zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2019-85-12-14-19zldm-1115Research ArticleАНАЛИЗ ВЕЩЕСТВАSUBSTANCES ANALYSISОпределение Pb (II), Cu (II), Co (II), Mn (II) и Fe (III) методом атомно-абсорбционной спектрометрии с электротермической атомизацией и предварительным концентрированием нановолокнамиDetermination of Pb (II), Cu (II), Co (II), Mn (II), and Fe (III) by electrothermal atomization atomic absorption spectrometry after preconcentration with nanofibersДанчукА. И.DanchukA. I.

Александра Ильинична Данчук

410012, г. Саратов, ул. Астраханская, 83

Alexandra I. Danchuk

ГруноваЮ. В.GrunovaYu. V.

Юлия Валерьевна Грунова

410012, г. Саратов, ул. Астраханская, 83

Yuliya V. Grunova

ГабидулинаМ. К.GabidulinaM. K.

Марина Касимовна Габидулина

410012, г. Саратов, ул. Астраханская, 83

Marina K. Gabidulina

ДоронинС. Ю.DoroninS. Yu.

Сергей Юрьевич Доронин

410012, г. Саратов, ул. Астраханская, 83

Sergey Yu. Doronin

doroninsu@mail.ruСаратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. ЧернышевскогоРоссияSaratov State UniversityRussian Federation20192712201985121419Copyright © Данчук А.И., Грунова Ю.В., Габидулина М.К., Доронин С.Ю., 20192019Данчук А.И., Грунова Ю.В., Габидулина М.К., Доронин С.Ю.Danchuk A.I., Grunova Y.V., Gabidulina M.K., Doronin S.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.zldm.ru/jour/article/view/1115

Приведены результаты сорбционного концентрирования некоторых ионов тяжелых металлов с их последующим определением методом атомно-абсорбционной спектрометрии с электротермической атомизацией (ЭТААС) в природных и питьевых водах. Оптимизированы и исследованы сорбция и десорбция (0,01 – 1 М HNO3) ионов свинца, меди, железа, кобальта и марганца из водных сред на образцах нановолокон, полученных из полиакрилонитрила (ПАН) с последующей направленной модификацией 1,25 М раствором NaOH при нагревании (70 °C) (ПАН*). Нановолокна получены методом бескапиллярного электроформования из растворов ПАН в диметилформамиде. Данный метод позволяет получать наноматериалы с заданными свойствами и обладает рядом преимуществ (аппаратурная простота, высокая энергетическая эффективность производства нановолокон, универсальность и гибкость в управлении параметрами процесса). Рассчитаны значения степеней извлечения (95,8 – 99,5 %) и коэффициенты селективности для конкурирующих пар ионов металлов: вPb/Cu = 1,2; вPb/Co = 2,8; вPb/Mn = 3,2; вCu/Co = 1,7; вCu/Mn = 3,7; вCo/Mn = 2,5. Проведен сравнительный анализ сорбционной активности полученных нановолокон: установлено, что нановолокно неселективно сорбирует ионы свинца, меди, кобальта и марганца (их сумму) при pH 6 – 8 и селективно — ионы железа (III) при pH  3. Предложена методика сорбционно-атомно-абсорбционного определения указанных ионов металлов в реальных объектах с предварительным нановолоконным концентрированием на уровне десятых и сотых долей ПДК. Нетканые материалы на основе модифицированного ПАН применены в качестве эффективных экстрагентов нанограммовых количеств ионов ТМ. Пределы обнаружения ионов металлов составляют 40 – 80 нг/дм3.

The results of sorption preconcentration of some heavy metal (HM) ions with their subsequent determination in natural and drinking water by electrothermal atomization atomic absorption spectrometry (ETAAS) are presented. The sorption and desorption (0.01 – 1 M HNO3) of lead, copper, iron, cobalt and manganese ions from aqueous media on nanofiber samples obtained from polyacrylonitrile (PAN) with subsequent directed modification by 1.25 M NaOH solution upon heating (70°C) (PAN*) are studied and optimized. Nanofibers were obtained by capillary-free electroforming from solutions of PAN in dimethylformamide. This method is advantageous for the simplicity of equipment, high energy efficiency of nanofiber production, versatility and flexibility in controlling process parameters and allows production of nanomaterials with desired properties. The values of the extraction degree (95.8 – 99.5%) and selectivity coefficients for competing pairs of metal ions are calculated: вPb/Cu = 1.2; вPb/Co = 2.8; вPb/Mn = 3.2;вCu/Co = 1.7; вCu/Mn = 3.7; вCo/Mn = 2.5. A comparative analysis of the sorption activity of the obtained nanofibers revealed that the character of lead, copper, cobalt and manganese ion sorption by nanofibers is non-selective at pH 6 – 8 and selective for iron (III) ions at pH  3. A technique of sorption-atomic absorption determination of the aforementioned metal ions in real objects with preliminary nanofiber concentration at the level of tenths and hundredths of MPC is proposed. Non-woven materials based on modified PAN are used as effective extractants of nanogram quantities of HM ions. The detection limits for heavy metal ions are 40 – 80 ng/dm3.

нетканые материалынановолокнаэлектроформованиесорбционное концентрированиеметаллыатомно-абсорбционная спектрометрияnon-woven materialsnanofiberselectroforming (electrospinning)sorption preconcentrationmetalsatomic absorption spectrometryReferencesБудников Г. К. Тяжелые металлы в экологическом мониторинге водных систем / Соросовский образовательный журнал. 1998. Т. 4. № 5. С. 23 – 29.Budnikov G. K. Heavy metals in environmental monitoring of water systems / Soros. Obraz. Zh. 1998. Vol. 4. N 5. P. 23 – 29 [in Russian].Aceto M., Abollino O., Bruzzoniti M. C., et al. Determination of metals in wine with atomic spectroscopy (flame-AAS, GF-AAS and ICP-AES); a review / Food Addit. Contam. 2002. Vol. 19. N 2. P. 126 – 133. DOI: 10.1080/0265203011007133.Aceto M., Abollino O., Bruzzoniti M. C., et al. Determination of metals in wine with atomic spectroscopy (flame-AAS, GF-AAS and ICP-AES); a review / Food Addit. Contam. 2002. Vol. 19. N 2. P. 126 – 133. DOI: 10.1080/0265203011007133.Линник Р. П., Линник П. Н., Запорожец О. А. Методы исследования сосуществующих форм металлов в природных водах (обзор) / Методы и объекты химического анализа. 2006. Т. 1. № 1. С. 4 – 26.Linnik R. P., Linnik P. N., Zaporozhets O. A. Research Methods for Coexisting Metal Forms in Natural Waters (Review) / Met. Ob’ekty Khim. Anal. 2006. Vol. 1. N 1. P. 4 – 26 [in Russian].Петрова Ю. С., Неудачина Л. К., Пестов А. В., Яременко Д. А. Сорбционно-атомно-абсорбционное определение меди в природных и питьевых водах с предварительным концентрированием сорбентом на основе N-2-сульфоэтилхитозана / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2015. Т. 81. № 1. Ч. 1. С. 11 – 16.Petrova Yu. S., Neudachina L. K., Pestov A. V., Yaremenko D. A. Sorption-atomic-absorption determination of copper in natural and drinking waters with preconcentration by the sorbent based on N-2-sulfoethyl chitosan / Zavod. Lab. Diagn. Mater. 2015. Vol. 81. N 1. Part I. P. 11 – 16 [in Russian].Цизин Г. И., Статкус М. А., Золотов Ю. А. Сорбционное и экстракционное концентрирование микрокомпонентов в проточных системах анализа (обзор) / Журн. аналит. химии. 2015. Т. 70. № 11. С. 1123 – 1142.Tsizin G. I., Statkus M. A., Zolotov Yu. A. Adsorption and extraction preconcentration of trace components in flow analytical systems (Review) / J. Anal. Chem. 2015. Vol. 70. N 11. P. 1289 – 1306. DOI: 10.1134/S1061934815110167.Plotka-Wasylka J., Szczepanska N., de la Guardia M., Namiesnik J. Modern trends in solid phase extraction: New sorbent media / TrAC, Trends Anal. Chem. 2016. Vol. 77. P. 23 – 43. DOI: 10.1016/j.trac.2015.10.010.Plotka-Wasylka J., Szczepanska N., de la Guardia M., Namiesnik J. Modern trends in solid phase extraction: New sorbent media / TrAC, Trends Anal. Chem. 2016. Vol. 77. P. 23 – 43. DOI: 10.1016/j.trac.2015.10.010.Махова Т. М., Доронин С. Ю. Нановолокна как сорбенты для концентрирования органических токсикантов из водных сред / Бутлеровские сообщения. 2018. Т. 53. № 3. С. 55 – 66.Makhova T. M., Doronin S. Yu. Electrospun nanofibers as sorbents for the concentration of organic toxicants from aqueous media / Butlerov Commun. 2018. Vol. 53. N 3. P. 55 – 66. ROI: jbc-02/18-53-3-49.Su Z. Q., Ding J. W., Wei G. Electrospinning: a facile technique for fabricating polymeric nanofibers doped with carbon nanotubes and metallic nanoparticles for sensor applications / RSC Adv. 2014. Vol. 4. N 94. P. 52598 – 52610. DOI: 10.1039/ C4ra07848a.Su Z. Q., Ding J. W., Wei G. Electrospinning: a facile technique for fabricating polymeric nanofibers doped with carbon nanotubes and metallic nanoparticles for sensor applications / RSC Adv. 2014. Vol. 4. N 94. P. 52598 – 52610. DOI: 10.1039/ C4ra07848a.Wang X., Hsiao B. S. Electrospun nanofiber membranes / Curr. Opin. Chem. Eng. 2016. Vol. 12. P. 62 – 81. DOI: 10.1016/ j.coche.2016.03.001.Wang X., Hsiao B. S. Electrospun nanofiber membranes / Curr. Opin. Chem. Eng. 2016. Vol. 12. P. 62 – 81. DOI: 10.1016/ j.coche.2016.03.001.Апяри В. В., Дмитриенко С. Г., Золотов Ю. А. Аналитические возможности цифровых цветометрических технологий. Определение нитрит-ионов с использованием пенополиуретана / Вестн. Моск. ун-та. Сер. 2. Химия. 2011. Т. 52. № 1. С. 36 – 42.Apyari V. V., Dmitrienko S. G., Zolotov Yu. A. Analytical possibilities of digital colorimetry. Determination of nitrite using polyurethane foam / Vestn. Mosk. Univ. Ser. 2. 2011. Vol. 52. N 1. P. 36 – 42 [in Russian].Мосталыгина Л. В., Костин А. В., Елизарова С. Н. Изучение механизма сорбции ионов меди на пищевом волокне, выделенном из масличных культур Зауралья, и бентонитовой глине / Химия растительного сырья. 2015. № 1. С. 167 – 174.Mostalygina L. V., Kostin A. V., Elizarova S. N. Study of the mechanism of sorption of copper ions on dietary fiber, isolated from oilseeds of trans-Urals, and bentonite clay / Khim. Rastit. Syr’ya. 2015. N 1. P. 167 – 174 [in Russina].Шилина А. С., Милинчук В. К. Сорбционная очистка природных и промышленных вод от катионов тяжелых металлов и радионуклидов новым типом высокотемпературного алюмосиликатного адсорбента / Сорбционные и хроматографические процессы. 2010. Т. 10. № 2. С. 237 – 245.Shilina A. S., Milinchuk V. K. Sorption purification of natural and industrial waters from heavy metal cations and radionuclides by a new type of high-temperature aluminosilicate adsorbent / Sorbts. Khromatogr. Prots. 2010. Vol. 10. N 2. P. 237 – 245 [in Russian].Bode-Aluko C. A., Pereao O., Ndayambaje G., Petrik L. Adsorption of Toxic Metals on Modified Polyacrylonitrile Nanofibres: A Review / Water Air Soil Pollut. 2017. Vol. 228. N 1. P. 35 – 46. DOI: 10.1007/s11270-016-3222-3.Bode-Aluko C. A., Pereao O., Ndayambaje G., Petrik L. Adsorption of Toxic Metals on Modified Polyacrylonitrile Nanofibres: A Review / Water Air Soil Pollut. 2017. Vol. 228. N 1. P. 35 – 46. DOI: 10.1007/s11270-016-3222-3.Li Y., Wang L., Yin X., et al. Colorimetric strips for visual lead ion recognition utilizing polydiacetylene embedded nanofibers / J. Mater. Chem. A. 2014. Vol. 2. N 43. P. 18304 – 18312. DOI: 10.1039/c4ta04547e.Li Y., Wang L., Yin X., et al. Colorimetric strips for visual lead ion recognition utilizing polydiacetylene embedded nanofibers / J. Mater. Chem. A. 2014. Vol. 2. N 43. P. 18304 – 18312. DOI: 10.1039/c4ta04547e.Raj S., Shankaran D. R. Curcumin based biocompatible nanofibers for lead ion detection / Sens. Actuators, B. 2016. Vol. 226. P. 318 – 325. DOI: 10.1016/j.snb.2015.12.006.Raj S., Shankaran D. R. Curcumin based biocompatible nanofibers for lead ion detection / Sens. Actuat. B. 2016. Vol. 226. P. 318 – 325. DOI: 10.1016/j.snb.2015.12.006.Zhou Y., Li Y. S., Meng X. Y., et al. Development of an immunochromatographic strip and its application in the simultaneous determination of Hg(II), Cd(II) and Pb(II) / Sens. Actuat. B. 2013. Vol. 183. P. 303 – 309. DOI: 10.1016/j.snb.2013.04.028.Zhou Y., Li Y. S., Meng X. Y., et al. Development of an immunochromatographic strip and its application in the simultaneous determination of Hg(II), Cd(II) and Pb(II) / Sens. Actuat. B. 2013. Vol. 183. P. 303 – 309. DOI: 10.1016/ j.snb.2013.04.028.Данчук А. И., Доронин С. Ю., Махова Т. М. и др. Нановолокно на основе полиакрилонитрила — как сорбент для ионов свинца (II) и меди (II) / Бутлеровские сообщения. 2016. № 48. № 11. С. 123 – 131.Danchuk A. I., Doronin S. Yu., Mahova T. M., et al. Nanofiber based on polyacrylonitrile — as a sorbent for lead and copper ions / Butlerov Commun. 2016. Vol. 48. N 11. P. 123 – 131. ROI: jbc-02/16-48-11-123.Данчук А. И., Грунова Ю. В., Доронин С. Ю., Лясникова А. В. Модифицированное нановолокно на основе полиакрилонитрила как сорбент для извлечения некоторых ионов тяжелых металлов / Сорбционные и хроматографические процессы. 2018. Т. 18. № 3. С. 404 – 414.Danchuk A. I., Grunova Yu. V., Doronin S. Yu., Lyasnikova A. V. Modified polyacrylonitrile nanofiber material as a sorbent for some of heavy metal ions extraction / Sorbts. Khromatogr. Prots. 2018. Vol. 18. N 3. P. 404 – 414 [in Russian].Kampalanonwat P., Supaphol P. Preparation of hydrolyzed electrospun polyacrylonitrile fiber mats as chelating substrates: a case study oncopper (II) ions / Ind. Eng. Chem. Res. 2011. Vol. 50. P. 11912. DOI: 10.1021/ie200504c.Kampalanonwat P., Supaphol P. Preparation of hydrolyzed electrospun polyacrylonitrile fiber mats as chelating substrates: a case study oncopper (II) ions / Ind. Eng. Chem. Res. 2011. Vol. 50. P. 11912. DOI: 10.1021/ie200504c.Renu Agarwal M., Singh K. Heavy metal removal from wastewater using various adsorbents: a review / J. Water Reuse Desalin. 2017. Vol. 7. N 4. P. 387 – 419. DOI: 10.2166/ wrd.2016.104.Renu Agarwal M., Singh K. Heavy metal removal from wastewater using various adsorbents: a review / J. Water Reuse Desalin. 2017. Vol. 7. N 4. P. 387 – 419. DOI: 10.2166/ wrd.2016.104.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.