ANALÍTIKAI KÉMIA Dr. JUVANCZ ZOLTÁN kromatográfia, ekc, magyarázat GC,SFC, CE kapilláris HPLC nem

RMKAK1KTLC Előadás ideje: páratlan hét, kedd, (D.1.EA.I) Aláíráspotló vizsga (írásbeli teszt), Előadás óraszám: 2óra/2 hét, Gyakorlat óraszám: 2/hét, Konzultáció: Hétfő 15:40 óra, 255. szoba Jegy: elmélet 100% (Zh), + mérések jegyzőkönyvei + oldatkészítésből érvényes feladatmegoldás, Plusz pontok félévközben készített előadásokért, és helyes válaszokért, Jegyzet: Juvancz Zoltán környezeti analitika (moodle), Előadási kivonatok, ppt válogatás (intézet honlapja) Szintetikus vegyészek, farmakokinetikus kutatók, igényeinek kielégítése, környezeti lebontásból eredet kor meghatározás. Új állófázisok (GC,SFC), királis adalékok (CE) bevezetése, jellemzése, alkalmazhatósági körüknek megállapítása. Térhálósítási kísérletek, a szelektornak megfelelő akirális származékok megtalálása, Összegyűjtött tapasztalatok alapján állófázis tervezési, és terhelhetőségi megállapítások .

Analitikai kémia tárgya Az analitikai kémia az anyagok minőségi és mennyiségi elemzésének módszereit, és az eredmények megbízhatóságát tárgyalja, beleértve a mintavételt is. Környezetvédelemben csak a validált, mennyiségi elemzéseknek van teljes (jogi) értéke.

Mérendő komponensek kiválasztásának szempontjai Mérendő közeg és környezete (talaj-szennyvíz, ivóvíz bázis-hulladéklerakó, iszap-víz) Komponensek mérgező hatása (Dioxinok, fenolok, ionos detergensek, DDT ) Komponensek előfordulása és koncentrációja (Fe, naftalin-szulfonátok, bezafibrát, cián) Komponensek mérhetősége (metabolitok, Na-szulfonátok) Kompromisszum a különböző szempontok között (16 PAH, 7 PCB, lindán - igen) (2-metilkrizén, glükuronidadduktok - nem)

Környezetvédelmi analitika felosztása/A Rendszeres monitorozó mérések Mérések gyakorisága és köre változó törvénytől és megállapodástól függően (NO2, NO3, keménység, vezetőképesség, BOI, PCB) Eseti meghatározások Felmérések Helyi sajátságok Balesetek (CN, nem-ionos detergensek, KOI konzervgyárnál, TPH) Monitorban nem kémiai vizsgálatok is pl. szin zavarosság, algaszám

Környezetvédelmi analitika felosztása/B Komponensek elkülönült mérése (Fe, Cr3+, Cr6+, Ca, NH3, NO2, NO3, atrazine, Silvex, DDT, benz[a]pirén) Csoportok mérése (TOC, TPH, PAH, ANA, KOI összes nitrogén, összes Cr) Monitorban nem kémiai vizsgálatok is pl. szin zavarosság, algaszám

Környezetvédelmi analitika felosztása/C Helyszíni mérések Nem-stabilizálható mutatók (Hőmérséklet, pH, oldott oxigén) Félkvantitatív gyorstesztek (UV, csík-tesztek) Laboratóriumi mérések Validált nagy pontosságú mérések (GC/MS, HPLC, BOI, KOI, klorofill-α) Kísérő standard, hűtött szállítás, rendszerint szükséges. A biológiai folyamatokat is érdemes befagyaszani (pl pH:2)

Környezetvédelmi analitika felosztása/D Makro komponensek meghatározása (KOI, NO3, pH) Nyomelemek meghatározása (Hg, Pb, PAH, DDT) Rendszerint koncentrálás, mátrixtól megszabadulás és kisérőstandard szükséges.

Nagyságrendek ppm ppb ppt

Környezetvédelmi analitika felosztása/ E Alkalmazott analízis módszer szerint Klasszikus analitika (titrálás, szín, zavarósság) Elektroanalitika (potenciometria, culometria, eletroforézis) Molekula spektroszkópia (UV-VIS, IR, Fl, MS) Kromatográfia (GC, HPLC) Atom spektroszkópia (AAS, ICP, emissziós spektroszkópia,Röntgen fluorescencia) Biológiai teszt (BOI, RIA, ELISA)

Analitikai terv Az analitikai tervnek tartalmazni kell: a műveleteket végzők nevét és a műveletek elvégzésének idejét, a vizsgálandó közeget, a mérendő komponenseket, a várható koncentrációkat, a várható mintaszámot és a minták mennyiségét, a mintavétel módját, a minta-előkészítés műveleteit, a felhasznált műszereket, eszközöket és vegyszereket, az eredmények kiértékelésének és megadásának módját, az eredmények ismeretében a szükséges intézkedéseket, a vizsgálatok befejezésének kritériumait, a műveletek minőségbiztosítási és minőségellenőrzési kritériumait és Minőségbiztosítás/Minőségellenőrzés feladatait.

Analízis folyamata Mérés Vizsgálandó anyag Mintavétel Minta konzerválás Minta előkészítés (homogenizálás,koncentrálás, tisztítás, oldószerváltás) Mérés, Értékelés Minta Analitikai minta Mérés

Mintázás követelményei Reprezentatív (jellemző, homogén, lehetőleg kis térfogatú) A közeg és keresett komponens szempontjai szerint (szennyvíz, illékonyság, keresztszennyezés) Könnyen végrehajtható, de pontos eredményt adó (megfelelő felszerelés, párhuzamos, vak minták) Megfelelő időpont, hely (pont-diffúz szennyezők, tél, este, beömlés, limány) Ne okozzon kárt, vagy sérülést (mintázás szennyezése, védőfelszerelés) A rossz mintavételt később nem lehet korrigálni!

Minta reprezentativitása A mintának a felderítés során nem kell az egész területre reprezentatívnak lenni. Első célként a szennyezés meglétét kell bizonyítani, ezért a dúsulási helyeken mintázunk. Egyes nehéz fém szennyezéseknél a gödrök aljából és a kagylókból érdemes mintát venni. A második lépésként érdemes az egész területet, a kevésbé szennyezett területekről is mintát venni. A nagyobb koncentráció értékeket követve el lehet jutni a szennyezés forrásához.

A mintagyűjtés szabályai A keresztszennyezések elkerülésére nagy hangsúlyt kell fektetni Amennyiben azonos helyről kell víz és üledékmintát gyűjteni, akkor a vízminta az első és ezt követi az üledékminta. Az üledék felkavarása ugyanis megváltoztatja a felette lévő víz összetételét. Folyóvizeknél a mintagyűjtés az áramlással szemben történik.

Ha különböző vízmélységekből kell mintát venni, akkor a felszínen kell kezdeni, és fokozatosan haladni a mélyebb pontok irányában. Amennyiben többféle szennyezőre gyűjtjük a mintát, akkor az ajánlott sorrend a következő: illékony szerves szennyezők, félig illékony szerves szennyezők, szerves oldószerrel extrahálható szennyezők, összes szénhidrogén tartalom (TPH). A szerves szennyezők mintáit követi, összes fémtartalomra, oldott fémtartalomra, mikrobiológiai tesztre és végül nemfémes szervetlen anyagokra végzett mintagyűjtés.

Mintavétel, homogenizálás, tömeg redukció

Szennyezés felderítés Pont forrás Részben diffúz forrás

Szennyeződési profilok

Dunai hőerőmű Ni szennyezése Óvári Mihály Ph.D., 2002, ELTE

Hőerőmű szálló porának kiülepedése A szennyezés függ : Elégetett mennyiségtől Elégetett anyagtól Égetési technikától Kémény magasságától Meteorológiai viszonyoktól (szélirány, eső stb.) Szélrózsa Budapesten

Utcai légszennyezés változik a napszakkal napszakkal Mintázás ideje Utcai légszennyezés változik a napszakkal napszakkal

Folyó nitrát-tartalmának ingadozása az év hónapjaiban

Mintázás a szennyezés beömlésénél A patsak reprezentativ mintázásához a teljesen elkeveredett állapot kell.

Hulladéklerakó gázkibocsátása az idő függvényében

Gázminta vevő és tároló eszközök

Aktív adszorpciós mintavevő cső

Passzív levegő mintavevők

Illékony anyagok purge and trap mintázása

Gőztér (Head space) analízis A folyamatban mintakoncentrálás is történik

Vízminta vevő

Kombinált pH, oxigén, vezetőképesség, hőmérséklet mérő WTW

Szennyezés felmérés légifotó alapján Háromdimenziós térkép, ahol a harmadik Szennyezésre jellemző dimenzióban a spektrumok vannak. Gruiz K. Távérzékelés

Kőzeteloszlás feltérképezése Gruiz K. Távérzékelés

Minták elkoszolódásának, keresztszennyezésének forrásai Edények (szállítás, bemérés) Vegyszerek (oldószerek, reagensek) Más minta (pl. légtéren keresztül) Memória hatások (helyiség, edények) Műszerek (előző mérések maradéka, bomlás) Nélkülözhetetlenek a vak próbák és a kísérő standardok

Minta konzerválás Van, amit csak a helyszínen lehet mérni (pH, hőmérséklet, zavarosság) Konzerválás pH beállítással vagy red-ox potenciállal (szennyvíz, species analízis) Hűtve szállítás (VOC, klorofill-α) Megfelelő tároló edény (Fémekre műanyag, szerves vegyületekre üveg)

A minta konzerválásánál figyelembe kell venni: Meg kell akadályoznunk a minta biológiai eredetű bomlását, Kerüljük el a komponensek hidrolízisét és oxidációját, Akadályozzuk meg az illékony komponensek távozását, El kell kerülni a komponensek adszorpcióját az edény falához, és az edény komponenseinek beoldódását, Kerüljük el az idegen anyagok bejutását a mintába.

Minta előkészítés Koncentrálás (102-108) Tisztítás (mátrixtól való elválasztás,felszabadítás) Oldószer csere (víz → szerves oldószer) Származékképzés Detektálás javítása Kromatográfiás tulajdonságok javítása (retenció eltolás, polaritás módosítás).

Minta-előkészítés szükségessége Ma már a környezetvédelmi méréseknél nem a műszerek érzékenysége a a legnagyobb probléma, hanem a mintában jelenlévő, más (mátrix) komponensek jelének csökkentése.

Minta előkészítés időszükséglete A mintaelőkészítés az analízis folyamat leginkább környezetkárosító lépése.

Folyadék-folyadék extrakció (koncentrálás, mátrixtól megszabadulás) Kd = Corg/Caqu E = KdV/(1 +KdV) Ahol Kd a megoszlási állandó C org komponens koncentrációja vizes fázisban Caqu komponens koncentrációja szerves fázisban E extrakciós arány V fázisarány (org/aqu) Általában többszöri ismétlés, és az extraháló fázis kisebb térfogatú

Gáz-folyadék extrakció Gőztér (Head space) analízis Paraméterek: Hőmérséklet pH Ionerősség (kisózás) Vízgőz desztilláció (CH2Cl2, benzol)

Folyadék –folyadék extrakció rázótölcsérrel Egymással nem elegyedő oldószerek (org/aqu) között oszlik meg a vizsgált Komponens (TPH, fenoxisavak, fémek komplex alakban) pH szerepe (savak-bázisok, fenolok, triazinok)

Centrifuga

Illékony anyagok purge and trap analízise

Szilárd fázisú extrakció (SPE) Kondicionálás Felvítel Mosás Leoldás (lehet több lépcsős)

Szelektív adszorpció immunószorbenten Az analizálandó minta és a kötőhely úgy illeszkedik, mint a kulcs a kulcslukba.

Membrán szeparálás Az ozmózis a hajtóereje a folyamatnak. A membránon csak olyan anyagok tudnak átdiffundálni, amelyek mérete kisebb a membrán lukaknál.

A Cd megoszlása az üledék különböző részecskeméretű frakcióiban VITUKI jelentés (1979)

Ultrahangos rázatás Az ultrahangos gerjesztés (rezgés) hatására a felragadt anyag lerázódik a kötő anyag felszínéről, és a konvekció hatására gyorsabban kerül a folyadék fázis tömegébe.

Extrakció szilárd mátrixból Fázisegyensúly Diffúzió - konvekció Nedvesítés Szemcseméret (Soxlet, ultrahang, mikrohullám, ASE)

Soxlet extraktor Lassú Hatékony Egyszerű

Oldékonyság szerinti kioldás (Speciáció) Förstner módszer I.kicserélhető (NH4OAc) II. karbonátos (HOAc) III. könnyen redukálható (NH4OCl) IV.közepesen redukálható (NH4OH) V.oxidálható frakciót (H2O2/NH4OH) Nemzetközi módszer A kicserélhető/karbonátos (H2O) B könnyen redukálható (2M HCl) C oxidálható (8M HNO3) Maradék feloldása: HF + HNO3

Mikrohullámú nagynyomású feltáró edény Fémekre főleg roncsolás (erős savak) Szerves mintára extrakció (szerves oldószer, enyhébb hőmérséklet nyomás)

Mikrohullámú extraktor

Gerjesztett oldószeres extrakció (ASE) Emelt hőmérséklet, nyomás Gyors hatékony extrakciók Nagy műszerigény Contergán, limonén citrom, narancs, ibuprofén 100 hatás Gyógyszeripari, 1/3 a piaci részesedésnek, 0,1% -ig, gyógyszeripar, környezetvédelem (eltérő lebomlás), eredet vizsgálat, bakteriális fertőzés, kormeghatározás Polarimetria, cirkulár dikroizmus spectr, NMR, kromatogr. Pontos meghatározás 99,9% ee. felett, Mátrixkomponensek zavaró hatásának kiküszöbölése Kicsiny mintaszükséglet, Több meghatározás egy analízis során, Nincs szükség nagytisztaságú standardokra, Gyors módszer, Jól kapcsolható technikák, Direkt-indirekt mód, Három pontos kölcsönhatás, Alacsony analízis hőmérséklet (ln  a +b/T) Akirális származékképzés, Csekély terhelhetőség, Minor komponens elsőként elúciója Nagy hatékonyság, = 1,01 (0,1kJ/M)

Fenhoxisavak herbicidek gázkromatogramja metilészter alakban Származékolás célja Analízisnek megfelelő formára hozás (színreakció, polaritás csökkentés) Elválasztás mátrixtól (retenció módosítás, könnyebb extrahálás) Fenhoxisavak herbicidek gázkromatogramja metilészter alakban

Klasszikus analitikai módszerek Csapadékképzéses reakciók: Gravimetria (SZOE, víztartalom), csapadékos titrálások (szulfát, klorid) Sav-bázis reakciók (savasság, lúgosság, fenol) Redoxi reakciók (KOI, S2-) Komplexképzéses reakciók (Ca, keménység)

Gravimetria Gravimetria tömeghatározási módszer, ahol a meghatározandó komponenshez fokozatosan re-agenst adunk, és a levált csapadék tömegét mérjük. Kold = [Kz+]v+ [Az-]v-/[Kv+ Av- ] Kold = oldhatósági egyensúly K, A = kation, anion v-, v- = kation és anion sztöhiometriai együtthatói Z+, z- = kation és anion töltése Kold értékek: BaSO4, 1,09 x10-10; AgCl, 1.78 x10-10

Gravimetria folyamata Lecsapás reagenssel Oldat és csapadék elválasztása (szűrőpapír, üvegszűrő) Csapadék mosása Csapadék hőkezelése (égetés, szárítás, izzitás) Csapadék mérlegelése Eredemény kiszámítása Oldószer elpárologtatás

Csapadékos titrálások A titráláskor a vizsgált anyag csapadékot ad a reagenssel, és a vizsgálandó anyag elfogyása után az indikátor lép reakcióba, vagy műszeres titrálási görbekövetés van. Halogenideket, főleg Cl- meghatározására használják AgNO3 reagens, K2CrO4 indikátor Cl- + Ag+AgCl, KoldAgCL = 1,78 x 10-10

Vízionszorzat: Kv = [H+] x [OH- ] = 10-14 Sav-bázis titrálások Titrálás alapja a hidrogénion koncentráció változása vizes oldatban,amit indikátorral, vagy a titrálási görbe mérésével észlelünk. H2O  H+ + OH- Vízionszorzat: Kv = [H+] x [OH- ] = 10-14 pH +pOH = 14

Átcsapás > pH 7, lapos görbe, Titrálási görbék Átcsapás > pH 7, lapos görbe, visszatitrálás Átcsapás = pH 7, meredek görbe

Vizek lúgosságának mérése Négy pH érték kell az anyagok pK értéke között, hogy egy más után lehessen titrálni őket.

Komplexometriás titrálások Komplex stabilitási állandója: KST= [MY]/[M] [Y] Ahol: [MY], komplex;[M], szabad fémion; [Y], ligandum pH, indikátorok, komplexképzők (EDTA) szerepe Alkalmazás főleg többértékű fémionokra (vízkeménység) 1 német keménységi fok= 0,18 mM/l alkáli földfém

Potenciométer vagy redoxindikátorok Redoxi titrálások Redoxi titrálásnál az aktuális redoxipotenciál értéket mérjük a mérőoldat függvényében Zn  Zn2+ + 2e redukált oxidált Nerst egyenlet A magasabb standard redoxipotenciájú anyaggal mérjük a kisebb redoxipotenciájút Potenciométer vagy redoxindikátorok

Környezetvédelmi redoxi titrálások I. Kémiai oxigénigény (KOI, COD) KOIMn : MnO4– + 5e– + 8H+ → Mn2+ + 4H2O 2MnO4– + 5(H2C2O4)2 + 6H+ = 2Mn2+ + 10CO2 + 8H2    Ismert mennyiségű KMnO4, forralás, visszamérés oxálsavval KOICr: K2Cr2O7+4H2SO4 = K2SO4+Cr2(SO4)3+3H2O+ 3O Ismert mennyiségű K2Cr2O7, forralás, visszamérés vas(II)ammónium szulfáttal, Ag2SO4 katalizátor Erősebb oxidálás mint KOI Mn