0.3 мг/л пробы 3 л недостаточно для надежного определения гравиметрическим методом. В этом случае рекомендуется извлекать сумму неполярных органических соединений из больших объемов воды (10-20 л) с помощью непрерывной жидкостно-жидкостной экстракции или сорбентов типа активного угля и др.), сорбированные вещества затем десорбируют четыреххлористым углеродом в аппарате Сокслета (Лурье, 1985).
Метод ИК-фотометрии основан на том, что растворенные или эмульгированные в воде НП экстрагируют четыреххлористым углеродом, экстракт очищают от полярных соединений на колонке с оксидом алюминия и фотометрируют в специфической области 2700-3100 см-1 (Лурье, 1985; Орадовский, 1977; Дмитриев и др., 1989). Градуируют анализатор с помощью специальной градуировочной смеси, включающей гексадекан (37.5%), изооктан (37.5%) и бензол (25%), набор групп -СН, -СН2, -СН3, который считается близким к такому набору в реальных НП. Этот стандартный образец пригоден только для градуировки ИК-спектрафотометров и не годится для контроля правильности, так как не отражает реального состава НП и его изменения в процессе выветривания, а эффективность экстракции его компонентов недостаточно хорошо моделирует эффективность экстракции реальных компонентов нефти (в частности, нафтенов и алкилбензолов). Он совершенно непригоден при других методах определения НП, например ГХ. Чувствительность метода ИК-фотометрии для пробы воды 2 л равна 0.05 мг/л (Орадовский, 1977).
Люминесцентный метод основан на измерении флуоресценции полициклических ароматических углеводородов, входящих в состав нефти, возбуждаемой УФ-излучением ртутной или ксеноновой лампы. Методы, основанные на поглощении УФ и люминесцентного излучения, характеризуют только ароматические, в основном полициклические структуры, при этом коэффициенты поглощения разных ароматических структур могут очень сильно различаться, так что результаты зависят не только от количества, но и от состава ароматических соединений. Градуируют по хризену или какой-либо определенной нефти (например, легкой аравийской нефти). Насыщенные структуры, составляющие большую часть НП, при этом игнорируются. Благодаря высокой чувствительности эти методы, особенно, люминесцентный, хорошо подходят для скринингового анализа, но могут приводить к ошибочным результатам при количественном определении НП.
Флуориметрический метод определения НП в воде (Gladilovich et al., 1997) с экстракцией пробы н-гексаном и последующим измерением флуоресценции (возбуждение - 250-290 нм, излучение - 300-350 нм) обеспечивает предел обнаружения около 0.005 мг/л. Для 250 проб воды, проанализированных флуориметрическим и ИК- фотометрическим методами, в 90% случаев разность результатов, полученных обоими методами, была меньше погрешности определения.
ИК- фотометрический метод сильно завышал результаты для проб, содержащих жиры, продукты переработки древесины и большое количество природных органических веществ. Флуориметрический же метод занижал результаты тех проб, в которых основными компонентами были легкие углеводороды (бензин, керосин).
Флуориметрический метод был использован для оценки нефтяного загрязнения данных осадков в Аравийском заливе после разрушения Ираком нефтяных терминалов в Кувейте (Massoud et al.,, 1996). 20 г пробы экстрагировали в аппарате Сокслета смесью дихлорметана и гексана экстракт концентрировали до 1 мл и определяли нефтяные углеводороды на спектрофлуориметре Shimadzu Fl (FOU-3). Для возбуждения использовали линию 310 нм, излучение регистрировали при 360 нм. Результаты выражали в хризеновых эквивалентах. Отмечено, что содержание в осадках органического углерода не может быть использовано в качестве индикатора нефтяного загрязнения в Аравийском заливе.
Большинство методов, которые можно использовать в полевых условиях, основано на измерении паров органических веществ. Они, как правило, хороши для качественного детектирования летучих органических веществ, но дают существенные погрешности из-за малой правильности. Основной источник погрешности – то, что измеряют углеводороды в паровой фазе, а не непосредственно в почве. Поэтому результаты сильно зависят от температуры, летучести определяемых веществ, природы загрязнений (бензин, дизельное топливо, соляровое масло и др.) (Бродский и др., 1998).
Для определения общего содержания углеводородов в воде и почве предложены и другие методы, которые можно использовать в полевых условиях. В комплект для полевых измерений фирмы «Hach» входят два набора реагентов и аппаратуры для иммуноферментного детектирования, а также полуколичественного определения общего содержания углеводородов в воде и почве с помощью карманного колориметра. Использован вариант так называемого энзимо-связанного иммуноадсорбционного анализа (ELlSA). Интенсивность окраски, вызванной образованием ферментных конъюгатов, обратно пропорциональна содержанию углеводородов в пробе. В качестве антигена выступает один или несколько типов нефтяных углеводородов- загрязнителей. Метод основан на конкурентном связывании антигена и конъюгата энзима с иммобилизованным антителом. Предел обнаружения для воды и почвы составляет 10 × 10-6 и 100 × 10-6, соответственно. Наборы антител рассчитаны на детектирование ароматических углеводородов, таких как бензол, толуол, м-ксилол, этил бензол, стирол и гексахлорбензол. Основное применение – для определения течи подземных хранилищ топлива (Бродский и др., 1998).
Пары нефтяных углеводородов часто составляют основную часть летучих органических соединений в воздухе (Исидоров, 1992; Бродский и др., 1997). Их определение основано либо на непосредственном анализе проб воздуха, либо на улавливании и концентрировании определяемых веществ с последующим их анализом, обычно с помощью ГХ или ГХ-МС. Непосредственно определить сумму органических соединений, представляющих собой в городской атмосфере главным образом испарившиеся или несгоревшие остатки моторных топлив, можно прокачиванием воздуха через фотоионизационный (Бродский и др., 1997) или пламенно-ионизационный (Руководство . . . , 1991) хроматографический детектор (без разделения на колонке). Предел обнаружения такой системы с фотоионизационным детектором составляет 0.1 млн-1 , интервал линейности 0.1-2000 млн-1, время отклика - около 3 с.
Как правило, все рутинные методы, используемые для определения НП в окружающей среде, позволяют измерять один количественный параметр, который и является мерой содержания НП в пробе. Вопрос о природе определяемых веществ, сигнал которых использован для оценки этого параметра, остается вне конкретного определения, он решается в рамках разработки методики. Поэтому часто бывает трудно оценить правильность результатов; обычно это требует анализа большой совокупности измерений или сравнения с результатами других методов (Смирнов,1985)
Применение ГХ и ГХ-МС для определения НП в объектах окружающей среды. Метод ГХ (и тем более ГХ-МС) помимо количественной оценки содержания или концентрации НП позволяет одновременно характеризовать качественные параметры - принадлежность определяемого вещества к нефтепродуктам и даже его качественный состав (Хмельницкий и др., 1990; Шляхов, 1984; Хромченко и др., 1981; Бродский и др., 1994; Руденко и др., 1981; Немировская и др., 1997; Бродский, 1985).
Еще в 1968 г. было показано, что ГХ с короткой насадочной колонкой и ПИД является хорошим методом скрининга углеводородных загрязнений в морской воде и в почве (Ramsdale S.J et al.,1968). Этот метод относительно быстр, так как не требует никакой пробоподготовки; для анализа достаточно нескольких миллиграммов вещества; пробы загрязнений (вода, песок и т.п.) вводят в небольших открытых ампулах. С помощью этого метода можно давать общую классификацию нефтяных загрязнений: сырая нефть, топливо, остатки от промывки танков, остатки на дне танков.
Обычно с помощью ГХ или ГХ-МС определяют следующие характеристики нефтепродуктов (или вообще экстрагируемых органических веществ): распределение н-алканов, наличие и содержание определенных изоалканов, в частности пристана и фитана; наличие и распределение стеранов и тритерпанов, неразрешенную сложную смесь углеводородов (UCM - unresolyed соmр1ех mixture), ароматические углеводороды(Oil in the Sea…,1985).
Другие методы определения НП в окружающей среде. ВЭЖХ применяли для группового фракционирования нефтяных фракций и аналогичных проб. Основным ограничением этого метода была трудность количественного анализа выделенных фракций. ВЭЖХ с трехмерным флуоресцентным детектированием было предложено использовать для анализа тяжелой фракции выветрившихся нефтей (Butt et al., 1986).
Показана возможность оценки уровня нефтяного загрязнения по результатам определения металлов в донных осадках (Massoud et al., 1996) или по высокотемпературной кислородной окисляемости (Зуев и др., 1995).
0 комментариев