Спосіб експресного та селективного визначення концентрації мангану

Спосіб експресного та селективного визначення концентрації мангану у воді, що полягає в тому, що аналізовану пробу води для аналізу, відфільтровують через фільтр, вносять 0,5 г персульфату калію, 0,5 мл нітрату аргентуму (0,05 моль/л), 5 мл нітратної кислоти (0,3 моль/л), 5 мл фосфорної кислоти (0,1 моль/л) і кип'ятять на еле 3 формальдоксимом, яка супроводжується утворенням червоно-коричневого комплексу (Марченко 3. Фотометрическое определение элементов. - М: Мир, 1971. - 324 с.). Недолік даного способу обумовлено необхідністю відокремлення окисників і органічних молекул в аналізуємій пробі, що ускладнює його використання у польових умовах в якості тест-способу. Відомий тест-спосіб визначення мангану (II), з використанням індикаторного паперу на який нанесено о-толідин, вину кислоту і сульфат магнію. Спосіб застосовують для визначення мангану в діапазоні 5-500 мг/л. (Золотов Ю.А., Иванов В.М., Амелин В.Г. Химические тест-методы анализа М.: Едиториал УРСС, 2002. - 304 с.). Недоліком способу є мала чутливість, що потребує проведення додаткових стадій концентрування аналізованої проби. Прототипом, тобто найбільш близьким за науково-технічною сутністю і аналітичним результатом, що досягається, є спосіб визначення мангану викладений у статті авторів: Экспериандова Л.П., Гудзенко Л.В., Панталер Р.П., Федоров А.И., Городилова Л.И., Гребенюк И.И. Бланк А.Б. (Методы и объекты химического анализа. - 2007. - Т. 2, № 1. С. 30–34). Даний спосіб полягає в тому, що попередньо в лабораторії готують індикаторну плівку наступним чином: на майларову плівку розміром 180x60 мм на відстані 15-16 мм поміщають 20-25 мг сухої суміші періодату калію і сульфату барію при масовому співвідношенні 2:1, додають краплю (≈0,03 мл) буферної суміші з рН 3,6-3,8 (0,25 моль/л гідрофосфату калію і 0,25 моль/л фосфорної кислоти), 1,10-фенантроліну (9,1·10-4 моль/л), нітрилотриоцтової кислоти (1·10-4 моль/л), тритону Х-1002 (6·10-5 моль/л) і полівінілпіролідону (1,4·10-8 моль/л). Отриману плівку висушують при 45 °С і витримують протягом 5-ти годин у ацетоновій суміші розчинів малахітового зеленого (1,5·10-3 моль/л), родаміну 6Ж (8·10-4 моль/л), диметилгліо-2 ксиму (4,3·10 моль/л) і висушують при кімнатній температурі у сухому, темному місці. Одну краплю відібраної проби води наносять на реакційну зону індикаторної плівки, вмикають секундомір і виміряють час (хв.) до початку зміни забарвлення індикаторної зони в порівнянні з забарвленням індикаторної зони контрольного досліду. Концентрацію мангану в аналізуємій пробі встановлюють за заздалегідь побудованому графіку в координатах СMn (мг/мл) – t0 (хв). Недоліком способу є його складність і трудомісткість процесу аналізу, а також необхідність суворого дотримання кінетичних параметрів реакції, що ускладнює вірогідність отримання достовірних результатів у польових умовах про вміст мангану. Задачею, на рішення якої спрямована пропонована корисна модель є розробка способу експресного та селективного визначення концентрації мангану у воді з техніко-економічним ефектом, що полягає у можливості використання способу для поза лабораторних або польових умов з використанням візуально-колориметричного методу, основаного на порівнянні зміни забарвлення тканинних зразків з забарвленням заздалегідь підготовленої колірної тест-шкали, в залежності від концентрації 58289 4 мангану (II) у воді, внаслідок реакції комплексоутворення мангану (VII) з кармоазіном на поверхні тканинних зразків. Спосіб експресного та селективного визначення концентрації мангану у воді полягає в тому, що аналізовану пробу води для аналізу, відфільтровують через фільтр, вносять 0,5 г персульфату калію, 0,5 мл нітрату аргентуму (0,05 моль/л), 5 мл нітратної кислоти (0,3 моль/л), 5 мл фосфорної кислоти (0,1 моль/л) і кип'ятять на електроплитці (15-20 хв) та додають оцтово-ацетатну буферну суміш з рН≈6÷7. У підготовлену пробу води занурюють заздалегідь оброблений реагентом матеріал, який змінює колір завдяки утворенню на поверхні комплексу мангану, інтенсивність якого залежить від концентрації мангану (ІІ) у взятій пробі, після чого порівнюють забарвлення зразків з колірною тест-шкалою і по збігу забарвлення зразку і стандарту на шкалі визначають концентрацію мангану(ll) у воді, який відрізняється тим, що в якості основного реагенту використовують азобарвник – кармоазін; буферного розчину – оцтовоацетатну суміш з рН 6÷7, твердих носіїв – тканинний матеріал з льону. Загальними ознаками пропонованого способу і прототипу є наступні: у відібрану кількість води додають буферний розчин та перемішують, потім у підготовлену пробу води занурюють оброблений реагентом твердий зразок (носій), який завдяки утворенню на поверхні комплексу з манганом (VII) змінює колір, інтенсивність якого залежить від концентрації мангану (II) у взятій пробі, після чого порівнюють забарвлення зразків з колірною тестшкалою і по збігу забарвлення зразку і стандарту на шкалі визначають концентрацію мангану у воді. Відмінними (новими) ознаками пропонованого способу від прототипу є наступні: в якості основного реагенту використовують азобарвник – кармоазін; буферного розчину – оцтово-ацетатну суміш з рН 6÷7, твердих носіїв – тканинний матеріал з льону. Вказана задача вирішується у пропонованому способі і здійснюється наступним чином: відбирають визначену кількість води для аналізу, потім відфільтровують через фільтр, вносять 0,5 г персульфату калію, 0,5 мл нітрату аргентуму (0,05 моль/л), 5 мл нітратної кислоти (0,3 моль/л), 5 мл фосфорної кислоти (0,1 моль/л) і кип'ятять на електроплитці (15-20 хв) та додають оцтово-ацетатну буферну суміш з рН≈6÷7 (при створенні кислотності середовища 6>рН>7, точність визначення зменшується до 50 %). У підготовлену пробу води занурюють заздалегідь оброблений реагентом матеріал, який змінює колір завдяки утворенню на поверхні комплексу мангану, інтенсивність якого залежить від концентрації мангану(ІІ) у взятій пробі. Потім порівнюють забарвлення тканинного матеріалу зразків з колірною шкалою у вигляді набору забарвлених квадратиків (кружечків), колір кожного з яких відповідає певній концентрації мангану (II) у воді (0 - 0,1 - 0,8 - 1,5 - 2,2 - 2,9 - 3,6 - 4,4 - 5,1 - 5,8 - 6,5 - 7,2 - 7,9 мкг/мл), і по збігу забарвлення матеріалу і відповідного стандарту на шкалі судять про концентрацію мангану у воді. Таким чином, проводять напівкількісне визначення кон 5 центрації мангану у воді в діапазоні концентрацій від 0,1 до 7,9 мкг/мл (див. колірну шкалу рис. 1), що дозволяє використовувати пропонований спосіб у поза лабораторних або польових умовах. Для кількісного визначення концентрації мангану у воді, отримані зразки коричневого забарвлення (колір зразку зберігається незмінним понад одного місяця) транспортують у стаціонарну лабораторію, де інтенсивність забарвлення тканинного матеріалу і, як наслідок, концентрацію мангану у воді більш точно визначають за калібрувальним графіком, побудованого за спектрами дифузійного відбиття методом твердофазної електронної спектрофотометрії. Для здійснення пропонованого способу необхідні такі пристосування: заздалегідь підготовленні тканинні зразки модифіковані кармоазіном, лабораторний посуд ємністю ≈50-100 мл і колірна шкала, побудована у діапазоні концентрацій мангану (ІІ) від від 0,1 до 7,9 мкг/мл з інтервалом 0,7 мкг/мл. Спосіб ілюструється наступними прикладами. Приклад 1 Попередньо в стаціонарній лабораторії будували колірну шкалу у вигляді кольорової таблиці (Фіг.1.), яка містила набір тканинних зразків квадратної форми з різним забарвленням кожного з них (від червоного до темно-коричневого). Забарвлення кожного зразку відповідало певній концентрації мангану (VII) у воді: 0 - 0,1 - 0,8 - 1,5 - 2,2 2,9 - 3,6 - 4,4 - 5,1 - 5,8 - 6,5 - 7,2 - 7,9 мкг/мл. Для цього, вирізали тканинні зразки (квадратної або круглої форми) загальною площею ≈4 см2 з льняної тканини білого кольору. Кожен зразок занурювали у розчин кармоазіну з концентрацією 1·10-2 моль/л при рН 2 на 10 хв, після чого його промивали дистильованою водою і висушували при кімнатній температурі, в результаті чого зразки набували червоного кольору. В 13 склянках готували по 50 мл водного розчину солі мангану (II), вносили 0.5 г персульфату калію, 0.5 мл нітрату аргентуму (0.05 моль/л), 5 мл нітратної кислоти (0.3 моль/л), 5 мл фосфорної кислоти (0,1 моль/л) і кип'ятили на електроплитці (15-20 хв) та додавали оцтово-ацетатну буферну суміш з рН≈6÷7, у кожному з яких містилося по: 0 - 0,1 - 0,8 - 1,5 - 2,2 - 2,9 - 3,6 - 4,4 - 5,1 - 5,8 - 6,5 - 7,2 - 7,9 мкг/мл. мангану. У кожен підготовлений розчин занурювали червоний зразок тканинного матеріалу на 15 хв. Унаслідок реакції комплексоутворення мангану (VII) з кармоазіном, на поверхні тканинного матеріалу утворювався комплекс різної інтенсивності забарвлення, відповідно концентрації мангану у розчинах. Отримані забарвленні зразки промивали водою та розташовували на білому папері у порядку зростання концентрації іонів мангану (Фіг.1). Одержували різнобарвну шкалу з відповідних зразків від червоного до темно-коричневого. Готували 50 мл модельного розчину мангану (II), вносили 0.5 г персульфату калію, 0.5 мл нітрату аргентуму (0.05 моль/л), 5 мл нітратної кислоти (0.3 моль/л), 5 мл фосфорної кислоти (0,1 моль/л) і кип'ятили на електроплитці (15-20хв) та додавали оцтово-ацетатну буферну суміш з рН≈6÷7, та занурювали червоний зразок тканини, який зазда 58289 6 легідь модифікований кармоазіном. Протягом 15 хв. тканинні зразки (червоного кольору) забарвлювались у відповідний колір комплексу, потім їх виймали і промивали дистильованою водою. Порівнювали інтенсивність забарвлення тканинного матеріалу з кольором на візуальноколориметричній шкалі і по збігу забарвлення матеріалу і відповідного стандартного зразку на шкалі встановлювали концентрацію мангану у модельному розчині, яка дорівнювала 3,6 мкг/мл, отже концентрація мангану у розчині також дорівнює 3,6 мкг/мл. Експеримент повторювали 3 рази, тобто використовували 3 тканинних зразки модифікованих кармоазіном, та всі 3 рази колір зразку після занурення його у водний розчин мангану, був однаковий з кольором на колірній шкалі, що відповідає концентрації мангану - 3,6 мкг/мл. Далі забарвлені зразки з тканини у лабораторії кафедри аналітичної хімії Одеського національного університету імені 1.1. Мечникова аналізували методом твердофазної спектрометрії на приладі СФ-56. В усіх трьох пробах концентрація мангану складала 3,8 мкг/мл. Похибка визначення складала 5,3 %. Приклад 2 Для випробування селективності запропонованої корисної моделі «Спосіб експресного та селективного визначення концентрації мангану» для напівкількісного тест-визначення мангану у поза лабораторних умовах, з використанням колірної шкали готували модельні розчини, що відображають реальний склад стічних вод промислових виробництв, а саме у присутності кратних співвідношень «іон мангану : сторонній іон», які не заважають його визначенню: Na+ (1:2200), К+(1:1800), NO3- (1:800), F- (1:500), Mg2+(1:500), Zn2+ (1:100), Ni2+ (1:15), Co2+ (1:15), Cu2+( 1:10), Cd2+ (1:10), MoO42- (1:5), WO42- (1:5), Cr2O72- (1:50), Fe3+ (1:20), Al3+ (1:15), Cr3+ (1:3); Ce4+(l:100). Умови проведення експерименту аналогічні прикладу 1, за виключенням, вихідної концентрації мангану у воді, яка дорівнювала 4,4 мкг/мл. Експеримент повторювали 3 рази, тобто використовували 3 тканинних зразки модифікованих кармоазіном, та всі 3 рази колір зразку після занурення його у водний розчин (модельний) мангану був однаковий з кольором на колірній шкалі, що відповідає концентрації мангану - 4,4 мкг/мл. Далі забарвлені зразки з тканини у лабораторії кафедри аналітичної хімії Одеського національного університету імені 1.1. Мечникова аналізували методом твердофазної спектрометрії на приладі СФ-56. В усіх трьох пробах концентрація мангану складала 4,7 мкг/мл. Похибка визначення складала 6,3 %. Таким чином, можна зробити висновок, що іони які присутні у стічних водах промислових виробництв, не заважають визначенню мангану пропонованим способом, який може бути застосований для контролю за його вмістом у воді. Економічний ефект: Мала вартість аналізу однієї проби води пропонованим способом. Ціна одного незабарвленого тканинного квадратика площею 4см2 ≈ 0,05 грн.; оцтово-ацетатна буферна суміш (20 мл) ≈ 0,03грн; водневий розчин кармоазіну концентрації 1·10-2 моль/л ≈ 0,30 грн; персульфату калію (0.5 г) ≈ 0,01 грн; нітрат аргентуму 7 58289 (0.5 мл 0.05 моль/л) ≈ 0,02 грн; нітратна кислота (5 мл 0.3 моль/л) ) ≈ 0,01 грн; фосфорна кислота (5 мл 0,1 моль/л)) ≈ 0,01 грн. Вартість аналізу пропонованим способом суттєво менше ніж у прототипу, для тих самих концентрацій 0,1÷7,9 мкг/мл. Розрахунки показують, що загальна вартість визначення концентрації мангану в одній пробі води, способом який пропонується складає до 1 грн., в залежності Комп’ютерна верстка Л. Купенко 8 від необхідності проведення попередньої стадії пробопідготовки, а у прототипі не менш 3÷5грн. Таким чином, пропонований спосіб є більш економічним, простим і селективним, який не потребує використання складного стаціонарного обладнання і може бути використаний у поза лабораторних або польових умов для експресного та селективного визначення концентрації мангану у воді. Підписне Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601