超痕量六價(jià)鉻分析儀檢測(cè)制革場(chǎng)地中六價(jià)鉻

李曉敏 吳小龍 符式錦 張 臨 黃玉潔

(海南省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,?？?570100)

鉻(Cr)是一種過渡元素,廣泛應(yīng)用于制革、冶金、電鍍、紡織和顏料等各種行業(yè)[1-2]。鉻主要以三價(jià)鉻和六價(jià)鉻兩種形態(tài)存在,其中六價(jià)鉻在全pH值范圍內(nèi)均可溶于水,而三價(jià)鉻在微酸性和堿性環(huán)境下易吸附在土壤表面或以氫氧化鉻的形式沉淀。六價(jià)鉻比三價(jià)鉻的毒性高100倍,且更容易被人體吸收[3-4]。因此,美國環(huán)境保護(hù)署(US EPA)將鉻列為對(duì)人類構(gòu)成威脅的17種化學(xué)物質(zhì)之一[5]。國內(nèi)也出臺(tái)了相關(guān)的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)環(huán)境中的六價(jià)鉻。

六價(jià)鉻和三價(jià)鉻往往是共存的。有研究指出三價(jià)鉻在富配體環(huán)境中可能與有機(jī)配體絡(luò)合[6-7]。一些電鍍、制革等場(chǎng)地有機(jī)配體(如檸檬酸)的大量使用,形成了穩(wěn)定的Cr(Ⅲ)-有機(jī)絡(luò)合物。 DHAL等[8]認(rèn)為,單體OM-Cr(Ⅲ)配合物普遍存在于pH值較低(酸性)的有機(jī)土壤中,多核OM-Cr(Ⅲ)配合物(由二聚體和四聚體組成)普遍存在于pH值較高(堿性)的有機(jī)土壤中。這意味著Cr(Ⅲ)-有機(jī)絡(luò)合物在高溫高堿的六價(jià)鉻提取過程中可能存在正干擾,對(duì)六價(jià)鉻的測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生影響。此外土壤消解后的樣品根據(jù)性質(zhì)的不同往往呈現(xiàn)不同的顏色,基于分析方法的原理,色度也是影響六價(jià)鉻測(cè)定的關(guān)鍵因素。

目前,國內(nèi)對(duì)于土壤和沉積物中六價(jià)鉻的測(cè)定方法主要有原子吸收光譜法[9]、電感耦合等離子體光譜法[10]、電感耦合等離子體質(zhì)譜法等[11]。但局限性較大,一方面是這些儀器需要與色譜儀聯(lián)用才能有效區(qū)分六價(jià)鉻和三價(jià)鉻,聯(lián)用技術(shù)成本高,另一方面是現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)處理方式較為繁瑣,抽濾及調(diào)節(jié)樣品pH值兩個(gè)步驟耗時(shí)較長,導(dǎo)致檢測(cè)效率低。超痕量六價(jià)鉻分析儀,以陰離子交換并顯色為原理能準(zhǔn)確測(cè)定目標(biāo)物且操作簡(jiǎn)便,目前已在多個(gè)行業(yè)運(yùn)用。本文從超痕量六價(jià)鉻分析儀色譜條件的優(yōu)化、樣品前處理改進(jìn)及方法抗干擾能力三方面入手。建立一種預(yù)處理方式簡(jiǎn)便、抗干擾能力強(qiáng)、精密度和正確度高的方法,為電鍍、制革污染等復(fù)雜場(chǎng)地中六價(jià)鉻的測(cè)定提供新思路。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和主要試劑

超痕量六價(jià)鉻分析儀(廣州譜臨晟科技有限公司)、高速離心機(jī)(賽默飛科技有限公司)、攪拌加熱裝置(常州普天儀器制造有限公司)、分析天平(梅特勒-托利多儀器有限公司)、微電腦色度濃度測(cè)定儀(意大利哈納中國有限公司),硝酸銨(廣州譜臨晟科技有限公司)、濃硫酸(廣州化學(xué)試劑)、六水合氯化鉻(麥克林)、檸檬酸(國藥集團(tuán))、碳酸鈉(國藥集團(tuán))、氫氧化鈉(科密歐)、氯化鎂(國藥集團(tuán))、磷酸氫二鉀(國藥集團(tuán))、磷酸二氫鉀(國藥集團(tuán))、二苯氨基脲(國藥集團(tuán))、732陽離子交換樹脂(上海清溪化工科技有限公司)。

淋洗液用0.4%硝酸和0.4%氨水配制;衍生化試劑為0.08%二苯氨基脲,具體配制過程詳見參考文獻(xiàn)[12];堿性提取液為3%碳酸鈉和2%氫氧化鈉的混合液;磷酸氫二鉀-磷酸二氫鉀緩沖溶液為8.71%磷酸氫二鉀和6.8%磷酸二氫鉀的混合液,配制過程詳見標(biāo)準(zhǔn)HJ 1082—2019[13]。

Cr(Ⅲ)標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液(0.1 mol/L):稱取2.66 g六水合氯化鉻溶于稀鹽酸(pH<2)后定容于100 mL容量瓶中,搖勻,防止水解。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樣品前處理的改進(jìn)

稱取5.0 g標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品(GBW(E)070255、GBW(E)070254、D22030008)各6組置于250 mL錐形瓶中,加入50 mL堿性提取液、400 mg氯化鎂和0.5 mL磷酸氫二鉀-磷酸二氫鉀緩沖溶液后,加入攪拌子后用聚乙烯薄膜封口。將制好的樣品放入攪拌加熱裝置中,常溫?cái)嚢? min,使樣品混合均勻后開啟加熱裝置,90～95 ℃加熱90 min。取下冷卻至室溫,3組樣品使用高速離心機(jī)離心10 min(6 000 r/min),3組樣品用抽濾裝置抽濾30 min,將上清液轉(zhuǎn)移至100 mL容量瓶中,搖勻、待測(cè)?？瞻自嚇拥闹苽渫?。

1.2.2 三價(jià)鉻干擾實(shí)驗(yàn)

稱取土壤樣品5.0 g(灰白壤、淡黃壤、GBW(E)070255)各3組,分別加入20、50、100 μg三價(jià)鉻后按照樣品前處理的步驟進(jìn)行堿消解。

1.2.3 色度干擾實(shí)驗(yàn)

稱取6種不同色度的干凈土壤樣品5.0 g各3組,分別加入10、100、180 μg六價(jià)鉻后進(jìn)行堿消解,待測(cè)液在上機(jī)前使用微電腦色度濃度測(cè)定儀檢測(cè)色度。

1.2.4 Cr(Ⅲ)-有機(jī)絡(luò)合物干擾實(shí)驗(yàn)

以5 mL 0.1 mol/L Cr(Ⅲ)和2.5 mL 0.1 mol/L檸檬酸溶液分別在Cr(Ⅲ)與檸檬酸摩爾比為2∶1的條件下混合制備Cr(Ⅲ)-檸檬酸配合物。使用過量的Cr(Ⅲ),使檸檬酸在pH=6和50 ℃下水浴60 min[14]。然后過濾去除潛在的Cr(OH)3沉淀,最后用732陽離子交換樹脂進(jìn)行純化,去除所有未螯合的Cr(Ⅲ)。收集濾液,用去離子水定容到250 mL備用(現(xiàn)用現(xiàn)配)[15]。參照DAI等[16]的經(jīng)驗(yàn)可知,所配的Cr(Ⅲ)-檸檬酸絡(luò)合物的濃度為1 000 μmol/L。

在5.0 g土壤標(biāo)準(zhǔn)樣品(D22030008)中分別添加0、1、2、6、10、20、40 μmol/L三價(jià)鉻[Cr(Ⅲ)-檸檬酸絡(luò)合物]后進(jìn)行堿消解預(yù)處理后上機(jī)測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 流動(dòng)相濃度選擇

流動(dòng)相為硝酸銨,其中的硝酸根濃度對(duì)六價(jià)鉻離子的洗脫有著主要影響。通過調(diào)節(jié)硝酸根的濃度,將硝酸根濃度從0增大到0.13 mol/L(圖1),結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著硝酸根濃度增大,則出峰時(shí)間越發(fā)提前,柱子的分離效能越低;而硝酸根濃度減小,則出峰延后,峰形變寬,峰高變低。綜合考慮峰高、峰形、以及柱子的效能等因素,最后選擇硝酸根濃度為0.1 mol/L。

2.2 流動(dòng)相 pH值選擇

測(cè)定六價(jià)鉻時(shí)流動(dòng)相的pH值必須為堿性,酸性或弱酸性條件下,六價(jià)鉻會(huì)有向三價(jià)鉻轉(zhuǎn)化的趨勢(shì),因此需要調(diào)節(jié)pH值為堿性。同時(shí),流動(dòng)相的pH值不能過于堿性,二苯氨基脲與六價(jià)鉻的反應(yīng)需要酸性環(huán)境,流動(dòng)相pH值過高會(huì)中和衍生試劑,使得反應(yīng)無法進(jìn)行。分別比較pH值為7.0、8.0、9.0時(shí)的出峰情況。圖2結(jié)果表明,隨著pH值的逐漸升高,六價(jià)鉻的出峰時(shí)間會(huì)提前,但影響不大。而當(dāng)流動(dòng)相pH>9.5時(shí),衍生試劑會(huì)與流動(dòng)相混合呈堿性,導(dǎo)致無法反應(yīng),從而不出峰。綜合考慮各方面因素,最后確定流動(dòng)相的pH值為9.0。

圖2 流動(dòng)相pH值對(duì)六價(jià)鉻出峰情況的影響Figure 2 Effects of mobile phase pH value on peak emergence of hexavalent chromium.

2.3 濃硫酸的用量選擇

在檢測(cè)過程中二苯氨基脲的用量需要確保過量才能完全將六價(jià)鉻反應(yīng)完全。此外,濃硫酸負(fù)責(zé)提供一個(gè)酸性環(huán)境,確保二苯氨基脲的穩(wěn)定與反應(yīng)的正常進(jìn)行。選取了500 mL相同濃度的二苯氨基脲,加入不同量的硫酸(0、1、2、3、4、5 mL),表1結(jié)果表明,隨著濃硫酸的用量增加,六價(jià)鉻的峰高在逐漸變高。綜合考慮后,衍生試劑確定選擇每500 mL溶液加入5 mL濃硫酸,即硫酸體積百分?jǐn)?shù)為1%。

表1 不同用量的濃硫酸下六價(jià)鉻(1 μg/L)的峰高Table 1 The peak height of 1 μg/L concentration of hexavalent chromium under different dosage of concentrated sulfuric acid

2.4 流速的調(diào)節(jié)

保持衍生試劑與流動(dòng)相的流速比例,保證混合后的試劑pH值環(huán)境不變。分別比較當(dāng)流動(dòng)相流速為0.85、1.0、1.2、1.4、1.7時(shí),六價(jià)鉻的出峰情況。由表2可知,隨著流動(dòng)相流速的增加,六價(jià)鉻的保留時(shí)間在不斷減少,出峰越發(fā)提前,有可能存在雜峰干擾;流動(dòng)相流速過慢,保留時(shí)間過長,降低分析效率。因此,綜合考慮峰形與保留時(shí)間、柱效等因素,最后選擇流動(dòng)相流速為1.2 mL/min,衍生試劑流速為0.7 mL/min。

表2 不同流速設(shè)置對(duì)六價(jià)鉻(1 μg/L)出峰情況的影響Table 2 Influence of different flow rate settings on the peak emergence of hexavalent chromium at 1 μg/L concentration

2.5 六價(jià)鉻提取方式選擇

EPA Method 3060A和國內(nèi)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)HJ 1082—2019都采用了抽濾的方式提取六價(jià)鉻消解液,目的是為了固液分離。但是實(shí)際操作過程中存在抽濾效率低、電壓不穩(wěn)定時(shí)容易造成液體倒吸等問題,與之相比,離心操作簡(jiǎn)便且可以達(dá)到固液分離的目的。本方法研究了抽濾提取和直接離心提取兩種方式在使用超痕量六價(jià)鉻分析儀定量測(cè)定三種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)各3次取平均值結(jié)果的差異,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。結(jié)果發(fā)現(xiàn),離心提取的回收率均在95%以上,與抽濾提取相比可以顯著提高土壤樣品的前處理效率,最終提高六價(jià)鉻的檢測(cè)效率。

圖3 提取方式對(duì)六價(jià)鉻測(cè)定的影響Figure 3 Effects of extraction method on hexavalent chromium determination.

2.6 進(jìn)樣前pH值的調(diào)節(jié)

根據(jù)HJ 1082—2019的結(jié)論,調(diào)節(jié)試樣溶液的pH值為6.5～13.1,六價(jià)鉻均有較高的回收率。為避免高堿環(huán)境對(duì)原子吸收光譜儀造成損害,最終選擇分析pH值為7.5±0.5。本方法所使用的超痕量六價(jià)鉻分析儀的工作原理是將六價(jià)鉻吸附測(cè)定,因此分析pH值基本不會(huì)影響儀器性能。使用六價(jià)鉻質(zhì)控樣(GBW(E)070254)在其他條件不變的基礎(chǔ)上,調(diào)節(jié)分析試液的pH值為6～14,測(cè)定結(jié)果見表3。由表3結(jié)果可知,隨著溶液pH值的變化,測(cè)定結(jié)果無明顯差異,回收率達(dá)到95.8%～100%。故本方法的分析試液可不調(diào)pH值,直接上機(jī)測(cè)定。

表3 分析pH值的優(yōu)化Table 3 Analysis of pH value optimization /(mg·kg-1)

2.7 三價(jià)鉻干擾實(shí)驗(yàn)

制革行業(yè)中鉻的主要存在形態(tài)是三價(jià)鉻,為研究三價(jià)鉻對(duì)六價(jià)鉻測(cè)定的影響,開展了三價(jià)鉻干擾實(shí)驗(yàn)。稱取土壤樣品分別加入低、中、高濃度的三價(jià)鉻并按照預(yù)處理步驟處理后,進(jìn)行三價(jià)鉻的干擾實(shí)驗(yàn),考察三價(jià)鉻的添加對(duì)試樣中六價(jià)鉻測(cè)定值的影響,結(jié)果見圖4。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,六價(jià)鉻回收率均滿足指標(biāo)要求(97.5%～103%),樣品中添加的三價(jià)鉻對(duì)六價(jià)鉻的測(cè)定沒有影響,說明三價(jià)鉻在本方法儀器和預(yù)處理?xiàng)l件下不會(huì)干擾六價(jià)鉻的測(cè)定。

圖4 不同加標(biāo)三價(jià)鉻對(duì)六價(jià)鉻測(cè)定的影響Figure 4 Effects of different marking trivalent chromium on hexavalent chromium determination.

2.8 色度干擾

土壤樣品成分復(fù)雜,經(jīng)過堿消解預(yù)處理后的待測(cè)液根據(jù)其性質(zhì)往往會(huì)呈現(xiàn)出不同顏色,基于本方法的測(cè)定原理是分光光度,色度有可能成為干擾六價(jià)鉻測(cè)定不可忽略的因素。為了驗(yàn)證色度對(duì)土壤中六價(jià)鉻測(cè)定的干擾情況,選取了6種不同色度的土壤樣品進(jìn)行加標(biāo)實(shí)驗(yàn),分別按照低、中、高濃度加標(biāo)量展開3次平行測(cè)定。由圖5的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,土壤樣品的色度在62～4 800,回收率范圍在81.6%～109%,表明本方法不受土壤色度的干擾,可正確測(cè)定樣品中的六價(jià)鉻。

圖5 色度對(duì)土壤樣品中六價(jià)鉻測(cè)定的影響Figure 5 Effects of chroma on hexavalent chromium determination in soil samples.

2.9 Cr(Ⅲ)-有機(jī)絡(luò)合物干擾實(shí)驗(yàn)

消解后的樣品分別用原子吸收光譜儀和超痕量六價(jià)鉻分析儀測(cè)定。標(biāo)準(zhǔn)值為(29±3.2)mg/kg的D22030008實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。結(jié)果顯示,隨著Cr(Ⅲ)-檸檬酸絡(luò)合物添加量的增加,使用原子吸收光譜法測(cè)定的六價(jià)鉻含量也顯著增加,相對(duì)誤差不斷增大。

表4 Cr(Ⅲ)-有機(jī)絡(luò)合物干擾實(shí)驗(yàn)Table 4 Cr(Ⅲ)- organic complex interference experiment /(mg·kg-1)

有研究表明,當(dāng)pH值大于等于9時(shí),[Cr(Ⅲ)-OH-cit]-與Cr(Ⅲ)-cit共存[15]。這意味著在高溫高堿的前處理?xiàng)l件下三價(jià)鉻與有機(jī)物質(zhì)形成的絡(luò)合物仍然穩(wěn)定存在,原子吸收光譜法無法鑒別六價(jià)鉻和三價(jià)鉻,導(dǎo)致樣品中六價(jià)鉻的測(cè)定結(jié)果偏高。相比之下,基于六價(jià)鉻在酸性條件下與顯色劑二苯碳酰二肼形成化合物的原理,使用超痕量六價(jià)鉻分析儀測(cè)得的六價(jià)鉻含量穩(wěn)定保持在誤差范圍內(nèi)(-7.2%～5.5%),表明本方法可以有效規(guī)避有機(jī)小分子和三價(jià)鉻的干擾。

2.10 方法精密度和正確度

稱取4種土壤有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)各6組按照樣品前處理步驟處理后,在超痕量六價(jià)鉻分析儀最佳色譜條件的基礎(chǔ)上進(jìn)行測(cè)定,測(cè)定結(jié)果見表5。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,超痕量六價(jià)鉻分析儀的測(cè)定誤差在-5.4%～3.4%,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差在1.7%～5.2%,回收率均在94.6%～103%。表明本方法對(duì)于土壤樣品中六價(jià)鉻的測(cè)定具有較好的精密度和正確度。

表5 方法精密度和正確度Table 5 Precision and accuracy of the method

2.11 實(shí)際樣品的測(cè)定

液相色譜-電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(LC-ICP-MS)是目前形態(tài)分析最熱門的技術(shù)[17]。為驗(yàn)證本方法的適用性,采用超痕量六價(jià)鉻分析儀和LC-ICP-MS對(duì)海南某廢棄制革廠和電鍍廠附近的土壤樣品進(jìn)行六價(jià)鉻的測(cè)定,統(tǒng)一預(yù)處理消解并平行測(cè)定4次。進(jìn)一步采用F檢驗(yàn)法和t檢驗(yàn)法檢驗(yàn)兩種儀器測(cè)定結(jié)果的顯著性差異,結(jié)果如表6所示。

制革廠樣品和電鍍廠樣品的F值分別為1.43、1.29。經(jīng)查單邊F值表,當(dāng)置信度為95%時(shí),F0.05(3,3)=9.28,F

3 結(jié)論

使用堿消解-超痕量六價(jià)鉻分析儀測(cè)定制革電鍍等富含Cr(Ⅲ)-有機(jī)絡(luò)合物場(chǎng)地中六價(jià)鉻?？疾炝肆鲃?dòng)相濃度、流動(dòng)相pH值、濃硫酸用量以及衍生試劑與流動(dòng)相的流速比例等檢測(cè)條件的影響。對(duì)樣品前處理方式進(jìn)行了改進(jìn)。在優(yōu)化的檢測(cè)條件及改進(jìn)的前處理方式條件下,六價(jià)鉻的測(cè)定誤差小、回收率高且能規(guī)避三價(jià)鉻、色度以及Cr(Ⅲ)-有機(jī)絡(luò)合物的干擾。該方法在HJ 1082—2019標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了有機(jī)成分復(fù)雜的土壤樣品中六價(jià)鉻的準(zhǔn)確測(cè)定,可為制革電鍍等污染場(chǎng)地中六價(jià)鉻的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及相關(guān)限值的制定提供理論依據(jù)。