Laboratórne postupy stanovenia PCB látok - Dokončenie

Vzhľadom k tomu, že ide stále o aktuálnu problematiku týkajúcu sa likvidácie toxických odpadov obsahujúcich PCBs látky na Slovensku (v Chemko a. s. Strážske, transformátorové oleje na báze Delorov, kontaminované zariadenia, kontaminovaná pôda, atď.), by som chcel v tejto záverečnej časti týchto článkov bližšie rozobrať posledne spomínanú analytickú metódu ich stanovenia – metódu GC-MS (plynovej chromatografie s hmotnostnou detekciou). Touto metódou boli analyzované už aj prvé odobraté vzorky pri zásahu v roku 2019 z areálu spoločnosti CRW s. r. o. Bratislava, ktorá odkúpila tieto pozemky od spoločnosti Chemko a. s., Strážske vo výmere cca 200 ha (údaj z čiastočného listu vlastníctva).

V tomto čase tam boli a možno ešte sú umiestnené dva provizórne sklady vo vlastníctve spoločnosti Chemko, a. s. Strážske, ktorá je v súčasnosti v konkurze. Ako som už písal v predchádzajúcich článkoch, spomínaného výjazdu, spojeného s odberom a analýzou vzoriek, som sa osobne zúčastnil a prvé vzorky som analyzoval metódou HS (headspace – extrakcia plynom) GCMS v laboratóriu KCHL CO v Jasove. Išlo o zrýchlenú metódu analýzy, vylučujúcu kontamináciu nástrekového priestoru plynového chromatografu, avšak trochu na účet čiastočného zníženia citlivosti metódy. Na podrobnejšie analýzy nebol v tomto čase poskytnutý dostatočný časový priestor a neboli ani zakúpené potrebné chromatografické štandardy kongenérov PCBs. Následne, po mojom odchode do dôchodku nemám vedomosti, či analýzy boli zopakované citlivejšími metódami, ktoré sa budem snažiť popísať v tomto článku, pravdepodobne neboli. Avšak tieto prvé analýzy ukázali prvotný pohľad na danú situáciu.

Odobraté vzorky z voľného priestranstva v areáli spoločnosti CRW s. r. o., nevykazovali pri tejto analýze prítomnosť PCBs látok. V týchto vzorkách boli stanovené organické látky ako sú: bifenyl, zbytky nezreagovaného benzénu a terfenyly, ktoré vznikli ako destilačné zvyšky z výroby bifenylu. Pre zopakovanie, z benzénu sa vyrábal bifenyl, ktorý ako konečný produkt bol vo forme bielych šupiniek. Ten sa používal sa ako konzervačná látka v potravinárskom priemysle, ako surovina pre výrobu plastov, ako aj surovina pri výrobe PCB a surovina na ďalšie chemické výroby. S výrobou bifenylu sa v Chemku začalo oveľa skôr ako s výrobou PCB. Ako bývalý pracovník Chemko a. s. Strážske si dobré pamätám na reklamáciu dodávky bifenylu do Švajčiarska (cca okolo roku 1985). Z ich finálneho výrobku hotového plastu, ktorý nám zaslal odberateľ späť, vyčnievali kúsky železných pilín. Tie sa do bifenylu dostali z jeho výroby, pri zoškrabovaní šupiniek vodou chladeného železného valca ostrým oceľovým nožom.

Samotný bifenyl a terfenyly sú iba málo rozpustné vo vode, tak ako aj polychlórované bifenyly. Iba vzorky odobraté z provizórnych skladov patriacich do vlastníctva Chemka, „bývalá ošípareň“ a „stará tepláreň“, označených na vstupe do skladu listom odpadu s informáciou o prítomnosti toxických PCB látok, poukázali po analýze na prítomnosť PCB látok. Nevylučujem však ani kontamináciu pôdy, respektíve podzemných vôd v blízkosti týchto skladov, respektíve aj inej časti lesného pozemku. Avšak za účelom tohoto zistenia by sa musel odobrať radovo vyšší počet vzoriek a následne ich analyzovať metódou GCMS za použitia klasickej extrakcie. Tu ale chcem ešte raz pripomenúť, že samotné finálne výrobky ako transfomátorové oleje, kondenzátorové dielektrika a iné (napr. Delor, Aroclor,..), vyrábané na báze PCB, boli kvapalné látky a boli zmesou minerálneho oleja a zložky PCB. Ak ste niekedy videli na fotkách v novinách sklady v Chemku, kde sú uložené PCB látky, kde na nachádzali tiež papierové súdky žltej farby, tak tam určite Delor nebol. Bol to iba pohľad novinárov, ktorým história výroby v Chemku nič nehovorila. Tieto súdky boli určené na balenie práškového gumarénskeho nadúvadla Chemporu, ale mohol by byť v nich iný tuhý alebo práškový odpad. Určite odbor životného prostredia nachádzajúci sa v areáli v Chemko má o tom presné záznamy a dobré informácie. Myslím si, že museli robiť analýzy ku každému odpadu, vzhľadom k tomu, že mali platný certifikátu ISO na systém environmentálneho manažérstva.

Teraz už k samotným postupom analýzy. Metódou GCMS môžu byť analyzované všetky skupenské formy vzoriek zo životného prostredia na prítomnosť kongenérov PCBs. Teda plynných (ovzdušie), kvapalných (vody, olejov, mlieka a pod.) a pevných vzoriek (pôdy, zmesi odpadov PCB v pevnej forme a pod.). Samotné vzorky musia byť správne odobraté podľa doporučených metód pre vzorkovanie plynov, kvapalín a pevných vzoriek. Ako sme si už povedali, odobratá vzorka musí byť reprezentatívna a teda musí charakterizovať vybratý súbor. Vzorkovanie v analytickej chémii tvorí samostatnú časť a pre jej rozsiahlosť sa ňou nebudem ďalej zaoberať. Odobratú vzorku môžeme buď priamo analyzovať metódou GCMS, napr. vzorky ovzdušia odobraté priamo v skladoch s PCB látkami, kde sa predpokladá ich vyššia koncentrácia. Tu môžeme priamo dávkovať plynnú zložku zbavenú mechanických nečistôt na plynovú kalibrovanú slučku s ovládacím elektrickým ventilom (metóda loop injection), alebo cez plynovú mikrostriekačku prostredníctvom autodávkovača do nástrekovej časti plynového chromatografu (pozri obrázok Elektricky ovládaný plynový ventil).

Revue CO: Zostava GCMS s headspace programovateľnou jednotkou s dávkovačom v zostave KCHL CO v Jasove a Nitre. (vľavo) Elektricky ovládaný plynový ventil so slučkou pripevnený na bočnej strane chromatografu (vpravo)

Pri nižších koncentráciách sledovanej zložky musíme pri plynnej vzorke vykonať tzv. zakoncentrovanie (zachytenie) na vhodnom pevnom nosiči metódou extrakcie plynnej zložky na pevnej fáze (SPE) alebo mikroextrakciu na pevnej fáze (SPME), na vhodnom adsopčnom vlákne. Pri použití SPE, pri analýze vzorky, môžeme následne uplatniť systém riadenej termodesopcie (TD), pomocou programovateľnej jednotky. Tiež je možné plynnú vzorku nechať prebublávať cez extrakčné činidlo a zo známeho objemu plynu a nástreku môžeme určiť po analýze koncentráciu zložiek PCB. Tak isto aj pri použití SPE pre výpočet koncentrácii PCB zložiek musíme poznať presné množstvo plynnej zložky, ktorá prešla trubičkou, napríklad pri použití kalibrovanej plynovej pumpy. Metódy extrakcie nebudem podrobnejšie popisovať, boli už vysvetlené v mojom predchádzajúcom článku Aplikácia moderných analytických metód pri identifikácii neznámych látok v teréne, časť 12, číslo 6 revue CO z decembra 2018.

Revue CO: SPME manuálny dávkovač s vláknom (vľavo) a SPE trubičky na termálnu

Pri kvapalných vzorkách musíme pred nástrekom do plynového chromatografu urobiť selektívnu extrakciu. Pri koncentrovanejších vzorkách môže stačiť extrakcia plynom – headspace a plynnú fázu vzorky môžeme priamo dávkovať do chromatografu. Pri menej koncentrovaných vzorkách je potrebné urobiť účinnejšiu extrakciu v systéme kvapalina – kvapalina, alebo mikroextrakciu na vhodnej pevnej fáze SPME, ktorá sa s výhodou používa v posledných rokoch. Pri klasickej analýze s použitím headspece SPME uhlíkovým vláknom potiahnutým polydimetylsiloxánom (PDMS), alebo zmesou polydimetylsiloxán-divinylbenzén (PDMS-DVB), hrúbka filmu od 10 do 100 mikrometrov, robíme spravidla ručný nástrek. Pri extrakcii v systéme kvapalina – kvapalina alebo pevná látka kvapalina, používame pre analýzu kvapalného extraktu autodávkovač alebo inak autosampler – ALS (Automatic Liquid Sampler). Kvapalné vzorky sú uložené v karuseli dávkovača podľa poradia v špeciálnych fľaštičkách tzv. vialkách, bežne s objemom 2 ml. Z opačnej strany karuselu je uložená spravidla väčšia vialka s rozpúšťadlom určená na premývanie ihly po, respektíve pred nástrekom. Predposledná, tak isto o väčšom objeme, je v karuseli uložená prázdna vialka, určená na odpad po preplachovaní ihly dávkovača. Poradie vialiek si je možné nastaviť v programe dávkovača a určiť podľa programu, ktoré vzorky v akom poradí sa budú dávkovať a tiež koľkokrát sa má preplachovať mikrostriekačka dávkovača samotným rozpúšťadlom ale aj vzorkou medzi jednotlivými nástrekmi. Vialky do autodávkovačov bývajú buď závitové alebo krimpovacie. Uzáver na vialke sa uzatvára inertným hliníkovým uzáverom tzv. krimpovacími kliešťami. Výber typov vialiek je veľmi široký, od výberu objemu, tvaru a materiálu, z ktorého sú zhotovené. Najčastejšie sa používajú sklenené. Bežné balenie obsahuje 100 kusov, ide o spotrebný materiál. Dávkovanie vzorky autosamplerom je rýchle a vylučuje ľudský faktor pri ručnom dávkovaní mikrostriekačkou. Výsledky analýz pri použití autodávkovača majú oveľa menší rozptyl chyby (presnosti) ako pri ručnom dávkovaní.

Revue CO: Autodávkovcia nástreková veža Agilent 7693 max.16 vzoriek a plošný zásobník pre autodávkovač s kapacitou až 150 ks vialiek Agilent

Objem sklenenej mikrostriekačky v autodávkovači je voliteľný, pre kvapaliny obyčajne od 0,5 μl do 10 μl, pre plyny sú určené tie najvyššie objemy 10 μl a viac. Tie musia byť označené ako vhodné pre dávkovanie plynov – plynotesné (gastight). O tieto mikrostriekačky v autodávkovači je potrebné sa dobre starať, aby v nej zostatky vzorky alebo znečisteného rozpúšťadla nezaschli, hlavne v dávkovacej ihle. Preto po skončení analýzy zadáme v autodávkovači program na preplachnutie striekačky. Často sa stáva, ak sa o ne nestaráme a ihla je upchatá zvyškami zaschnutej vzorky, potom pri dávkovaní skriví piest striekačky a striekačku môžeme zahodiť. Ak je ihla upchatá, darmo budete čakať, že sa na chromatograme objavia nejaké píky, pretože ste nič nenadávkovali. Ide o školácku chybu. Preto je dobré systém dávkovania na začiatku analýzy vizuálne skontrolovať. Nemusíte neskôr hľadať chybu inde, napr. v netesnosti systému. Tieto špeciálne striekačky nie sú lacné a ak ich takto budete ničiť, analýza sa predražuje.

Pri ručnom čistení striekačky, napr. typu Hamilton, je najlepšie čistiť rozpúšťadlom so známou rozpúšťacou schopnosťou, aby sa najlepšie odstránili zvyšky vzoriek. Pri čistení uprednostnite rozpúšťadlá neobsahujúce alkalické zlúčeniny, fosfáty alebo detergenty. Doporučený postupom je vnútorný priestor skleneného tela striekačky opláchnuť najprv deionizovanou vodou, acetónom alebo iným rozpúšťadlom rozpustným vo vode (napr. metanolom). Následne opláchnúť striekačku hexánom a vysušiť. Takto vyčistené striekačky, ak ich nedávate po vysušení do autodávkovača, je potom dobre skladovať v originálnom obale. Chcem pripomenúť, že striekačky do autodávkovača sú iné ako striekačky pre ručné dávkovanie. Líšia sa ukončením piestu striekačky. Ich vhodnosť pre typ autodávkovača si je potrebné pozrieť v manuáli autodávkovača.

Revue CO - Rôzne typy vialiek: 1. extrakčná vialka systém kvapalina/kvapalina, 2. vialka pre dávkovanie pre maloobjemové vzorky, 3. reakčná a tiež aj štandartná vialka, 4. vialka slúžiaca pre rozpúšťanie alikvotného množstva vzorky v rozpúšťadle, 5. vialka, ktorú je možné ohrievať, napr. pre uskutočnenie reakcie za tepla, 6. vialka označená čiarovým kódom

Postupy pre analýzu PCBs v tuhých odpadoch a vodách metódou GC-MS

Rýchla analýza tuhých odpadov a vôd obsahujúcich PCBs o vyššej koncentrácii (ppm)

Ide o zrýchlenú metódu stanovenia obsahu PCBs u tuhých respektíve kvapalných odpadoch, s použitím statickej HS GCMS (HS – headspace), extrakcie nosným plynom v spojení s plynovou chromatografiou s hmotnostnou detekciou. Tu predpokladáme koncentráciu PCBs látok vyššiu ako 100 ppm. V statickej headspace metóde sa analyzuje vzorka plynu odobratá z priestoru nad kondenzovanou fázou uzavretého systému,ktorý je v dynamickej rovnováhe. Pri tomto spôsobe sa koncentrácia zložiek v koexistujúcich fázach nemení, aj keď pri odbere vzorky plynnej fázy dôjde k porušeniu rovnováhy. Stupeň porušenia rovnováhy závisí od spôsobu odberu a od odobratého množstva vzorky. Nevýhodou tejto metódy je jej pomerne nižšia citlivosť a keďže sa s klesajúcou prchavosťou analyzovaných látok obyčajne znižuje aj výťažnosť headspace analýzy, vyžaduje sa opatrná kalibrácia systému.

Revue CO: Mikrosriekačka zn. Hamilton, vrchná je vhodná pre autodávkovač, spodná pre manuálne dávkovanie

Ide o aj mnou odporučenú metódu, vychádzajúcu z predpokladu, že chceme rýchlu analýzu a nechceme si zbytočne kontaminovať nástrekový systém chromatografu. Metóda vyžaduje programovateľné zariadenie headaspace, pripojené priamo na nástrekovú časť chromatografu podľa obrázku Zostava GCMS .... Tu vzorku priamo aplikujeme do vialky v zariadení headspace, ktorú predtým plynotesne uzavrieme krimpovacími kliešťami. Nastavíme teplotný program ohrevu vialky na 80 – 85 °C a potrebný čas cca 5 až 10 minút na vytvorenie potrebnej rovnováhy medzi pevnou, prípadne kvapalnou časťou vzorky a plynnou časťou vzorky vo vialke. Teplotu ohrevu trubice (transferline) vedeného so zariadenia headspace do chromatografu nastavíme tak o 5 °C vyššie, aby plynné látky zmiešané s nosným plynom (héliom) nekondenzovali v trubici. Tiež je potrebné dávať si pozor na tlakový spád nosného plynu, ktorý v headspace musí byť o niečo vyšší ako tlak nosného plynu do kolóny, inak nie je možné nadávkovať plynné zložky z headspace do nástreku chromatografu. Kalibráciu systému môžeme vykonať metódou vnútorného štandardu presným navážením vzorky alebo štandardným prídavkom zmesi kalibrovaných kongenérov obsahujúcich s výhodou 7 kongenérov: PCB-28, PCB-52, PCB-101, PCB-118, PCB-138, PCB-153 a PCB180, ktoré sú doporučované aj medzinárodnými prijatými technickými normami STN EN alebo STN ISO.

Pre túto kontrétnu analýzu bol použitý GCMS systém Agilent 5975T LTM GC/MSD s headspace samplerom Agilent 7697, nosný plyn hélium. Na analýzu bola použitá kolóna HP-5ms o dĺžke 30 m, s vnútorným priemerom 0.25 mm a hrúbke filmu 0.25 μm. Teplotný program analýzy bol nastavený od 60 °C do 270 °C za účelom skrátenia času analýzy a optimalizácie delenia zložiek. Teplota nástreku 260 °C.

Na základe výsledkov analýzy vzorky môžem konštatovať, že išlo o vytuhnutý zmesný odpad kontaminovaný PCBs látkami. V tomto prípade išlo o rýchlu orientačnú analýzu, či odpad obsahuje PCBs látky, ak áno, aké? Pre citlivejšiu analýzu na obsah PCBs by bolo potrebné vykonať extrakciu v systéme pevná látka – kvapalina a kvapalný extrakt tak následne analyzovať metódou GCMS za použitia zmesného štandardu PCB kongenérov, čo skúsim v krátkosti popísať v nasledujúcej metóde.

Revue CO: TIC (total ion) chromatogram hmotnostným spektrom (dolu) analyzovanej vzorky č. 11 odobratej pri zásahu v areáli spoločnosti CRW s.r.o. v roku 2019, areál bývalej spoločnosti Chemko, vzorka bola odobratá z provizórneho skladu odpadov umiestneného na pozemku CRW s. r. o. Použitá metóda analýzy – HS (headspace) GCMS

Analýza pevných vzoriek ako napríklad kontaminovanej zeminy na obsah PCBs látok

Pri odobratej vzorke sa musí vykonať extrakcia do vhodného rozpúšťadla napr. n-hexánu, zmesi n-hexán acetón (1:1), metanol, zmesi metylchlorid acetón (1:1), acetonitrile, dichlórmetán a podobne. Extrakciu môžeme vykonať jednoducho napr. v Erlenmeyerovej banke za miešania alebo použiť rôzne extrakčné zariadeniach od jednoduchých až po zložitejšie systémy. Extrakciu je možné urýchliť ako pôsobením:

• ultrazvuku – ultrazvuková extrakcia (UE),
• mikrovlnného žiarenia, kedy sa vzorka v extrakčnom činidle ešte zahrieva – mikrovlnná extrakcia (MAE)
• zvýšeného tlaku – extrakcia podporovaná tlakom (PSE). Extrakcia podporovaná tlakom je nová separačná technika, ktorá znižuje spotrebu rozpúšťadiel a časovú prípravu vzoriek.

Revue CO: Tabuľka výsledkov vybraných významných píkov z chromatogramu

Vzorka sa musí pred analýzou homogenizovať, vysušiť do konštantnej hmotnosti pri laboratórnej teplote a preosiať na site o veľkosti oka 2 mm. Na analýzu sa berie frakcia ≤ 2 mm. Na analýzu sa približne navažuje 0,5 až 5 g vzorky, podľa očakávanej koncentrácie PCBs látok v kontaminovanej zemine. Potom vzorku kvantitatívne prenesieme do vhodnej extrakčnej nádoby s extrakčným činidlom (5 až 50 ml podľa metódy extrakcie) a extrahujeme ju jednou z hore uvedených metód. Ak analyzujeme vzorku metódou štandardného prídavku pridáme pred extrakciou ku analyzovanej vzorke navážené množstvo známeho štandardu v rozsahu koncentrácia 10 – 30 ng deviatich (28, 47, 66, 85, 99, 100, 153, 154, 183) alebo siedmich kongenérov (28, 52, 101, 118, 138, 153, 180), najlepšie v rovnakom rozpúšťadle ako je extrakčné činidlo. Takto pripravenú kvapalnú vzorku analyzujeme metódou GCMS.

Príklad podmienok pre GC/MS

• Kolóna: Agilent DB5ms, s vnútorným priemerom 0.25 mm a hrúbke filmu 0.25 μm
• Nosný plyn: Hélium
• Prietok: 1,2 ml/min
• Teplota injektoru: 280 °C
• Nástrek: 1-2 μl, splitless
• Teplotný program pre GC: 40 °C (0 min.), nárast 20 °C/min na 230 °C (o min.), nárast 5 °C na 260 °C (1,5 min), nárast 12 °C na 310 °C, 2 min.
• MS Quad teplota: 150 °C
• Acquisition type: SIM

Pre rýchlu analýzu na obsah PCBs kontaminovaných pôd priamo v teréne je možné použiť prenosný GCMS a vykonať mikroetrakciu SPME. Vzorky pôdy s hmotnosťou približne 0,5 g o známej sušine, extrahujeme na vlákne so 100 μm polydimetylsiloxánovým (PDMS). Na uľahčenie extrakcie PCB sa k pôdnym matriciam môže pridať niekoľko mililitrov 0,2 M manganistanu draselného a 0,5 ml 6 M roztoku kyseliny sírovej. Extrakciu sa doporučuje uskutočniť pri 100 °C v prenosnom ohrievacom bloku v čase asi 30 minút. Samotná analýza na prenosnom GCMS napr. Torion od firmy Perkin Elmer, ktoré majú všetky tri KCHL CO vo svojej výbave, trvá okolo 6 minút. Detekčný limit tejto metódy stanovenia PCBs v pôdnych matriciach je približne 10 ppm, čo je dostatočné množstvo na usmernenie opatrení o sanáciu kontaminovaných pôd v niektorých lokalitách, ako aj napr. Chemko a. s., Strážske.

Revue CO: Vrchný chromatogram analyzovanej vzorky pôdy extrahovanej v acetóne, spodný extrahovanej vzorky s prídavkom vnútorného štandardu zmesi PCB 18-tich kongenérov

Takouto istou metódou môžeme analyzovať aj vzorky kontaminovaných vôd, kedy použijeme SPME. Na povrchu vlákna sa adsorbujú organické látky nachádzajúce sa v kontaminovanej vode. Systém adsorpcie SPME pozri v článku Aplikácia moderných analytických metód pri identifikácii neznámych látok v teréne, časť 12, číslo 6 revue CO z decembra 2018. Ešte raz chcem na záver pripomenúť, že pre kvantitatívnu metódu analýzy metódou GCMS musíme mať príslušný chromatografický štandard zmesi kongenérov PCBs a musíme použiť program pre vhodnú metódu kalibrácie.

Ako sami vidíte, ide o veľmi širokú problematiku. V tomto článku som chcel spomenúť softérové metódy vykonávania analýz nameraného spektra TIC systémom úplného skenovanía (full scan) alebo selektívnym monitorovaním iónov (SIM). Bližšie rozoberiem v mojich ďalších príspevkoch, ak bude o to záujem.

Revue CO: TIC chromatogramy HS (headspace) SPME-GCMS analýzy vzorky pôdy priamo v teréne na mobilnom GCMS. Spodný chromatogram vzorka so štandardným prídavkom 5 kongenétov PCBs

A ešte na úplný koniec článku chcem spomenúť niektoré technické normy, ktoré sa uvedenými metódami zaoberajú a predpisujú podrobné postupy analýzy:

• STN EN 15 308 Charakterizácia odpadov. Stanovenie vybratých polychlórovaných bifenylov (PCB) v tuhých odpadoch kapilárnou plynovou chromatografiou s detektorom elektrónového záchytu alebo hmotnostnou spektrometriou.
• STN EN 16167 (838464) platná od 1. 3. 2019 a zrušená v roku 2019. Pôda, upravené bioodpady a kaly. Stanovenie polychlórovaných bifenylov (PCB) plynovou chromatografiou s hmotnostnou detekciou (GC-MS) a plynovou chromatografiou s detekciou elektrónovým záchytom (GCECD).
• STN EN 17322 (83 8265) Dátum vydania: 01. 12. 2020. Tuhé environmentálne matrice. Stanovenie polychlórovaných bifenylov (PCB) plynovou chromatografiou – hmotnostným spektrometrom (GC-MS) alebo s detektorom elektrónového záchytu (GC-ECD).
• ISO 13876:2013 – Kvalita pôdy – Stanovenie polychlórovaných bifenylov (PCB) plynovou chromatografiou s hmotnostnou selektívnou detekciou (GC-MS) a plynovou chromatografiou s detekciou elektrónovým záchytom (GC-ECD).