LABORATORNÍ PŘÍSTROJE A POSTUPY

Chem. Listy 5, 943 947 () LABORATORNÍ PŘÍSTROJE A POSTUPY STANOVENÍ SULFONOVANÝCH AZOBARVIV METODOU IONTOVĚ INTERAKČNÍ CHROMATOGRAFIE V REVERZNÍM SYSTÉMU PAVEL JANOŠ, STANISLAV HEJDA, EVA AGAPOVOVÁ a JITKA FIKAROVÁ Univerzita Jana Evangelisty Purkyně, Fakulta životního prostředí, Králova Výšina 7, 4 96 Ústí nad Labem, Ústí nad Labem pavel.janos@ujep.cz Došlo.., přijato 8.4.. Klíčová slova: iontově interakční chromatografie, stanovení syntetických barviv, fotokatalytická degradace Úvod Mezi nejčastěji používaná barviva patří syntetická azobarviva, která nacházejí široké uplatnění v různých průmyslových odvětvích. Jejich vypouštění do odpadních vod představuje závažný problém, neboť se většinou obtížně rozkládají pomocí konvenčních biologických čistírenských postupů. Jejich stabilita v životním prostředí a rozložitelnost ve vodných roztocích jsou intenzívně studovány nejrůznějšími technikami, jako jsou např. UV/Vis a infračervená spektrometrie, GC/MS, či patrně nejčastěji kapalinovou chromatografií s UV/Vis nebo hmotnostně spektrometrickou detekcí,3. Pro HPLC stanovení sulfonovaných azobarviv 4 6 a podobných sloučenin (aromatických sulfokyselin 7 ) ve vodách nebo v potravinách a nápojích 8 se obvykle používají reverzní chromatografické systémy, zatímco normální chromatografické systémy jsou používány spíše vyjímečně 9. Zmíněné sloučeniny vykazují obvykle nízkou retenci na běžných nepolárních stacionárních fázích kvůli přítomnosti sulfoskupiny plně disociované prakticky v celém dostupném rozmezí ph. Pro zlepšení retence a separace ionizovaných látek na nepolárních stacionárních fázích byly navrženy dva hlavní postupy přídavek anorganických solí (např. Na SO 4 ) do mobilní fáze a přídavek iontově párových (či iontově interakčních) činidel, např. tetrabutylamonných solí 4,7. Retence iontových sloučenin za přítomnosti iontově párových činidel je pak řízena hlavně vedlejšími reakcemi v mobilní fázi. Mechanismy retence sulfonovaných sloučenin v reverzním chromatografickém systému byly podrobně studovány a diskutovány zejména v pracích Jandery a spol. 5,,, v nichž bylo testováno několik chromatografických systémů využívajících tetrabutylamonných solí pro separaci široké škály sulfonovaných azobarviv. Bylo prokázáno, že retenční charakteristiky jednotlivých barviv se výrazně liší a účinná separace složitějších směsí vyžaduje většinou použití gradientové eluce 5. V předkládané práci bylo testováno několik jednoduchých (izokratických) chromatografických systémů pro stanovení různých typů komerčně dostupných barviv. Chromatografické systémy byly optimalizovány pro separaci nepříliš složitých směsí průmyslově významných azobarviv, např. methyloranže, egacidové oranže, egacidové červeně a egacidové žlutě. Bylo prokázáno, že navržené chromatografické systémy jsou vhodné pro sledování fotokatalytické degradace uvedených barviv. Experimentální část Přístroje a zařízení Kapalinový chromatograf se skládal z vysokotlakého čerpadla LaChrom L-7 (Merck/Hitachi, Hitachi High- Technol. Corp., Tokio, Japonsko), smyčkového dávkovače Rheodyne 75 se smyčkou l, vakuového odplyňovacího zařízení a UV detektoru LaChrom L-74 (Merck/ Hitachi) pracujícího při vlnové délce 5 nm. Separace byly prováděny na kolonách plněných silikagelem s chemicky vázanou oktadecylovou skupinou (C 8 ); přehled chromatografických systémů je uveden v tab. I. Pro záznam a vyhodnocení chromatografických dat byl použit program Clarity (DataApex, Praha). Roztoky a chemikálie Přehled azobarviv použitých v této práci je uveden v tab. II. Egacidová oranž, egacidová červeň a egacidová žluť byly získány ze Spolchemie, a.s., Ústí nad Labem. Ostatní barviva byla získána od Serva, Heidelberg, Německo a Sigma-Aldrich, Steinheim, Německo, vesměs ve formě sodných solí. Zásobní roztoky barviv o koncentraci mmol dm 3 byly připraveny rozpuštěním potřebného množství barviva v deionizované vodě, pracovní roztoky (většinou o koncentraci, mmol dm 3 ) a kalibrační roztoky byly připraveny ředěním zásobních roztoků mobilní fází bezprostředně před měřením. Zásobní roztok hydrogensíranu tetrabutylamonného (TBAHS) o koncentraci, mmol dm 3 byl připraven z preparátu pro iontově párovou chromatografii LichroPur (Merck) rozpuštěním v deionizované vodě. Mobilní fáze byly připravovány smíšením zásobního roztoku TBAS s deionizovanou vodou a methanolem (HPLC-grade, Labscan, Dublin, Irsko) v potřebném poměru. Roztoky byly připravovány 943

Chem. Listy 5, 943 947 () Tabulka I Chromatografické systémy použité pro separaci azobarviv Kolona, stacionární fáze Kolona Hibar 5 4 mm, stacionární fáze LiChrospher, RP-8, 5 m (Merck, Darmstadt, Germany) Kolona Hibar 5 4 mm, stacionární fáze Purospher STAR, RP-8, 5 m, endcapped (Merck) Kolona ZORBAX 5 3 mm, stacionární fáze Poroshell, SB-C8,,7 m (Agilent Technologies, Santa Clara, USA) a TBAHS hydrogensíran tetrabutylamonný Mobilní fáze a 5/5 (v/v), mmol dm 3 TBAHS/methanol, průtok ml min 5/75 (v/v), mmol dm 3 TBAHS/methanol, průtok ml min 45/55 (v/v), mmol dm 3 TBAHS/methanol, průtok,5 ml min Tabulka II Přehled použitých azobarviv Barvivo Generický název (C.I.) Číslo C.I Molekulová hmotnost Vzorec Methyloranž 35 37,33 C 4 H 4 N 3 NaO 3 S Egacidová Oranž Acid Orange 7 55 35,3 C 6 H N NaO 4 S Egacidová Červeň G Acid Red 85 59,4 C 8 H 3 N 3 Na O 8 S Egacidová žluť G Acid Yellow 88 38,36 C 6 H 3 N 4 NaO 4 S Azorubin, E Acid Red 4 47 5,43 C H N Na O 7 S Brilliantová Oranž Remazol 3R Reactive Orange 6 7757 67,54 C H 7 N 3 Na O S 3 Alizarinová červeň S 585 34,6 C 4 H 7 NaO 7 S Kyselá žluť 4 Acid Yellow 4 896 449,4 C 6 H Cl N 4 NaO 4 S Metanilová žluť 365 375,38 C 8 H 4 N 3 NaO 3 S Žluť Sunset FCF Food Yellow 3 5985 45,37 C 6 H N Na O 7 S Oranž G Acid Orange 63 45,37 C 6 H N Na O 7 S Kyselá červeň 37 a Acid Red 37 745 54,53 C 8 H N 6 O 8 S Kyselá červeň 88 Acid Red 88 56 4,38 C H 3 N NaO 4 S Přímá alizarinová modř AG Acid Blue 4 65 473,43 C H 6 N 3 NaO 6 S Kyselá žluť RN Acid Yellow 5 8835 549,55 C 3 H N 5 NaO 6 S Violamin R Acid Violet 9 459 6,63 C 34 H 5 N NaO 6 S a Amonná sůl v deionizované vodě ze zařízení Demi Ultra (Goro, Praha) využívajícího reverzní osmózy a směsného měniče iontů k čištění vody. Výsledky a diskuse Jak vyplývá z prací 5,, retenci sulfonovaných azobarviv na nepolárních stacionárních fázích lze účinně ovlivňovat složením mobilní fáze, zejména změnou obsahu iontově interakčního činidla (TBAHS) a organického modifikátoru (methanolu). Pro separaci na koloně LiChrospher byly testovány mobilní fáze s nízkým (5 obj.%), středním (5 obj.%) a vysokým (75 obj.%) obsahem methanolu ve směsi s vodným roztokem TBAHS. Při použití mobilní fáze obsahující 5 % methanolu vykazovala zkoumaná azobarviva poměrně vysokou retenci i za přítomnosti nízkých koncentraci TBAHS pod, mmol dm 3, některá 944

Chem. Listy 5, 943 947 () Tabulka III Retenční charakteristiky zkoumaných azobarviv na koloně Lichrospher, RP-8, mobilní fáze 5/5 (v/v), mmol dm 3 TBAHS/methanol Barvivo Retenční faktor a Methyloranž,665 (,5) Egacidová Oranž,39 (,3) Egacidová Červeň G,56 (,) Egacidová žluť G, (,) Azorubin, E,3 (,7) Brilliantová Oranž Remazol 3R,6 (,) Alizarinová červeň S,49 (,6) Kyselá žluť 4 3,67 (,) Metanilová žluť,953 (,9) Žluť Sunset FCF,6 (,) Oranž G,6 (,) Kyselá červeň 37,5 (,) Kyselá červeň 88 7,945 (,9) Přímá alizarinová modř AG 3,564 (,) Kyselá žluť RN 3,69 (,8) Violamin R 4,38 (,) a V závorce uvedena směrodatná odchylka (n=3) Obr.. Separace modelové směsi azobarviv na koloně LiChrospher, RP-8. Mobilní fáze: 5/5 (v/v), mmol dm 3 TBAHS/methanol, ph 3,74, průtok ml min, UV detekce při 5 nm. Identifikace píků: egacidová červeň; methyloranž; 3 egacidová oranž; 4 egacidová žluť (např. methyloranž) vykazovala měřitelnou retenci dokonce i bez přítomnosti TBAHS. Nicméně chromatografické píky byly špatně vyvinuté a separace složitějších směsí nebyla možná. Mobilní fáze obsahující 5 % methanolu umožňovala separaci řady azobarviv na koloně LiChrospher za přítomnosti TBAS o koncentraci, mmol dm 3. Příklad separace modelové směsi barviv je uveden na obr.. Při konstantní koncentraci methanolu se retence sulfonovaných azobarviv zvyšuje s rostoucí koncentraci TBAS v mobilní fází v souladu s matematickými vztahy odvozenými v práci (viz obr. ). V tab. III jsou uvedeny retenční charakteristiky některých dalších sulfonovaných azobarviv na koloně LiChrospher s mobilní fází obsahující 5 % methanolu a, mmol dm 3 TBAHS. Byla pozorována velmi dobrá dlouhodobá stabilita retenčních charakteristik uvedených barviv relativní odchylka retenčních časů se pohybovala od,9 % pro egacidovou červeň do 4,9 % pro egacidovou žluť během šestiměsíčního provozu. Parametry detekce vybraných barviv v tomto systému jsou uvedeny v tab. IV. Jak je vidět z tab. IV, meze detekce se pohybují na úrovni,, mg dm 3, což jsou hodnoty srovnatelné s publikovanými udaji 4 a plně postačující pro uvažované aplikace, např. pro sledování fotokatylytické degradace Tabulka IV Charakteristiky metody stanovení vybraných azobarviv na koloně Lichrospher, RP-8, mobilní fáze 5/5 (v/v), mmol dm 3 TBAHS/methanol Charakteristika Methyloranž Egacidová oranž Egacidová červeň Egacidová žluť Mez detekce a, mg dm 3,4,46,88, Mez stanovitelnosti, mg dm 3,38,54,9 3,673 Linearita, mg dm 3 do 65 (r =,996) do 7 (r =,999) do (r =,999) do 75 (r =,998) Opakovatelnost nižší koncentrace c,58,,77 4,83 (rel. směrodatná odchylka, %) Opakovatelnost vyšší koncentrace c (rel. směrodatná odchylka, %),99,63,9,9 a Trojnásobek směrodatné odchylky 3, b desetinásobek směrodatné odchylky 3, c pro koncentrace barviv, mmol dm 3, n=7, d pro koncentrace barviv, mmol dm 3, n=7 945

Chem. Listy 5, 943 947 () k 5 U, mv 8 EO 6 5 4 5 4,,4,6,8 c TBAS, mmol dm -3 Obr.. Závislost retenčního faktoru azobarviv na koncentraci TBAHS v mobilní fázi. Podmínky jako na obr. s výjimkou koncentrace TBAHS. egacidová žluť; egacidová oranž; 3 methyloranž; 4 egacidová červeň 3 U, mv 8 6 3 4 5 6 7 čas, min EY 4 3 4 5 6 7 čas, min Obr. 4. Chromatografické sledováni fotokatalytického rozkladu azobarviv egacidové oranže (a) a egacidové žluti (b). Křivky roztok příslušného azobarviva o koncentraci, mmol dm 3 na počátku pokusu, křivky reakční směs po 4 min. reakce za přítomnosti oxidu titaničitého. Píky s kratšími retenčními časy odpovídají neidentifikovaným reakčním meziproduktům. Chromatografická separace provedena na koloně Purospher STAR, RP-8 s mobilní fází 75/5 (v/v), mmol dm 3 TBAHS/ methanol, průtok ml min, ostatní podmínky jako na obr. Obr. 3. Separace modelové směsi azobarviv na koloně Poroshell, SB-C8. Mobilní fáze: 55/45 (v/v), mmol dm 3 TBAHS/methanol, průtok,5 ml min, ostatní podmínky a identifikace píků jako na obr. azobarviv. Dalšího snížení mezí detekce a stanovitelnosti lze dosáhnout vhodnými prekoncentračními technikami, např. superkritickou kapalinovou extrakcí, s jejíž pomocí bylo dosaženo snížení meze detekce sudanových barviv asi o jeden řád 4. Bylo zjištěno, že velmi podobné složení mobilní fáze jako na obr. lze použít pro separaci uvedených azobarviv na novém typu náplně Poroshell, SB-C8, přičemž lze při zachování srovnatelné doby separace podstatně snížit průtok a tedy i spotřebu mobilní fáze (viz obr. 3). S rostoucí koncentrací methanolu v mobilní fázi se výrazně snižuje retence sulfosloučenin, což je nutno kompenzovat zvýšením koncentrace TBAHS. Pro separaci modelové směsi azobarviv na koloně LiChrospher, RP-8 s mobilní fází obsahující 75 % methanolu byly optimální koncentrace TBAHS v rozmezí,5 mmol dm 3. 946

Chem. Listy 5, 943 947 () LITERATURA c t /c,8,6,4, ' 4 6 8 t, min Obr. 5. Sledování fotokatalytického rozkladu azobarviv pomocí HPLC v jednosložkovém a dvousložkovém systému - kinetické závislosti. egacidová žluť, jednosložkový systém; egacidová žluť, dvousložkový systém (reakční směs obsahuje obě azobarviva); egacidová oranž, jednosložkový systém; egacidová oranž, dvousložkový systém Velmi dobré separace sulfonovaných azobarviv bylo dosaženo na koloně Purospher STAR, RP-8 plněné chemicky vázanou stacionární fází C 8 s deaktivovanými (endcapped) zbytkovými silanolovými skupinami. Tato kolona byla použita i ke sledování fotokatalytické degradace sulfonovaných azobarviv za přítomnosti oxidu titaničitého. Na obr. 4a je zachycena fotodegradace egacidové oranže, zatímco na obr. 4b je zachycena fotodegradace egacidové žlutě. Píky s retenčními časy kratšími, než jsou retenční časy sledovaných barviv, odpovídají reakčním produktům (meziproduktům) vznikajícím při fotokatylytické degradaci. Degradační produkty se zatím nepodařilo identifikovat podrobnější studium mechanismů degradace bude předmětem samostatné práce. Výhodou chromatografické metody (např. ve srovnání s běžně používanou fotometrickou metodou) je možnost studia složitějších vícesložkových systémů. Jako příklad jsou na obr. 5 uvedeny kinetické závislosti získané při rozkladu egacidové oranže a egacidové žlutě v jednosložkových systémech i v binárním systému obsahujícím obě barviva. '. Zhao H.-Z., Sun Y., Xu L.-N., Ni J.-R.: Chemosphere 78, 46 ().. Vaněrková D., Sakalis A., Holčapek M., Jandera P., Voulgaropoulos A.: Rapid Commun. Mass Spectrom., 87 (6). 3. Bianco A. P., Fabbri D., Pramauro E., Baiocchi C., Medana C.: J. Chromatogr., A 45, (8). 4. Lee K.-S., Yeh T.-L.: J. Chromatogr. 6, 97 (983). 5. Vaněrková D., Jandera P., Hrabica J.: J. Chromatogr., A 43, (7). 6. Constapel M., Schellenträger M., Marzinkowski J. M., Gab S.: Water Res. 43, 733 (9). 7. Bastian B., Knepper T. P., Hoffmann P., Ortner H. M.: Fresenius J. Anal. Chem. 348, 674 (994). 8. Kucharska M., Grabka J.: Talanta 8, 5 (). 9. Murty M. R. V. S., Chary N. S., Prabhakar S., Raju N. P., Vairamani M.: Food Chem. 5, 556 (9).. Jandera P., Bocian S., Molíková M., Buszewski B.: J. Chromatogr., A 6, 37 (9).. Janoš P.: J. Chromatogr., A 37, 5 (4).. Jandera P., Churáček J., Taraba B.: J. Chromatogr. 6, (983). 3. EURACHEM: The Fitness for Purpose of Analytical Methods. A Laboratory Guide to Method Validation and Related Topics. LGC, Teddington 998. České vydání: Suchánek M. (ed.): Vhodnost analytických metod pro daný účel. Kvalimetrie 9. EURACHEM- ČR, Praha 999. 4. Avila M., Zougagh M., Escarpa A., Rios A.: J. Supercrit. Fluids 55, 977 (). P. Janoš, S. Hejda, E. Agapová, and J. Fikarová (Faculty of the Environment, J.E. Purkyně University, Ústí nad Labem): Determination of Sulfonated Azo Dyes by Ion-Interaction Chromatography in Reversed-Phase System Ion-interaction reversed-phase chromatography employing various commercial octadecyl (C 8 ) stationary phases was used to separate mixtures of sulfonated azo dyes, with a mobile phase containing tetrabutylammonium hydrogensulfate (TBAHS;.. mmol l ) as ioninteraction agent. Using UV detection at 5 nm, detection limits ranging from. to. mg l were obtained. Tato práce vznikla za podpory interní grantové agentury UJEP a Grantové agentury ČR (projekt č. 4/8/758). 947