Měření koncentrace POPs v pórové vodě sedimentů pomocí pasivního vzorkování

Bc. Michaela Belháčová

Master's thesis

Measurement of POPs concentrations in pore water of sediment by passive sampling

Abstract:

Rizika vyplývající z kontaminace sedimentů persistentními organickými látkami (POPs) nelze dobře charakterizovat celkovou koncentrací těchto látek v sedimentu. POPs mohou být silně vázány na sediment nebo vůbec nejsou dostupné k uvolnění, v důsledku čeho je koncentrace kontaminantů v pórové vodě podstatně nižší, než se odhaduje z celkové koncentrace v sedimentu. Volně rozpuštěná koncentrace POPs v pórové vodě je však velice důležitá, protože je přímo úměrná chemické aktivitě látky, tj. hnací síle pro akumulaci POPs do vodních organismů a pro difúzní transport. Koncentraci v pórové vodě lze vypočítat pomocí rovnovážního pasivního vzorkování v sedimentu. Pasivní vzorkovač je polymerní fáze na bázi silikonové gumy nebo polyethylenu s vysokou absorpční kapacitou pro POPs, charakterizovanou rozdělovacím koeficientem v systému polymer - voda. Když je vzorkovač v rovnováze se sedimentem, volně rozpuštěné koncentrace lze odhadnout pomocí rozdělovacího koeficientu v systému vzorkovač – voda, za předokladu, že vzorkovač neovlivní distribuční rovnováhu POPs v systému sediment – pórová voda. Cílem práce bylo stanovení koncentrace volně rozpuštěných (biodostupných) POPs (PAU, PCBs, PBDEs, OCPs) v pórové vodě sedimentu za použití extrakční metody do polymeru na bázi polydimethylsiloxanu za různých experimentálních podmínek. Dalším cílem byl test a urychlení dosažení rovnováhy mezi polymerním pasivním vzorkovačem a sedimentem za přídavku methanolu. Výsledky ukázaly, že výchozí podmínky experimentu v uzavřeném systému polymer – sediment, byly dobře nastaveny (optimální poměr rozměrů silikonové gumy vůči objemu sedimentu) a umožnily výpočet POPs rozpuštěných v pórové vodě v sedimentu. Nejvyšší volně rozpuštěné koncentrace ve vzorcích sedimentu ze slepého ramene řeky Moravy – Čerťáku, byly zjitěny pro HCB, PCB 28 a PCB 52. Při změně experimentálních podmínek v podobě stejného procentuálního přídavku methanolu (40 %), došlo k výraznějšímu urychlení dosažení rovnováhy, jelikož přídavek methanolu zvyšuje rozpustnost POPs v roztoku a tím i jeho permeabilitu pro přestup látky v systému sediment - silikonová guma. Rovnovážná distriubce POPs v systému sediment - silikonová guma nebyla přídavkem methanolu ve většině případů ovlivňena.

Abstract:

The information about overall concentration of persistent organic pollutants (POPs) in sediment is not sufficient to assess the risks linked with sediments contamination. POPs might be adsorbed to sediment very firmly or cannot be released. As a result, the contaminants concentration in pore water may be significantly lower than estimated based on total concentration. POPs concentration that is freely dissolved in pore water is directly proportional to chemical activity, i. e. driving force of POPs accumulation in organisms and diffusion. Concentrations in pore water can be estimated through equilibration of a passive sampler with sediment. A passive sampler is a receiving phase (e.g. silicone rubber or polyethylene with the high sorption capacity for POPs) to which the uptake is also driven by the freely dissolved concentration of contaminants in the sediment. When the sampler is at equilibrium with the sediment, the freely dissolved concentrations can be estimated using the sampler water partition coefficient when the sampler does not affect partition equilibrium between sediment and pore - water. The results confirm appropriate setting of phase ratio conditions in an the polymer - sediment system (silicone rubber to sediment volume ratio) The setting enables to calculate the freely dissolved concentration of POPs in pore water of the sediment The highest freely dissolved concentrations in samples from Čerťák (the oxbow lake of the Morava river) were found for HCB, PCB 28 and PCB 52. After change of the experiment conditions, i.e. addition of 40 % methanol, considerable increase in the sediment - rubber exchange kinetics was observed since addition of methanol causes aqueous phase solubility of POPs to increase. Therefore, permeability of the solution for the compounds, and the mass transfer in the sediment – silicone rubber system is increased, too. Equilibrium distribution of POPs in the system was in most cases not affected by methanol addition.

Keywords

biodostupnost, kontaminace, pasivní vzorkování, persistentní organické polutanty, polybromované difenylethery, polycyklické aromatické uhlovodíky, polydimethylsiloxan, silikonová guma, polychlorované bifenyly, pórová voda, termodynamická rovnováha, sediment bioavailability, contamination, passive sampling, persistent organic pollutants, polybrominated diphenyl ethers, polycyclic aromatic hydrocarbons, polydimethylsiloxane, silicone rubber, polychlorinated biphenyls, pore, water, sediment, thermodynamic equilibrium

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 16. 5. 2014

Thesis defence

• Date of defence: 5. 6. 2014
• Supervisor: doc. Ing. Branislav Vrana, PhD.

Masaryk University

Faculty of Science

Master programme / field:
Chemistry / Environmental Chemistry