ANALIZA CALITATIVĂ ŞI CANTITATIVĂ

A APEI DE ADÂNCIME PRIN

CROMATOGRAFIE IONICĂ

Caracteristici ale apelor subterane.Surse de poluare

Apele subterane prezintă parametri relativ constanţi şi se caracterizează prin

mineralizare ridicată, conţinut bogat de dioxid de carbon şi concentraţie scăzută

a oxigenului. Din punct de vedere calitativ, apele freatice sunt considerare curate

şi se înscriu în normele de potabilitate sau pentru utilizări industriale puţin

pretenţioase. Poluarea apei reprezintă, după o definiţie generală, modificarea în

mod direct sau indirect a compoziţiei normale a acesteia, ca urmare a activităţii

omului, într-o astfel de măsură, încât afectează toate celelalte folosinţe la care

apa ar putea servi în starea sa naturală. Poluarea apei implică poluarea biologică,

fizică şi chimică şi determină, în ultimă instanţă, modificarea echilibrului

ecologic. Apele subterane pot conţine şi elemente a căror concentraţie depăşeşte

normele admise pentru utilizarea în scop potabil sau industrial. Acestea depind

de compoziţia terenului şi se referă de obicei la conţinutul de fier, mangan,

calciu, magneziu, hidrogen sulfurat, fluoruri, carbonat, bicarbonat, amoniu,

azotit, azotat etc. În acest caz se impune abordarea unor sisteme de tratare, mai

ales dacă apa este destinată consumului uman. În cazul resurselor de apă

subterană, poluarea se produce prin infiltrarea substanţelor impurificatoare

solide şi lichide datorită apelor meteorice, care spală deşeurile de pe sol în mod

organizat sau dezorganizat şi a apelor de canalizare care pătrund în sol prin

neetanşeităţile reţelei de conducte.

Substanţe chimice anorganice în apă şi influenţa lor asupra sănătăţii

Fluor - valoarea maximă a fluorurilor în apa de băut este de 1,2mg/l.

Concentraţii mai mari (peste 2mg/l) pot conduce la fluoroza oaselor, în special a

dinţilor, cu modificări sensibile ale calităţii smalţului (pete). La concentraţii de

peste 6mg/l se poate produce deces.

Nitriţii - provin din oxidarea incompletă a amoniacului în prezenţa

bacteriilor nitrificatoare sau din nitraţi în anumite condiţii: fie înaintea

consumului (reducere în fântâni), fie în organism (în tubul digestiv), dar şi în

rezervoare şi ţevi zincate unde nitraţii sunt reduşi la nitriţi generând o toxicitate

secundară a nitraţilor. Cantitatea maximă în apă admisă în UE este de 0,5mg/l.

Nitraţii - prezenţa concomitentă a amoniacului şi nitraţilor ne arată o

poluare continuă şi o dezinfecţie necorespunzătoare. Cantităţi mici de nitraţi pot

fi regăsite aproape în toate apele. Nitraţii provin din urmatoarele surse de

poluare:

- îngrăşăminte folosite în cantităţi foarte mari în agricultura intensivă;

pesticide cu azot;

- locuri de depozitare a îngrăşămintelor deteriorate sau construite prea

aproape de fântânile particulare.

Chiar dacă o cantitate suplimentară de nitraţi nu ajunge în pământ, va trece

destul de mult timp până când conţinutul de nitraţi din apă deja existent se va

degrada. În apele de suprafaţă, concentraţiile de nitraţi se pot încadra între 0 si 8

mg/l, iar în apele foarte poluate pot ajunge pâna la 50-150 mg/l sau chiar mai

mult. În 1988, 36% dintre fântânile din România aveau concentraţia de nitraţi de

peste 45 mg/l. În corp, nitraţii sunt transformaţi în nitriţi. Nitriţii sunt periculoşi

pentru copiii mici şi pentru sugari chiar şi în cantităţi mai mici decât limita

admisă, oxidând hemoglobina care este responsabilă pentru captarea oxigenului.

Oxidarea hemoglobinei poate duce la apariţia methemoglobinemiei. Organismul

copiilor mici nu poate degrada methemoglobina destul de repede, ceea ce

înseamnă o oxigenare insuficientă. Otrăvirea poate avea drept simptome

albăstrirea buzelor, mâinilor şi picioarelor, dureri de cap, dificultăţi de respiraţie,

chiar şi sufocare în cazurile cele mai grave. Afecţiunea se manifestă cu

precădere la copiii mici în primul an de viaţă, iar în cazul celor cu vârsta de până

la 3 luni poate fi fatală. Ţara noastră are o frecvenţă ridicată a

methemoglobinemiei, cu mortalitate semnificativă. Între 1984–1995 s-au

înregistrat 2346 de cazuri la copii sub 1 an şi 80 de decese. Sunt indicii că cifra

este mult subestimată din cauza dificultăţii diagnosticării. Demn de remarcat

este că intoxicaţia cronică cu nitraţi, în general fără forme clinice, se răsfrânge

puternic asupra organismului infantil, influenţând dezvoltarea fizică atât

ponderală, cât şi staturală şi scăzând în acelaşi timp rezistenţa organismului la

diferitele agresiuni biologice din mediu (infecţii digestive, respiratorii etc.). Pe

lângă aceasta, împreună cu unele alimente, nitraţii formează nitrozamina

cancerigenă.

Amoniacul - rezultă din degradarea incompletă a substantelor organice ce

conţin azot, sau poate proveni deasemenea din sol şi influenţează negativ

mirosul şi gustul apei.

Carenţa de fluor ( caracterizând majoritatea surselor de apă din România)

favorizează caria dentară, explicând parţial marea ei incidenţă la noi în ţară.

Fluorul poate contracara şi efectele methemoglobinizante ale nitraţilor. Exces de

fluor există în mai multe zone (din cauze naturale sau artificiale - poluare) şi

provoacă fluoroză, iar la doze mari osteoscleroză şi osteofluoroză anchilozantă.

Fluorizarea apei este foarte controversată. Se practica în diverse ţări ca Elveţia,

USA etc. Majoritatea ţărilor au renunţat şi chiar au interzis-o.

Duritatea apei afectează negativ procesul de spălare (inclusiv a corpului

uman), dar influenţează pozitiv patologia cardiovasculară, apa dură fiind

considerată factor protector. Studii mai recente consideră că nu duritatea în sine

este benefică, ci calciul (Ca) şi magneziul (Mg), ai căror compuşi sunt factorul

major determinat al durităţii.

Studii clinice indică un efect favorabil al calciului (Ca), magneziului

(Mg),în schimb sodiul (Na) e incriminat pentru efecte defavorabile.Nitriţii

(NO2-) rezultă din nitraţi înaintea consumului în urma procesului de reducere în

fântâni.

Pentru a determina calitativ şi cantitativ aceste specii anionice şi cationice

prezente în apele subterane,este necesar aplicarea unei metode adecvate de

detecţie şi separare a analiţilor din matrice. Într-o metodă analitică, noţiunea de

sensibilitate corespunde concentraţiei minime intr-o substanţă ce poate fi

determinată cu o anumită siguranţă. Alegerea unei metode de analiză depinde de

sensibilitatea cerută. Cu cât este mai mică proba şi cu cât compusul de interes în

probă este mai puţin prezent cu atât metoda trebuie să fie mai sensibilă. Precizia

se referă la corectitudinea rezultatului obţinut printr-o metodă analitică. La fel ca

şi sensibilitatea, precizia variază de la o metodă la alta. Practic, se va alege

metoda care furnizează gradul de acurateţe cerut. Selectivitatea constituie o

proprietate a unei metode de a furniza o precizie mai mare la determinarea unei

anumite substanţe dintr-un amestec, comparativ cu alte substanţe coprezente. Cu

cât proba este mai complexă, metoda trebuie să fie mai selectivă. Astfel,având in

vedere că ionii sunt prezenţi în apă în concentraţii de ordinul mili şi

microgramelor,cromatografia ionică se pretează a fi o metodă de separare

cromatografică eficientă.

CROMATOGRAFIA IONICĂ.CONSIDERAŢII TEORETICE ŞI

PARTICULARIZĂRI

Metoda separării anionilor şi cationilor prin cromatografie ionică a fost

aplicată în analiza apelor de adâncime. Proba de apă a fost prelevată dintr-o

fântână situată pe un deal în Holboca, comună localizată în NE Iaşului. În ceea

ce priveşte stocarea probei lichide, aceasta s-a făcut într-un recipient special din

polietilenă. Anterior s-a făcut echilibrarea acestuia, prin clătiri succesive cu

volume din proba de interes.

REACTIVI ŞI MATERIALE FOLOSITE.CONDIŢII DE LUCRU.APARATURA

Atât în analiza cationilor cât şi a anionilor s-au utilizat standarde de etalonare ce

conţin analiţii urmăriţi în determinare;standardul este o substanţă a cărei puritate

a fost verificată. De asemenea, în prepararea reactivilor şi pentru diluţia

necesară separării cationilor s-a folosit doar apa ultrapură (deionizată,

demineralizată) şi nu distilată, pentru evitarea contaminării cu gaze dizolvate

sau materiale din pereţii recipientului în care a fost stocată. O apă ultrapură e

apa ce a fost distilată şi deionizată, astfel încât conductivitatea ei să fie de 2

μS/cm sau mai mică. S-a lucrat la un ion cromatograf DIONEX ICS-3000.

Cromatografia este o tehnică de separare,prin care substanţele sunt separate

unele de altele,prin distribuirea lor între două faze şi anume,o fază

staţionară,imobilă(aflată de regulă intr-un tub numit coloană)şi o fază mobilă

aflată în mişcare ce se deplasează prin golurile primei faze.E foarte important ca

cele două faze să fie nemiscibile.Substanţele a căror distribuţie e favorabilă în

faza mobilă,trec prin aceasta şi prin sistem mult mai rapid decât subtanţele a

căror distribuţie e favorabilă în faza staţionară.Se poate spune ca afinitatea

analiţilor faţă de coloană dictează ordinea de eluare din sistem în ordinea

creşterii coeficientului de distribuţie.

Separarea se petrece în coloana cromatografică,piesa cheie a întregii

metode.Faza mobilă,denumită şi eluent scurgându-se încontinuu prin interstiţiile

fazei staţionare,poate provoca migrarea cu viteze diferite a celor n componenţi ai

amestecului de separat de-a lungul coloanei.Pentru cationi,coloana trebuie să

conţină grupări acide,de aceea se foloseşte drept eluent,acidul

metansulfonic,caracterizat de stabilitate ridiicată,în timp ce pentru separarea

anionilor,ca fază mobilă s-a utilizat Na2CO3 şi NaHCO3. Deoarece grupările

funcţionale -SO3- din acidul metansulfonic au o afinitate ceva mai mare pentru

ionii de potasiu decât faţă de cei de sodiu, primul grup de ioni care va ieşi din

coloană va fi cel format din ionii de sodiu şi abia după un timp va ieşi grupul

conţinând ionii de potasiu. Astfel se realizează separarea celor doi

ioni.Amestecul supus separării se introduce sub formă de soluţie la începutul

coloanei,folosindu-se o microseringă,volumul injectat fiind de 10 l.Spalaţi de

eluent,o parte din componenţii probei migrează prin coloană cu viteze

diferite.Acest lucru se datorează interacţiunilor fizice specifice dintre

moleculele probei şi faza staţionară.Efectul este numit retenţie şi acesta

provoacă o aşa-numită migrare diferenţiată. La părăsirea coloanei ionii nu pot fi

detectaţi suficient de sensibil, conductometric, în mod direct, deoarece au

concentraţii coborâte şi sunt conţinuţi în eluentul format dintr-un electrolit - cu o

concentraţie comparabilă sau chiar mai mare. De aceea s-a recurs la supresorul

ionic. Acesta a fost realizat pentru prima dată de un grup de cercetători

american, în 1975 (H. Smallşi colab.) iar iniţial a constat dintr-o coloană-

supresor, plasată în continuarea celei de separare, cu rolul de a transforma

eluentul (un acid sau o bază tare) în apă.Astfel e posibilă sesizarea

componenţilor,pe rând,la părăsirea coloanei,de către un detector de

conductivitate capabil să dea un semnal proporţional cu concentraţia soluţiei de

component din faza mobilă în funcţie de timp.Diagrama semnal,funcţie de timp

se numeşte cromatogramă.

O cromatogramă:

• ilustrează răspunsul detectorului la un compus de analizat din probă la ieşirea

acestuia din coloană ca funcţie de timp sau de volum de fază mobilă adăugată;

• este utilă atât pentru determinările cantitative cât şi calitative;

• furnizează o serie de picuri, unde aria de sub picuri furnizează informaţia

cantitativă despre cantitatea de component iar poziţia picului serveşte pentru

identificarea compusului din probă

Există patru parametri care caracterizează în general viteza de

migrare: timpul de retenţie, coeficientul de partiţie, factorul de capacitate şi

factorul de separare. Aceşti parametri descriu echilibrul de distribuţie care există

şi implicit, transferul soluţiei în cele două faze.

Timpul tR la care apare maximul unui pic, măsurat din momentul

introducerii probei se numeşte timp de reţinere sau retenţie şi este o

caracteristică calitativă a componentului respectiv. Înălţimea picului h sau aria

lui, A, sunt caracteristici cantitative, proporţionale cu cantitatea componentului

din probă. Se notează cu tM timpul în care eluentul şi componentele care nu

interacţionează cu faza staţionară parcurg distanţa până la detector.

Factorul de capacitate k este o funcţie de parametri de solubilitate,

în cazul cromatografiei de separaţie lichid-lichid. Experimental, în vederea

obţinerii unei rezoluţii maxime pe unitatea de timp, trebuie ca valoarea lui k să

fie cuprinsă între 1 şi 5.

Factorul de separare α pentru o anumită coloană de separare este un

parametru utilizat pentru descrierea diferenţelor ce apar între vitezele de migrare

a componenţilor. Se defineşte ca fiind raportul dintre factorii de capacitate kA şi

kB, ai componentului B (care trece mai greu prin coloană) şi A (componentul

care se eluează mai repede) aflaţi în amestec.

După parcurgerea etapelor menţionate mai sus,se obţin cromatograme

cu ajutorul cărora poate fi caracterizată cât mai complex proba de apă.

În determinarea anionilor,pentru trasarea curbei de etalonare,s-au

folosit 4 standarde , iar pentru nitriţi şi nitraţi numai câte 2 standarde.După ce s-

a obţinut curba de etalonare,s-a aflat ecuaţia dreptei cu două necunoscute x şi y;

y reprezintă aria picului corespunzator unui cation şi se obţine după integrarea

manuală a cromatogramei.

F¯ conc areast1 0,2 0,0357st3 1,2 0,2261st4 2,4 0,4605

Cl- conc. areast1 1 0,1202st3 6 0,7949st4 12 1,687

NO2- conc area

st3 6 0,4761st4 12 1,0317

Br- conc areast1 1 0,051st3 6 0,3327st4 12 0,6807

NO3- conc area

st3 6 0,4123st4 12 0,8493

PO43- conc area

st1 2 0,0561st3 12 0,4035st4 24 0,8393

SO42- conc area

st1 1 0,0848st3 6 0,5593st4 12 1,1436

Cromatograma separării anionilor

Astfel,având ecuaţia dreptei dată de standarde şi ariile obţinute din

cromatograma anionilor,se pot obţine concentraţiile acestor specii din apa de

fântână,care ulterior au fost comparate cu valorile maxim admise.

Anioni Conc(mg/l)conc maxim admisă(mg/l)

F- 1,0005 1,5Cl- 118,37 250NO2

-

Br- 0,4991 0,01NO3

-

PO43- 0,9001 0,1

SO42- 126,53 200

Dintre anionii investigaţi,doar Cl- şi SO43- se încadrează în limita de

concentraţie admisă,F- depăşeşte foarte puţin limita,PO43- atinge o concentraţie

de 9 ori mai mare,iar Br- de 50 de ori mai mare.În apele de fântâna s-a observat

că nitriţii şi nitraţii coeluează,conducând la o suprapunere a picurilor,ele nefiind

complet separate,ceea ce nu permite determinarea concentraţiilor

anionilor.Aceste interferenţe sunt puse pe seama descompunerii materiei

organice care poate ajunge în fântână.

Anioni Tr k αF- 3,057 0,532 7,178Cl- 4,503 0,932 1,751NO2

-

Br- 6,5 1,789 1,919NO3

-

PO43- 9,553 3,1 1,732

SO42- 11,23 3,819 1,231

Timpul de retenţie este indicat de cromatogramă pentru fiecare anion în

parte şi indică ordinea de eluţie din coloană a speciilor ionice.Pe baza acestui

raţionament se poate spune că F- eluează din coloană înaintea Cl-,care la rândul

lui eluează înaintea Br-,etc.Factorul de capacitate(k) se calculează funcţie de

timpul de retenţie şi timpul mort şi descrie viteza de migrare a analiţilor prin

coloană.Ideal este ca acest factor să fie între 1-5,interval în care separarea se

desfăşoară în condiţii adecvate.Dacă parametrul de capacitate are valori mai

mici de 1,eluţia intervine atât de rapid,încât determinarea acurată a Tr e foarte

dificilă(cum se observă în cazul F- şi a Cl-).

Pentru analiza cationilor s-au folosit câte 4 standarde cu ajutorul cărora s-a

trasat alte curbe de etalonare.

Li+ conc aria0,025 0,01710,05 0,03910,15 0,10410,2 0,138

Na+ conc aria0,1 0,030,2 0,06790,6 0,15960,8 0,1948

NH4+ conc aria

0,125 0,0350,25 0,08180,75 0,185

1 0,2342

K+ conc aria0,25 0,01480,5 0,0951,5 0,2387

2 0,3007

Mg2+ conc aria0,125 0,0570,25 0,12310,75 0,3204

1 0,4261

Cromatograma separării cationilor

Având toate datele necesare obţinute din cromatogramă şi din curbele de

etalonare,se pot afla şi aici uşor concentraţiile cationilor din apă,dar de această

dată,trebuie să se ţină cont că probei de apă,înainte de analiză,i s-a aplicat o

diluţie de 1:99.

Ca2+ conc aria0,25 0,09720,5 0,17411,5 0,4182

2 0,5517

Apele subterane sunt caracterizate în general printr-o mineralizare mai mare,

conţinutul în sărurile minerale dizolvate fiind peste 400 mg/l şi formate, în

principal, din bicarbonati, cloruri şi sulfaţi de sodiu, potasiu, magneziu si

calciu.Se observă că apa e bogată în săruri de magneziu.În schimb,Li + s-a

dovedit a fi sub limita de detecţie,ceea ce impune alegerea unei alte metode de

analiză mult mai sensibilă la concentraţia mică a cationului;o alternativă ar fi

detecţia Li+ prin absorbţie atomică.

În anul 2000 s-au efectuat analize microbiologice şi chimice pentru a

stabili calitatea apei din fântâna din care am prelevat acum 2 luni o probă pentru

analiză în laborator.Nitriţii şi nitraţii aveau valori cu mult peste limita admisă şi

de asemenea,apa prezenta o duritate ridicată,din cauza concentraţiei crescute în

săruri de magneziu şi

calciu.Deşi ulterior s-a Cationi Conc(mg/l)Conc max admisă(mg/l)

Li+Sub limita de detecţie 1

Na+ 312,2 200

NH4+ 3,53 0,5

K+ 19,06 12

Mg2+ 408,37 50

Ca2+ 192,6 100

mai adâncit fântâna ,concentraţiile cel puţin a sarurilor se menţin peste valorile

limită.

Referinţe :

-descărcat la data 26.05.2010 , http://www.chromatography-online.org/ion-

chromatography/contents.html

- G.J.Tarter,Eluant -Suppressed Ion Chromatography,in Ion Chromatography

37,North Texas State University Denton, 6,10,13(1987)

-descărcat la data 26.05.2010, http://apapura.ro/2010/02/efectele-poluarii-apei-

boli.html