離子色譜結(jié)合分光光度法同時測定鉻

1、低壓離子色譜結(jié)合流動注射分光光度法同時測定制革廢水中的鉻()和Cr()Shujuan Chena, Xinshen Zhanga,b,*, Lingyun Yua, Li Wangb, Hui Lica National Engineering Laboratory for Clean Technology of Leather Manufacture, Sichuan University, Chengdu 610065, Sichuan, PR Chinab State Key Laboratory of Hydraulics and the Exploitation and Protec

2、tion of Mountain Rivers, Sichuan University, Chengdu 610065, Sichuan, PR Chinac College of Architecture and Environment, Sichuan University, Chengdu 610065, Sichuan, PR ChinaArticle info(文章信息)Article history:Received 24 August 2011 Received in resed form23 November 2011 Accepted 24 November 2011摘要：采

3、用低壓離子色譜-流動注射分光光度分析(LPIC-FIA)方法已成功地分離和測定了三價鉻和六價鉻。實驗使用一個填充有交聯(lián)淀粉微粒的色譜柱，因它對鉻()的吸收作用，從而在流動注射系統(tǒng)中在線進行的從Cr()中分離Cr()。為了確定樣品中Cr()和Cr()的濃度，本文使用了3.0mmol/L的硝酸從柱中洗脫吸附的Cr()，然后用硫酸鈰-硫酸作為氧化劑使所有Cr()轉(zhuǎn)變Cr()。然后，直接來自樣品Cr()和來自鉻()氧化的Cr()，先后與聯(lián)本二胺尿形成了紫紅色絡(luò)合物，該絡(luò)合物在530nm可顯現(xiàn)最大吸收波長。對包括洗脫劑和氧化劑的溶液的濃度，氧化溫度，氧化反應(yīng)管柱、反應(yīng)管柱和注射管柱的長度，以及干擾因素等

4、分析參數(shù)，進行了優(yōu)化。最低檢測限為1.25g/L的Cr()和3.76g/L的Cr()。吸收與濃度之間的線性關(guān)系對Cr()和Cr()分別為0.001-1.000 mg/L和0.030-1.000mg/L，相關(guān)系數(shù)為0.9995和0.9994，Cr()和Cr()的相對標準偏差分別為1.21%和1.66%(N =10)。主要的陽離子和陰離子，對該實驗沒有任何的干擾。最后我們通過檢驗認可的參考材料，并通過測量在制革廢水的回收，驗證了這種方法。關(guān)鍵詞：低壓離子色譜、鉻、流動注射分析、硫酸鈰1. 介紹 鉻是地球上最豐富的元素之一，并被發(fā)現(xiàn)天然存在于巖石，土壤，植物，動物，火山塵埃和氣體中1-3。隨著科學(xué)和

5、技術(shù)的發(fā)展，鉻化合物被廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)，如鞣制皮革，礦石研磨，電鍍，不銹鋼和染色4。在這些應(yīng)用之后，鉻會以幾中化學(xué)形式存在，并且在環(huán)境中不可生物降解5。其在水中的主要形式為兩個不同的氧化態(tài)的鉻()和Cr()，它們對環(huán)境毒性，生物效應(yīng)和人體健康有不同的影響。三價鉻可被視為是一種必需的微量元素，因為它對哺乳動物的血脂，血糖和蛋白代謝的維護有重要作用6-8。因此，Cr()具有對糖尿病，動脈硬化和高血壓的預(yù)防功能9-10。 另一方面，Cr()的各組分，是眾所周知具有較高的毒性和致癌性的，而且很容易通過消化道，呼吸道，皮膚和粘膜這些途徑被身體吸收和積累，最終引起各種臨床疾病，如急性心血管沖擊，之后又會

6、對腎臟，肝臟和造血器官的形成影響11-13。鑒于這些影響，尋找Cr組分分離和測定的分析方法，對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價生態(tài)效應(yīng)和毒理機制的研究具有非常重要的意義。 在水溶液中進行鉻的測定的分析方法，有石墨爐原子吸收光譜法14-17，火焰原子吸收分光光度法18-20，電子捕獲檢測器氣相色譜(GC-ECD)21,22。這些方法中的一些可以確定某一組分，并通過測定總鉻的濃度計算其他組分。但這種方式的計算可能會導(dǎo)致一些不確定性。此外，最廣泛使用的分離分析技術(shù)，還主要有液-液萃取23，共沉淀法24，電泳25，濁點萃取26，毛細管微萃取27，固相提取28和高性能液相色譜法29。然而當(dāng)這些類型的技術(shù)被應(yīng)用在批量處理

7、模式下，分析時間的增加，使得這些方法不實用于在線分析。然而，通過采用線上形態(tài)系統(tǒng)，這些缺點可以顯著地被改善。本文介紹了采用低壓離子色譜結(jié)合分光光度流動注射系統(tǒng)，同時在水溶液中測定Cr()和Cr()的方法。我們使用交聯(lián)淀粉，苯乙烯共聚物微粒和二乙烯基苯去合成的交聯(lián)淀粉微粒(CSM)。之后，因GSM具有良好的優(yōu)點，如顆粒大小均勻，良好的機械強度，高的孔隙率，大的孔體積，高比表面積，特別是其對三價鉻超強的吸附能力，故在流動注射系統(tǒng)中，將填充有CSM的柱子用于在線保留Cr的組分。因此，Cr()被CSM吸附，而從柱子流出的鉻()的首先與聯(lián)本二胺尿(DPC)在混合器中反應(yīng)。在酸性介質(zhì)中形成的深紫紅色絡(luò)合物

8、，在530nm處具有最大吸收，該絡(luò)合的吸光度與濃度成正比。最后從柱中流出鉻()，先在酸性條件下被氧化為Cr()才可以與DPC的反應(yīng)形成紫紅色的絡(luò)合物。這樣，我們可以分別測定Cr()和Cr()的濃度。該方法不僅具有操作簡便，快速，靈敏，價格便宜的優(yōu)點，此外它已成功地應(yīng)用于在制革廢水在線Cr()和Cr()的分離和測定。實驗部分：2.1實驗儀器2.1.1在線分離和氧化系統(tǒng) 填裝有交聯(lián)淀粉微粒(CSM，粒徑為20-30nm)的一個低壓離子色譜柱(5 mm×40 mm，由張新申教授設(shè)計制作)，放置在進樣閥之后，用于鉻()和Cr()的在線分離。一個由張新申教授設(shè)計的恒溫加熱器放置在色譜柱之后。恒

9、溫加熱器的功能是控制的氧化反應(yīng)的溫度，便于Cr()的流入該加熱器時被轉(zhuǎn)換成()。2.1.2.流動注射和分光光度檢測系統(tǒng) 一個由張新申教授設(shè)計的型號為ZJ-LA自動金屬元素分析儀，其配備了一個光學(xué)探測器和光流通池(2.8的光學(xué)路徑長度，4 mm內(nèi)徑)，具有離子色譜法和流(FIA)的雙重功能。ZJ-LA金屬元素自動分析儀適用于皮革和制革廢水中Cr()的測定研究30,31。流動注射分析(FIA)功能用來測定Cr()和Cr()。流體輸送系統(tǒng)采用的是蠕動泵(上海滬西分析儀器廠，中國)，該蠕動泵用來提供所有流體輸送，并自動通過其旋轉(zhuǎn)速度聚四氟乙烯管(內(nèi)徑0.5毫米)控制流量大小，用于連接所有組件流系統(tǒng)。一

10、個由自制彎曲管和聚四氟乙烯管(內(nèi)徑0.5毫米)組成的混合管柱。使用IBM-PC記錄在530nm吸收強度。數(shù)據(jù)采集和處理由HW-2000色譜軟件(前埔軟件有限公司，中國)在Windows XP系統(tǒng)下完成。2.1.3.試劑 在這項工作中所用試劑均為分析純，使用無需任何進一步純化。所有溶液準備或稀釋都是用來自超純化水系統(tǒng)中的去離子水。1000.00mg/L的Cr()儲用溶液，由去離子水溶解0.7692g Cr(NO3)3·9H2O(天津市申泰化學(xué)試劑一廠，中國)，并保存在100mL容量瓶中，稀釋至刻度制備。Cr()儲用溶液，由重鉻酸鉀(成都科龍化工試劑廠，中國)0.0270g溶解并稀釋至1

11、00mL容量瓶中制備。新鮮的標準曲線溶液，由Cr()和Cr()(單一或混合)的儲用溶液用去離子水適當(dāng)稀釋制備。一份H2SO4溶液備用液，在一個玻璃燒杯中，加入約60毫升的去離子水并溶解22.2毫升的濃硫酸(成都科龍化工試劑廠，中國)，并冷卻至室溫。比色溶液溶液的配制：稱取0.2400克二苯碳酰二肼(DPC)(成都科龍化工試劑廠，中國)，50mL丙酮，以及以上H2SO4溶液全轉(zhuǎn)移入1000mL容量瓶中，稀釋至刻度。5mmol/L的硝酸溶液用硝酸(65%，w/w)(成都科龍化工試劑廠，中國)制備，用于洗脫Cr()。2.1.4.交聯(lián)淀粉微粒的合成 填充材料的(交聯(lián)淀粉微粒)CSM是通過聚合方法得到的

12、。這項工作是30-60g的淀粉加入3-6mL環(huán)氧氯丙烷,并輕輕攪拌使之混合。之后，交聯(lián)的淀粉是將以上混合物和氫氧化鉀溶液(5-20% w/w)混合獲得的。隨后，接枝共聚反應(yīng)在交聯(lián)的淀粉、高溫的苯乙烯聚合物和二乙烯基苯之間發(fā)生產(chǎn)生，由此生成了交聯(lián)淀粉微球。所得的產(chǎn)物，其顆粒尺寸約為20-30m，其對某些金屬離子，如Cr()，Al+，Mg2+等等，具有良好的吸附性能。2.1.5.推薦程序如在圖.1使用所示的四個通道的管柱，當(dāng)六通閥是在負荷位置，泵開始洗整個流程系統(tǒng)，直到獲得穩(wěn)定的基線。當(dāng)該閥是在清洗位置時，管路進入采樣狀態(tài)，洗脫劑(E)被連續(xù)地泵入管路 并且樣品溶液(S)也被注入采樣管柱直到備用樣

13、品溶液(S)從廢物中排出。隨后，旋轉(zhuǎn)閥自動回到負載位置時，采樣管柱中的S以及E被注入低壓離子色(LPICC)。鉻()只通過LPICC而不被其吸附保留，然而Cr()卻會被吸附。在E的作用下，鉻()和Cr()依次達到恒溫加熱器。不同的是，鉻()直接通過恒溫加熱器，而鉻()在其中被氧化性溶液(O)氧化為Cr()。最終，鉻()來自直接注入的溶液中的鉻()和鉻()氧化成的Cr()，依次進入反應(yīng)管路與DPC反應(yīng)形成紫紅化合物，其流經(jīng)分光光度計的流通比色皿池，并在530nm處測定吸光度的。來自檢測器的輸出信號，按FIA峰形式被個人計算機記錄。峰值高度與注入溶液中的Cr()和Cr()的濃度成正比。標準圖譜由峰

14、高與鉻()和Cr()的濃度關(guān)系繪制而成，并被用于定量分析樣品中的鉻()和Cr()。3. 結(jié)果與討論基于CSM對Cr()和Cr()的不同吸附作用，氧化反應(yīng)使鉻()氧化為Cr()和Cr()在弱酸性介質(zhì)中與DPC的絡(luò)合作用，生成復(fù)雜化合物的原理，本方案使用設(shè)計的流動系統(tǒng)對Cr()和Cr()進行開發(fā)分析。3.1前期探索鑒于實驗的結(jié)果，信號強度與倍率密切相關(guān)并且放大倍率越大，信號越強。因此，我們選擇了最大放大倍數(shù)(1.9)去進行研究。填裝有CSM的低壓色譜柱(LPCC，5mm×40mm)，用于鉻()和Cr()的分離。CSM是弱酸性陽離子，其陽離子交換容量為0.01-0.04 mmol/g。硝酸

15、水溶液(1-5 mmol/L)，用作洗脫吸附的操作。正確使用條件下，LPCC的使用壽命為1-2年左右。通過前期的優(yōu)化，某些工作條件下的設(shè)備是固定的。如，R和O兩個泵管的內(nèi)徑為0.7mm，和E和S 內(nèi)徑都是1.0mm的，采樣時間均為2分鐘。3.2檢測波長選擇在350-700范圍內(nèi)不波長處，用有色溶液做參比記錄，得到的紫紅色絡(luò)合物的吸光度較低。如圖.2所示，在530nm處得到最大吸收強度。因此，通過進一步的研究選擇了波長(530nm)測定的Cr()的和Cr()。3.3變量優(yōu)化影響系統(tǒng)變量按照單變量方法進行了優(yōu)化，每個分析的結(jié)果都是至少三個測定值的平均。表1總結(jié)了研究的變量，包括的測定范的圍和最佳值

16、獲得。硝酸溶液在2.5-3.5mmol/L 的濃度范圍內(nèi)，作為鉻()和Cr()的洗脫劑對吸光度的增減作用是分別被研究了的。圖.3表明，分析時間隨淋洗液濃度的增加而減少。當(dāng)硝酸濃度為2.5mmol/L，Cr()和Cr()的分離效果很好，但分析時間比較長。隨著濃度達到3.5 mmol/L，鉻()和Cr()已不能彼此分離，盡管分離的時間很短。為了兼顧分離效果好和分析時間短，3.0 mmol/L的硝酸溶液被用于LPICC中洗脫吸附的Cr()。 通過添加硫酸鈰和硫酸去將鉻()氧化，得到的氧化后溶液。硫酸鈰和硫酸的氧化劑溶液的在50-250mg/L和188.6-556.6mmol/L不同濃度的范圍內(nèi)分別進

17、行了測試。結(jié)果如圖.4所示，每個氧化性溶液的組分都對測試結(jié)果有很大的影響。最終，選擇150mg/L的硫酸鈰和464.6mmol/L的硫酸進行進一步研究工作。 恒溫槽中的氧化反應(yīng)溫度對Cr()的氧化程度起關(guān)鍵的作用，如圖.5所示，這無疑會影響鉻()的測定。研究了恒溫浴溫度在30-80范圍內(nèi)的影響，得到隨溫度的增加，Cr()峰值高度也在增加。然而，當(dāng)溫度超過50，增加趨于平坦。此外，氧化反應(yīng)的溫度高，氣泡更多，基線也更差。這給實驗帶來很大的影響最終，我們只能在溫度為50下作這兩種效果之間的折衷選擇。Cr()被氧化成鉻()是在氧化反應(yīng)管柱中發(fā)生的，其氧化程度與它的長度有很大的關(guān)系。參考圖.6可知，增

18、加氧化反應(yīng)管柱的長度從1到3.7米，開始時Cr()分析信號會越來越強(直到長度達到2.4米)，然后又下降(當(dāng)長度大于2.4米后)。因此，選擇2.4米作為氧化劑反應(yīng)管柱的最佳長度。樣品進樣體積對峰高有直接的影響，Cr()的信號隨進樣量到400L之前的增加而增強，然后幾乎保持不變直到大到800L。在此期間，樣品體積達到500L之前信號隨體積的增加而加強，之后進樣體積對峰值的高度(圖7)沒有影響?？紤]到Cr()的靈敏度，500L的進樣量被選擇用于之后的實驗。本文對反應(yīng)管柱長度對實驗的影響也進行了研究。我們研究了1-6m的各種長度反應(yīng)管柱。結(jié)果所示于圖.8,用于本實驗的反應(yīng)管柱的最佳長度選擇為4m，因

19、為它提供了最高的敏感性。3.4方法驗證 使用本方案設(shè)計的管柱，在(表1)的最佳條件下測定鉻()和Cr()(圖1)，線性校準曲線的范圍0.001-1.000mg/ L的Cr()和0.030-1.000mg/ L的Cr(),他們的回歸方程在減去了空白之后，可以分別表示為y=1.1979x+11.71(R2= 0.9995)和y=0.3986x-11.496(R2=0.9994)，其中y代表峰高以Mv為單位和x是鉻()和Cr()的濃度以mg/L為單位。 用本文所提出的方法，當(dāng)注射體積Cr()為0.05 mg/L和Cr()的0.100mg/L時，重復(fù)測定10次計算的相對標準偏差(峰值高度以Mv為單位)

20、,分別為1.21%和1.66%(圖9)。對于這種測定方法Cr()和Cr()的檢出限分別為1.25g/L和3.76g/L(S/N = 3)，并且在相同的濃度水平下，經(jīng)五個連續(xù)日間測試，其誤差小于5%。3.5干擾因素在最優(yōu)條件下，對0.05mg/L的Cr()和0.10mg/L的Cr()的進行測定時，我們對幾種陽離子和陰離子對實驗的影響進行了研究。我們把致使實驗誤差不大于5%的離子濃度，作為這種離子的可允許的最高濃度。結(jié)果概括于表.2顯示該方法表現(xiàn)出了良好的兼容性，幾種無機離子(如Na+，Cl-，NO3-，K+，SO42-，PO43-，Br-，F(xiàn)-，NH4+，CO32-，SiO32-和S2-)在相對較高的濃度下也并沒有產(chǎn)生干擾。此外，最嚴重的干擾很明顯是金屬離子形成不溶性鹽或無機物參與氧化還原反應(yīng)造成的，但這些離子在可接受濃度內(nèi)，仍適合測定不同的水樣中的Cr()和Cr()。3.6.應(yīng)用 本實驗方法已成功地應(yīng)用于四川省的3個制革廠制革廢水中Cr（）和Cr（）的測定收集，制革廢水樣品首先需要通過0.45m的微孔濾膜過濾，以除去其中大部分的懸浮物。試驗之前必須將所有的樣品濾液稀釋5倍，并在最優(yōu)實驗條件下進行分析檢測?？紤]到樣品中含有未知組分，實驗對每個樣品進行了相同取樣，以便進行Cr（）