4.1. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ. ХИМИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

Определение концентрации химических веществ
в воде централизованных систем питьевого
водоснабжения

Сборник методических указаний
МУК 4.1.737-99 - 4.1.754-99

Выпуск 2

Минздрав России
Москва 1999

1. Подготовлены авторским коллективом специалистов в составе: А.Г. Малышева (руководитель), Н.П. Зиновьева, Ю.Б. Суворова, И.Н. Топорова, Т.И. Голова (НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды им. А.Н. Сысина РАМН).

2. Утверждены и введены в действие Первым заместителем министра здравоохранения Российской Федерации - Главным государственным санитарным врачом Российской Федерации Г.Г. Онищенко 10 апреля 1999 г.

3. Введены впервые.

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие

По данным международных регистров в мире зарегистрировано около 16 млн. химических соединений, а общее число потенциально загрязняющих окружающую среду веществ определяется в пределах 40 - 60 тыс. Известно, что в сточных водах различных производств идентифицировано до 12 тыс. химических ингредиентов, в поверхностных и питьевых водах разных стран доказано присутствие до тысячи соединений. В Российской Федерации в соответствии с гигиеническими требованиями к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения установлены гигиенические нормативы содержания около 800 веществ, в поверхностных водах - около 1500. Однако не для всех нормируемых в воде веществ существуют методы аналитического контроля.

В современных условиях, когда количество опасных химических веществ постоянно возрастает, и каждый исследуемый водный объект может содержать специфические, ранее не определявшиеся вещества, особую актуальность приобретает задача контроля качества воды неизвестного состава, когда можно ожидать присутствия любых соединений.

Для совершенствования аналитического контроля качества воды следует исходить из следующего алгоритма:

- проведение обзорного анализа, включающего идентификацию и количественное определение возможно более полного спектра загрязняющих веществ в водах практически неизвестного состава;

- выбор ведущих показателей на основе выявленного компонентного состава по степени их гигиенической значимости с учетом комплекса критериев: уровни концентраций, групповая принадлежность, специфичность для сточных вод местных источников загрязнения, способность веществ к трансформации, возможность образования более токсичных продуктов трансформации;

- текущий контроль с использованием целевых анализов по выбранным ведущим показателям.

Схема проведения обзорного анализа воды неизвестного состава выглядит следующим образом. Методика исследования предусматривает изучение интегральных показателей, анализ неорганических веществ и анализ органических соединений. Интегральные показатели степени загрязненности воды включают определение pH, перманганатного индекса, биохимического потребления кислорода. Для оценки степени загрязнения воды целесообразно определение ненормируемого показателя - общего, органического и неорганического углерода. Из комплекса неорганических веществ гигиеническую значимость имеют катионы металлов, ряд элементов (например, берилий, мышьяк, бор и др.) и анионный состав. Аналитическое исследование органических загрязняющих веществ в воде разделяют на анализ летучих и труднолетучих соединений. Выявление и анализ летучих соединений основан на их извлечении из воды газовой экстракцией инертным газом, улавливании сорбентом, термодесорбции, хроматографическом разделении на капиллярной колонке, идентификации по масс-спектрам. Такой подход позволяет определять низкомолекулярные галогенуглеводороды, ароматические соединения, кетоны, эфиры, альдегиды, спирты, нитрилы, нитросоединения, серусодержащие углеводороды. Рекомендуемая для обзорного анализа и контроля летучих органических соединений в воде хромато-масс-спектрометрическая методика приведена в сборнике «Методические указания по определению концентраций химических веществ в воде централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения. МУК 4.1.646 - 4.1.660-96» (Вып. 1).

Решение идентификационной задачи и количественного определения труднолетучих органических соединений в воде требуют проведения следующих этапов работы: жидкостно-экстракционное или твердофазно-экстракционное выделение органических веществ; получение концентрата органических веществ упариванием элюата или экстракта; реэкстракция соединений из концентрата; хроматографическое разделение смеси веществ на капиллярной колонке; идентификацию по масс-спектрам; количественную оценку. Такой алгоритм аналитического исследования воды применяют для идентификации высокомолекулярных галогенсодержащих эфиров, насыщенных углеводородов и олефинов, аминов и амидов, бензидинов и ненасыщенных карбоновых кислот и их эфиров, анилинов, нитро-ароматических соединений, фталатов, фенолов, масел. Применение хромато-масс-спектрометрии обеспечивает возможность идентификации в воде органических углеводородов С₁ - С₄₀, их кислород-, азот-, серу- и галогенсодержащих производных ниже уровня большинства гигиенических нормативов с определением более 100 веществ в одной пробе.

В настоящем сборнике приведены хромато-масс-спектрометрические методики, рекомендуемые для обзорного анализа и контроля труднолетучих органических соединений в воде. В сборник вошли также методики инверсионного вольтамперометрического измерения концентраций металлов, хроматографического, в том числе газохроматографические, высокоэффективные жидкостнохроматографические, ионохроматографические и фотометрические методики контроля ряда органических соединений (всего 19 методических указаний).

Последовательность расположения методических указаний представлена следующим образом: сначала приведены многокомпонентные методы контроля (всего 6), далее - по алфавиту однокомпонентные методы контроля конкретных веществ (всего 13).

д.б.н. А.Г. Малышева

Область применения

Методические указания по определению концентраций химических веществ в воде предназначены для использования органами государственного санитарно-эпидемиологического надзора при осуществлении государственного контроля за соблюдением требований к качеству воды централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения, водохозяйственными организациями, производственными лабораториями предприятий, контролирующими состояние водных объектов, а также научно-исследовательскими институтами, работающими в области гигиены водных объектов.

Включенные в сборник методические указания разработаны в соответствии с требованиями ГОСТа Р 8.563-96 «Методики выполнения измерений», ГОСТа 17.0.0.02-79 «Охрана природы. Метрологическое обеспечение контроля загрязненности атмосферы, поверхностных вод и почвы. Основные положения».

Методики выполнены с использованием современных физико-химических методов исследования, метрологически аттестованы и дают возможность контролировать содержание химических веществ на уровне и меньше их предельно допустимых концентраций в воде, установленных в СанПиНе 2.1.4.559-96 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества», а для веществ, не включенных в перечень этого документа, - в СанПиНе 4630-88 «Санитарные правила и нормы охраны поверхностных вод от загрязнения».

Методические указания одобрены и приняты на бюро секции по физико-химическим методам исследования объектов окружающей среды Проблемной комиссии «Научные основы экологии человека и гигиены окружающей среды» и бюро Комиссии по государственному санитарно-эпидемиологическому нормированию Министерства здравоохранения Российской Федерации.

4.1. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ. ХИМИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

Хромато-масс-спектрометрическое
определение фталатов
и органических кислот в воде

Настоящие методические указания устанавливают количественный хромато-масс-спектрометрический анализ воды централизованных систем хозяйственно-питьевого водоснабжения для определения в ней содержания фталатов в диапазоне концентраций от 0,1 до 3 мг/дм³ и предельных органических кислот в диапазоне концентраций от 0,125 до 2,5 мг/дм³.

Физико-химические свойства веществ и их гигиенические нормативы представлены в табл. 1 и 2.

1. Погрешность измерений

Методика обеспечивает выполнение измерений с погрешностью, не превышающей ±18,9 % (δ_отн.), при доверительной вероятности 0,95.

Таблица 1

Физико-химические свойства фталатов и их гигиенические нормативы

Таблица 2

Физико-химические свойства предельных органических кислот и их гигиенические нормативы

2. Метод измерений

Измерение концентраций органических соединений основано на извлечении их из подкисленной воды жидкостной экстракцией диэтиловым эфиром, упаривании растворителя до безводного органического масла, реэкстракции этанолом, хроматографическом разделении на капиллярной колонке, идентификации веществ по масс-спектрам и количественному определению по извлеченным ионам.

Нижний предел измерения в объеме экстракта составляет 0,01 мкг в пробе. Определению не мешают летучие органические соединения: этанол, пентан, гексан, бензол, ксилол и др.

Продолжительность проведения хромато-масс-спектрометрического анализа для фталатов составляет 45 мин, для кислот - 35 мин.

3. Средства измерений, вспомогательные устройства,
материалы, реактивы

При выполнении измерений применяют следующие средства измерений, вспомогательные устройства, материалы и реактивы.

3.1. Средства измерений

3.2. Вспомогательные устройства

3.3. Материалы и реактивы

4. Требования безопасности

4.1. При выполнении измерений концентраций веществ с использованием хромато-масс-спектрометра следует соблюдать правила электробезопасности в соответствии с ГОСТом 12.1.019-79 и инструкцией по эксплуатации хромато-масс-спектрометра.

4.2. При работе с реактивами следует соблюдать необходимые меры безопасности, установленные для работы с токсичными, едкими и легковоспламеняющимися веществами по ГОСТу 12.1.005-88 и ГОСТу 12.1.007-76.

4.3. Диэтиловый эфир является наркотическим средством, вызывающим раздражение дыхательных путей, относится к IV классу опасности (ПДК = 0,6 мг/м³). При работе с этим растворителем следует соблюдать меры безопасности в соответствии с ГОСТом 12.1.007-76.

4.4. Этанол - наркотик, вызывающий сначала возбуждение, затем паралич центральной нервной системы. Этанол относится к IV классу опасности (ПДК = 5 мг/м³). При работе с этим растворителем следует соблюдать меры безопасности в соответствии с ГОСТом 12.1.007-76.

5. Требования к квалификации операторов

5.1. К обработке проб воды допускают лиц, имеющих квалификацию инженера- или техника-химика и опыт работы в химической лаборатории.

5.2. К выполнению измерений на хромато-масс-спектрометре допускают лиц, имеющих квалификационную группу по работе на установках с высоким напряжением не ниже четвертой, прошедших соответствующий курс обучения и знающих устройство и правила эксплуатации прибора.

6. Условия измерений

При выполнении измерений соблюдают следующие условия:

6.1. Приготовление растворов и подготовку проб к анализу, согласно ГОСТу 15150-69, осуществляют в следующих условиях:

температура окружающего воздуха 20 ± 10 °С;

относительная влажность не более 80 %

при температуре 25 °С;

атмосферное давление 630 - 800 мм рт. ст.

6.2. Выполнение измерений на хромато-масс-спектрометре проводят в условиях, рекомендуемых технической документацией к прибору и настоящими методическими указаниями.

7. Подготовка к выполнению измерений
и проведение измерений

Перед выполнением измерений проводят следующие работы: подготовку посуды, приготовление градуировочных растворов, подготовку масс-спектрометрического детектора и хроматографической колонки, установление градуировочных характеристик.

7.1. Подготовка посуды

Посуда, используемая для анализа, тщательно моется с поверхностно-активным моющим средством. После этого посуда замачивается на 3 - 4 ч в свежеприготовленном 3 %-ном растворе двухромовокислого калия в серной кислоте (0,5 г двухромовокислого калия на 100 см³ концентрированной серной кислоты) и отмывается в проточной водопроводной воде с последующим ополаскиванием дистиллированной водой. После высушивания в сушильном шкафу при температуре 150 °С посуду закрывают притертыми крышками.

7.2. Приготовление растворов

Исходные растворы фталатов (с = 1 мг/см³). 100 мг фталата вносят в мерную колбу, вместимостью 100 см³, доводят уровень этанолом до метки и тщательно перемешивают. Срок хранения исходных растворов - 3 мес. при 4 °С.

Исходные растворы органических кислот (с = 1 мг/см³). 100 мг органической кислоты вносят в мерную колбу, вместимостью 100 см³, доводят уровень этанолом до метки и тщательно перемешивают. Срок хранения исходных растворов - 3 мес. при 4 °С.

7.3. Подготовка хроматографической колонки и
масс-спектрометрического детектора

Кварцевую капиллярную колонку предварительно кондиционируют, нагревая в термостате хроматографа ступенчато с 70 °С до 270 °С и выдерживая при этой температуре в течение 4 ч. По охлаждении термостата хроматографа до комнатной температуры выход колонки подсоединяют к устройству сопряжения с масс-селективным детектором, создают разряжение в масс-селективном детекторе и записывают нулевую линию при параметрах проведения хроматографического анализа. При отсутствии заметных флуктуаций приступают к работе.

7.4. Установление градуировочной характеристики

Градуировочную характеристику устанавливают на градуировочных растворах фталатов и органических кислот в воде. Она выражает зависимость площади пика (безразмерные компьютерные единицы) от концентрации (мг/дм³) каждого соединения и строится по 4 сериям градуировочных растворов. Для этого в мерную колбу, вместимостью 250 см³, в соответствии с табл. 3 помещают исходный раствор фталата или органической кислоты, доводят артезианской водой до метки и перемешивают.

Таблица 3

Градуировочные растворы для установления
градуировочной характеристики при определении концентраций
фталатов и органических кислот в воде

При построении градуировочного графика 250 см³ градуировочного раствора помещают в делительную воронку, вместимостью 500 см³, добавляют 25 см³ диэтилового эфира и встряхивают в течение 2 - 3 мин, периодически сбрасывая избыточное давление. После расслоения эфирный слой сливают в колбу с оттянутым дном и упаривают эфир на водяной бане при температуре 45 °С. Концентрат объемом 0,25 - 0,3 см³ переносят в микрососуд с узким коническим дном и окончательно удаляют эфир на водяной бане при той же температуре. К остатку добавляют 0,004 см³ этанола и 0,002 см³ экстракта анализируют на газовом хроматографе с масс-селективным детектором.

Условия проведения хромато-масс-спектрометрического анализа:

Масс-спектры электронного удара органических соединений получают при следующих параметрах:

Идентификацию фталатов и органических кислот осуществляют с помощью библиотечного поиска в библиотеке NBS54 компьютера и по времени удерживания. Интегрируют площади пиков, полученных по извлеченным ионам соответствующих фталатов и органических кислот, и по средним результатам из 4 серий строят градуировочную характеристику для каждого из компонентов. Градуировку проверяют 1 раз в 6 мес.

7.5. Условия отбора проб воды

Отбор проб воды объемом 0,5 дм³ осуществляется в соответствии с ГОСТом 24481-80 в химически чистые емкости из темного стекла с притертыми крышками, предварительно промытые дистиллированной водой и высушенные в сушильном шкафу при температуре 150 °С. В случае отсутствия темной посуды образец следует защитить от света. Контейнер промывают диэтиловым эфиром и высушивают перед использованием. До экстракции пробу воды следует хранить в холодном месте при температуре 4 °С.

Для получения одного результата измерения отбирают 2 одинаковые пробы воды. Срок хранения отобранных проб воды - не более 7 сут.

8. Выполнение измерений

Стеклянные емкости с отобранными пробами воды извлекают из холодильника и выдерживают 2 - 3 ч при комнатной температуре, затем подкисляют до pH 2 по универсальному индикатору и анализируют 250 см³ образца как описано в п. 7.4. Идентификацию фталатов и органических кислот осуществляют с помощью библиотечного поиска и по времени удерживания.

Для получения результата измерения концентраций веществ проводят анализ 2 параллельных проб воды.

Перед обработкой результатов анализа необходимо провести «холостую пробу» дистиллированной воды по п. 8 и убедиться в отсутствии помех и загрязнений. При их наличии обнаруживают причину и устраняют ее.

9. Обработка результатов

Концентрацию каждого идентифицированного соединения (С), определяют по градуировочной характеристике после компьютерного интегрирования хроматограммы соответствующего извлеченного иона (мг/дм³):

m/z 60 - для предельных органических кислот;

m/z 149 - для диэтил-, дибутил-, дигексил-, диоктил-, динонилфталатов;

m/z 163 - для диметилфталата;

m/z 225 - для дифенилфталата.

Вычисляют среднее значение концентрации определяемого вещества:

Рассчитывают относительную разницу результатов двух параллельных измерений одной пробы:

d - оперативный контроль сходимости, равный 26,6 %.

10. Оформление результатов измерений

Оформление средних значений результатов измерений анализируемых соединений в воде осуществляют в виде протокола.

11. Контроль погрешности измерений

11.1. Контроль сходимости. Выполняют по п. 9. При превышении норматива оперативного контроля сходимости эксперимент повторяют. При повторном превышении норматива выясняют причины, приводящие к неудовлетворительным результатам контроля, и устраняют их.

11.2. Оперативный контроль погрешности. Проводится при смене реактивов, после ремонта прибора. Образцами для контроля являются реальные пробы питьевой воды, к которым делаются добавки измеряемых веществ в виде раствора. Отбирают 2 пробы воды и к 1 из них делают добавку таким образом, чтобы содержание определяемых веществ увеличилось по сравнению с исходным на 50 - 150 %, так, чтобы концентрация в пробе не выходила за верхний диапазон. Каждую пробу анализируют в точном соответствии с прописью методики и получают результат анализа исходной рабочей пробы - С_исх. и рабочей пробы и с добавкой - Сʹ. Результаты анализа исходной рабочей пробы - С_исх. и с добавкой - Сʹ получают по возможности в одинаковых условиях, т.е. их получает 1 аналитик с использованием 1 набора мерной посуды, 1 партии реактивов и т.д.

Результаты контроля признаются удовлетворительными, если выполняется условие:

С - добавка вещества, мкг/дм³;

Kg - норматив оперативного контроля погрешности, мг/дм³.

При внешнем контроле (Р = 0,95) принимают:

ΔСʹ и ΔС_исх. - характеристика погрешности для исходной пробы и пробы с добавкой, мг/дм³:

При внутрилабораторном контроле (Р = 0,90) принимают:

При превышении норматива оперативного контроля погрешности эксперимент повторяют. При повторном превышении указанного норматива выясняют причины, приводящие к неудовлетворительным результатам контроля, и устраняют их.

Методические указания разработаны А.Г. Малышевой, А.А. Беззубовым, М.Д. Дороговой, О.В. Корепановой (НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды им. А.Н. Сысина РАМН, г. Москва).

Список литературы

1. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества: СанПиН 2.1.4.559-96. - М.: ГКСЭН России, 1996. - 111 с.

2. Санитарные правила и нормы охраны поверхностных вод от загрязнения: СанПиН 4630-88 - М.: МЗ СССР, 1988. - 60 с.

3. Методические указания по определению концентраций химических веществ в воде централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения: Сборник методических указаний. - М.: МЗ России, 1997. - 112 с.