Vývoj a validace analytické metody pro stanovení vybraných frakcí ropných uhlovodíků v zeminách

Bc. Kristýna Mihalová

Master's thesis

Development and validation of an analytical method for the determination of selected fractions of petroleum hydrocarbons in soils

Abstract:

Ropné uhlovodíky jsou jedním z nejčastějších kontaminantů zemského povrchu i vod po celém světě. Jedná se o jeden z hlavních ekologických problémů, jelikož půdy kontaminované ropnými uhlovodíky představují riziko pro životní prostředí, přírodní zdroje i lidské zdraví. Nejčastěji sledovaným parametrem u půd kontaminovaných ropnými uhlovodíky bývá parametr celkové množství ropných uhlovodíků označovaný jako TPH (z anglického “Total petroleum hydrocarbons”). Tento parametr sleduje celkové množství ropných uhlovodíků C10-C40 v půdě a jeho maximální povolené hodnoty jsou uvedeny také v metodických pokynech Ministerstva životního prostředí České republiky. V teoretické části diplomové práce byly zpracovány informace shrnující problematiku znečištění půd ropnými uhlovodíky, toxicitu ropných uhlovodíků a jejich negativní vliv na životní prostředí i lidské zdraví. Dále byly popsány normy a metody zabývající se stanovením ropných uhlovodíků a také analytické techniky využívané pro jejich stanovení. Cílem experimentální části diplomové práce byl vývoj a validace analytické metody pro stanovení ropných uhlovodíků v zeminách (celkových extrahovatelných semi-volatilních, alifatických a aromatických frakcí ropných uhlovodíků) a separace této velké skupiny látek na blíže specifikované frakce. Vzhledem k tomu, že v mnoha zemích jsou v legislativě kromě parametru TPH sledovány i maximální koncentrace specifických uhlovodíkových frakcí aromatických i alifatických uhlovodíků (např. Polsko, Švédsko, Turecko), analýza metodou představenou v diplomové práci může sloužit pro ověření těchto limitů. Výsledná analytická metoda může být také vhodným nástrojem pro screening kontaminovaného místa, protože kromě parametru TPH poskytuje i podrobnější informace o kontaminaci včetně koncentrací aromatických sloučenin či volatilních uhlovodíků s bodem varu <170 °C. Analytická metoda byla validována v laboratoři ALS Czech Republic, na Organickém oddělení spadající pod divizi Životní prostředí. V rámci validace metody byly ověřeny základní validační charakteristiky a u všech ověřovaných validačních parametrů bylo dosaženo velmi dobrých výsledků. Experimentální část práce byla zaměřena především na optimalizaci dělicího kroku, při kterém dochází k separaci aromatických a alifatických uhlovodíků. Byly otestovány různé kolonky pro extrakci tuhou fází včetně několika komerčně dostupných možností. U kolonky, která byla zvolena jako nejvhodnější, byl stanoven eluční profil alifatických a aromatických uhlovodíků. Dále byl kladen důraz na měřicí metodu pro GC-FID, u které byly optimalizovány především podmínky nástřiku. Výsledná analytická metoda je vhodná pro rutinní stanovení alifatických a aromatických uhlovodíkových frakcí s retenčním časem >C5-C40 v zeminách. Jedná se o rychlou a ekonomickou metodu, poskytující vysoké množství informací u zemin kontaminovaných ropnými uhlovodíky.

Abstract:

Petroleum hydrocarbons are one of the most common contaminants of the earth's surface and water worldwide. This represents one of the main environmental problems, as soils contaminated with petroleum hydrocarbons pose a risk to the environment, natural resources, and human health. The most frequently monitored parameter for soils contaminated with petroleum hydrocarbons is the parameter of the total petroleum hydrocarbons, referred to as TPH. This parameter monitors the total amount of petroleum hydrocarbons C10-C40 in soil, and its maximum permitted values are also given in the methodological guidelines of the Ministry of the Environment of the Czech Republic. The theoretical part of the diploma thesis processed information summarizing the issue of soil pollution by petroleum hydrocarbons, the toxicity of petroleum hydrocarbons and their negative impact on the environment and human health. Furthermore, standards and methods engaged in assessment of petroleum hydrocarbons as well as analytical techniques used for their determination were described. The aim of experimental part of the diploma thesis was to develop and validate an analytical method for the determination of petroleum hydrocarbons in soils (total extractable semi-volatile, aliphatic and aromatic fractions of petroleum hydrocarbons) and the separation of this large group of substances into more specified fractions. Given the fact that in many countries in addition to TPH parameter, the legislation also monitors the maximum concentrations of specific hydrocarbon fractions of aromatic and aliphatic hydrocarbons (eg Poland, Sweden, Turkey), analysis by the method presented in the thesis can be used to verify these limits. The resulting analytical method may also be a suitable tool for screening of a contaminated site, as in addition to the TPH parameter, it also provides more detailed information about contamination, including concentrations of aromatic compounds or volatile hydrocarbons with a boiling point <170 ° C. The analytical method was validated in the laboratory of ALS Czech Republic, in the Organic Department under the Environmental Division. Within the validation of the method, the basic validation characteristics were verified, and very good results were achieved. The experimental part of the work was focused mainly on optimizing the separation step, in which the separation of aromatic and aliphatic hydrocarbons occurs. Various solid phase extraction columns were tested, including several commercially available options. The elution profile of aliphatic and aromatic hydrocarbons was determined for the most suitable column. For the measuring method for GC-FID, mainly the conditions of injection were optimized. The resulting analytical method is suitable for routine determination of aliphatic and aromatic hydrocarbon fractions with a retention time > C5-C40 in soils. It is a fast and economical method, providing a lot of information on soils contaminated with petroleum hydrocarbons.

Keywords

ropné uhlovodíky, alifatické uhlovodíky, aromatické uhlovodíky, GC-FID, analytická metoda, n-alkany

Keywords

petroleum hydrocarbons, aliphatic hydrocarbons, aromatic hydrocarbons, GC-FID, analytical method, n-alakanes

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 14. 4. 2022

Thesis defence

• Supervisor: Ing. Jan Táborský, Ph.D.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Agrobiology, Food and Natural Resources

Master programme:
Conservation and Use of Natural Resources