Separation and determination of nitrotoluenes

Ing. Jitka Bečanová, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Disertační práce se skládá z teoretického úvodu popisujícího současný stav problematiky výbušnin, informace o kontaminaci, remediaci a možnostech detekce těchto látek v prostředí. Následující kapitoly jsou věnovány vlastnímu analytickému stanovení 2,4,6-trinitrotoluenu, jeho polohových isomerů a jejich produktů degradace v půdách. Tato problematika je zpracována ve dvou publikovaných článcích a jednom připravovaném manuskriptu. První článek je zaměřen na vývoj chromatografické metody s použitím HPLC s DAD detektorem. Metoda byla optimalizována pro stanovení 14 nitroaromatických látek. Byly sestrojeny kalibrační křivky, a z nich vypočítány limity detekce LOD v rozsahu 40-150 ng/ml a v rozsahu 70-150 ng/ml. Dále byla modifikována metoda izolace těchto látek z půd využitím Soxhletovy extrakce s vrchním ohřevem. A při ověření výtěžnosti byly zjištěny hodnoty větší než 90% pro většinu stanovovaných látek. Při použití artificiální půdy behěm optimalizace metody docházelo k tvorbě sraženiny, která byla následně rozpuštěna pomocí THF. Problém tvorby sraženiny z artificiální půdy tudíž komplikuje její použití v těchto typech studií ve srovnání s reálnými půdami. Ve druhém článku je publikována optimalizace HPLC metody s MS-MS detekcí, jejíž vývoj byl zvolen z důvodu nedostačujících detekčních limitů předcházející HPLC-DAD metody při analýze reálných vzorků. Tandemová hmotnostní detekční metoda byla optimalizována jak v SIM, tak i v MRM modu. Limity detekce vypočítané z kalibrační křivky byly v rozsahu 2-60 ng/ml, což představuje zvýšení citlivosti oproti použití DAD detektoru. Na zjištění úrovně kontaminace vojenských prostor byly aplikovány popsané extrakční a analytické metody. Jako vzorkovací místo byl vybrán areál bývalých Vlárských strojíren Slavičín. Vzorky půd byly odebírány ze dvou vrstev a byl v nich určen obsah organického uhlíku a nitroaromatických sloučen, jejichž zjištěné koncentrace byly relativně nízké (40-150 g/kg). Nicméně zde byly nalezeny látky, které nejsou běžně monitorovány v místech zasažených výbušninami, a bylo by vhodné jejich další zkoumání.

Abstract:

The dissertation thesis consists of the theoretical introduction describing up to date information about explosives contamination, remediation of contaminated sites and detection- methods for explosives determination in the environment. Following part is focused on analytical determination of 2,4,6-trinitrotoluene, its constitutional isomers and their degradation product in soil samples. Two publications and one manuscript are presenting the results of the instrumental analytical method and their practical usage. The first article is addressing the development and improvement of analytical method (HPLC-DAD) used for separation and detection of 14 nitroaromatics compounds. The calibration plots were constructed and limits of detection LOD in range 40-150 ng/mL and in range 70-150 ng/mL were calculated. Soxhlet warm extraction as a new method for isolation of nitroaromatics compounds from soil was optimized with recovery over 90% for almost all compounds. Formation of precipitation during extraction from artificial soil was observed and further dissolved using THF. The problem of precipitation occurrence thus complicates the usage of artificial soil compared to real soil in extraction studies. Development of sensitive HPLC method with MS-MS detection, more suitable for determination of studied nitroaromatics at environmental level than the HPLD method with DAD, is described in the second published paper. Optimizing of tandem mass detection technique in SIM and MRM mode was applied. Limits of detection calculated from calibration plot were in range 2-60 ng/mL providing the improvement of the sensitivity. Previously described extraction and analytical methods were applied for detection of nitroaromatic compounds in former armory area. Areal of former munition factory - Vlárské strojírny Slavičín was chosen as a sampling point. Two layers of soil samples were collected and the content of total organic carbon and nitroaromatic compounds was determined. Content of studied compounds was relatively low (40-150 g/kg). However, other compounds not being commonly monitored in explosives contaminated sites were detected suggesting the necessity of their further investigation.

Keywords

explosive compounds, trinitrotoluenes (2, 4, 6-trinitrotoluene), aminodinitrotoluenes, diamino-nitrotoluenes, degradation in soil, extraction optimization, artificial soil, chromatographic separation, HPLC-ESI-MS-MS, výbušniny, trinitrotolueny (2, 6-trinitrotoluen), aninodinitrotolueny, diaminonitrotolueny, degradace v půdách, optimalizace extrakce, artificiální půda, chromatografická separace

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 27. 5. 2010

Thesis defence

• Date of defence: 22. 6. 2010
• Supervisor: doc. RNDr. Zdeněk Šimek, CSc.
• Reader: prof. Ing. Jiří Matoušek, DrSc., doc. Ing. Jan Tříska, CSc., doc. RNDr. Jan Růžička, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Chemistry (4-years) / Environmental Chemistry