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Determinación de Aniones Inorgánicos en aguas ambientales usando Columnas Hidróxido-Selectivas

La cromatografía Iónica (IC) es hoy una técnica establecida y aceptada para el monitoreo de aniones inorgánicos en aguas ambientales, tales como las superficiales, de pozos, y aguas potables.

En 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 aguas potables.

Han sido adoptados, en los Estados Unidos, estándares primarios y secundarios del agua potable para algunos aniones inorgánicos. Los estándares primarios nacionales de agua potable Estadounidenses (National Primary Drinking Water Standards – NPDWS) incluyen fluoruro, nitrito y nitrato. Un nivel máximo de contaminante está especificado para cada uno de estos aniones como la norma reguladora para minimizar los efectos (o consecuencias) potenciales de salud que surgen por la ingesta de agua potable.

Otros tres aniones inorgánicos como el fluoruro, cloruro, y el sulfato, son considerados contaminantes secundarios y regulados bajo los Estándares Nacionales Secundarios de Agua Potable Estadounidenses, los cuales son pautas que consideran sabor, color y olor, y ciertos efectos estéticos.

La Cromatografía Iónica ha sido aprobada para la conformidad de monitoreo de aniones inorgánicos primarios y secundarios en agua potable desde mediados de 1980, tal como se describe en el método US EPA300.05 (US Environmental Protection Agency – EPA). En 1992, el laboratorio de US EPA-EMSL (Cincinnati) recomendó la promulgación del método US EPA 300.0 para la conformidad de monitoreo en todas las regiones del país para el análisis de aniones inorgánicos en aguas residuales bajo el Programa Nacional de Sistema de Eliminación de Descarga Contaminada.

Muchos otros países industrializados tienen normas de salud y medioambiente similares y un número considerable de métodos de Cromatografía Iónica han sido publicados en todo el mundo (por ejemplo en Alemania, Francia, Italia y Japón). Además, varias organizaciones, estándares de calidad, 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 de intercambio de aniones Thermo Scientific™ Dionex™ IonPac™ AS4A utilizando un eluyente de carbonato/bicarbonato y detección de conductividad con supresión para la determinación de aniones inorgánicos en aguas ambientales, tales como agua potable, aguas residuales (domésticas e industriales), aguas subterráneas, y extractos sólidos acuosos. Sin embargo, el método permite alternativas en el uso de columnas, eluyentes, dispositivos de supresión y detectores, siempre que el desempeño obtenido para el método sea equivalente o mejor y se cumplan los requisitos de calidad, incluyendo una demostración inicial de capacidad.

Tradicionalmente, las columnas diseñadas para el uso de eluyentes con carbonato/bicarbonato han sido empleadas para determinar aniones inorgánicos en muestras ambientales. Las columnas que usan eluyentes hidróxidos no han sido usadas extensamente para los análisis de rutina de aniones inorgánicos en aguas ambientales debido a la falta de selectividad apropiada y la dificultad en la preparación de estos eluyentes libre de contaminación. La introducción de la generación de eluyentes electrolíticos automatizados, ha eliminado la dificultad en la preparación de eluyentes hidróxidos. La columna Hidróxido-selectiva, Dionex IonPac AS18, fue desarrollada para determinar aniones inorgánicos en aguas ambientales. En esta nota de aplicación, describimos el uso de la generación automatizada de eluyentes, combinado con una alta capacidad, (Columna de intercambio aniónico, hidróxido selectiva, 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 de muestras de matices 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.
• Regenador 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 Floruro 1000 mg/L.
• Estándar de Cloruro 1000 mg/L.
• Estándar de Sulfato 1000 mg/L.
• Estándar Bromuro 1000 mg/L.

Preparación de Soluciones y Reactivos
Solución Estándar Concentradas: Solución Estándar Concentradas de aniones (1000 mg/L)

Para varios de los analitos de interés, Thermo Scientific dispone de soluciones estándares de concentración 1000 mg/L. Cuando no están disponibles los estándares comerciales pueden ser preparados disolviendo las cantidades apropiadas de los analitos requeridos en 1000mL de agua deionizada de acuerdo a 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.

Estándar de Trabajo
Las soluciones de estándares de trabajo en baja concentración para los analitos son preparadas a partir de las soluciones estándar concentradas de 1000 mg/l. Los estándares de trabajo que contienen menos de 100mg/L de aniones deberían ser preparados diariamente. Siete niveles de calibración fueron usados en este estudio para cubrir las concentraciones esperadas encontradas en muestras ambientales. La tabla 2 muestra las concentraciones de aniones usadas para calcular los límites de detección del método (MDLs) y la concentración de los estándares de control de calidad (QCS) usado 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 apropiado de 0.45 µm, descartando los primeros 300 µL del filtrado. La única excepción fueron las aguas residuales domésticas, las cuales fueron filtradas a través de un filtro de jeringa de 0.20 µm antes de la inyección en el Cromatógrafo Iónico. Sin embargo, para prolongar la vida de la columna, algunas muestras residuales domesticas pueden requerir pre-tratamiento con un cartucho de extracción de fase C18 para remover material orgánico hidrofóbico.


Tabla 3: Linealidad, MDLs, retención de tiempo y precisión de pico son obtenidos usando la columna Dionex IonPac AS18.

Resultado y Discusión

Aunque el método US EPA 300.0 (parte A) especifica el uso de la columna Dionex IonPac AS4A, la sección 6.2.2.1 afirma que “Una columna opcional puede utilizarse si se obtiene una resolución del pico comparable y los requisitos de la sección 9.2 puedan ser satisfechos”. La sección 9.4.6 además sostiene que, en reconocimiento de los rápidos avances que ocurren en la cromatografía, se le permite al analista algunas opciones, como el de diferentes columnas y/o eluyentes para mejorar las separaciones o bajar el costo de las mediciones”.

Cada vez que el método sufre tales modificaciones, se le solicita al analista que repita el procedimiento en la sección 9.2 del método. La sección 9.2 plantea los parámetros de control de calidad, incluyendo la demostración inicial del funcionamiento/desempeño, el rango de calibración lineal, las muestras de control de calidad, y la determinación de los niveles mínimos de detección. Basado en esta información, el analista puede sustituir una columna, como la Dionex IonPac AS18, en lugar de la columna Dionex IonPac AS4A, así como también el uso de un eluyente diferente, como el hidróxido en lugar del carbonato/ bicarbonato, como es el caso de la columna Dionex IonPac AS18 Hidróxido Selectiva.

La columna Dionex IonPac AS18 es una columna de látex aglomerado con perlas de resina formando macroporos de un diámetro de 7.5 µm conformadas por Etilvinilbenceno (EVB) reticulado con 55% de divinilbenceno (DVB), el cual hace la columna 100% compatible con solventes. La capa exterior consiste de 65 nm de latex funcionalizado con grupos de alcano y aminas cuaternarios. El resultado neto es una columna con una alta capacidad, eficiencia mejorada, y una mayor selectividad en los eluyentes hidróxidos que la columna Dionex IonPac AS4A.

La columna Dionex IonPac AS18 tiene una significante alta capacidad (285 µeq/columna comparado a 20 µeq/columna de la Dionex IonPac AS4A). Esta alta capacidad permite una resolución mejorada entre el cloruro y el nitrito y habilidad para tolerar mejor matrices de alta fuerza iónica sin columnas sobrecargadas, lo cual es importante en la industria del medioambiente, particularmente para el análisis de muestras de aguas residuales. La comparación de cromatogramas (figura 1) obtenidos con las columnas Dionex IonPac AS18 y Dionex IonPac AS4A revela notables diferencias en selectividades. Las fases estacionarias Hidróxidoselectivas generalmente dan una mayor retención de analitos débilmente retenidos, tales como el fluoruro y el acetato, y solo retención moderada de aniones divalentes hidrofílicos, como el sulfato. Esta gran retención es evidente desde la separación usando la columna Dionex IonPac AS18 (Figura 1B) donde el fluoruro está bien resuelto del volumen muerto usando la columna Dionex IonPac AS4A (Figura 1A). Además, el sulfato eluye entre el bromuro y el nitrato en la columna Dionex IonPac AS18, mientras que en la columna Dionex IonPac AS4A el sulfato es el último pico de elución, lo cual es típico para una columna usando eluyentes de carbonato. Finalmente, el fosfato eluye luego del sulfato en la columna Dionex IonPac AS18 cuando se usan las condiciones de eluyentes hidróxidos en la figura 1B. El eluyente con pH más alto, comparado a la columna Dionex IonPac AS4A, resulta en una mayor carga sobre las especies de ácido poliprótico, por lo tanto, aumentando 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 en la preparación eluyentes hidróxidos libres de contaminación. Al preparar eluyentes hidróxidos se deben tomar precauciones adicionales para minimizar la contaminación por carbonato, lo que puede causar un significante desplazamiento vertical durante una gradiente de hidróxido y una variación en tiempos de retención. Además, los eluyentes son preparados más convenientes desde soluciones acuosas frescas de Hidróxido de Sodio al 50% (p/p) que desde granallas, porque estas últimas son normalmente cubiertas con una capa de carbonato formado cuando el CO2 de la atmósfera es absorbido sobre su superficie.

La solución de hidróxido debería ser pesada y rápidamente transferida a un recipiente con un apropiado volumen de agua desgasificada y luego presurizada con helio. El uso de una trampa de intercambio de anión puede reducir la contaminación de carbonato en el eluyente. Sin embargo, un aumento moderado de línea de base se observa aún durante el análisis de gradiente de hidróxido.

Para superar las dificultades generalmente encontradas cuando se preparan eluyentes hidróxidos, ha sido desarrollado un dispositivo generador de eluyentes y automatizada la producción de alta pureza de eluyentes hidróxidos libres de carbonatos contaminantes. Este dispositivo elimina esencialmente la absorción de dióxido de carbono en eluyentes hidróxidos que pueden resultar en cambios no deseados de línea de base y en tiempos de retención irreproducibles, y por lo tanto comprometer la integridad de los resultados analíticos.

El reemplazo de una trampa de intercambio de aniones convencional con una trampa de aniones específica para remover el carbonato (CR-ATC), y otros contaminantes aniónicos de la fuente de agua, es altamente recomendado cuando se usan 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, la columna CR-ATC ofrece varias ventajas sobre la trampa de aniones convencional. La columna CR-ATC elimina la necesidad de regeneración química de la trampa, permitiendo una operación continua y un rápido sistema de puesta en marcha luego de apagarse el Cromatógrafo Iónico. Ver Tabla 3.

La sección de control de calidad del método US EPA 300.0 (sección 9.0) requiere una demostración de linealidad, MDLs, y un desempeño instrumental aceptable por el análisis de un QCS (Quality Control Standar) anterior a la realización de análisis usando el método. La linealidad del método usando la columna Dionex IonPac AS18 fue determinado sobre un rango de calibración de siete puntos. Los límites de detección inferiores (MDLs) para cada uno de los aniones en método US EPA 300.0 parte A fueron determinados al reproducir exactamente siete inyecciones de agua desionizada, fortificado a una concentración de tres a cinco veces los límites estimados de detección del instrumento. La tabla 2 muestra los niveles usados para calcular los MDLs y concentraciones de QCS. La tabla 3 muestra los intervalos de concentración lineales investigados, los coeficientes de determinación (r2), y un calculado de MDLs para cada anion, que fue realizado con la columna Dionex IonPac AS18 utilizando generación electrolítica de hidróxido de potasio con un Cromatógrafo Iónico Modular Dionex. Los tiempo de retención y las precisiones de área del pico fueron determinadas mediante siete inyecciones exactamente iguales de un QCS preparado en agua desionizada (tabla 3). La alta estabilidad del tiempo de retención puede ser atribuida a la generación constante de hidróxido de potasio de alta-pureza usando el sistema Thermo Scientific™ Dionex™ Reagent-Free™ Ion Chromatography (RFIC™).

Los datos en la tabla 3 representan los resultados típicos esperados usando la columna Dionex IonPac AS18 para análisis de rutina de aniones inorgánicos comunes con el método US EPA 300.0. Estos resultados demuestran que la columna Dionex IonPac AS18 y el eluyente hidróxido generado electrolíticamente “mejora las separaciones” como es requerido en la sección 9.4.6. Los análisis de rutina usando eluyentes hidróxidos tienen el potencial para mejorar aún más el rendimiento y funcionamiento de otros métodos de Cromatografía Iónica existentes y aplicaciones donde los eluyentes de carbonato/bicarbonato han sido comúnmente utilizados. Las ventajas del uso de eluyentes hidróxidos para Cromatografía Iónica son la mejor linealidad, baja conductividad como ruido de fondo, y menores límites de detección cuando son comparados a una columna convencional tal como la Dionex IonPac AS4A que usa eluyentes de carbonato/bicarbonato. El uso de eluyente de hidróxido de potasio generado electrónicamente promueve el aumento de productividad por la automatización del método. El agua es el único reactivo/solvente requerido para operar el sistema porque el eluyente hidróxido es generado electrolíticamente en línea, la columna Dionex CR-ATC no requiere regeneración usando reactivos químicos, y el supresor Dionex ASRS genera electrolíticamente el ion hidronio usado para su supresión.

El desempeño de la columna Dionex IonPac AS18 fue además evaluado a través de la precisión de un solo operador y estudio de sesgo utilizando muestras de agua con agregados de varios orígenes. La tabla 4 muestra resultados de recuperación típicos para un solo operador de datos obtenido utilizando la columna Dionex IonPac AS18 para aniones inorgánicos comunes agregados 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 en Sunnyvale, California. Como muestra la tabla 4, todos los aniones inorgánicos obtuvieron recuperaciones aceptables (por ejemplo, 80–120%) usando los criterios descriptos en el método US EPA 300.0. La figura 3A muestra un cromatograma de las aguas superficiales obtenido en un lago en California del norte. La figura 3B muestra la misma muestra de agua superficial “contaminada” 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, Utilizando columna Dionex IonPac AS18.

Figura 3A-3B: Determinación de aniones en (A) aguas superficiales y (B) aguas superficiales fortificadas utilizando columna Dionex IonPac AS18.

A pesar de la alta concentración del sulfato presente, no hubo relativamente interferencia con el bajo nivel de concentración de nitrato.

La figura 4 muestra un cromatograma de aniones inorgánicos en una matriz más compleja, una muestra de aguas residuales obtenidas del sistema de alcantarillado séptico. Este cromatograma demuestra que una alta concentración de sulfato (>200 mg/L) puede ser exactamente cuantificada con una eficiencia de pico excelente y sin sobrecarga de la columna. De hecho, el método US EPA 300.0 recomienda una concentración máxima de calibración para Sulfato de 95 mg/L y dilución de la muestra, en el rango de trabajo, si la concentración excede los 95mg/L. Además, la linealidad mejorada obtenida utilizando eluyentes hidróxidos, y la alta capacidad de la columna Dionex IonPac AS18 con un rango de calibración de 0.2–200 mg/L para sulfato (ver tabla 3), puede mejorar el rendimiento de la muestra reduciendo la necesidad de diluir y reanalizar las muestra de alta fuerza iónica.


Figura 4: Determinación de aniones en aguas residuales domésticas utilizando columna Dionex IonPac AS18.

Sumario

El uso de Cromatografía Iónica libre de Reactivos (IC-RF) con una columna Dionex IonPac AS18 y una generador de eluyente electrolítico es un método mejorado para la rutina de determinación de aniones inorgánicos en aguas ambientales. La columna Dionex IonPac AS18 proporciona mejores tiempos de retención para el Floruro respecto al volumen no retenido de la columna, una selectividad mejorada, y una alta capacidad comparada a 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.

Fueron obtenidas recuperaciones cuantificables para todos los aniones inorgánicos comunes en aguas ambientales utilizando la columna Dionex IonPac AS18. Además, el generador electrolítico de hidróxido de potasio elimina la necesidad de preparar los eluyentes manualmente, aumentando el nivel de automatización, facilidad de uso de sistema, y reproducibilidad de datos.

Este enfoque para el método US EPA 300.0 permite mejorar el funcionamiento para la resolución, linealidad, precisión, y límites de detección. El uso de eluyentes hidróxidos en el método US EPA 300.0 y 300.1 ha sido determinado por la Oficina del Agua US EPA para ser aceptado para el monitoreo del cumplimiento bajo las normas CWA y SDWA.

Brian De Borba y Jeff Rohrer
Thermo Fisher Scientific, Sunnyvale, CA, USA

Más información:
www.sol-analiticas.com