Estimarea coeficientului de adsorbtie (kco) pe sol si namol de epurare cu ajutorul cromatografiei lichide de inalta performanta (clip)

ESTIMAREA COEFICIENTULUI DE ADSORBTIE (K_CO) PE SOL SI NAMOL DE EPURARE CU AJUTORUL CROMATOGRAFIEI LICHIDE DE INALTA PERFORMANTA (CLIP)

METODA

Prezenta metoda este identica cu cea prevazuta in liniile directoare pentru incercari si analize ale OCDE 21(2000).

INTRODUCERE

Comportarea la sorbtie a substantelor din soluri si namolurile de epurare se poate descrie cu ajutorul parametrilor determinati experimental prin metoda de testare C.18. Un parametru important este coeficientul de adsorbtie care reprezinta raportul dintre concentratia substantei din sol/namol si concentratia substantei in faza apoasa la echilibrul de adsorbtie. Coeficientul de adsorbtie normalizat la continutul de carbon organic al solului K_co este un indicator util al capacitatii de fixare a unei substante chimice pe o substanta organica din sol si din namolul de epurare si permite compararea diferitelor substante chimice. Parametrul mentionat se poate estima prin corelari cu solubilitatea apei si coeficientul de partitie n-octanol/apa (1)(2)(3)(4)(5)(6)(7).

Metoda experimentala descrisa in prezenta testare utilizeaza CLIP pentru estimarea coeficientului de adsorbtie K_co in sol si in namolul de epurare (8). Estimarile prezinta o credibilitate mai mare decat cele din calculele de relatie cantitativa structura-activitate [RCSA (QSAR)] (9). Ca metoda de estimare, aceasta nu poate inlocui in intregime incercarile de realizare a echilibrului probelor utilizate in metoda de testare C.18. Cu toate acestea, K_co estimat poate fi util in alegerea parametrilor optimi de testare pentru studiile de adsorbtie/desorbtie conform metodei de testare C.18, prin calcularea K_d (coeficientul de distributie) sau K_f (coeficientul de adsorbtie Freundlich) conform ecuatiei 3 (pct. 1.2).

DEFINITII

K_d: Coeficientul de distributie este raportul dintre concentratiile la echilibru, C, ale unei substante incercate dizolvate intr-un sistem bifazic ce contine un adsorbant (sol sau namol de epurare) si o faza apoasa; este o valoare adimensionala atunci cand concentratiile in ambele faze se exprima in greutate/greutate. Pentru concentratia in faza apoasa exprimata in greutate/volum, unitatile sunt ml ∙ g^-1. K_d poate sa varieze in functie de proprietatile adsorbantului si poate sa fie dependent de concentratie.

sau (1)

unde:

K_f: Coeficientul de adsorbtie Freundlich este concentratia substantei incercate in sol sau namolul de epurare (x/m) atunci cand concentratia la echilibru, C_ap, in faza apoasa este egala cu unu; unitatile sunt μg g^-1 adsorbant. Valoarea poate sa varieze in functie de proprietatile adsorbantului.

(2)

unde:

Pentru C_ap = 1;

K_co: Coeficientul de distributie (K_d) sau coeficientul de adsorbtie Freundlich (K_f) normalizat la continutul de carbon organic (f_co) al adsorbantului; in special pentru substantele chimice neionizate, este un indicator aproximativ al gradului de adsorbtie intre o substanta si adsorbant si permite compararea diferitelor substante chimice. In functie de dimensiunile Kd si K_f, K_co poate sa fie adimensional sau sa aiba unitatile ml g^-1 sau μg g^-1 substanta organica.

(adimensional sau ml g^-1) sau ( μg g^-1) (3)

Relatia dintre K_co si K_d nu este lineara intotdeauna si, prin urmare, valorile K_co pot sa varieze de la un sol la altul, dar gradul de variatie a acestora este redus in mare masura in comparatie cu valorile Kd sau K_f.

Coeficientul de adsorbtie(K_co) se obtine din factorul de capacitate (k'), utilizand o curba de etalonare obtinuta prin reprezentarea grafica a log k' functie de log K_co pentru compusii de referinta selectati.

(4)

unde:

t_R: timpul de retentie CLIP pentru testare si substanta de referinta (minute)

t₀: timpul mort (minute) (pct. 1.8.2).

P_ow: Coeficientul de partitie octanol-apa reprezinta raportul dintre concentratiile substantei dizolvate in n-octanol si apa; este o marime adimensionala.

(5)

SUBSTANTELE DE REFERINTA

Inaintea utilizarii metodei, este necesar sa se cunoasca formula structurala, puritatea si constanta de disociere (daca este cazul). Sunt utile datele privind solubilitatea in apa si solventi organici, coeficientul de partitie octanol-apa si caracteristicile hidrolizei.

Pentru a corela datele de retentie CLIP masurate pentru o substanta testata cu coeficientul de adsorbtie al acesteia K_co, trebuie sa se reprezinte grafic curba de etalonare pentru log K_co functie de log k'. Trebuie sa se utilizeze cel putin sase puncte, cel puti unul peste si unul sub valoarea preconizata pentru substanta testata. Acuratetea metodei este mult imbunatatita, daca se utilizeaza substante de referinta cu structura asemanatoare cu a substantei incercate. Daca astfel de date nu sunt disponibile, este la latitudinea utilizatorului sa aleaga substantele de etalonare potrivite. In acest caz, este necesar sa se aleaga un set mai general de substante eterogene din punct de vedere structural. Substantele si valorile K_co care se pot utiliza sunt prezentate in apendice, in tabelul 1 pentru namolul de epurare si in tabelul 3 pentru sol. Alegerea altor substante de etalonare se justifica.

PRINCIPIUL METODEI DE TESTARE

CLIP se realizeaza pe o coloana analitica umpluta cu o faza solida de cianopropil care se comercializeaza si care contine grupe liofile si polare. Se utilizeaza o faza stationara polara din matrice de silice.

Principiul metodei de testare este similar cu cel al metodei de testare A.8 (coeficientul de partitie, metoda CLIP). Cand trece prin coloana in lungul fazei mobile, substanta testata interactioneaza cu faza stationara. Ca urmare a partitiei dintre faza mobila si cea stationara, substanta testata este intarziata. Compozitia dubla a fazei stationare, care are portiuni polare si nepolare, permite interactiunea grupelor polare si nepolare dintr-o molecula intr-un mod similar cu cel pentru substanta organica din matricele de sol sau namol de epurare. Aceasta permite stabilirea relatiei dintre timpul de retentie pe coloana si coeficientul de adsorbtie pe substanta organica.

pH-ul are o influenta importanta in mod deosebit asupra comportamentului de sorbtie al substantelor polare. Pentru solurile agricole sau rezervoarele statiilor de tratare a apelor reziduale, pH-ul variaza de obicei intre 5,5 si 7,5. Pentru substantele ionizabile, trebuie sa se efectueze doua testari, atat cu forma ionizata cat si cu cea neionizata in solutii tampon corespunzatoare, dar numai pentru situatiile in care cel putin 10% din compusul testat se disociaza intre valorile pH-ului 5,5 - 7,5.

Deoarece pentru evaluare se utilizeaza doar relatia dintre retentia pe coloana CLIP si coeficientul de adsorbtie, nu este necesara o metoda analitica cantitativa, ci doar determinarea timpului de retentie. Daca este disponibil un set corespunzator de substante de referinta si se pot utiliza conditiile experimentale standard, metoda ofera un mod rapid si eficient pentru estimarea coeficientului de adsorbtie K_co.

APLICABILITATEA TESTULUI

Metoda CLIP se poate aplica substantelor chimice (nemarcate si marcate) pentru care exista un sistem corespunzator de detectie (de ex. spectrofotometru, detector de radioactivitate) si care sunt suficient de stabile in timpul testarii. Aceasta metoda poate sa fie deosebit de utila pentru substantele chimice dificil de studiat in alte sisteme experimentale (adica substantele volatile; substante care nu sunt solubile in apa la o concentratie care sa poata fi masurata analitic; substante cu afinitate mare pentru suprafata sistemelor de incubare). Metoda se poate utiliza la amestecurile care dau benzi de elutie neseparate. In acest caz, este necesar sa se stabileasca limitele superioara si inferioara ale valorilor log K_co pentru compusii amestecului testat.

Impuritatile pot sa creeze uneori probleme in interpretarea rezultatelor CLIP, dar sunt de importanta minora atata timp cat substanta testata se poate identifica si separa analitic in mod clar de impuritati.

Metoda este validata pentru substantele prezentate in tabelul 1 din apendice si a fost de asemenea aplicata pentru o serie de alte substante din urmatoarele clase de substante chimice:

amine aromate (de ex. trifluralin, 4-cloroanilina, 3,5-dinitroanilina, 4-metilanilina, N-metilanilina, 1-naftilamina), esterul etilic al acidului 3,5-dinitrobenzoic

esteri ai acizilor carboxilici aromati (de ex. esterul metilic al acidului benzoic, esterul etilic al acidului 3,5-dinitrobenzoic),

hidrocarburi aromate (de ex. toluen, xilen, etilbenzen, nitrobenzen),

esteri ai acizilor ariloxifenoxipropionici (de ex. metil-diclofop, etil-fenoxaprop, p-etil-fenoxaprop),

fungicide pe baza de benzimidazol sau imidazol (de ex. carbendazim, fuberidazol, triazoxid),

amide ale acizilor carboxilici (de ex. 2-clorobenzamida, N,N-dimetilbenzamida, 3,5-dinitrobenzamida, N-metilbenzamida, 2-nitrobenzamida, 3-nitrobenzamida),

hidrocarburi clorurate (de ex. endosulfan, DDT, hexaclorobenzen, quintozen, 1,2,3-triclorobenzen),

insecticide organofosforoase (de ex. metil-azinfor, disulfoton, fenamifos, izofenfos, pirazofos, sulprofos, triazofos),

fenoli (de ex. fenol, 2-nitrofenol, 4-nitrofenol, pentaclorofenol, 2,4,6-triclorofenol, 1-naftol),

derivati de feniluree (de ex. izoproturon, monolinuron, pencycuron),

pigmenti coloranti (de ex. Acid Yellow 219, Basic Blue 41, Direct Red 81),

hidrocarburi poliaromate (de ex. acenaften, naftalen),

ierbicide pe baza de 1,3,5-triazine (de ex. prometrin, propazina, simazina, terbutrin),

derivati de triazol (de ex. tebuconazol, triadimefon, tradimenol, triapentenol).

Prezenta metoda nu se poate aplica la substantele care reactioneaza fie cu eluentul, fie cu faza stationara. De asemenea, nu se aplica la substantele care interactioneaza in mod specific cu componentele anorganice (de ex. formarea de complecsi ramificati cu mineralele din argila). Este posibil ca metoda sa nu functioneze la substantele tensioactive, compusii anorganici si acizii si bazele organici(e) moderati(e) sau puternici(e). Se pot determina valorile log K_co cuprinse intre 1,5 si 5,0. Determinarea substantelor ionizabile trebuie sa se realizeze cu o faza mobila tamponata, dar trebuie sa se aiba grija pentru a evita precipitarea componentelor tamponului sau a substantei testate.

CRITERIILE DE CALITATE

Acuratetea

De obicei, coeficientul de adsorbtie al unei substante testate se poate estima cu o aproximatie de ± 0,5 dintr-o unitate logaritmica din valoarea determinata prin metoda de stabilire a echilibrului probelor (tabelul 1 din anexa). Daca substantele de referinta utilizate au structuri asemanatoare cu cea a substantei testate, se poate obtine o acuratete mai mare.

Repetabilitatea

Determinarile trebuie sa se faca cel putin in dublu exemplar. Valorile log K_co obtinute din masuratorile individuale trebuie sa se situeze intr-un interval de 0,25 dintr-o unitate logaritmica.

Reproductibilitatea

Experienta acumulata pana in prezent in aplicarea metodei sustine valabilitatea acesteia. Un studiu prin metoda CLIP, in care s-au utilizat 48 substante (majoritatea pesticide) pentru care existau date credibile privind K_{co pentru soluri}, a dat un coeficient de corelare R = 0,95 (10) (11).

S-a realizat un studiu comparativ intre laboratoare, cu participarea a 11 laboratoare, pentru imbunatatirea si validarea metodei (12). Rezultatele sunt prezentate in tabelul 2 din apendice.

DESCRIEREA METODEI DE TESTARE

Estimarea preliminara a coeficientului de adsorbtie

Coeficientul de partitie octanol-apa P_ow (= K_ow) si, intr-o anumita masura, solubilitatea in apa se pot utiliza ca indicatori pentru gradul de adsorbtie, in special pentru substantele neionizate si, prin urmare, se pot utiliza pentru aflarea preliminara a domeniului. Au fost publicate o serie de corelatii utile pentru cateva grupe de substante chimice (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7).

Aparatura

Este necesar un cromatograf lichid prevazut cu o pompa fara impulsuri si cu un dispozitiv potrivit de detectie. Se recomanda utilizarea unui injector cu bucla de injectie. Se utilizeaza rasini pe baza de cianopropil fixat chimic pe suport de silice (de ex. Hypersil si Zorax CN). O coloana de protectie din acelasi material se poate instala intre sistemul de injectie si coloana analitica. Coloanele provenite de la diversi furnizori pot sa aiba randamente de separare foarte diferite. Pentru orientare, este necesar sa se obtina urmatorii factori de capacitate k': log k' > 0,0 pentru log K_co = 3,0 si log k' > 0,4 pentru log K_co = 2,0 atunci cand se utilizeaza amestec metanol/apa 55/45 % ca faza mobila.

Fazele mobile

Au fost testate cateva faze mobile si se recomanda urmatoarele doua:

metanol/apa (55/45 % volum/volum),

metanol/tampon citrat 0,01 M, pH 6,0 (55/45 % volum/volum)

Se utilizeaza metanolul de tip CLIP si apa distilata sau tampon citrat pentru prepararea solventului de elutie. Amestecul se dezaereaza inainte de utilizare. Se utilizeaza elutia izocratica. Daca amestecurile metanol/apa nu sunt corespunzatoare, se pot incerca alte amestecuri solvent organic/apa, de ex. amestecurile etanol/apa sau acrilonitril/apa. Pentru compusii ionizabili se recomanda utilizarea solutiei tampon pentru stabilizarea pH-ului. Trebuie sa se aiba grija pentru a evita precipitarea sarurilor si deteriorarea coloanei, care pot sa apara la unele amestecuri faza organica/tampon.

Nu se pot utiliza aditivi cum ar fi reactivi cu perechi de ioni, deoarece pot sa afecteze proprietatile de sorbtie ale fazei stationare. Astfel de modificari ale fazei stationare pot sa fie ireversibile. Din acest motiv, este obligatoriu ca testele cu aditivi sa se efectueze pe coloane separate.

Substanta dizolvata

Substantele testate si de referinta se dizolva in faza mobila.

REALIZAREA TESTARII

Conditii experimentale

Este necesara inregistrarea temperaturii in timpul masuratorilor. Pentru asigurarea conditiilor constante in timpul etalonarii si estimarii si masurarii substantei testate, se recomanda cu stringenta utilizarea unui compartiment termoreglabil pentru coloana.

Determinarea timpului mort t₀

Pentru determinarea timpului mort t₀, se pot utiliza doua metode diferite (vezi si pct. 1.2).

Determinarea timpului mort t₀ cu ajutorul seriilor omoloage

S-a dovedit ca procedeul de acest tip da valori t₀ credibile si standardizate. Pentru detalii, a se vedea metoda de testare A.8: coeficientul de partitie (n-octanol/apa), metoda CLIP.

Determinarea timpului mort t₀ cu substante inerte care nu sunt retinute pe coloana

Procedeul mentionat se bazeaza pe injectia solutiilor de formamida, uree sau nitrat de sodiu. Masuratorile se realizeaza cel putin de doua ori..

Determinarea timpilor de retentie t_R

Se procedeaza la selectarea substantelor de referinta conform pct. 1.3. Acestea se pot injecta ca amestec etalon pentru determinarea timpilor lor de retentie, cu conditia confirmarii ca timpul de retentie pentru fiecare etalon nu este afectat de prezenta altor etaloane de referinta. Etalonarea se face la intervale regulate, cel putin de doua ori pe zi, datorita modificarilor neasteptate in functionarea coloanei. Pentru cea mai buna practica, injectiile de etalonare se realizeaza inainte si dupa injectiile de substanta testata pentru a confirma ca timpii de retentie nu au fost deplasati. Substantele incercate se injecteaza separat in cantitati cat se poate de mici (pentru a evita supraincarcarea coloanei) si se determina timpii de retentie pentru acestea.

Pentru a creste increderea in masuratori, trebuie sa se realizeze cel putin doua determinari. Valorile log K_co obtinute din masuratori individuale trebuie sa se incadreze intr-o valoare de 0,25 dintr-o unitate logaritmica.

Evaluarea

Se calculeaza factorii de capacitate k' din timpul mort t₀ si timpii de retentie t_R pentru substantele de referinta selectate conform ecuatiei 4 (pct. 1.2). Apoi, se reprezinta grafic valorile log k' ale substantelor de referinta functie de valorile log K_co ale acestora, obtinute din testele cu realizarea echilibrului probelor, prezentate in tabelele 1 si 3 din apendice. Din reprezentarea grafica mentionata, valoarea log k' a unei substante testate se utilizeaza apoi pentru determinarea valorii log K_co a acesteia. Daca rezultatele reale indica o valoare a log K_co pentru substanta testata in afara domeniului de etalonat, testarea se repeta, utilizand alte substante de referinta mai potrivite.

REZULTATELE SI RAPORTAREA

Raportul de testare trebuie sa contina urmatoarele informatii:

identitatea testului si substantelor de referinta si puritatea acestora si valorile pK_a, daca sunt importante,

descrierea aparaturii si a conditiilor de operare, de ex. tipul si dimensiunea coloanei analitice (si a celei de protectie), mijloacele de detectie, faza mobila
(raportul componentelor si valoarea pH), valorile temperaturii in timpul masuratorilor,

timpul mort si metoda utilizata pentru determinarea acestuia,

cantitatile de substante testate si de referinta introduse in coloana,

timpii de retentie pentru compusii de referinta utilizati la etalonare,

detalii privind linia de regresie ajustata (log k' functie de log K_co) si un grafic al liniei de regresie ,

datele medii de retentie si valoarea estimata a log K_co pentru compusul testat,

cromatogramele.

BIBLIOGRAFIE

W. J. Lyman, W. F. Reehl, D. H. Rosenblatt (ed). (1990). Handbook of chemical property estimation methods, Chap. 4, McGraw-Hill, New York.

J. Hodson, N. A. Williams (1988). The estimation of the adsorption coefficient (Koc ) for soils by CLIP. Chemosphere, 17, 1-67.

G. G. Briggs (1981). Theoretical and experimental relationships between soil adsorption, octanol-water partition coefficients, water solubilities, bioconcentration factors, and the parachor. J. Agric. Food Chem., 29, pp. 1050-1059.

C. T. Chiou, P. E. Porter, D.W. Schmedding (1983). Partition equilibria of nonionic organic compounds between soil organic matter and water. Environ. Sci. Technol., 17, pp. 227-231.

Z. Gerstl, U. Mingelgrin (1984). Sorption of organic substances by soils and sediment. J. Environm. Sci. Health, B19, pp. 297-312.

C. T. Chiou, L. J. Peters, V. H. Freed (1979). A physical concept of soil water equilibria for nonionic organic compounds, Science, 106, pp. 831-832.

S. W. Karickhoff (1981). Semi-empirical estimation of sorption of hydrophobic pollutants on natural sediments and soils. Chemosphere, 10, pp. 833-846.

W. Kördel, D. Hennecke, M. Herrmann (1997). Application of the HPLC-screening method for the determination of the adsorption coefficient on sewage sludges. Chemosphere, 35(1/2), pp. 121-128.

M. Mueller, W. Kördel (1996). Comparison of screening methods for the estimation of adsorption coefficients on soil. Chemosphere, 32(12), pp. 2493-2504.

W. Kördel, J. Stutte, G. Kotthoff (1993). HPLC-screening method for the determination of the adsorption coefficient in soil-comparison of different stationary phases, Chemosphere, 27(12), pp. 2341-2352.

B. von Oepen, W. Kördel, W. Klein (1991). Sorption of nonpolar and polar compounds to soils: Processes, measurements and experience with the applicability of the modified OECD Guideline 106, Chemosphere, 22, pp. 285-304.

W. Kördel, G. Kotthoff, J. Müller (1995). HPLC-screening method for the determination of the adsorption coefficient on soil-results of a ring test. Chemosphere, 30(7), pp. 1373-1384.

ANEXA

TABELUL 1

Compararea valorilor K_co pentru soluri si namoluri de epurare si valorile calculate cu ajutorul metodei selective CLIP

TABELUL 2

Rezultatele studiului comparativ intre laboratoare (11 laboratoare participante) efectuat pentru imbunatatirea si validarea metodei CLIP

TABELUL 3

Substantele de referinta recomandate pentru metoda selectiva CLIP

pe baza datelor de adsorbtie pe sol