Analýza půdy

1. Analýza půdy

2. Pár dat o půdě .... • velmi heterogenní soubor látek, které se nalézají na zemském povrchu • Pevný povrch země – 150 milionů km2 • ČR – 3100 m2 / 1 obyvatel • orné půdy ubývá – povrchové doly, stavební činnost, znehodnocování kontaminací • kontinuální znečišťování  překročení „sorpční kapacity půdy“  projeví se v podzemních vodách • problémy s dekontaminací – drahé, obtížně technicky zvládnutelné

3. Vzorkování půdy • jeden z nejobtížnějších úkolů analýzy • nepravidelná distribuce analytu ve vzorkovaném místě – horizontálně i vertikálně • koncentrace závisí na typu půdy, rozp. analytu ve vodě (resp. rozdílem v afinitách k vodě a půdě), degradace způsobená odvodněním půdy, mikrobiologická aktivita

4. Trubkový vzorkovač Vzorkování neznámého místa • pole, skládka ... • nutno získat údaje o heterogenitě – orientační vzorkování – předběžná analýza několika z nich:- pokud jsou heterogenní nutno analyzovat i ostatní • nástroje k odběru – rýč, spirálovitý vrták • odběr  terénní vzorek • (často) přímo na místě – promísení, kvartace  laboratorní vzorek (transport)

5. Označení vzorku • číslo vzorku a jméno kdo odebíral • datum • označení místa odběru (mapka, plánek) • velikost, typ vrtáku ev. odběrové trubky • hloubka odběru • popis typu půdy • hloubka hladiny spodní vody (pokud je známa) • dále – teplota, srážky, způsob obdělání pole

6. Úprava vzorku v laboratoři • vz. se zbaví hrubých nečistot - kamení, dřevo, tráva • sušení, přesívání – dříve síto s oky 2 mm moderně – sušení lyofilizací a síto 160 mm • rozdělení laboratorního vzorku do několikaanalytických vzorků • jeden z a.v. sušení do konst. hmotnosti - přepočet výsledků na suchou půdu • postup od terénního vzorku k analytickým je spojen se vznikem chyby

7. ? • .... celkový rozptyl výsledků • S... rozptyl výsledků daný úpravou vzorku • m... rozptyl výsledků daný analýzou Chyby způsobené úpravou vzorku • .... analýza série vzorků • m... opakované analýzy 1 lab. vzorku

8. Chyby způsobené úpravou vzorku pokud nemá cenu „pilovat analytiku“ a je potřeba věnovat zvýšenou pozornost správnosti odběru a procesu terénní  analytický vzorek jiná možnost správné analýzy v dané lokalitě- složený vzorek – větší počet individuálně odebraných vzorků se spojí a homogenizuje

9. KS ... vzorkovací konstanta ev. nebo: Vztah rozptylu a odchylky Jak počet vzorků (N) ovlivňuje rozptyl výsledků ?? Jak jej ovlivňuje hmotnost (velikost) vzorku (m) ?? KS, A, B .... experimentálně, 2 soubory vzorků (jeden 10x větší m než druhý vypočítat sS – pak řešení dvou rovnic o dvou neznámých

10. ... a co ukázala praxe ... • pro analýzu tak heterogenního materiálu jako je půda – 20 –30 laboratorních vzorků

11. Kontaminanty v půdách • anorganické – těžké kovy - nejčastěji Hg, Cd, Pb – problémy s extrakcí - kationty kt. nejsou pevně vázány ve křemičitanové matrici - pevně vázané rozklad HF - „speciace kovů“ – rozdílné toxicita různých forem • organické • radioaktivní

12. Extrakce anorganických kontaminantů • třepání vzorku s extrakčním roztokem • 50 mM roztok EDTA (75 ml na15 g půdy) • 0,5 M kyselina octová (800 ml na 20 g půdy) • ISO: extrakce lučavkou královskou za varu • extrakce 2 M HNO3 • analýza v extraktech  AAS

13. fotonásobič Teflonová kyveta výbojka monochromátor Sušička promývačka se vzorkem (extraktem) Přehled vybraných kovů Rtuť typické koncetrace v půdě: 0,1 mg.g-1. Vyšší koncetrace – okolí Prahy Analýza – technika studených par rtuti:

14. Kadmium • typická koncentrace – 0,5 mg/g • vedle EDTA se použil ještě hexamethylendithiokarbamát (HAHDC) • extrakce do organického rozpouštědla - butylacetát

15. Pb Olovo • typická koncetrace 20 mg/g • extrakce kys. octová ,EDTA • pro prekoncetraci – HAHDC+BuOAc - plamenová AAS • elektrotermická – etrakce dithizonem + CHCl3

16. Měď • typická koncentrace – 20 mg/g • zvýšení koncentrace – vinice – pesticidy s obsahem mědi • AAS

17. methylarsonová k. dimethylarsinová k. arsenocholin trimethylarsin oxid arsinobetain Speciace sloučenin arsenu • separace s využitím LC a CE • spojení se spektrálními technikami

18. Provedení speciace • extrakce – směs MeOH:voda 1:1 (opakovaná!) • odpaření, rozp. ve vodě, filtrace • analýza LC-ICP-MS (ev. AES)(rozhraní – hydraulický zmlžovač nebo generátor hydridů – As  AsH3) • chromatografické kolony – anexyMF: fosfátový pufr, pH=6 • nebo katex, MF roztok pyridinu

19. Metabolizace v lidském organismu

20. Separace na anexu koncentrace 10 ng/ml MF: NaOH 5 - 50 mM det. ICP-MS

21. Separace na katexu MF: 70 mM kys. dusičná

22. dibutylcín acetát Cín • odkud se berou: 1. ochranné nátěry lodí 2. trubky z PVC (stabilizační systém, dibutylcín maleát) 3. fungicidní prostředky (bis(tributylcín) oxid) • analýzy v půdách a sedimentech vodních ploch • obecný tvar organocíničitých sloučenin: RnSnX4-n (R= alkyl, aryl; X=Cl-, O2-, OH-)

23. Toxicita organocíničitých sloučenin polarita tetraalkylderivátů je malá, tri, di a mono alkylderiváty – polární - iontové

24. Analýza organocíničitých sloučeninv půdě (a sedimentech) • extrakce – do organického rozpouštědla - nutno převést polární látky do nepolárního komplexuchelatační činidlo – tropolon (v benzenu) diethyldithiokarbamát (pentanový extrakt z okyseleného dedk) Tropolon diethyldithiokarbamát sodný

25. derivatizace extraktu Grignardovým činidlem (n-pentylmagnesium bromid) •  vznikají tetraalkylované deriváty • nepolární, těkavé • stanovení: • Separace GC (nepolární, ev. mírně polární fáze) identifikace z retenčních časů • Online detekce – ICP – AES – ICP – MS (identifikace jednotlivých látek)

26. Organické kontaminanty v půdách • insekticidy, herbicidy • lokální znečištění – ropné produkty(havárie) • chlorované dibenzodioxiny a dibenzofurany • polycyklické aromáty a polychlorované bifenyly

27. DUv ... molární výparná energie Vm ... molární objem Analýza organických kontaminantů v půdách Extrakce půdy rozpouštědlem • rozpouštědlo nejlépe rozpouštějící analyt... similia similibus solventur...- často z manuálu nebo zkušenosti • objektivní posouzení rozpustnsti: parametr rozpustnosti d podle Hildebranda:

28. Hodnoty parametru rozpustnosti pro rozpouštědla d-disperzní interakce, o-dipólová, b-bazicita (schopnost přijímat proton), a-acidita (odšť protonu) d ≈ polarita; rozpustnost je tím lepší, čím bližší jsou si hodnoty d

29. Další kriteria pro volbu extrakčního činidla • extrakci ovlivňuje sorpce na povrchu tuhých částic – rozpuštění nebo jiná vazba v dalších složkách vzorku  rozrušování nebo částečný rozklad vzorku (matrice) při extrakci (nebo před) • látky acidobazické povahy – výtěžnost je ovlivněna alkalizací nebo okyselením vzorku (nebo extrakčního činidla) – protolytická rovnováha • selektivita extrakce – při dobré extrakci analytu by se balastní látky měly extrahovat co nejméně • volbu rozpouštědla ovlivní i typ půdy

30. Ovlivnění chemické stability látky při extrakci • termicky labilní látky – extrakce jen za pokojové (nebo dokonce snížené) teploty • látky náchylné k oxidaci – extrakce v inertní atmosféře (nebo stabilizátory) • fotosenzitivní látky – „extrakce ve tmě“

31. Efektivita extrakce • urychlení extrakce – ultrazvukové lázně, extrakce za varu – pod zpětným chladičem • třepání, vortexing • Soxhletova extrakce

32. Novější verze – Soxtec (Tecator) odpaření rozpouštědla(koncentrace extraktu) extrakce horkým rozpouštědlem extrakce chladným rozpouštědlem

33. Extrakce tekutinou v nadkritickém stavu tekutina v nadritickém stavu = „velmi hustý plyn • velmi dobrá rozpouštěcí schopnost pro širokou paletu látek • nízká viskozita – vysoké difuzní koeficienty= příznivá kinetika extrakce • chemický potenciál extrahované složky v plynné fázi s rostoucím tlakem rychle klesá a její zadržování v tuhé fázi je nepatrné • extrakce zkapalněným plynem (CO2, N2O, SF6, chlorodifluoromethan)

34. Schéma přístroje statická a dynamická extrakce

35. Uvolnění analytu zahřátím – těkavé látky 1. statický head-space jednoduché uspořádání • práce v rovnováze mezi analyzovaným vzorkem a plynnou fází v uzaveném systému; temperace • odběr vzorku (běžně 1-2ml) plynotěsnou stříkačkou

36. Pro distribuční poměr Dc,i platí: (ri)L a (ri)G hmotnostní koncentrace v příslušných fázích, VL objem kap. fáze (ri)G GC Po ustavení rovnováhy platí: (mi)G a (mi)L – hmotnosti složky v odpovídajících fázích určení Dc,i ???

37. Jak obejít Dc,i ???? • veškerý analyt do plynné fáze– ne vždy jde systém uzpůsobitDc,i 0 • příprava modelového referenčního systému- „modelování Dc,i , resp. (VG+Dc,iVL)“- ne vždy lze reálný vzorek dobře modelovat • metoda standardního přídavku- předpoklad – malý přídavek analytu neovlivní systém tak moc, aby došlo ke změně Dc,i !!!

38. Pár poznámek ke statickému head-space ... • dosažení rovnováhy lze urychlit pohybem kapaliny – míchání, třepání (neplatí pro pevný vzorek) • ztráty na pryžovém septu – teflonová fólie atd. • nástřik 1 ml je pro kapilární kolony mockryofokusace vstupu kolony – kap. dusík a následné bleskové odpaření – elektricky, přehřátý plyn ....

39. Extrakce plynem se zakoncentrováním na tuhém sorbentu (dynamický head space) • A-otevřený systém • jednodušší • kontaminace z plynu A-uzavřený systém(nekomunikuje s okolím) z kolonky – tepelná desorpce do GC

40. Kolonka pro zachycení organických látek

41. Polycyklické aromatické uhlovodíky v půdách • výskyt – koksovny, plynárny, okolí silnic, železniční tratě (10 – 100 mg/kg) • nejčastější forma úpravy vzorku 1. rozetření vzorku s bezvodým Na2SO4 2. extrakce nepolárním rozpouštědlem (hexan, cyklohexan) – Soxhlet, sonifikace, třepání- bez přídavku Na2SO4 – směsné rozpouštědlo (jedna složka mísitelná s vodou) – cyklohexan - aceton • nebo superkritická extrakce analytická metoda  GC, GC-MS

42. Chlorované dioxiny a dibenzo furany • extrakce – hexan – aceton • vytřepávání KOH (5 M), destilovaná voda, kys. sírová a znovu dest. voda • odpaření, rozp. v hexanu • čištění sloupcovou chromatografií:dvě kolonky v sérii: 1. kolonka: vrstvy – síran sodný, silikagel, silikagel s 33% NaOH, silikagel s 3,3% AgNO3, aktivní silikagel-eluce hexanem2. kolonka – alumina a bezv. síran sodný-eluce směsí – hexa-dichlormethan • odpaření dosucha • ředění oktanem – analýza

43. Herbicidy a fenoly • zejména „agro“vzorky • extrakce herbicidů z půdy • zkoncentrování analytu a přečištění koncentrátu • vlastní stanovení • extrakce – přednostně Soxhlet (termolabilní herbicidy – třepání) • zkoncentrování – odpaření dosucha nebo 20-30% původního objemu (směsná rozpouštědla s vodou) nebo SPE (např. Separon) • koncovka GC/NPD, GC/MS

44. Koncovka • MS – ionizace elektronem • chloroderiváty – izotopy • negativní chemická ionizace(reakční směs – dichlormethan-isobutan + 2% kyslíku nebo methan) • GC-MS

45. Schéma NPD

46. GC-NPD herbicidů v půdě C. Sánchez-Berunette, et. al, Journal of Chromatography A, 823(1998) 17-24.

47. Vybrané parametry sledované v rámci (zemědělského) rozboru půdy Výměnné pH • parametr charakterizující aciditu půdy • extrakce roztokem KCl v ultrazvukové lázni • měření pH:pokud je pH<6,5  titrace NaOH – ze spotřeby NaOH – potřeba vápnění:Tun CaO/ha = spotřeba.0,5Tun CaCO3/ha = spotřeba.0,9

48. Stanovení přijatelného draslíku • K+ patří k základním živinám • zvyšuje asimilační schopnosti rostlin, odolnost proti vymrzání a chorobám • má být v rovnováze s Na+ • dostatečná zásoba v půdě (160 – 180 mg K+ na 1kg půdy) • princip:vytěsnění iontu z iontoměničového půdního komplexu směsí octanu a šťavelanu amonného • koncovka – plamenová fotometrie (kalibrační křivka)

49. Stanovení přijatelného hořčíku • Mg – regulace fotosyntézy • eluce – roztok CaCl2 (utrazvuk nebo třepání, 1 hodinu) • koncovka AAS • nebo fotometrie (titanová žluť)

50. Stanovení přijatelného fosforu • P – regulace růstu (zpomalování) • urychlení nasazování plodů a zrání • podporuje kvetení • dostatečná zásoba: 250 mg P2O5 /kg • eluce – roztok mléčnanu vápenatého • fotometrie fosfomolybdenové modři (690 nm) • slepý vzorek !!!