Primul publicat pe 27 august 2010

Metoda lui Winkler este cea mai populară procedură de determinare a concentrației de oxigen dizolvat (DO) în probe de apă. Cu toate acestea, această metodă necesită un volum de probă relativ mare, de 200 ml, pentru determinarea exactă a DO. Multe metode alternative au fost propuse pentru măsurarea concentrațiilor de DO în volume mici de probe, dar majoritatea acestor metode au probleme fie de precizie scăzută, fie de costuri ridicate, fie de instrumentație complicată sau de timp de analiză îndelungat. În această lucrare, se propune o modificare simplă a metodei Winkler pentru măsurarea concentrațiilor de DO în eșantioane cu un volum de 1 mL. Metoda propusă este precisă, cu costuri reduse, simplă și rapidă. Concentrațiile DO au fost măsurate în 33 de probe atât prin metoda convențională Winkler (WM), cât și prin metoda propusă (PM). Pentru 23 din cele 33 de probe analizate, ipoteza conform căreia mediile populaționale ale măsurătorilor sunt egale (μ1 = μ2) nu a putut fi respinsă la un nivel de încredere de 95 %, iar pentru 19 probe, ipoteza conform căreia varianțele populaționale ale măsurătorilor sunt egale (σ21 = σ22)nu a putut fi respinsă la un interval de încredere de 95 %. S-a concluzionat astfel că, în majoritatea cazurilor, măsurătorile DO prin WM și PM dau rezultate comparabile atât în ceea ce privește acuratețea, cât și precizia.

Introducere

Metoda Winkler (metoda nr. 4500-O-C)1 a fost acceptată universal ca o metodă precisă și fiabilă2 pentru măsurarea concentrației de oxigen dizolvat (DO) într-o varietate de probe de apă. Această metodă este considerată a fi punctul de referință pentru determinarea DO. Cu toate acestea, principalul dezavantaj al acestei metode este cerința unui volum mare de probă de 200 ml.3

Numeroase metode alternative au fost, de asemenea, dezvoltate pentru măsurarea DO. Aceste metode se încadrează în trei categorii distincte, (1) metode colorimetrice, (2) metode care utilizează cromatografia în fază gazoasă și (3) metode care utilizează senzori electrochimici și optici. Metodele colorimetrice pot fi utilizate pentru determinarea DO în volume mici de probe. Cu toate acestea, ele suferă de dezavantaje, cum ar fi cerința unor reactivi chimici costisitori (de exemplu, solul de aur) sau toxici (de exemplu, cianura).4 Lipsa unei justificări adecvate în selectarea lungimii de undă de măsurare este un alt factor limitativ pentru astfel de metode.5 Determinarea DO este, de asemenea, posibilă folosind cromatografia în fază gazoasă. Cu toate acestea, metodele de cromatografie în fază gazoasă, deși sunt precise și necesită volume mici de probe, sunt totuși consumatoare de timp și costisitoare. Senzorii electrochimici au fost utilizați pe scară largă pentru măsurarea DO, iar avantajele și dezavantajele lor au fost analizate în altă parte.6 Senzorii electrochimici suferă, în general, de efecte de presiune ireversibile, de contaminare cu hidrogen sulfurat și de sensibilitate încrucișată.7 De asemenea, aceștia consumă DO în timpul măsurării și, prin urmare, pot fi nepotriviți pentru volume foarte mici de probe. Recent, se pune accentul pe dezvoltarea senzorilor optici, care se bazează pe principiul stingerii dinamice a luminescenței oxigenului.8 Acești senzori optici sunt ușor de utilizat, au un timp de răspuns rapid și sunt durabili. Cu toate acestea, toți senzorii, fie că sunt electrochimici sau optici, necesită o calibrare în raport cu metoda Winkler din cauza sensibilității senzorilor la temperatură și presiune.9,10 Aceștia sunt, de asemenea, sensibili la bio-fouling și la creșterea bacteriilor pe suprafața senzorului.8

Din cauza limitărilor inerente ale metodelor alternative descrise mai sus și a dependenței lor de metoda Winkler pentru verificarea încrucișată și calibrare, au fost propuse, de asemenea, mai multe modificări ale metodei Winkler însăși pentru măsurarea concentrațiilor de DO în volume de probă de 1-10 ml.11,12,13 Cu toate acestea, astfel de metode „Micro-Winkler” nu sunt foarte populare din cauza cerințelor instrumentale complexe și a precauțiilor elaborate necesare pentru evitarea contaminării probelor prin schimburi cu oxigenul atmosferic. Aceste metode au fost analizate în mod critic în altă parte.14 Recent, a fost propusă o metodă gravimetrică de titrare Micro-Winkler15 pentru măsurarea DO în probe mici. Cu toate acestea, această procedură necesită măsurători gravimetrice multiple și precise folosind o balanță sensibilă și, prin urmare, pare a fi destul de complexă.

Pe baza analizei literaturii de specialitate, se pare că aproape toate metodele dezvoltate pentru măsurarea DO în eșantioane mici sunt deficitare într-un fel sau altul. Prin urmare, există o nevoie continuă de a dezvolta o metodă mai bună, adică exactă, precisă, cu costuri reduse, simplă și rapidă pentru măsurarea DO în volume mici de probe.

Schemă a metodei propuse

Principala provocare în măsurarea concentrațiilor de DO în probe mici este prevenirea contaminării probelor prin interacțiunea cu atmosfera. Se propune ca între proba de apă și atmosferă să se introducă un strat de lichid izolator. Proprietățile necesare ale lichidului izolator sunt: imiscibilitatea apei, o densitate mai mică decât a apei și o capacitate neglijabilă de dizolvare a oxigenului. Se propune ca lichidul izolator să fie introdus într-o fiolă, iar proba de apă a cărei DO urmează să fie determinată (volum de 1 ml) să fie introdusă direct sub stratul de lichid izolator. Prin această etapă, proba de apă este efectiv izolată de atmosferă. DO din proba de apă poate fi apoi fixat și convertit în cantitate echivalentă de iod folosind aceiași reactivi ca și în cazul metodei Winkler. Soluția de iod este apoi extrasă din flacon cu ajutorul unei seringi și titrată cu Na2S2O3 pentru determinarea concentrației de DO din probă.

După mai multe runde de încercări, s-a ales n-hexanul ca lichid izolator, așa cum s-a descris mai sus. n-Hexanul este mai ușor decât apa (greutate specifică = 0,7) și este practic imiscibil în apă. Solubilitatea oxigenului în n-hexan este de 0,002 fracție molară16, adică oxigenul este practic insolubil în n-hexan.

Materiale și metode

Toți reactivii utilizați au fost de calitate reactiv analitic (>99% puritate, Loba Chemicals, India). Pentru prepararea reactivilor și diluarea probelor s-a folosit apă de-ionizată (Milli-Q, Millipore, SUA). N-hexanul utilizat a fost de calitate HPLC (>99% puritate, Merck, India). În acest studiu s-a utilizat sticlărie din sticlă borosilicată. Soluțiile de MnSO4 și soluțiile de alcali-azidă-iodură au fost preparate conform metodelor standard (metoda nr. 4500-O C).1

Procedura de măsurare a DO prin metoda propusă (PM) a fost următoarea. Inițial, 0,5 ml de n-hexan a fost transferat într-un flacon de sticlă de 16 ml (Wheaton Science, SUA). Apoi, 1 mL de n-hexan a fost luat într-o pipetă de 2 mL, iar pipeta a fost umplută în continuare cu 1 mL din proba de apă a cărei concentrație DO urma să fie determinată. Procedura de prelevare a probei de mai sus a asigurat că proba a fost prelevată fără spațiu de cap. Această etapă de colectare a probei este cea mai importantă, deoarece apariția oricăror bule sau goluri de aer în interfața hexan-apă sau în altă parte în pipetă poate duce la erori. Gura pipetei a fost apoi plasată sub stratul de hexan din flacon și, astfel, proba a fost introdusă sub stratul de hexan, evitându-se orice contact între probă și atmosferă. Colectarea probei în pipetă și aplicarea probei sub stratul de hexan din flacon trebuie să se facă cât mai repede posibil, pentru a minimiza erorile. În continuare, 5 μL de MnSO4 au fost introduse în proba de apă de sub stratul de hexan cu ajutorul unei microseringi de 10 μL (Hamilton, SUA), urmate de o adăugare similară de 5 μL de soluție de alcali-azidă-iodură. Formarea precipitatului a început imediat după adăugiri și a fost completă în 3 min. Ulterior, 0,1 ml de H2SO4 conc. au fost adăugați cu ajutorul unei micropipete la precipitatul format sub stratul de hexan. Precipitatul a fost dizolvat în 3 min și s-a format o soluție galbenă de iod sub stratul de hexan. Exact 1 ml din soluția de iod a fost extrasă de sub stratul de hexan cu ajutorul unei micro-seringi și transferată într-un pahar de 25 ml. Soluția de iod de 1 mL din pahar a fost diluată la ∼10 mL prin adăugarea de apă de-ionizată pentru a facilita titrarea. Adăugarea de apă de-ionizată doar diluează soluția de iod, fără a afecta cantitatea de iod din pahar. Conținutul paharului a fost titrat cu o soluție 0,00625 M de Na2S2O3. 1 ml din acest titrant corespunde la 55,5 mg L-1 de DO din proba inițială. Titrantul a fost preluat într-o micro-seringă de 250 μL (Hamilton, SUA) și adăugat picătură cu picătură în pahar, cu agitare constantă, până când culoarea galbenă a iodului a fost aproape eliminată. Apoi, s-au adăugat 1-2 picături de soluție de amidon și s-a continuat titrarea până când s-a evacuat culoarea albastră datorată amidonului. Pe baza volumului de titrant necesar într-o anumită titrare, s-a calculat concentrația de DO din proba inițială.

Concentrația de DO a fost, de asemenea, determinată în diferite probe folosind metoda Winkler (WM). Cerințele de reactivi și alte detalii ale ambelor metode sunt prezentate în tabelul 1.

Rezultate și discuții

Concentrația DO a fost măsurată în 33 de probe de apă (vezi tabelul 2) obținute din diferite locuri din orașul Kanpur, India și din jurul acestuia. Dintre cele 33 de probe, 8 au fost probe de apă de la robinet, 16 probe de apă de râu, 6 probe de ape reziduale menajere diluate cu apă de la robinet, 2 probe de apă subterană și 1 probă de apă de iaz. Probele au fost alese astfel încât concentrațiile de DO să poată fi măsurate într-o mare varietate de matrici de probe. Pentru fiecare eșantion, s-au efectuat mai multe măsurători repetate ale DO, atât de către WM, cât și de către PM. Mediile calculate ale eșantioanelor (), abaterile standard ale eșantioanelor (S1, S2) și numărul de măsurători repetate (n1, n2) pentru WM și, respectiv, PM sunt prezentate în tabelul 2 pentru fiecare eșantion.

Paragramele normale ale seturilor de măsurători repetate prin ambele metode au fost toate aproximativ liniare, ceea ce indică faptul că măsurătorile repetate au fost distribuite în mod normal și, prin urmare, au putut fi supuse unei analize statistice ulterioare pe această bază. În scop ilustrativ, diagramele normale pentru cinci măsurători de eșantioane efectuate de WM sunt prezentate în Fig. 1A. Diagramele normale pentru măsurătorile acelorași cinci eșantioane efectuate de PM sunt prezentate în Fig. 1B.

Varianțele (S21,S22) în măsurătorile repetate ale unui eșantion de către WM și, respectiv, PM au fost utilizate pentru compararea pe perechi a varianțelor corespunzătoare ale populației (σ21,σ22) utilizând testul F. Din cele 33 de eșantioane pentru care DO a fost măsurat prin cele două metode (WM și PM), ipoteza că varianțele populației sunt egale (σ21 = σ22) nu a putut fi respinsă la un nivel de încredere de 95 % pentru 19 eșantioane. Mai mult, ipoteza, σ21 > σ22 nu a putut fi respinsă pentru 4 eșantioane, în timp ce ipoteza, σ21 < σ22 nu a putut fi respinsă pentru restul de 10 eșantioane, toate la un nivel de încredere de 95 %. Aceste rezultate au fost rezumate în tabelul 3.

În continuare, varianțele eșantioanelor (S21,S22) și mediile eșantioanelor () pentru fiecare eșantion, așa cum au fost obținute de WM și, respectiv, PM, au fost utilizate pentru compararea pe perechi a mediilor corespunzătoare ale populației (μ1, μ2). Pentru eșantioanele cu varianțe egale (a se vedea tabelul 3), comparația pe perechi a fost realizată cu ajutorul testului t al lui Student. Pentru eșantioanele cu varianțe inegale (a se vedea tabelul 3), comparația pe perechi a fost efectuată utilizând testul t de varianță inegală.17 În 23 din cele 33 de eșantioane în care măsurătorile DO au fost efectuate atât de WM, cât și de PM, ipoteza că mediile populației sunt egale (μ1 = μ2) nu a putut fi respinsă la un nivel de încredere de 95 %.

Mediile eșantionului () pentru fiecare eșantion, așa cum au fost obținute de WM și, respectiv, PM, au fost reprezentate grafic una față de cealaltă în figura 2. Barele de eroare prezentate în figură corespund intervalelor de încredere corespunzătoare de 95 la sută. În aceeași figură a fost trasată și o linie cu pantă unitară care trece prin origine. S-a observat că toate punctele se află foarte aproape de linia de pantă unitară, ceea ce este în concordanță cu concluziile generale din tabelul 3, și anume că, pentru majoritatea probelor, concentrația medie de DO obținută prin cele două metode nu este diferită din punct de vedere statistic. Astfel, în majoritatea cazurilor, măsurarea DO prin PM a fost la fel de precisă ca și măsurarea DO prin WM.

Deviațiile standard ale eșantioanelor (S1,S2) pentru fiecare eșantion, așa cum au fost obținute de WM și, respectiv, PM, au fost reprezentate grafic unul față de celălalt în Fig. 3. În aceeași figură a fost trasată și o linie cu pantă unitară care trece prin origine. În acest caz, punctele par a fi dispersate destul de uniform în raport cu linia de pantă unitară, unele puncte fiind apropiate de linie, în timp ce altele sunt mai îndepărtate. Aceste observații sunt, de asemenea, în general în concordanță cu concluziile trase din tabelul 3, și anume, pentru majoritatea probelor, variația concentrației DO măsurată prin cele două metode nu este diferită din punct de vedere statistic. Astfel, în majoritatea cazurilor, măsurarea DO prin PM a fost la fel de precisă ca și măsurarea DO prin WM.

S-a concluzionat că, cu o manipulare și o titrare atentă a probelor, metoda propusă (PM) poate produce rezultate comparabile cu metoda lui Winkler (WM) atât în ceea ce privește acuratețea, cât și precizia. Cu toate acestea, acuratețea determinării DO prin PM poate fi probabil crescută prin utilizarea unei micro-seringi cu un număr minim mai mic pentru titrarea finală. Micro-seringa utilizată în acest studiu a avut un număr minim de 5 μL, ceea ce corespunde unei incertitudini de ∼0,25 mg L-1 DO în condițiile prezentului studiu. Această incertitudine poate fi redusă prin utilizarea unei micro-seringi cu un număr minim mai mic.

Concluzii

Obiectivul acestui studiu a fost de a dezvolta o metodă precisă, cu costuri reduse, simplă și rapidă pentru măsurarea DO în volume mici de probă. Pe baza rezultatelor și analizelor prezentate, se poate concluziona că metoda propusă abordează majoritatea problemelor de mai sus. Principalele concluzii ale studiului au fost următoarele:

➢ Introducerea unui strat izolator de n-hexan pentru prevenirea transferului de oxigen între proba apoasă și atmosferă are ca rezultat determinarea consecventă și precisă a DO în volume mici de probă. Aceasta este principala inovație încorporată în metoda propusă.

➢ S-a demonstrat, de asemenea, că, prin luarea unor măsuri de precauție adecvate, metoda propusă (PM) poate produce, în general, rezultate comparabile din punct de vedere statistic cu rezultatele obținute prin metoda lui Winkler (WM), atât în ceea ce privește concentrația medie de DO, cât și în ceea ce privește variația concentrației de DO în jurul mediei.

➢ Necesarul de reactivi și de sticlărie pentru metoda propusă este mai mic decât cel al metodei Winkler, în primul rând datorită volumului mai mic de probă utilizat. n-Hexanul este singurul reactiv suplimentar utilizat, dar cantitatea mică (∼1,5 ml pe probă) de n-hexan necesară are un impact neglijabil asupra costului total al analizei probei.

În consecință, metoda propusă (PM) poate fi utilizată pentru măsurarea DO în toate circumstanțele în care se utilizează în prezent metoda Winkler. Metoda propusă este deosebit de utilă în circumstanțele în care metoda Winkler nu poate fi utilizată din cauza limitărilor privind volumul de probă disponibil.

.