Вещественный анализ почв, илов и донных отложений

 

 

 

Физико-химическая подвижность, потенциальная биологическая доступность и токсичность элементов в природных объектах в значительной степени зависят от химической формы их нахождения и типа связи с матрицей объекта. Для выделения элементов в различных формах используют последовательное экстрагирование в статическом режиме, при этом исследуемый образец подвергают последовательному воздействию более или менее селективных выщелачивающих реагентов. Экстрагирование в статическом режиме является трудоемким и требует нескольких дней рутинной работы, а экологическая значимость полученных результатов в ряде случаев вызывает сомнение, поскольку выщелачивание в природных условиях всегда протекает в динамическом режиме, при обновлении “реакционного” почвенного раствора. В последнее время перечисленные проблемы предлагается решать с помощью альтернативной методологии, основанной на проточном фракционировании форм элементов при обновлении растворов выщелачивающих реагентов.

 

Сотрудниками лаборатории впервые предложено выделять растворимые компоненты из почв и донных отложений, удерживаемых и диспергированных в поле центробежных сил во вращающейся спиральной колонке (ВСК). Образцы при этом удерживают в ВСК в виде неподвижной фазы при непрерывном прокачивании различных элюентов.

 

Разработан новый метод динамического фракционирования форм элементов в почвах, илах и донных отложениях с использованием ВСК. На примере фракционирования форм тяжелых металлов в соответствии со схемами Керстена-Ферстнера, МакЛарена-Крауфорда, а также оригинальной и модифицированной схемами, рекомендованными Европейской комиссией, проведено сравнительное изучение традиционного последовательного экстрагирования в статическом режиме и динамического выщелачивания в ВСК. Найдены условия динамического фракционирования форм мышьяка. Показано, что, в отличие от экстрагирования в статическом режиме, постоянное обновление элюента во вращающейся колонке позволяет исключить проблемы реадсорбции и перекрывания выделяемых фракций и корректно оценить содержание наиболее подвижных и биологически доступных форм токсичных элементов (As, Cd, Pb, Cu, Zn, Ni, Cr). Проведено динамическое фракционирование форм элементов в ряде реальных образцов почв, илов и донных отложений. Следует отметить, что для анализа одного образца в проточном режиме в ВСК нужно 4-5 часов (для трудоемкого последовательного экстрагирования требуются несколько дней), потери образца при этом практически исключены, а процесс выделения фракций может быть полностью автоматизирован. Показано, что изучение кривых элюирования элементов при их динамическом фракционировании в ВСК дает возможность получить дополнительную информацию о кинетике выщелачивания. Количественные характеристики массопереноса элементов, определенные с использованием детерминированной модели динамики десорбции, позволяют прогнозировать динамику высвобождения элементов при изменении условий окружающей среды. Предложен гибридный метод фракционирования и определения форм элементов (основанный на АЭС-ИСП детектировании элементов в элюате вращающейся колонки в режиме “on-line”), который позволяет детально изучать процесс выщелачивания форм элементов и характер их связи с матричными элементами.

 

Динамическое фракционирование элементов в загрязненном образце почвы. m=0,5 г.; F=1мл/мин; ω= 650 об/мин.   Состав подвижной фазы: 1 - 0.05M Ca(NO3)2 (извлечение обменной формы элементов); 2 – 0.43M CH3COOH (извлечение кислоторастворимой формы элементов); 3 - 0.1M NH2OHHCl (извлечение восстанавливаемой формы); 4 - 0.1M K4P2O7, pH 11 (извлечение легко окисляемой формы элементов); 5 - 0.1M (NH4)2Ox, pH 3 (извлечение трудно окисляемой формы элементов)

 

В настоящее время особый интерес вызывает возможность гармонизации методов динамичемского фракционирования форм элементов в почвах и донных отложениях. Проведенные сотрудниками предварительные исследования по сравнительному изучению фракционирования форм элементов в ВСК и конусовидных микроколонках дали положительные результаты – для некоторых образцов почв получена сопоставимая картина распределения тяжелых металлов между экстрагируемыми фракциями.

 

 

1. Fedotov P.S., Zavarzina A.G., Spivakov B.Ya., Wennrich R., Mattusch J., de P.C. Titze K., Demin V.V. Fractionation of heavy metals in contaminated soils and sediments using rotating coiled columns // J. Environ. Monit. 2002. V. 4. N 2. P. 318-324.
2. Федотов П.С., Марютина Т.А. Вращающаяся спиральная колонка в анализе природных образцов // Природа.  2003. № 7. С. 71-75.
3. Fedotov P.S., Wennrich R., Stärk H.-J., Spivakov B.Ya. Continuous-Flow Fractionation of Trace Metals in Environmental Solids Using Rotating Coiled Columns. Some Kinetic Aspects and Applicability of Three-Step BCR Leaching Schemes // J. Environm. Monit.  2005. V. 7. N 1. P. 22-28.
4. Катасонова О.Н., Федотов П.С., Карандашев В.К., Спиваков Б.Я. Применение вращающихся спиральных колонок для фракционирования частиц почвы и последовательного экстрагирования форм тяжелых металлов из илистой, пылеватой и песчаной фракций // Журн. аналит. химии.  2005, Т. 60. № 7. С. 765-773.
5. Fedotov P.S., Fitz W.J., Wennrich R., Morgenstern P., Wenzel W.W. Fractionation of Arsenic in Soil and Sludge Samples: Continuous-Flow Extraction Using Rotating Coiled Columns Versus Batch Sequential Extraction // Anal. Chim. Acta.  2005. V. 538. N 1. P. 93-98.
6. Fedotov P.S., Savonina E.Yu., Wennrich R. and Spivakov B.Ya. A Hyphenated Flow-Through Analytical System for the Study on the Mobility and Fractionation of Trace and Major Elements in Environmental Solid Samples // Analyst. 2006. V. 131. N 4. P. 509-515.
7. Fedotov P.S., Savonina E.Yu., Wennrich R. and Ladonin D.V. Studies on trace and major elements association in soils using continuous-flow leaching in rotating coiled columns // Geoderma. 2007. V. 142. N 1-2. P. 58-68.
8. Федотов П.С., Статкус М.А., Цизин Г.И. Изучение массопереноса элементов при их динамическом выщелачивании из почв, илов и донных отложений // Журн. аналит. химии. 2007. Т.62. №8. С.802-806.
9. Fedotov P.S., Miró M. Fractionation and mobility of trace elements in soils and sediments. In Biophysico-Chemical Processes of Heavy Metals and Metalloids in Soil Environments (eds. Violante A., P.M. Huang, G.M. Gadd). John Willey & Sons, Inc. Hoboken. 2008. P.467-521.
10. Федотов П.С., Спиваков Б.Я. Статические и динамические методы фракционирования форм элементов в почвах, илах и донных отложениях // Успехи химии. 2008. № 7. С.690-703.
11. Курилов П.И., Круглякова Р.П., Савицкая Н.И., Федотов П.С. Фракционирование и определение форм тяжелых металлов в донных отложениях азовского моря. Журн. аналит. химии // 2009. Т. 64. № 7. С. 757-765.
12. Rosende M., Savonina E.Yu., Fedotov P.S., Miró M., Cerdà V., Wennrich R. Dynamic fractionation of trace metals in soil and sediment samples using rotating coiled column and sequential injection microcolumn extraction: a comparative study // Talanta. 2009. V. 79. N 4. P. 1081-1088.