22 Abr Determinación de Aniones Inorgánicos en aguas ambientales usando Columnas Hidróxido-Selectivas
Dionex IonPac AS18: aniones en agua ambiental EPA 300.0
La cromatografía iónica (IC) es hoy una técnica establecida para el monitoreo de aniones inorgánicos en aguas ambientales, tales como aguas superficiales, de pozos y aguas potables.
En los Estados Unidos, la calidad del agua es legislada por la Ley de Agua Potable (Safe Drinking Water Act, SDWA) y la Ley de Agua Limpia (Clean Water Act, CWA). El objetivo de la Ley de Agua Limpia es reducir la descarga de contaminantes en las aguas, mientras que la Ley de Agua Potable garantiza la integridad y seguridad de las aguas potables.
Han sido adoptados estándares primarios y secundarios de agua potable para algunos aniones inorgánicos. Los Estándares Nacionales Primarios de Agua Potable (NPDWS) incluyen fluoruro, nitrito y nitrato. Se especifica un nivel máximo de contaminante para cada uno de estos aniones como norma reguladora para minimizar los efectos potenciales sobre la salud derivados del consumo de agua potable.
El fluoruro, el cloruro y el sulfato son considerados contaminantes secundarios y regulados bajo los Estándares Nacionales Secundarios de Agua Potable, que consideran sabor, color, olor y ciertos efectos estéticos.
La cromatografía iónica ha sido aprobada para el monitoreo de cumplimiento de aniones inorgánicos primarios y secundarios en agua potable desde mediados de 1980, según el método US EPA 300.0. En 1992, el laboratorio US EPA-EMSL (Cincinnati) recomendó la promulgación del método US EPA 300.0 para el monitoreo de cumplimiento en todo el país para el análisis de aniones inorgánicos en aguas residuales bajo el Programa Nacional de Sistema de Eliminación de Descarga Contaminada.
Numerosos países industrializados cuentan con normas similares, y varias organizaciones de estándares —incluyendo ISO, ASTM y AWWA— han validado y publicado métodos de cromatografía iónica para el análisis de aniones inorgánicos en agua potable, aguas subterráneas y aguas residuales.
El método US EPA 300.0 (parte A) describe el uso de la columna Thermo Scientific™ Dionex™ IonPac™ AS4A con eluyente de carbonato/bicarbonato y detección de conductividad con supresión para la determinación de aniones inorgánicos en aguas ambientales. Sin embargo, el método permite el uso de columnas alternativas, eluyentes, dispositivos de supresión y detectores, siempre que el desempeño obtenido sea equivalente o mejor y se cumplan los requisitos de calidad, incluyendo una demostración inicial de capacidad.
La columna Dionex IonPac AS18, hidróxido-selectiva, fue desarrollada para determinar aniones inorgánicos en aguas ambientales. En esta nota de aplicación se describe el uso de la generación automatizada de eluyentes combinado con la columna de intercambio aniónico de alta capacidad Dionex IonPac AS18 para la determinación de aniones inorgánicos en aguas ambientales. Se describen el rango lineal, los límites de detección del método y la recuperación en muestras de matrices fortificadas.
Instrumento
Sistema Thermo Scientific™ Dionex™ Reagent-Free™ Ion Chromatography (RFIC™) — Cromatógrafo Iónico Integrado con las siguientes características:
– Generador de eluyente: Thermo Scientific Dionex EGC-KOH Cartridge
– Termostatizador de columna
– Degasificador de eluyente
– Regenerador continuo: Trampa de aniones Thermo Scientific Dionex CR-ATC
– Automuestreador
– Software Thermo Scientific™ Dionex™ Chromeleon™
Reactivos y estándares
– Agua deionizada, tipo I grado reactivo, 18 MΩ·cm o mejor
– Sales de sodio y potasio, grado analítico o mejor (para preparación de estándares)
– Estándar de fluoruro 1000 mg/L
– Estándar de cloruro 1000 mg/L
– Estándar de sulfato 1000 mg/L
– Estándar de bromuro 1000 mg/L
Preparación de soluciones y reactivos
Soluciones estándar concentradas (1000 mg/L)
Thermo Scientific dispone de soluciones estándar a 1000 mg/L para varios de los analitos de interés. Cuando no están disponibles los estándares comerciales, pueden prepararse disolviendo las cantidades apropiadas de los analitos en 1000 mL de agua deionizada, de acuerdo con la Tabla 1. Los estándares son estables por al menos un mes cuando se almacenan a 4°C.
Tabla 1: Preparación de solución estándar concentrada.
Estándares de trabajo
Las soluciones de estándares de trabajo de baja concentración se preparan a partir de las soluciones estándar concentradas de 1000 mg/L. Los estándares que contienen menos de 100 mg/L de aniones deben prepararse diariamente. Se utilizaron siete niveles de calibración para cubrir las concentraciones esperadas en muestras ambientales. La Tabla 2 muestra las concentraciones de aniones utilizadas para calcular los límites de detección del método (MDLs) y la concentración de los estándares de control de calidad (QCS) empleados para determinar la estabilidad del tiempo de retención y la precisión del área de los picos.
Tabla 2: Concentración de MDLs y estándares QCS.
La Tabla 3 muestra el intervalo de concentración lineal investigado para cada anión inorgánico.
Preparación de la muestra
Todas las muestras fueron filtradas a través de un filtro de jeringa de 0,45 µm, descartando los primeros 300 µL del filtrado. Las aguas residuales domésticas fueron filtradas a través de un filtro de 0,20 µm antes de la inyección. Para prolongar la vida de la columna, algunas muestras residuales domésticas pueden requerir pretratamiento con un cartucho de extracción en fase sólida C18 para remover material orgánico hidrofóbico.
Tabla 3: Linealidad, MDLs, tiempo de retención y precisión de pico con la columna Dionex IonPac AS18.
Resultados y discusión
El método US EPA 300.0 (parte A) especifica el uso de la columna Dionex IonPac AS4A, pero su sección 6.2.2.1 establece que puede utilizarse una columna alternativa si se obtiene una resolución de pico comparable y se satisfacen los requisitos de la sección 9.2. La sección 9.4.6 además permite al analista usar diferentes columnas y eluyentes para mejorar las separaciones o reducir el costo de las mediciones.
Cuando el método sufre tales modificaciones, el analista debe repetir el procedimiento de la sección 9.2, que establece los parámetros de control de calidad: demostración inicial de desempeño, rango de calibración lineal, muestras de control de calidad y determinación de los niveles mínimos de detección. Sobre esta base, el analista puede sustituir la columna Dionex IonPac AS4A por la Dionex IonPac AS18 y utilizar eluyente hidróxido en lugar del carbonato/bicarbonato.
La columna Dionex IonPac AS18 es una columna de látex aglomerado con perlas de resina macroporos de 7,5 µm conformadas por etilvinilbenceno (EVB) reticulado con 55% de divinilbenceno (DVB), compatible al 100% con solventes. La capa exterior consiste en partículas de látex de 65 nm funcionalizadas con grupos de alcano y aminas cuaternarios.
La columna Dionex IonPac AS18 tiene una capacidad de 285 µeq/columna, significativamente mayor que los 20 µeq/columna de la Dionex IonPac AS4A. Esta alta capacidad permite una resolución mejorada entre cloruro y nitrito, y una mayor tolerancia a matrices de alta fuerza iónica sin sobrecarga de la columna, lo cual es importante para el análisis de aguas residuales.
La comparación de cromatogramas (Figura 1) obtenidos con ambas columnas revela diferencias notables en selectividad. Las fases estacionarias hidróxido-selectivas dan una mayor retención de analitos débilmente retenidos como el fluoruro y el acetato, y solo retención moderada de aniones divalentes hidrofílicos como el sulfato. Esta mayor retención es evidente en la separación con la columna Dionex IonPac AS18 (Figura 1B): el fluoruro está bien resuelto del volumen muerto, a diferencia de la columna Dionex IonPac AS4A (Figura 1A). Además, el sulfato eluye entre el bromuro y el nitrato en la columna AS18, mientras que en la AS4A el sulfato es el último pico de elución. El fosfato eluye después del sulfato en la AS18 al utilizarse las condiciones de eluyente hidróxido de la Figura 1B, lo que se atribuye al mayor pH del eluyente, que aumenta la carga sobre las especies de ácido poliprótico y, por lo tanto, incrementa su retención.
Figura 1A–1B: Separación de aniones comunes con columnas Dionex IonPac AS4A-SC (A) y Dionex IonPac AS18 (B).
Tradicionalmente, los aniones inorgánicos comunes no han sido determinados usando eluyentes hidróxidos debido a la falta de una columna hidróxido-selectiva adecuada y a la dificultad de preparar eluyentes hidróxidos libres de contaminación por carbonato. Esta contaminación puede causar un desplazamiento vertical significativo durante un gradiente de hidróxido y variación en los tiempos de retención. Los eluyentes se preparan más convenientemente a partir de soluciones acuosas frescas de hidróxido de sodio al 50% (p/p) que a partir de granallas, ya que estas últimas suelen estar recubiertas por una capa de carbonato formado cuando el CO2 de la atmósfera es absorbido en su superficie.
Para superar estas dificultades, se ha desarrollado un generador de eluyentes que automatiza la producción de eluyentes hidróxidos de alta pureza libres de carbonato. Este dispositivo elimina esencialmente la absorción de dióxido de carbono en los eluyentes hidróxidos, evitando cambios no deseados de línea de base y tiempos de retención irreproducibles.
El reemplazo de una trampa de intercambio de aniones convencional por la trampa CR-ATC, específica para remover carbonato y otros contaminantes aniónicos de la fuente de agua, está recomendado al usar eluyentes hidróxidos. La columna CR-ATC minimiza los desplazamientos verticales de la línea de base, mejora la estabilidad en tiempos de retención y los límites de detección. Además, elimina la necesidad de regeneración química de la trampa, permitiendo una operación continua y un rápido arranque del sistema. Ver Tabla 3.
La sección 9.0 del método US EPA 300.0 requiere una demostración de linealidad, MDLs y desempeño instrumental aceptable mediante el análisis de un QCS previo a los análisis de rutina. La linealidad con la columna Dionex IonPac AS18 fue determinada sobre un rango de calibración de siete puntos. Los MDLs para cada anión fueron calculados a partir de siete inyecciones exactas de agua deionizada fortificada a una concentración de tres a cinco veces los límites estimados de detección del instrumento. La Tabla 3 muestra los intervalos de concentración lineales, los coeficientes de determinación (r²) y los MDLs calculados, obtenidos con la columna Dionex IonPac AS18 utilizando generación electrolítica de hidróxido de potasio con un cromatógrafo iónico modular Dionex.
Los datos de la Tabla 3 demuestran que la columna Dionex IonPac AS18 con eluyente hidróxido generado electrolíticamente mejora las separaciones según lo requerido en la sección 9.4.6. Las ventajas del uso de eluyentes hidróxidos incluyen mejor linealidad, menor ruido de fondo conductivo y menores límites de detección respecto a una columna convencional como la Dionex IonPac AS4A con eluyentes de carbonato/bicarbonato. El uso del generador electrolítico de hidróxido de potasio aumenta la productividad al automatizar la preparación del eluyente; el agua es el único reactivo requerido para operar el sistema.
El desempeño de la columna Dionex IonPac AS18 fue evaluado además mediante un estudio de precisión y sesgo de un solo operador con muestras de agua de distintos orígenes. La Tabla 4 muestra los resultados de recuperación típicos para aniones inorgánicos comunes en agua potable, agua potable sin procesar y otras matrices de aguas ambientales.
Tabla 4: Recuperación de aniones agregados obtenidos usando la columna Dionex IonPac AS18.
La Figura 2 muestra un cromatograma de aniones inorgánicos de agua potable de Sunnyvale, California. Como muestra la Tabla 4, todos los aniones inorgánicos obtuvieron recuperaciones aceptables (80–120%) según los criterios del método US EPA 300.0. La Figura 3A muestra un cromatograma de aguas superficiales de un lago en el norte de California. La Figura 3B muestra la misma muestra de agua superficial enriquecida con 1 a 80 mg/L de los aniones inorgánicos; todos los picos fueron resueltos y las recuperaciones estuvieron dentro de los límites requeridos del método (ver Tabla 4).
Figura 2: Determinación de aniones en agua potable de Sunnyvale, CA, usando la columna Dionex IonPac AS18.
Figuras 3A–3B: Determinación de aniones en (A) aguas superficiales y (B) aguas superficiales fortificadas usando la columna Dionex IonPac AS18.
A pesar de la alta concentración de sulfato presente, no se observó interferencia relevante con el bajo nivel de concentración de nitrato.
La Figura 4 muestra un cromatograma de aniones inorgánicos en una muestra de aguas residuales obtenidas de un sistema de alcantarillado séptico. Este cromatograma demuestra que una alta concentración de sulfato (>200 mg/L) puede cuantificarse exactamente con buena eficiencia de pico y sin sobrecarga de la columna. El método US EPA 300.0 recomienda una concentración máxima de calibración para sulfato de 95 mg/L y dilución de la muestra si la concentración excede ese valor. La linealidad mejorada con eluyentes hidróxidos y la alta capacidad de la columna Dionex IonPac AS18, con rango de calibración de 0,2–200 mg/L para sulfato (ver Tabla 3), puede reducir la necesidad de dilución y reanálisis de muestras de alta fuerza iónica.
Figura 4: Determinación de aniones en aguas residuales domésticas usando la columna Dionex IonPac AS18.
Sumario
El uso de cromatografía iónica libre de reactivos (IC-RF) con la columna Dionex IonPac AS18 y un generador de eluyente electrolítico es un método para la determinación rutinaria de aniones inorgánicos en aguas ambientales. La columna Dionex IonPac AS18 proporciona mejor retención del fluoruro respecto al volumen no retenido, mayor selectividad y mayor capacidad (285 µeq/columna) en comparación con la columna Dionex IonPac AS4A especificada en el método US EPA 300.0.
Thermo Dionex Integrion HPIC: Cromatógrafo iónico de alta presión. Sistema integral con capacidad de detección conductimétrica y amperométrica pulsada.
Se obtuvieron recuperaciones cuantificables para todos los aniones inorgánicos comunes en aguas ambientales usando la columna Dionex IonPac AS18. El generador electrolítico de hidróxido de potasio elimina la preparación manual de eluyentes, aumentando la automatización, la facilidad de uso y la reproducibilidad de los datos.
Este enfoque para el método US EPA 300.0 permite mejorar la resolución, linealidad, precisión y límites de detección. El uso de eluyentes hidróxidos en los métodos US EPA 300.0 y 300.1 ha sido aceptado por la Oficina del Agua de la US EPA para el monitoreo de cumplimiento bajo las normas CWA y SDWA.
Brian De Borba y Jeff Rohrer — Thermo Fisher Scientific, Sunnyvale, CA, USA.
Mayor información:
