Курсовая работа (т): Фотометрическое определение несимметричного диметилгидразина в почве c использованием фосфорной кислоты в качестве экстрагента

Перед анализом пробу почвы измельчают до частиц размером не более 2 мм и тщательно перемешивают. При определении НДМГ в почве, обработанной хлорными окислителями, пробу почвы перед анализом дехлорируют раствором натрия серноватистокислого или раствором сульфита натрия. Количество раствора тиосульфата натрия или сульфита натрия, необходимое для дехлорирования, определяют титрованием. Для этого в коническую колбу на 500 мл вносят 10 г почвы, приливают 150 мл дистиллированной воды, 10 мл раствора калия йодистого, 10 мл раствора серной кислоты и выделившийся йод оттитровывают раствором тиосульфата натрия или раствором сульфита натрия, применяя в качестве индикатора раствор крахмала 0.5 %.

Метод основан на определении НДМГ по сигналу флуоресценции, т.к. диметилгидразоны ароматических альдегидов имеют в своем составе флуоресцирующие группы.

1.3.2 Хроматографические методы

Хромато-масс-спектрометрическое определение НДМГ в почве

Метод основан на переводе НДМГ в анализируемую форму реакцией с п-нитробензальдегидом, выделении анализируемого продукта из реакционной смеси методом капиллярной газо-жидкостной хроматографии с последующим количественным и качественным определением его методом масс-спектрометрии. Идентификация анализируемого продукта проводилась наиболее достоверным в настоящее время способом - по полному масс-спектру.

Образец почвы массой 50 г помещается в круглодонную колбу, добавляется 100 мл воды, 10 гNa₂S и 100 мкл 0.04%-ного раствора анилина в метаноле в качестве внутреннего стандарта. НДМГ из образцов почвы извлекается отгонкой с водяным паром, собирая 100 мл конденсата в коническую колбу, содержащую 10 мл 0.1 Н HCl. Кислотность раствора доводится до рН 5.5 цитратным буфером. Добавляется 5 мл 3%-ного раствора п-нитробензальдегида. Реакционная смесь выдерживается при 35°С 20 мин, переносится в делительную воронку и экстрагируется двумя порциями н-гептана по 20 мл. Экстракты объединяются, упариваются на роторном испарителе до объема 3-4 мл, переносятся во флакон microVial, и объем доводится до 1 мл (при этом растворитель "отдувается" струей азота). Хроматографический анализ выполняли в режиме программирования температуры от 60 до 260°С со скоростью 20 град/мин, масс-спектр записывался в диапазоне m/e= 80-250 а.е.м. Количественные расчеты проводили методом внутреннего стандарта, учитывающего как потери при отгонке, так и при проведении реакции дериватизации.

В результате дериватизации НДМГ превращается в гидразон п-нитробензальдегида:

(СH₃)₂N-NH₂ + OHC(C₆H₄)NO₂ → (СH₃)₂N-N=HC(C₆H₄)NO₂(12)

Вводимый для контроля прохождения процесса внутренний стандарт - анилин - реагирует с п-нитробензальдегидом, давая N-(п-нитробензилиден)-анилин:

(С₆H₅)NH₂ + OHC(C₆H₄)NO₂ → (C₆H₅)N=HC(C₆H₄)NO₂(13)

Оба продукта легко выделяются хроматографически и имеют характерные масс-спектры с максимальным пиком, соответствующим молекулярному иону (рис. 2). В последующем для количественных расчетов использовали реконструированные масс-хроматограммы по ионам m/z= 193 для НДМГ и m/z= 226 для внутреннего стандарта.

Рис. 2. Масс-хроматограмма деривата почвенной вытяжки, содержащей НДМГ и анилин (1), реконструированные хроматограммы по характеристическим ионам N, N -диметиогидразона п-нитробензальдегида (2) и N-(п-нитробензи)нилина (3).

Одна из основных проблем при определении НДМГ в почвах - его количественное выделение, т.к. полярные молекулы этого вещества прочно связаны с гуминовыми кислотами. Было предложено выделять НДМГ из почвы отгонкой с паром в присутствии сильного восстановителя, в качестве которого был выбран Na₂S. Избыток Na₂S создает рН 12-14. Это обеспечивает выделение летучих аминов и гидразинов, связывает в нерастворимые сульфиды ионы переходных металлов, способствующих окислению НДМГ, взаимодействует с анионами-окислителями типа NО₃^- и растворенным в воде кислородом.

Определение НДМГ в почве методом капиллярной газовой хроматографии

Метод основан на разделении компонента под действием газа-носителя с использованием азотно - фосфорного детектирования.

К образцу почвы массой 50 г добавляют 40 мкг внутреннего стандарта - анилина, растворенного в метаноле, 100 мл бидистиллированной. воды, 10 гNa₂S, отгоняют с паром и собирают 100 мл отгона в колбу, содержащую 10 мл 0.1 М НCI. К полученному раствору добавляют 5 мл нитратного буферного раствора (рН 5.5), 5 мл 3%-ного раствора п-нитробензальдегида в метаноле. Реакционную смесь выдерживают при температуре 37°С в течение 30 мин и экстрагируют 20 мл гексана. Экстракт упаривают при комнатной температуре в токе азота до объема 300 мкл, 1.5 мкл экстракта вводят в испаритель хроматографа. При работе с АФД экстракт упаривают до объема 40 - 50 мкл. Объем вводимой в хроматограф пробы составляет 0.1 мкл. Для предотвращения разложения экстракты хранят при температуре +5°С в стеклянных микроампулах, запаянных в токе аргона.

НДМГ определяли на газовом хроматографе НP 5890 с ДИП и беспламенным АФД модели НР-19234 В. Разделение проводили на кварцевой капиллярной колонке длиной 30м, внутренним диаметром 0.3 мм с полисилоксановой неподвижной фазой НП-5. Для получения сопоставимых результатов капиллярную колонку присоединяли и по очереди к ДИП и к АФД, не меняя параметров хроматографического анализа. Интегрировали площади хроматографических пиков интегратором НР-3390А. Использовали газ-носитель азот, давление газа-носителя на входе в колонку составляло 10 КПа; вводили пробу в режиме деления потока 1:6. При работе с АФД расход воздуха составлял 120 мл/мин, вспомогательного газа (азота) - 30 мл/мин, давление водорда - 130 КПа. Температура АФД - 220°С, ДПИ - 280 С, узла ввода пробы - 240°С. Хромато-масс-спектрометрическое определение НДМГ проводили на газовом хроматографе Varian 3400 с капиллярной колонкой длиной 25 м и внутренним диаметром 0.25 мм с неподвижной фазой Quadrex 400-1-НТ-25-0.1F, непосредственно соединенной с масс-спектрометрическим детектором типа «ионная ловушка» MagnumFinnigan МАТ. Температура соединительной коммуникации от хроматографа к масс-спектрометру - 250°С, температура узла ввода пробы - 240°С.

Температуру термостата колонок для ГХ-АФД программировали от 100°С (выдержка - 2 мин) до 240°С со скоростью 10°С/мин. При анализе ХМС начальная температура была 60°С с изотермической выдержкой 10 мин.

Определение НДМГ в почве методом ионной хроматографии

Гидразины являются слабыми основаниями, поэтому возможно их удерживание на катионообменниках при рН <pK_a>(CH)₂NNH₃⁺. Первоначально была изучена селективность по отношению к гидразину и 1,1-диметилгидразину колонки IonPacCS12A (фирма Dionex, США), заполненной, полимерным сорбентом с карбоксильными и фосфониевыми функциональными группами. Оказалось, что, несмотря на наличие двух метальных радикалов в молекуле 1,1-диметилгидразина, времена удерживания гидразина и диметилгидразина достаточно близки. Поэтому дальнейшие исследования проводили на колонках, заполненных сорбентом на основе силикагеля с сульфогруппами, показавшими большую селективность. В качестве подвижной фазы использовали ацетатный буферный раствор, концентрацию которого подбирали таким образом, чтобы время удерживания

,1-диметилгидразина находилось в интервале 5-10 мин. Идентификацию пиков на хроматограмме проводили по временам удерживания с использованием растворов индивидуальных веществ.

Для детектирования выбрали свойство гидразинов окисляться на твердых электродах. В частности, в работе использовали стеклоуглеродный электрод. Изучение высоты пика диметилгидразина и гидразина в зависимости от потенциала электрода позволило выбрать значение этого параметра: +1.0 В. Дальнейшее увеличение потенциала нецелесообразно из-за увеличения флуктуации фоновой линии. В выбранных условиях предел обнаружения, вычисленный как концентрация, при которой отношение сигнал/шум равно 3, составил 0,01 мг/л (объем вводимой пробы 0,5 мл). Градуировочный график линеен по крайней мере до 0,2 мг/л. При определении больших концентраций можно снижать объем вводимой пробы.

Пробоподготовка почвы заключалась в отгонке 1,1-диметилгидразина с водяным паром в условиях, обеспечивающих 100% извлечение. Наличие пиков на хроматограмме отгона позволяет уверенно сделать заключение о загрязнении почвы ракетным топливом.

По-видимому, дополнительные пики на хроматограммах обусловлены продуктами разложения 1,1-диметилгидразина.

Определение НДМГ в почве методом обращенно-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии

Разработана методика определения несимметричного диметилгидразина методом обращенно-фазовой ВЭЖХ со спектрофотометрическим детектированием с предварительной дериватизацией по реакции с 4-нитробензальдегидом (п-НБА). Выбраны условия хроматографического разделения и детектирования пиков реагента и диметилгидразона 4-нитробензальдегида. Найдены оптимальные условия дериватизации НДМГ с п-НБА. Нижняя граница определяемых содержаний НДМГ в водных растворах составила 120 мкг/л.

Методика дериватизации: в мерные колбы емкостью 25 мл вносили раствор НДМГ, буферный раствор до концентрации 20 мкМ в конечном объеме разбавляли водой приблизительно до 2/3 объема, вводили необходимое количество раствора п-НБА, разбавляли до метки дистиллированной водой и нагревали на водяной бане при 75°С в течение 15 мин.

Для получения производных НДМГ наиболее часто используют реакцию образования гидразонов:

R₁R₂N-NH₂ + 0=CHR₃ → R₁R₂N-N= CHR₃ + H₂О(15)

Определение НДМГ в виде гидразона связано с использованием для его синтеза избытка альдегида, поскольку скорость реакции и выход конечного продукта в этом случае возрастают. В результате при анализе проб возникает задача разделения избытка ароматического альдегида и соответствующего диметилгидразона. При использовании хроматографии в качестве метода определения она может быть решена выбором подходящей хроматографической системы. Выбранная колонка Zorbax С₈ показала отличную селективность: фактор разделения гидразона и альдегида составил 247, поэтому другие фазы не исследовали. Для получения приемлемых времен удерживания, с одной стороны, и разделения пиков альдегида и гидразона, с другой, оптимизировали состав подвижной фазы.

несимметричный диметилгидразин почва

Глава 2. Практическая часть

2.1 Основа метода

Метод основан на извлечении НДМГ из почвы 5% раствором фосфорной кислоты и фотометрировании окрашенного в лимонно-желтый цвет раствора соединения, образующегося при взаимодействии НДМГ с п-нитробензальдегидом.

2.2 Средства измерений, вспомогательные устройства, реактивы

1. Средства измерений

2. Вспомогательные устройства и материалы

3. Реактивы

.3 Подготовка к выполнению измерений

При подготовке к выполнению измерений проводятся следующие работы: отбор проб почвы, подготовка спектрофотометра к работе, приготовление растворов, построение градуировочного графика.

.4 Требования к условиям измерений

При выполнении измерений соблюдают следующие условия:

.5 Приготовление растворов

Подготовка дистиллированной воды

Дистиллированную воду кипятят на электроплитке в течение 1,5 - 2х часов для освобождения от аммиака, углекислоты и других летучих соединений. Сняв колбу с плитки, сразу закрывают ее пробкой.

Приготовление 0,6% спиртового раствора n-нитробензальдегида

Взвешивают на аналитических весах 0,6г n-нитробензальдегида, вносят в мерную колбу вместимостью 100 см³, приливают 50-60 см³ этилового спирта и нагревают на водяной бане при температуре 50-60⁰С до полного растворения. После охлаждения до комнатной температуры объем доводят до метки этиловым спиртом. Раствор устойчив при хранении в холодильнике и в склянке из темного стекла в течение 30 дней.

Приготовление 5% раствора фосфорной кислоты

В мерную колбу вместимостью 1000 см³ помещают 700-850 см³ воды, приливают 50 см³ концентрированной фосфорной кислоты, перемешивают, доводят объем до метки водой. Срок хранения не ограничен.

2.6 Подготовка спектрофотометра к работе

Подготовка спектрофотометра к работе и вывод на рабочий режим осуществляется в соответствии с инструкцией по эксплуатации.

2.7 Отбор проб почвы

Отбор проб почвы производится в соответствии с ГОСТ 17.4.3.01 и ГОСТ 17.4.4.02. Почву отбирают с поверхностного слоя 0-20 см. При необходимости пробы следует отбирать по профилю почвы из шурфа до глубины 1 м, послойно через 25 см. Для получения достоверных результатов в каждом пункте отбирают не менее 3-х объединенных проб почвы из слоя 0-20 см. Каждую объединенную пробу составляют из 3-5 точечных, отобранных методом «треугольника» или «конверта» с площади 1*1 м² или 5*5 м².