离子色谱结合分光光度法同时测定铬(DOC)

1、低压离子色谱结合流动注射分光光度法同时测定制革废水中的铬(川)和Cr( W)Shujuan Chen： Xinshen Zhang a,b, , Lingyun Yu : Li Wang b, Hui Li c a Nati onal Engin eeri ng Laboratory for Clea n Tech no logy of Leather Manu facture, Sichuan Uni versity, Che ngdu 610065, Sichua n, PR Chi na b State Key Laboratory of Hydraulics and the Explo

2、itationand Protectionof Mountain Rivers, Sichuan University,Chengdu610065, Sichuan, PRChinac College of Architecture and Environment, Sichuan University, Chengdu 610065, Sichua n, PR Ch inaArticle info( 文章信息)Article history:Received 24 August 2011Received in reW sed form23 November 2011Accepted 24 N

3、ovember 2011摘要：采用低压离子色谱-流动注射分光光度分析(LPIC-FIA)方法已成功地分离和 测定了三价铬和六价铬。实验使用一个填充有交联淀粉微粒的色谱柱，因它对铬(川)的吸收作用，从而在流动注射系统中在线进行的从Cr( W)中分离Cr(川)。为了确定样品中Cr(川)和Cr( W)的浓度，本文使用了 3.0mmol/L的硝酸从柱中 洗脱吸附的Cr(川),然后用硫酸铈-硫酸作为氧化剂使所有Cr(川)转变Cr( W)。 然后，直接来自样品Cr( W)和来自铬(川)氧化的Cr( W)，先后与联本二胺尿形 成了紫红色络合物，该络合物在530nm可显现最大吸收波长。对包括洗脱剂和氧 化剂的

4、溶液的浓度，氧化温度，氧化反应管柱、反应管柱和注射管柱的长度，以 及干扰因素等分析参数，进行了优化。最低检测限为1.25g/L的Cr( W)和3.76g/L 的Cr(川)。吸收与浓度之间的线性关系对Cr( W)和Cr(川)分别为0.001-1.000mg/L 和 0.030-1.000mg/L，相关系数为 0.9995 和 0.9994，Cr( W)和 Cr(川)的相 对标准偏差分别为1.21%和 1.66%(N =10)。主要的阳离子和阴离子，对该实验没 有任何的干扰。最后我们通过检验认可的参考材料，并通过测量在制革废水的回收，验证了这种方法。关键词：低压离子色谱、铬、流动注射分析、硫酸铈1

5、.介绍铬是地球上最丰富的元素之一，并被发现天然存在于岩石，土壤，植物，动 物，火山尘埃和气体中1-3。随着科学和技术的发展，铬化合物被广泛应用于各 个行业，如鞣制皮革，矿石研磨，电镀，不锈钢和染色4。在这些应用之后，铬会以几中化学形式存在，并且在环境中不可生物降解呵。其在水中的主要形式为两个不同的氧化态的铬（川）和Cr（ m），它们对环境毒性，生物效应和人体健康 有不同的影响。三价铬可被视为是一种必需的微量元素，因为它对哺乳动物的血脂，血糖和蛋白代谢的维护有重要作用6-8。因此，Cr（川）具有对糖尿病，动脉 硬化和高血压的预防功能9-10 o另一方面，Cr（ m）的各组分，是众所周知具有较 高

6、的毒性和致癌性的，而且很容易通过消化道，呼吸道，皮肤和粘膜这些途径被 身体吸收和积累，最终引起各种临床疾病，如急性心血管冲击，之后又会对肾脏， 肝脏和造血器官的形成影响11-13 o鉴于这些影响，寻找 Cr组分分离和测定的分 析方法，对生态环境质量评价生态效应和毒理机制的研究具有非常重要的意义。在水溶液中进行铬的测定的分析方法，有石墨炉原子吸收光谱法14-17，火焰原子吸收分光光度法18-20，电子捕获检测器气相色谱（gc-ecd,22。这些方法中 的一些可以确定某一组分，并通过测定总铬的浓度计算其他组分。但这种方式的 计算可能会导致一些不确定性。此外，最广泛使用的分离分析技术，还主要有液 -

7、液萃取23，共沉淀法24，电泳25，浊点萃取西，毛细管微萃取旳，固相提取28 和高性能液相色谱法29。然而当这些类型的技术被应用在批量处理模式下，分析 时间的增加，使得这些方法不实用于在线分析。然而，通过采用线上形态系统， 这些缺点可以显著地被改善。本文介绍了采用低压离子色谱结合分光光度流动注 射系统，同时在水溶液中测定 Cr（川）和Cr（ m）的方法。我们使用交联淀粉，苯 乙烯共聚物微粒和二乙烯基苯去合成的交联淀粉微粒（CSM）。之后，因GSM具有良好的优点，如颗粒大小均匀，良好的机械强度，高的孔隙率，大的孔体积，高 比表面积，特别是其对三价铬超强的吸附能力，故在流动注射系统中，将填充有CS

8、M的柱子用于在线保留Cr的组分。因此，Cr（川）被CSMR附，而从柱子流出 的铬（m）的首先与联本二胺尿（DPC）在混合器中反应。在酸性介质中形成的深紫 红色络合物，在530nm处具有最大吸收，该络合的吸光度与浓度成正比。最后从柱中流出铬（川），先在酸性条件下被氧化为 Cr（ m）才可以与DPC勺反应形成紫 红色的络合物。这样，我们可以分别测定Cr（川）和Cr（ m）的浓度。该方法不仅具有操作简便，快速，灵敏，价格便宜的优点，此外它已成功地应用于在制革废 水在线Cr（川）和Cr（ m）的分离和测定。实验部分：2.1实验仪器2.1.1在线分离和氧化系统填装有交联淀粉微粒（CSM粒径为20-30n

9、m）的一个低压离子色谱柱（5 40 mm，由张新申教授设计制作），放置在进样阀之后，用于铬（川）和Cr（ m）的 在线分离。一个由张新申教授设计的恒温加热器放置在色谱柱之后。恒温加热器的功能是控制的氧化反应的温度， 便于Cr（川）的流入该加热器时被转换成（m） o2.1.2. 流动注射和分光光度检测系统一个由张新申教授设计的型号为 ZJ-LA自动金属元素分析仪，其配备了一个 光学探测器和光流通池（2.8 cm的光学路径长度，4 mm内径），具有离子色谱法和 流（FIA）的双重功能。ZJ-LA金属元素自动分析仪适用于皮革和制革废水中Cr（ m）的测定研究30,31。流动注射分析（FIA）功能用来

10、测定Cr（川）和Cr（ m）。流体输送 系统采用的是蠕动泵（上海沪西分析仪器厂，中国），该蠕动泵用来提供所有流体 输送，并自动通过其旋转速度聚四氟乙烯管（内径0.5毫米）控制流量大小，用于 连接所有组件流系统。一个由自制弯曲管和聚四氟乙烯管（内径0.5毫米）组成的 混合管柱。使用IBM-PC记录在530nm吸收强度。数据采集和处理由 HW-2000色 谱软件（前埔软件有限公司，中国）在Windows XP系统下完成。2.1.3. 试剂在这项工作中所用试剂均为分析纯，使用无需任何进一步纯化。所有溶液准 备或稀释都是用来自超纯化水系统中的去离子水。1000.00mg/L的Cr（川）储用溶液，由去离

11、子水溶解 0.7692gCr（NO3）3 9H2O天津市申泰化学试剂一厂，中国），并保存在100mL容量瓶中， 稀释至刻度制备。Cr（ W）储用溶液，由重铬酸钾（成都科龙化工试剂厂，中 国）0.0270g溶解并稀释至100mL容量瓶中制备。新鲜的标准曲线溶液，由Cr（川） 和Cr（ W）（单一或混合）的储用溶液用去离子水适当稀释制备。一份HSQ溶液备用液，在一个玻璃烧杯中，加入约60毫升的去离子水并溶 解22.2毫升的浓硫酸（成都科龙化工试剂厂，中国），并冷却至室温。比色溶液 溶液的配制：称取0.2400克二苯碳酰二肼（DPC）（成都科龙化工试剂厂，中国）， 50mL丙酮，以及以上"

12、SQ溶液全转移入1000mL容量瓶中，稀释至刻度。5mmol/L 的硝酸溶液用硝酸（65%, w/w）（成都科龙化工试剂厂，中国）制备，用于洗脱 Cr（川）。2.1.4. 交联淀粉微粒的合成填充材料的（交联淀粉微粒）CSM是通过聚合方法得到的。这项工作是30-60g 的淀粉加入3-6mL环氧氯丙烷，并轻轻搅拌使之混合。之后，交联的淀粉是将以 上混合物和氢氧化钾溶液（5-20% w/w）混合获得的。随后，接枝共聚反应在交联 的淀粉、高温的苯乙烯聚合物和二乙烯基苯之间发生产生，由此生成了交联淀粉 微球。所得的产物，其颗粒尺寸约为20-30卩m,其对某些金属离子，如Cr（川）， Al+，Mg+等等，

13、具有良好的吸附性能。2.1.5. 推荐程序如在图.1使用所示的四个通道的管柱，当六通阀是在负荷位置，泵开始洗 整个流程系统，直到获得稳定的基线。当该阀是在清洗位置时，管路进入采样状态，洗脱剂（E）被连续地泵入管路并且样品溶液（S）也被注入采样管柱直到备用样品溶液（S）从废物中排出。随后， 旋转阀自动回到负载位置时，采样管柱中的S以及E被注入低压离子色（LPICC）。 铬（W）只通过LPICC而不被其吸附保留，然而 Cr（川）却会被吸附。在E的作用 下，铬（W）和Cr（川）依次达到恒温加热器。不同的是，铬（W）直接通过恒温加 热器，而铬（川）在其中被氧化性溶液（Q）氧化为Cr（ W）。最终，铬（

14、W）来自直接 注入的溶液中的铬（W）和铬（川）氧化成的Cr（ W），依次进入反应管路与 DPC反 应形成紫红化合物，其流经分光光度计的流通比色皿池，并在530nm处测定吸光度的。来自检测器的输出信号，按FIA峰形式被个人计算机记录。峰值高度与注 入溶液中的Cr（ W）和Cr（川）的浓度成正比。标准图谱由峰高与铬（W）和Cr（川） 的浓度关系绘制而成，并被用于定量分析样品中的铬（筍）和Cr（川）。Fig. L SciicfTUtic didgRm. Ibr deterrninatiofi cffotvind 6(111) 5, simple; E. dwefir 0,-Dxidanc solui

15、Mrii R, colour dution: F, pcritaliiic pujnp: V, six-way aLirt«rutii： ifijecilion wjilvr; KrThixinwil; wsEt-; L, Immal IberrTuc lirjiler; L* me*ciii?n上oil; L, decninpmiuai cm- F, fluwEtiraih cll.; D, dE-lniMKn- V*C, rcimpulEr;匚 I口wpc日、u r卍 Ion cliramaftTgraiiitiic column; QF sampling coil.3.结果与讨

16、论基于CSM寸Cr( W)和Cr(川)的不同吸附作用，氧化反应使铬(川)氧化为 Cr( W)和Cr( W)在弱酸性介质中与DPC勺络合作用，生成复杂化合物的原理， 本方案使用设计的流动系统对 Cr(川)和Cr( W)进行开发分析。3.1前期探索鉴于实验的结果，信号强度与倍率密切相关并且放大倍率越大，信号越强。 因此，我们选择了最大放大倍数(1.9)去进行研究。填装有CSM的低压色谱柱 (LPCC, 5mM 40mm)用于铬(川)和Cr( W)的分离。CSM是弱酸性阳离子，其阳 离子交换容量为0.01-0.04 mmol/g。硝酸水溶液(1-5 mmol/L)，用作洗脱吸附 的操作。正确使用条件

17、下，LPCC勺使用寿命为1-2年左右。通过前期的优化， 某些工作条件下的设备是固定的。如，R和O两个泵管的内径为0.7mm和E和S内径都是1.0mm的，采样时间均为2分钟。3.2检测波长选择在350-700范围内不波长处，用有色溶液做参比记录，得到的紫红色络合物 的吸光度较低。如图.2所示，在530nm处得到最大吸收强度。因此，通过进一 步的研究选择了波长(530nm)测定的Cr(川)的和Cr( W)。rig. 2. Absorption specrrj ofCrf Vt kDPCcomplex in the sulfuric acid solution (Aand B respectivel

18、y represents vartous cancentraiion of CrfVE (0.5 and lOmg,!.3.3变量优化影响系统变量按照单变量方法进行了优化，每个分析的结果都是至少三个测 定值的平均。表1总结了研究的变量，包括的测定范的围和最佳值获得。硝酸溶液在2.5-3.5mmol/L的浓度范围内，作为铬（川）和Cr（ W）的洗脱剂 对吸光度的增减作用是分别被研究了的。图.3表明，分析时间随淋洗液浓度的 增加而减少。TMr 1Opcirndzacion of vaiiaiito.TV 共口h/ridblrVjiridbieRiinfP* MildredVlur di 唤旬Elu

19、tion systemNicric acid, mnwl,'!2.S-3-53 JOUxiditiom systemCcrKsutfatc, mgj'L50-250間5ulfunc acldr mnwIi'LOxicljJliah-C班圖刃Lngdi of Djcidizimg reuiori coilr in1-3J2_4hdTnphng systeminjection volume. jlL200-WGW5<X>Colour 矢砸1 口pnnl syxIfGtiatcoil, ifti1-4当硝酸浓度为2.5mmol/L，Cr（川）和Cr（ W）的分离效

20、果很好，但分析时间比较长。 随着浓度达到3.5 mmol/L，铬（川）和Cr（ W）已不能彼此分离，尽管分离的时间 很短。为了兼顾分离效果好和分析时间短，3.0 mmol/L的硝酸溶液被用于LPICC 中洗脱吸附的Cr（川）。通过添加硫酸铈和硫酸去将铬（川）氧化，得到的氧化后溶液。硫酸铈和硫酸 的氧化剂溶液的在50-250mg/L和188.6-556.6mmol/L不同浓度的范围内分别进 行了测试。结果如图.4所示，每个氧化性溶液的组分Fi野 y Effect of eluiKNi ccncentrdon on the separation ofCrtllli jnd Cr(Vl)( and

21、3 respetiively represents various <on«n(raion (2535mmoli'l) of nKid，Aelw-:上噹七 d35255010015020C250tret ion of servu Ifat-e/m算/LConccntire ioi of sul fur l c aeld/pftf XL亠 Cr(Vl) MIQI)Fig. 4. Kfleet <if nxtcfliHnt nKitinn nn the K丑匕-Cr(VT) Cr (III)都对测试结果有很大的影响。最终，选择150mg/L的硫酸铈和464.6mmol

22、/L的硫 酸进行进一步研究工作。恒温槽中的氧化反应温度对 Cr（川）的氧化程度起关键的作用，如图.5所示, 这无疑会影响铬（川）的测定。研究了恒温浴温度在30-80 C范围内的影响，得到 随温度的增加，Cr（川）峰值高度也在增加。然而，当温度超过 50E，增加趋于 平坦。此外，氧化反应的温度高，气泡更多，基线也更差。这给实验带来很大的 影响最终，我们只能在温度为50 E下作这两种效果之间的折衷选择。504020一.Y>C 厂(VI) 亠 Cr(in)100304050607080Oxi dat i on tenpe rature/CFig. 5 Effect of oxidation t

23、emperature on peak height.Cr（川）被氧化成铬（W）是在氧化反应管柱中发生的，其氧化程度与它的长度 有很大的关系。参考图.6可知，增加氧化反应管柱的长度从 1到3.7米，开始 时Cr（川）分析信号会越来越强（直到长度达到2.4米），然后又下降（当长度大于 2.4米后）。因此，选择2.4米作为氧化剂反应管柱的最佳长度。-Cr(VT) 亠 cHIIDLength of oxidizingreac t ion coi1/mFig- 6- Effect of length of oxidizing reaction coil in the homothermic heatcr

24、on peak height.样品进样体积对峰高有直接的影响，Cr（ W）的信号随进样量到400卩L之前 的增加而增强，然后几乎保持不变直到大到 800卩L。在此期间，样品体积达到 500卩L之前信号随体积的增加而加强，之后进样体积对峰值的高度（图7）没有影 响。考虑到Cr（川）的灵敏度，500卩L的进样量被选择用于之后的实验。10 11'111200300400500600700800Injection voluwe/|ALFig. 7. Effect of injection volume on peak height.本文对反应管柱长度对实验的影响也进行了研究。我们研究了1-6m

25、的各种长度反应管柱。结果所示于图.8,用于本实验的反应管柱的最佳长度选择为 4m 因为它提供了最高的敏感性。Cr(VI)Length of reaction coil/mFig. & Effect of reaction coil length on peak height.3.4方法验证使用本方案设计的管柱，在（表1）的最佳条件下测定铬（川）和Cr（筍）（图1）,线性校准曲线的范围 0.001-1.000mg/ L 的 Cr（ W）和 0.030-1.000mg/ L 的 Cr（川）,他们的回归方程在减去了空白之后，可以分别表示为y=1.1979x+11.71（R2=0.9995）和

26、y=0.3986x-11.496（R2=0.9994）,其中y代表峰高以Mv为单位和x是 铬（弋）和Cr（川）的浓度以mg/L为单位。用本文所提出的方法，当注射体积 Cr（ W）为0.05 mg/L和Cr（川）的 0.100mg/L时，重复测定10次计算的相对标准偏差（峰值高度以Mv为单位）,分 别为1.21%和1.66%（图9）。对于这种测定方法Cr（ W）和Cr（川）的检出限分别为 1.25血/L和3.76 pg/L（S/N = 3），并且在相同的浓度水平下，经五个连续日间 测试，其误差小于5%AEM3P 二 乂总IkI Luk rriiHFig, 9, Relative standard

27、 deviation.3.5干扰因素在最优条件下，对0.05mg/L的Cr( W)和0.10mg/L的Cr(川)的进行测定时， 我们对几种阳离子和阴离子对实验的影响进行了研究。我们把致使实验误差不大于5%勺离子浓度，作为这种离子的可允许的最高浓度。结果概括于表.2显示该方法表现出了良好的兼容性，几种无机离子(如Na, Cl-, NG, K, SQ2-, PQ3-, Br-, F, NH+, COT, SiQs2-和Sf)在相对较高的浓度下也并没有产生干扰。此外， 最严重的干扰很明显是金属离子形成不溶性盐或无机物参与氧化还原反应造成 的，但这些离子在可接受浓度内，仍适合测定不同的水样中的 Cr(

28、 W)和Cr(川)。l.ibk2The effect of foreign ions on the determjnation of CrCVI) and 匚SpeciesTolerance limit (W/Wcrtvi)Tolerance limitNa cr. NOr.r10001000SO42 ,PO43 Br .F1000刃0Mg2Zn2t100010Al>4002nh4*200200CO32 , SiO32200100HCO心"20010s2-100100Fe3*205P0202Cu2t200220103.6.应用本实验方法已成功地应用于四川省的3个制革厂制革废水中

29、Cr (W)和Cr(川)的测定收集，制革废水样品首先需要通过0.45啊的微孔滤膜过滤，以除去其中大部分的悬浮物。试验之前必须将所有的样品滤液稀释5倍，并在最优实验条件下进行分析检测。考虑到样品中含有未知组分，实验对每个样品进行了相 同取样，以便进行Cr ()和Cr (m)的含量分析。实验所得结果见表.3。该 方法的结Rccavcry of Crt III) and CrfVl) in tannir：using tlw proposed method (n = 3)LSJinpleCr(lfl)(msL )CWVlXmaL 1Recavety (X)Added CDRccfitntionFoun

30、d 匚acicen trationAdded coficcHtrjitioiiRuundl :DiKCfitratiDnCrtltl)CKV10尸0mnizSP1#13 10.190(2.3)J5B.09E.03J04.190D_20.291(2,0唧gg.5D2.41 (IQ0.077住与F2#13讪口-4P0.1101.025020279(2期go101X)0UWZfliJH0050.1 ?3#1.5户0.10.15EH2.KH96.71D4.03J)4也0297.7102.51t iundard dvoiian, n-3,果和分光光度法32测定之结果进行了比较(中国标准化管理)。Cr (

31、)和Cr(m)的回收率分别在 98.0-104.0%和 96.7-98.8%的范围内。本文以前文提到的 参考方法(紫外分光光度法)对样品进行分析，之后又用本文提出的方法对样品进行测定，两种测定方法的结果示于表.4。显然，以本文所提出的方法得到的铬（W）和Cr （川）的含量值与通过分光光度法直接测定的值非常接近。之后，T测试也被同时应用于本文提出方法和参考方法（紫外分光光度法）的分析数据。 从表.4可以看出，两种方法之间没有显著差异，而 95%的列表值的置信区间是nblc 4Coin parison of aiulytifjl results of the proposed nwEhod (LP

32、IC-FlAJand refereiKe merhod (SpectrDptioanHuy：LSamplemin(XVI)LPIC-RA(rflgl jS(i«Erof)lio<o<rre1 ryGlculd 杞 d bvdlurCritical卜冏虞LPICFI肌嗚 LSpKlraphoflomet 曙Cjkulatcd r-vilutCrilkJl (P-0.95)It1.23C2.2r12S(2J0rOJM2(2.5F2122#2.41 (.&>*2.19£7®O.OESIfZJ41.992.78掰1.79(2.0>*1.77

33、(23)-2.220.059(2.1 J111.34TheIJV-FIA jndl 阳perfarmed Mfordi io i Im* Sbie suridardizaricn 口| 却）Aeain. vaJue ± standard diiticxL n « X2.78,而应用T测试方法对制革废水样品进行三次测试，计算得到的值更小。因 此，我们再次去确认用这种方法测定水样中铬（W）和Cr （E）的准确性。鉴于这种情况我们需要一个 Cr （E）的新的显色反应，针对 Cr （）的毒性去改 善当前实验方法，当然这是作者的后续研究了。4.结论本文证明当硫酸铈一硫酸水溶液作为氧化

34、剂，DPC 硫酸一丙酮水溶液作为显色 剂时，利用一种新的，简单，快速的结合有流动注射分光光度法的低压离子色谱 法已成功地应用于制革废水样品中铬（W）和Cr （川）的同时测定。并且已经对实验参数进行了优化。本文所提出的方法有如下优点：（1）不需要复杂的样品 预处理，（2）它具有线性范围宽，抗干扰性强，精度高，检出限低等优点，（3）相较于其它方法，该方法更便宜更易于操作，（4）它是适合于在线检测，（5）被 成功应用制革废水中铬（W）和 Cr （E）的同时测定。致谢十分感谢中国高新技术研究和发展计划（863计划），（项目编号：2007AA09210101）References1 T. Madriki

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