Electrochemical redox process analysis of Cu+2 and Fe+3 ions in natural waters using cyclic voltammetry technique

Abstract

The concentration and distribution of trace metals in natural water is important in order to have a better understanding of their biogeochemical behavior and natural cycles. This biological behavior and natural cycles are associates with the global warming effect, which is one of the most important concerns for scientists these days. Copper (Cu) and Iron (Fe) are important trace metal in natural waters. Copper (Cu) and Iron (Fe) are found in are found in nature in the oxidation state of Cu (II)/Cu (I) and Fe (III)/ Fe (II). Recent researches have determined that Cu can exist in the oxidation state (I), which is lethal to microorganism when the concentration exceeds the Environmental Standard Quality of 5 µg/L (annual average). Hydrogen peroxide (H2O2), a strong reductant agent, formed in natural water by the interaction with the ultra-violet light react causing the reduction of Cu (II) to form Cu (I). The oxidation-reduction process of these elements has been studied using UV- Vis Spectrophotometric system, Cathodic Stripping Voltametry, Colorimetric technique and Quimiolumisniscense. However, Cyclic Voltammety (CV) is a very fast, accessible and economic analytical technique that can be used for the analysis of trace metal in natural waters. The effectiveness of CV results from its capacity for rapidly observing the reductionoxidation (redox) behavior of analytes over a wide potential range applied. Our research was focus on the development of an experimental design for the determination of these elements, Cu (II) and Fe (III), using standard addition method by Cyclic Voltammetry. Consequently, the optimization of the following instrumental parameters: Working electrode, Potential Window, Scan Rate and Sensitivity. Our results indicate that the levels of Cu (II) and Fe (III) ions concentration in the seawater of Mayaguez coast were 7.7 (± 1) µM and 1.7 (±0.4) µM, respectively. The pH and salinity measured of the seawater of Mayaguez, P.R. were 8.07 and 26.42 mgL-1 , respectively.

Es importante conocer la concentración y distribución de los metales a nivel traza en aguas naturales para poder tener mejor entendimiento de su comportamiento biogeoquimico y ciclo natural. El comportamiento biológico y los ciclos naturales están asociados al efecto de calentamiento global, el cual es uno de las preocupaciones de los científicos en estos días. Cobre (Cu) y Hierro (Fe) se encuentran en la naturales en sus estados de oxidación Cu (II)/Cu (I), y Fe (III)/Fe (II). Investigaciones recientes han determinado que Cu puede existir en su estado de oxidación (I), el cual es letal a los microorganismos cuando se excede el Estándar de Calidad Ambiental de 5 µg/L en un promedio anual. El peróxido de hidrogeno (H2O2) es un agente reductor fuerte que se forma en las aguas naturales por la interacción con la luz ultravioleta ocasionando la reducción de Cu (II) para formar Cu (I). Las siguientes técnicas han sido utilizadas para el análisis de metales trace en aguas naturales: Espectrofotometría, “Stripping Voltammetry”, Técnicas Colorimétricas y Quimioluminiscencia. Sin embargo, la técnica de Voltametría Cíclica (CV) es bien rápida, accesible y económica técnica analítica que puede ser utilizada para el análisis de metales traza en aguas naturales. La efectividad de CV resulta de su capacidad para observar rápidamente el comportamiento de oxidación-reducción de los analitos sobre un amplio rango de potencial aplicado. Nuestro trabajo se enfoca en la desarrollo de un modelo experimental para cuantificar los iones de Cu (II) y Fe (III) utilizando la técnica de Voltametría Cíclica con el Método de Adicción de Estándar. Por consiguiente la optimización de los siguientes parámetros instrumentales: Electrodo de trabajo, Ventana de Potencial, Velocidad de barrido y Sensitividad. Nuestros resultados indican que los niveles de Cu (II) y Fe (III) en el agua de mar de la costa de Mayagüez, P.R. fue 7.7 (± 1) µM y 1.7 (± 0.4) µM, respectivamente.