Практическая работа №7 Идентификация источников загрязнения водных объектов нефтью и нефтепродуктами методом инфракрасной спектрометрии и газожидкостной хроматографии
Цель работы: ознакомиться с методологией идентификации источников загрязнения водных объектов нефтью и нефтепродуктами методами ИК-спектрометрии и газожидкостной хроматографии.
1. Идентификация источника загрязнения водных объектов нефтью методом ик-спектрометрии
Инфракрасная спектрометрия (ИК-спектрометрия) – раздел спектроскопии, изучающий спектры поглощения электромагнитных волн в ИК-области. Это длинноволновая область спектра излучений с длиной волны от 2,5 до 25 мкм (волновые числа от 4000 до 400 1/см).
ИК-спектры возникают в результате избирательного поглощения излучения, когда его частота совпадает с некоторыми частотами собственных колебаний атомов в молекуле. В результате такого избирательного поглощения в непрерывном спектре ИК-излучения, прошедшего через вещество, образуются «провалы» интенсивности – полосы поглощения.
Атомы в молекулах колеблются около некоторого состояния равновесия. При этом происходят изменения длин связи и деформационные колебания, при которых происходит изменение углов между связями.
Колебания атомов в молекулах могут быть:
скелетные (участвуют все атомы в одинаковой степени);
колебания характерных групп (колебания испытывают лишь отдельные части молекулы – функциональные группы).
Скелетные колебания и колебания отдельных групп имеют разные частоты. Частоты колебаний групп не зависят от строения молекулы в целом и характеризуют только конкретную функциональную группу. Различные вещества, содержащие одну и ту же функциональную группу, дают на ИК-спектре полосы поглощения одной и той же характеристической частоты. Это и является основой качественного анализа в ИК-спектрометрии. Этим методом можно идентифицировать неизвестные соединения. Характеристичные частоты дают возможность установить по спектру наличие определенных групп атомов и тем самым установить качественный состав и строение вещества.
Методика идентификации источника загрязнения водных объектов нефтью основана на получении спектров поглощения выделенного экстракта нефтепродуктов в ИК-области электромагнитного спектра. ИК-спектр записывается в виде графика зависимости пропускания (или поглощения) энергии от длины волны (λ) или волнового числа (ν). ИК-спектр поглощения чистого вещества является его индивидуальной характеристикой.
Общая характеристика ик-спектров нефтей
Нефть (нефтепродукт) не является индивидуальным химическим соединением, а представляет собой сложную смесь множества различных веществ. В связи с этим ИК-спектр любой нефти является ее аддитивной характеристикой, т.е. результатом наложения (суперпозиции) спектров составляющих ее индивидуальных компонентов. По ИК-спектрам таких сложных многокомпонентных систем можно определить не компонентный состав, а наличие функциональных групп, таких как -СН3, -СН2, С=О, С–О, ОН, связей С-С (алифатических), С=С, входящих в состав аренов, алкенов, диенов и других гетероциклических соединений, содержащих группы SO2, NH, NO2 и других.
Как известно, состав разных типов нефтей характеризуется определенным набором химических соединений, в которые входят перечисленные выше функциональные группы. Качественные и количественные отличия компонентного состава нефтей позволяют получить характерные для каждой нефти ИК-спектры, на сопоставлении которых основано установление тождественности или различия исследуемых проб. ИК-спектр нефти приведен на рис. 18.
Рис. 18. ИК-спектр нефти
ИК-спектр любой нефти можно условно разделить на 3 части:
1) полосы поглощения в области 3200-2600 см-1 (высокочастотная ИК-область);
2) в областях 1800-1200 см-1;
3) 900-650 см-1.
Последний интервал волновых чисел называют областью «отпечатков пальцев». Самыми интенсивными в ИК-спектрах нефтей являются полосы поглощения при 2920 см-1и 2860 см-1 (валентные колебания СН групп СН2 и СН3). В этой же области можно проконтролировать присутствие следов воды в исследуемой пробе нефти (характерная полоса поглощения при 3300 см-1). При наличии этой полосы в ИК-спектре нефти пробу следует дополнительно осушить.
Для идентификации источника загрязнения наиболее информативна область «отпечатков пальцев». В этой области ИК-спектры нефтей в наибольшей степени различаются по числу полос поглощения, их положению (волновым числам) и форме (контурам полос). В области 1800-1600 см-1 могут появиться новые полосы, являющиеся признаком окисления нефти в результате ее взаимодействия с водой и воздухом (1700-1740 см-1). В связи с этим полосы поглощения при 1700-1750 см-1 не включают в процедуру идентификации.
При сопоставлении ИК-спектров проб нефти используют следующие полосы поглощения:
Полоса 1 – волновое число 1600±10 см-1, характеризует присутствие в нефти ареновых структур (интенсивность этой полосы, как правило, не изменяется под действием окружающей среды в течение достаточно длительного времени;
Полоса 2 – волновое число 1375±5 см-1, относится к деформационным колебаниям групп СН3. Эта полоса принята в качестве индикатора толщины поглощающего слоя кюветы и используется в качестве внутреннего стандарта;
Полоса 3 – волновое число 1310 ±5 см-1, относится к валентным колебаниям связей С–С углеводородных цепей;
Полоса 4 – волновое число 1170±10 см-1– совокупность полос, относящихся к колебаниям групп О=С-О-R сложных эфиров и С-О-С простых эфиров;
Полоса 5 – волновое число 1030±10 см-1, относится предположительно к биядерным ареновым структурам;
Полоса 6 – волновое число 970±5 см-1, относится предположительно к цикланам;
Полоса 7 – волновое число 870±5 см-1;
Полоса 8 – волновое число 810±5 см-1;
Полоса 9 – волновое число 770±5 см-1;
Полоса 10 – волновое число 750±5 см-1;
Полоса 11 – волновое число 720±5 см-1; относится к маятниковым деформационным колебаниям групп СН2;
Полоса 12 – волновое число 695 ±5 см-1.
Полосы 7, 8, 9, 10 и 12 относятся к деформационным колебаниям СН ароматических колец моно- и полиядерных замещенных структур.
Чтобы исключить влияние толщины слоя на получаемый результат, необходимо ввести относительные параметры – спектральные коэффициенты К.
Спектральный коэффициент К – определяется как соотношение оптических плотностей в максимумах поглощения полос различных функциональных групп Dx (полосы 1, 3-12) к оптической плотности реперной полосы D0 (полоса 2). Спектральные коэффициенты К являются более объективными характеристиками нефтей, чем значения оптических плотностей полос поглощения, поскольку не зависят от условий записи спектров.
По интенсивности полосы 2 примерно оценивают толщину поглощающего слоя, которая должна быть в интервале от 80 до 90 % поглощения, но не свыше 95 %. В этих же условиях интенсивность полосы с волновым числом 1460 ±10 см-1 должна превышать 95 % поглощения.
Приборы и реактивы
Инфракрасный спектрофотометр с разверткой волновых чисел 4000-650 см-1
Неразборные жидкостные кюветы с окнами из хлористого натрия и толщиной слоя исследуемой пробы 0,04-0,10 мм (для жидких проб)
Разборные жидкостные кюветы, состоящие из кюветодержателя и кюветных окон из хлористого натрия (для вязких проб)
Воронки делительные
Пробирки
Стаканы стеклянные
Воронки химические
Хлороформ, х.ч.,
Четыреххлористый углерод, х.ч.
Сульфат натрия, безводный, х.ч.
Фильтры обеззоленные
Подготовка проб к анализу
Около 0,5 мл пробы нефти высушивают. Для этого к пробе добавляют прокаленный сульфат натрия (0,5-0,7 г) и тщательно перемешивают. Высушенную пробу растворяют в хлороформе (5-7 мл), отфильтровывают и помещают в делительную воронку для отстаивания. Затем нижний слой (экстракт нефти в хлороформе) собирают в чистую пробирку, сушат сульфатом натрия. Обезвоженный раствор отфильтровывают в чистый бюкс. Остатки хлороформа удаляют продуванием воздуха над пробой.
Выполнение измерений
Кюветы заполняют равномерно исследуемой пробой, не допуская образования воздушных пузырьков. Заполненную кювету помещают в держатель кюветного отделения и записывают ИК-спектр.
По окончании работы кюветы протирают ватой, смоченной хлороформом. Если кюветы неразборные, то их ополаскивают хлороформом. Необходимо следить за тем, чтобы растворитель был полностью удален из кюветы, так как следы хлороформа могут привести к искажению спектра.
Проведение идентификации
Идентификация образцов нефтепродуктов проводится сравнением их ИК-спектров. Качественное сравнение спектров исследуемых проб производят путем наложения друг на друга ИК-спектров пробы из разлива и из предполагаемого источника загрязнения (рис. 19).
а) образец №1 (проба)
б) образец №2 для сравнения
Рис. 19. ИК-спектры образцов нефтепродуктов
При визуальном сопоставлении спектров необходимо оценить:
общий вид спектров;
число пиков;
волновые числа соответствующих пиков;
интенсивности пиков.
Визуальная оценка ИК-спектров двух образцов проводится по наличию различных полос на спектрах, по их положению, интенсивности пиков, их схожести в области «отпечатков пальцев». На основании результатов сравнения делают заключение о вероятной идентичности сравниваемых проб.
Если в результате качественного сравнения спектров окажется, что они явно различаются по числу и интенсивности полос поглощения, то исследуемые пробы не идентичны, и дальнейшая обработка спектров не производится.
Если ИК-спектры проб совпадают, то делают предварительный вывод об идентичности этих проб и проводят дальнейшее исследование методом ГЖХ.