Politechnika Łódzka. Wydział Inżynierii Procesowej i Ochrony Środowiska Inżynieria Bezpieczeństwa Pracy S1, semestr 4.
CZYNNIKI ZAGROŻEŃ CHEMICZNYCH, LABORATORIUM
Instrukcja do ćwiczenia pt.:
OZNACZANIE WĘGLOWODORÓW METODĄ
CHROMATOGRAFII GAZOWEJ NA STANOWISKU
2
Wstęp teoretyczny:
Węglowodory – budowa chemiczna, klasyfikacja i właściwości.
Węglowodory to najprostsze związki organiczne, zawierające w swoich cząsteczkach jedynie atomy węgla i wodoru. Węglowodory występują w naturze w ropie naftowej, gazie ziemnym oraz piaskach (łupkach) bitumicznych (piaskach roponośnych). Mogą one również powstawać w procesie pirolizy (rozkład termiczny) innych związków węgla oraz łupków naftowych, a także w wyniku syntezy chemicznej z H2 i CO2.
Podstawowy podział węglowodorów jest następujący: alkany, alkeny, alkiny i związki aromatyczne.
Rys. 1. Wzory strukturalne przykładowych węglowodorów.
Alkany, zwane również parafinami lub węglowodorami alifatycznymi, to związki, których atomy węgla połączone są ze sobą pojedynczym wiązaniem kowalencyjnym (wiązanie sigma, ). Podobnie jak inne związki organiczne, alkany mogą tworzyć łańcuchy proste lub rozgałęzione, co prowadzi do rozróżnienia trzech klas alkanów: prostołańcuchowych, o łańcuchach rozgałęzionych i alkanów cyklicznych. Przykładem alkenu rozgałęzionego jest 2-metylobutan (Rys.1.) – lotna, łatwopalna ciecz, składnik benzyny i zanieczyszczenie powietrza w skupiskach miejskich.
W podwyższonej temperaturze w obecności powietrza alkany ulegają łatwo reakcji gwałtownego utleniania (spalania). Zwłaszcza alkany o małej masie cząsteczkowej tworzą z powietrzem mieszaniny wybuchowe. Ponadto, spalanie alkanów w warunkach o ograniczonym dostępie powietrza, a także w silnikach samochodowych prowadzi do powstania znacznych ilości tlenku węgla (CO) o silnych własnościach toksycznych.
Alkeny są węglowodorami zawierającymi wiązania podwójne. Z uwagi na dużą reaktywność (reakcje addycji i polimeryzacji) są szeroko wykorzystywane w produkcji polimerów, jak polietylen PE, czy polipropylen PP, czy tez gum. Etylen i buta-1,3-dien (Rys.1.)
3
są łatwopalnymi gazami tworzącymi z powietrzem mieszaniny wybuchowe, co nierzadko było przyczyną pożarów i wybuchów spowodowanych niewłaściwą pracą przy przetwórstwie tych alkenów.
Alkiny charakteryzują się występowaniem wiązania potrójnego pomiędzy atomami węgla. Przykładem jest acetylen (Rys.1.), wysoce łatwopalny, wykorzystywany w znacznych ilościach jako surowiec w przemyśle chemicznym oraz jako surowiec w palnikach acetylenowych.
Węglowodory aromatyczne, zwane również związkami arylowymi mają strukturę pierścieniową opartą na sześciowęglowym pierścieniu benzenu C6H6 (najprostszego węglowodoru aromatycznego, Rys.1). Związki aromatyczne są wyjątkowo trwałe z uwagi na znaczną stabilność wiązań tworzonych przez chmurę zdelokalizowanych elektronów obecnych w pierścieniach benzenowych (tzw. stabilizacja rezonansowa).
Benzen jest lotną bezbarwną i łatwopalną cieczą, wykorzystywaną m.in. do produkcji żywic fenolowych i poliestrowych, tworzyw polistyrenowych, surfaktantów alkilobenzenowych, chlorobenzenów, insektycydów i barwników. Jest związkiem toksycznym.
Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA lub ang. PAH – Plolycyclic Aromatic Hydrocarbons) charakteryzują się tym, że mają w swojej strukturze układ skondensowanych pierścieni benzenowych. Powstają przede wszystkim w procesach niecałkowitego spalania i pirolizy innych węglowodorów występujących powszechnie w silnikach pojazdów mechanicznych, piecach stosowanych w procesach technologicznych, dymie papierosowym, czy grillowaniu potraw.
Naftalen jest najprostszym policyklicznym węglowodorem aromatycznym (Rys.2.) Jest to białe, lotne ciało stałe o charakterystycznym zapachu, o licznych zastosowaniach w przemyśle chemicznym, wykorzystywane również m.in. jako środek przeciwmolowy. Innym, dobrze poznanym WWA jest benzo(a)piren (Rys.2.) stanowiący duże zagrożenie toksyczne.
Rys. 2. Przykładowe wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA).
Toksyczność wybranych węglowodorów
Ekspozycja pracowników na alkany, szczególnie o małej masie cząsteczkowej jak metan CH4 i
etan C3H6 zachodzi najczęściej poprzez wchłanianie drogami oddechowymi. Metan i etan są tzw. prostymi środkami duszącymi, co oznacza, że powietrze zanieczyszczone dużą dawką tych gazów nie zawiera dostatecznej ilości tlenu do podtrzymania oddychania. Już przy procentowej zawartości tych gazów w powietrzu przekraczającej 33% zauważalne są efekty upośledzenia
4
świadomości umysłowej oraz koordynacji mięśniowej człowieka. Przy 75% zawartości metanu i/lub etanu w powietrzu trwającym kilka minut, następuje zgon.
Podobne właściwości toksyczne mają również propan C3H8 i butan C4H10, będące gazami w temperaturze pokojowej i pod ciśnieniem atmosferycznym. Propan w dużym stężeniu oddziałuje negatywnie na centralny układ nerwowy.
Ekspozycja na pary ciekłych alkanów C5–C8, zachodząca przez drogi oddechowe może powodować u ludzi zawroty głowy i utratę koordynacji ruchowej w wyniku depresji układu nerwowego. Szczególnym przypadkiem jest tu heksan (oraz cykloheksan), wykorzystywany, nie jako paliwo, ale będący rozpuszczalnikiem i ekstrahentem w wielu procesach technologicznych, również polimeryzacyjnych. Ekspozycja na n-heksan może powodować, tzw. polineuropatię, czyli rozstrój układu nerwowego). Z kolei, ekspozycja skóry na alkany ciekłe C5–C8 powoduje zapalenie skóry. Jest to najczęstszy problem toksykologiczny związany z wykonywaniem zawodu, z użyciem ciekłych węglowodorów w miejscu pracy.
Najprostsze alkeny, tj. etylen i propylen, a także buta-1,3-dien, są szeroko wykorzystywane w technologii wytwarzania polimerów, odpowiednio: polietylenu, polipropylenu i syntetycznego kauczuku (kopolimer styrenowo-butadienowy). Etylen i propylen są gazami duszącymi, wywołującymi utratę przytomności, jednak charakteryzują się małą rozpuszczalnością w układzie krwionośnym. Jeżeli chodzi o buta-1,3-dien, to jego pary, przy małych stężeniach, są drażniące dla oczu i błon śluzowych układu oddechowego, natomiast przy stężeniach większych powoduje utratę przytomności, a nawet śmierć. Jest on podejrzewany o działanie kancerogenne, jednak dotychczasowe badania robotników wystawionych na jego działanie, nie potwierdziły tej hipotezy.
Acetylen (najprostszy alkin) nie jest wyraźnie toksyczny, choć posiada właściwości duszące i
narkotyczne. Ekspozycja na ten bezbarwny gaz może powodować bóle i zawroty głowy oraz zaburzenia żołądkowe.
Wysoko toksyczny benzen (C6H6), czyli najprostszy węglowodór aromatyczny powoduje zarówno ostre jak i przewlekłe objawy zatruć. Zwykle jest absorbowany w postaci par przez układ oddechowy, wdychanie powietrza zawierającego około 64 g/m3
benzenu w ciągu kilku minut może doprowadzić do śmierci. Ekspozycja na około 1/10 tego stężenia w ciągu godziny wywołuje ostre zatrucie wraz z narkotycznym oddziaływaniem na centralny układ nerwowy (pobudzenie, depresja, niewydolność układu oddechowego i śmierć). Możliwa jest również toksyczna absorpcja cieczy przez skórę i układ pokarmowy, czego skutkiem jest rumień i obrzęk z towarzyszącym uczuciem palenia.
Przewlekła ekspozycja na benzen daje niespecyficzne objawy takie jak zmęczenie, ból głowy, czy utrata apetytu. Można również zaobserwować w tym przypadku nieprawidłowości związanych z układem krwionośnym wynikającym ze toksycznego działania benzenu na szpik kostny (obniżenie liczby białych krwinek oraz płytek krwi, nadmierny wzrost liczby limfocytów). Długoterminowa ekspozycja na benzen może powodować białaczkę (leukemię).
5
Pochodne benzenu jak toluen, ksyleny i etylobenzen również wykazują działanie toksyczne. Związki te są popularnymi rozpuszczalnikami i składnikami benzyny. Zwiększone ich stężenie w powietrzu (rzędu 500 ppm) może powodować ból głowy, mdłości, zmęczenie oraz kłopoty z koordynacją.
Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne, np. benzo-a-piren występują w dużych ilościach w środowisku naturalnym (gleba, powietrze). W wyniku wdychania dymu, zwłaszcza papierosowego, płuca są najbardziej prawdopodobnym miejscem powstawania nowotworu wywołanego ekspozycją na związki WWA. Ponadto, obecność tych związków stwierdzono w produktach żywnościowych przygotowywanych w warunkach pirolizy, w związku z czym, podejrzewa się również powodowanie przez nie nowotworów przewodu pokarmowego (np. rak przełyku).
Głównym źródłem naftalenu, czyli najprostszego WWA, są ropa naftowa i smoła węglowa. Wdychanie, jak i spożycie naftalenu może powodować poważne efekty hemolityczne (z anemią włącznie), a także neurologiczne (bóle głowy, dezorientacja, wymioty). Metabolity naftalenu mogą wywierać szkodliwe działanie na oczy, skutkując zaćmą i zwyrodnieniem siatkówki. W przypadku niewydolności nerek, zatrucia naftalenem mogą okazać się śmiertelne.
Pobieranie próbek gazowych do analizy.
Tradycyjny pomiar stężeń zanieczyszczeń powietrza składa się z trzech etapów: 1. Pobór próbki zanieczyszczonego powietrza;
2. Analiza ilościowa zanieczyszczeń w próbce;
3. Przeliczenie wyników analizy na wymagane jednostki stężeń;
Znaczący wpływ na dokładność końcową wyników pomiarów ma pobór próbek. W dużym uproszczeniu stosuje się tu przede wszystkim dwie metody (aspiracyjną i izolacyjną), a wybór jednej z nich determinuje przede wszystkim stężenie zanieczyszczeń w powietrzu:
Metoda aspiracyjna poboru zanieczyszczeń jest stosowana w przypadku niskiego stężenia
zanieczyszczeń w miejscu poboru. Metoda polega na przepuszczeniu znanej objętości badanego powietrza przez odpowiednio dobrane substancje ciekłe lub stałe zwane sorbentami, których celem jest pochłonięcie (związanie) substancji oznaczanej. Czynnikami powodującymi takie związanie mogą być: rozpuszczanie, absorpcja, adsorpcja, chemisorpcja lub też reakcje chemiczne.
W skład zestawu aparatury stosowanej w metodzie aspiracyjnej wchodzą: 1. Pochłaniacze, w których umieszcza się sorbent (np. płuczka gazów);
2. Przyrządy do wyznaczania objętości przepuszczonego powietrza (np. rotametr); 3. Urządzenia zasysające powietrze (pompa);
W przypadku występowania wysokich stężeń zanieczyszczeń powietrza stosuje się izolacyjną
metodę poboru próbek. Metoda ta polega na pobraniu do naczynia (np. tzw. pipety gazowej)
6
lub metalowe rury o pojemnościach od 100 do 1000 cm3, zakończone kranami na szlif lub teflonowymi. Przed pobraniem próby wytwarza się w pipecie podciśnienie wypompowując z niej powietrze za pomocą pompy próżniowej. Następnie, w miejscu poboru próby otwiera się krany, a po wypełnieniu powietrzem zamyka i zawartość pipety poddaje analizie, np. techniką chromatografii gazowej (GC).
Techniki chromatograficzne – podstawy i podział.
Chromatografia jest metodą rozdzielania oraz analizy (jakościowej i ilościowej) mieszanin, w
której rozdzielane składniki ulegają podziałowi między dwie fazy, z których jedna jest fazą
nieruchomą (stacjonarną), a druga fazą ruchomą (mobilną) układu chromatograficznego.
Fazą stacjonarną może być ciało stałe, ciecz na nośniku lub żel, a fazą ruchomą – gaz, ciecz i gaz lub ciecz w stanie nadkrytycznym (fluid).
Podstawę klasyfikacji metod chromatograficznych mogą stanowić: 1. Stan skupienia fazy ruchomej:
Chromatografia gazowa; Chromatografia cieczowa; Chromatografia fluidalna; 2. Stan skupienia fazy stacjonarnej:
Chromatografia w układzie gaz-ciecz (ang. Gas-liquid chromatography, GLC); Chromatografia w układzie ciecz-ciecz (ang. Liquid-liquid chromatography, LLC); Chromatografia w układzie gaz-ciało stałe (ang. Gas-solid chromatography, GSC); Chromatografia w układzie ciecz-ciało stałe (ang. Liquid-solid chromatography,
LSC);
Ciało stałe stanowiące fazę stałą układu chromatograficznego może mieć charakter: adsorbentu, wymieniacza jonowego lub sita molekularnego, zatem nasuwa się również podział technik chromatograficznych związany z naturą zjawisk będących podstawą procesu rozdziału mieszanin:
a). Chromatografia adsorpcyjna – rozdzielanie mieszanin jest uwarunkowane różnym powinowactwem adsorpcyjnym składników mieszaniny do odpowiednio dobranej powierzchni fazy stacjonarnej, zwanej adsorbentem;
b). Chromatografia podziałowa – rozdzielanie mieszanin jest oparte na różnicach w wartościach współczynnika podziału składników mieszaniny między dwie niemieszające się fazy, z których jedna jest fazą stacjonarną (ciecz) osadzona na nośniku, a drugą fazą ruchomą (ciecz, fluid, gaz);
c). Chromatografia jonowymienna – podstawę rozdzielania stanowią reakcje wymiany jonowej między jonami z roztworu a jonami związanymi z fazą stacjonarną, którą stanowią jonity (nierozpuszczalne substancje wielkocząsteczkowe o budowie jonowej, zdolne do
7
wymiany jonów – jeżeli jest to wymiana kationów, wówczas jonit nazywa się kationitem, a jeżeli wymiana anionów – jonit nazywa się anionitem);
d). Chromatografia sitowa (sączenie molekularne – chromatografia żelowa) – O rozdziale substancji decydują tu rozmiary cząstek. Wypełnienie kolumn stanowią żele o zdefiniowanych średnicach porów, zbliżonych do rozmiarów cząsteczek analizowanych substancji. W kolumnie wypełnionej takim żelem substancje rozdzielane, o dużych rozmiarach cząsteczek, większych od średnicy porów wypełnienia, przesuwają się wzdłuż kolumny i przechodzą do wycieku, nie penetrując ziaren wypełnienia. Z kolei, cząsteczki o małych rozmiarach wnikają w pory żelu. Im mniejsze są rozmiary cząsteczek, tym głębiej penetrują one ziarna żelu, a tym samym wolniej migrują wzdłuż kolumny. Rozdzielanie zachodzi więc na skutek różnicy mas cząsteczkowych rozdzielanych związków.
Rozdzielanie składników mieszanin metodami chromatograficznymi realizuje się w aparatach zwanych chromatografami i prowadzi się najczęściej techniką wymywania, czyli tzw. elucji. Od góry kolumny chromatograficznej wprowadza się próbkę analizowanej mieszaniny, a następnie przepuszcza się fazę ruchomą, która gra rolę nośnika próbki, czyli czynnika wymywającego. Efektem rozdzielania chromatograficznego jest tzw. krzywa elucji, czyli
chromatogram.
Chromatogram przedstawia wykres zależności wskazań detektora od czasu lub rzadziej od objętości fazy ruchomej (Rys.3).
Rys.3. Przykładowe chromatogramy GC: mieszaniny 4-składnikowej (po lewo), mieszaniny
węglowodorów (po prawo);
Całkowity czas retencji danego składnika mieszaniny to czas liczony od momentu wprowadzenia próbki (injekcji) do momentu pojawienia się na chromatogramie maksimum piku, tzn. do momentu pojawienia się na wyjściu z kolumny maksymalnego stężenia tego składnika wymywanej mieszaniny.
8
Chromatografia gazowa – Aparatura.
Chromatografia gazowa (GC) jest szybką i skuteczną metodą rozdzielania mieszanin związków lotnych, znajdującą szerokie zastosowanie do identyfikacji i oznaczeń ilościowych złożonych mieszanin. Chromatografy gazowe można podzielić na:
a). Laboratoryjne;
b). Procesowe, stanowiące część instalacji przemysłowych i używane w ciągłej, automatycznej kontroli procesów technologicznych;
c). Przenośne (walizkowe lub kieszonkowe) o małych rozmiarach, służące do oznaczeń polowych (in-situ);
W skład zestawu chromatografu gazowego (Rys.4.) wchodzą: 1. Zbiornik gazu nośnego;
2. Regulator przepływu gazu nośnego; 3. Dozownik (multizawór dozujący); 4. Kolumna chromatograficzna;
5. Termostat dozownika, kolumny i detektora; 6. Detektor (np. TCD, FID);
7. Przepływomierz;
8. Wzmacniacz sygnału i zestaw komputerowy z oprogramowaniem;
Rys.4. Schemat ideowy chromatografu gazowego (po lewo) i zdjęcie chromatografu SRI 8610
C wykorzystywanego podczas ćwiczeń z zaznaczonymi elementami aparaturowymi (TCD, HID, FID – detektory) (po prawo);
9
Cel ćwiczenia i jego wykonanie.
Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z techniką chromatograficznej analizy jakościowej i ilościowej węglowodorów na podstawie pomiaru GC próby powietrza zanieczyszczonego modelowym węglowodorem lotnym (metan, CH4).
Badanie na chromatografie gazowym (model SRI 8610 C) próbki powietrza zanieczyszczonego modelowym węglowodorem lotnym (metan, CH4), wygląda następująco. Analizowaną próbkę mieszaniny podaje się do pętli kolumny chromatograficznej (o pojemności 100 m) poprzez nastrzyk bezpośredni na zawór dozujący. Do pętli doprowadzany jest gaz nośny (He), który jest czynnikiem wymywającym. W termostatowanej w temperaturze 60o
C kolumnie z adsorbentem HayeSep D (porowaty kopolimer diwinylobenzenu DWB) następuje rozdział mieszaniny na składniki, które opuszczają je w różnym czasie (czas retencji) i są wykrywane przez detektor TCD (katarometr, detektor cieplno-przewodnościowy), którego idea działania polega na wykorzystaniu różnicy przewodności cieplnej gazu nośnego i składników analizowanej próbki. Sygnały z detektora, odpowiednio wzmocnione, dają wykres w postaci pasm zwany chromatogramem. Pole powierzchni pików zidentyfikowanych dla poszczególnych składników mieszaniny na chromatogramie są miarą ilości składnika w próbce.
Ćwiczenie składa się z dwóch etapów:
I. Wyznaczenie krzywej wzorcowej powierzchni pasma chromatograficznego metanu ACH4 w funkcji zawartości metanu w mieszaninie z powietrzem (ułamek molowy yCH4).
W tym etapie na kolumnę chromatograficzną zostanie podana mieszanina powietrza technicznego ze znanymi ilościami metanu (butle z powietrzem i CH4, masowe kontrolery przepływu). Na podstawie wyznaczonych wartości pola powierzchni pasma chromatograficznego (piku) metanu zostanie określona zależność ACH4 = f(yCH4) (Rys.5a.); II. Oznaczenie nieznanej ilości metanu w próbce zanieczyszczonego powietrza.
Nastrzyk próbki powietrza z nieznaną ilością metanu z napełnionej uprzednio przez osobę prowadzącą torby wielowarstwowej z króćcem z membraną chromatograficzną (septą). Zadaniem grupy będzie wyznaczenie pola powierzchni pod pikiem metanu (AX) i na jego podstawie określić graficznie (korzystając z wykreślonej w pkt.I krzywej wzorcowej) udział metanu w próbce powietrza (yX) (Rys.5b.);
10
Zaliczenie ćwiczenia odbywa się na podstawie obecności, czynnego uczestnictwa w analizie chromatograficznej oraz wykonania sprawozdania zawierającego krótki opis ćwiczenia, wykreśloną komputerowo (np. w programie MS Excel) krzywą wzorcową z naniesionymi punktami doświadczalnymi, odczyt graficzny szukanej wartości udziału metanu w próbce, wnioski oraz załączniki w postaci wydruków chromatogramów wygenerowanych przez oprogramowanie chromatografu.
Źródła literaturowe.
Fizykochemiczna analiza zanieczyszczeń powietrza, red. I. Trzepierczyńska, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1997;
Toksykologia środowiska. Aspekty chemiczne i biochemiczne, S.E. Manahan, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2010;
Chromatograficzna analiza gazów, C.J. Cowper, A.J. DeRose, Wydawnictwa Naukowo Techniczne, Warszawa 1988;
Metody instrumentalne w analizie chemicznej, W. Szczepaniak, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2010;
