离子色谱法同时测定环境样品中有机酸的研究

孙芸芸，于帅，栾玲玉，李剑，丁尚志，王丽娟，赵艳荣

(1.山东省分析测试中心，山东 济南250014； 2.华南理工大学化学与化工学院，广东 广州510641)

离子色谱法同时测定环境样品中有机酸的研究

孙芸芸1，于帅2*，栾玲玉1，李剑1，丁尚志1，王丽娟1，赵艳荣1

(1.山东省分析测试中心，山东 济南250014； 2.华南理工大学化学与化工学院，广东 广州510641)

建立了一种离子色谱法同时测定水中的甲酸、乙酸、丙酸和丁酸相对含量的检测方法。采用抑制型电导检测器，检测器温度35 ℃；Ion Pac AS11-HC型分离柱(250 mm×4 mm)，Ion Pac AG11-HC型保护柱(50 mm×4 mm)，柱温30 ℃；KOH淋洗液梯度洗脱，KOH浓度0～17.0 min时1.0 mmol/L，17.1～25.0 min时30.0 mmol/L，25.1～30.0 min时1.0 mmol/L；流速为1.2 mL/min时，甲酸、乙酸、丙酸和丁酸能够达到分离要求，其检出限分别为0.004、0.005、0.004、0.005 mg/L。4种有机酸在0.2～3.0 mg/L范围具有较好的线性相关性，其相关系数在0.999 1～0.999 5范围内。将0.2 、1.0 mg/L的标准溶液重复进样11次，甲酸、乙酸、丙酸、丁酸的相对标准偏差均小于2%，精密度较好。对水样进行加标回收实验，结果显示甲酸、乙酸、丙酸、丁酸的回收率均在 95.3% ～ 98.7%之间。

离子色谱；有机酸； 精密度；回收率

甲酸、乙酸、丙酸、丁酸是简单的有机酸，也是重要的化工原料，在橡胶、医药、燃料、皮革等工业生产中被广泛使用。甲酸、乙酸、丙酸和丁酸有刺激性气味，具腐蚀性，对呼吸道和皮肤都有损伤，严重者可引起病变。甲酸和乙酸是大气降水中主要的有机酸[1]，近年来，有文献报道低分子量有机酸是酸雨形成的重要原因[2-4]。另外，一些含甲酸、乙酸、丙酸、丁酸的工业废水处理不达标排放会对附近水体造成污染，影响人体健康。因此，开发一种简单、准确、快速的定量检测低分子量有机酸的方法具有重要意义[5]。离子色谱法具有样品前处理简单、灵敏度高等优点，在环境领域得到广泛应用[6-7]。

实验室有机酸的检测通常采用气相色谱或液相色谱法[8-10]。液相色谱常用有机溶剂作为流动相，有机溶剂的引入对环境和人体都会造成损害[11-12]。此外，采用气相色谱法测有机酸还存在检出限高[13]、低浓度不成线性等缺点。因此，开发一种绿色环保，灵敏度高的检测方法很有必要。由于简单有机酸能与水混溶，甲酸、乙酸、丙酸和丁酸这4种有机酸分子量接近，出峰时间接近，运用离子色谱法一次进样同时测定的方法未见报道。本文使用ICS-5000+离子色谱仪，甲酸、乙酸、丙酸和丁酸可以达到分离要求，并能够进行定量分析。

1 实验部分

1.1 仪器及试剂

ICS-5000+离子色谱仪(美国赛默飞世尔科技有限公司)，包括Chromeleon 6.8色谱工作站、KOH淋洗液自动发生器、ASRS-4 mm阴离子抑制器、电导检测器、单泵系统、AS-AP自动进样器；Ion Pac AS11-HC型分离柱(250 mm×4 mm)、Ion Pac AG11-HC型保护柱(50 mm×4 mm)(美国戴安公司)；Synergy超纯水机系统(美国默克密理博公司)；水相针式滤器13 mm×0.45 μm(天津市津腾实验设备有限公司)。

甲酸(色谱纯)麦克林试剂、乙酸(色谱纯)、丙酸(分析纯)、正丁酸(分析纯)(天津市科密欧化学试剂有限公司)。

1.2 标准溶液配制

配制浓度为1 000 mg/L的甲酸、乙酸、丙酸、丁酸标准储备液：分别准确量取甲酸、乙酸、丙酸和丁酸试剂83.2、95.2、101.5、105 μL于 100 mL容量瓶，定容，摇匀，于4 ℃冰箱中保存备用。分别取4种有机酸的储备液10 mL定容至100 mL，配成浓度为100 mg/L的4种有机酸混合标准溶液，然后配成浓度为0.2、1.0、1.5、2.0、3.0 mg/L的系列混合标准溶液。储备液以及标准溶液的配制均使用新制的电阻率为18.2 MΩ·cm的超纯水。

1.3 实验条件

淋洗液KOH，由淋洗液发生器产生梯度浓度的KOH，抑制电流75 mA，柱温箱温度30 ℃，检测器温度35 ℃，进样量25 μL。

2 结果与讨论

2.1 色谱条件的选择

在色谱柱已选定的条件下，为使甲酸、乙酸、丙酸和丁酸达到理想的分离效果，流动相的种类、浓度和流速是关键因素。甲酸、乙酸、丙酸和丁酸是弱保留离子，可选用KOH、Na2B4O7等弱的淋洗液。单泵条件下，使用KOH发生罐，通过调节电流可产生梯度浓度的KOH淋洗液，特别是对于样品中含有浓度较甲酸、乙酸、丙酸和丁酸高很多的氯离子、硫酸根、硝酸根等强保留离子时，通过调高淋洗液浓度可洗脱强保留离子，避免影响后面样品的分离。因此，淋洗液选用KOH。

淋洗液浓度增加和流速增大都会使离子的保留时间缩短，离子间分离度减小；减小淋洗液浓度和减小流速都会使离子的保留时间延长，离子间的分离度增大[14]。实验中每一个洗脱程序均为梯度浓度，分别包括第一阶段低浓度分离甲酸、乙酸、丙酸和丁酸，第二阶段高浓度洗脱强保留离子如Cl-、SO42-、NO3-等，第三阶段低浓度平衡，第三阶段与第一阶段KOH浓度相同，低于第二阶段KOH浓度。设计实验应选择合适的淋洗液浓度和流速，第二阶段目标是洗脱强保留离子Cl-、SO42-、NO3-等，根据文献中水中阴离子的检测方法[15-16]将KOH浓度设为30 mmol/L，此条件下强保留离子能够被洗脱完全，因此只需讨论第一、三阶段淋洗液浓度。实验中考察第一、三阶段KOH浓度依次为0.5、0.8、1.0、2.0 mmol/L，流速分别为0.5、1.0、1.2 mL/min时对保留时间和分离度的影响。实验结果如表1～3所示。

表1 流速为0.5 mL/min时不同淋洗液浓度下各物质的保留时间和分离度

表2 流速为1.0 mL/min时不同淋洗液浓度下各物质的保留时间和分离度

表3 流速为1.2 mL/min时不同淋洗液浓度下各物质的保留时间和分离度

由表1～3 结果可知，当淋洗液浓度分别为0.5和0.8 mmol/L时，流速为0.5、1.0、1.2 mL/min条件下4种有机酸之间的分离度相对较高，但此时保留时间较长，完成一个样品的检测需要的时间太长。而当淋洗液浓度升高为2.0 mmol/L时，虽然保留时间大大缩短，但分离度也有大幅度降低。综合考虑保留时间和分离度两个因素，洗脱条件可选淋洗液流速为1.2 mL/ min，浓度为1.0 mmol/L，洗脱程序见表4。在此色谱条件下，能够实现甲酸、乙酸、丙酸和丁酸的快速分离与准确检测。

表4 梯度洗脱程序

2.2 方法的线性、检出限和精密度

表5 方法的线性和检出限

(1)

M=t(VA+VB)×SP,

(2)

式中：M为检出限；VA为方差较大批次的自由度，nA-1；VB为方差较小批次的自由度，nB-1；nA、nB为样品测定次数；SP为组合标准偏差；t为自由度为VA+VB，置信度为99%时的t分布。

分别以0.2、1.0 mg/L 4种有机酸的混合标准溶液连续进样11次，以11次浓度值的相对标准偏差表示方法的精密度，实验结果见表6。可以看出，两个浓度下4种有机酸的精密度均低于2%，精密度较好，浓度为1.0 mg/L的4种有机酸标准溶液的精密度优于0.2 mg/L的。

表6 精密度结果

2.3 方法的抗干扰实验

在环境样品分析中，尤其是当地下水、地表水和废水中含有浓度较高的Cl-、SO42-、NO3-和一定浓度的F-时，这些阴离子的存在会对含量较低的甲酸、乙酸、丙酸和丁酸的检测造成干扰。因此，在甲酸、乙酸、丙酸和丁酸的标准溶液中加入一定量的F-、Cl-、SO42-、NO3-，可以检验该有机酸检测方法的可行性与准确度。实验结果显示，F-、Cl-、SO42-、NO3-的保留时间分别为9.193、20.473、22.137、23.470 min，如图1所示。表明样品中高浓度的Cl-、SO42-、NO3-不会对甲酸、乙酸、丙酸和丁酸的检测造成干扰。F-的保留时间在乙酸比乙酸短，与乙酸的保留时间10.743 min比较接近，但通常水样中F-含量较低，不会对乙酸的检测造成干扰，当F-含量较高时可对酸进行加标回收检测，以确保检测结果的准确性。

图1 甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、氟离子、氯离子、硫酸盐、硝酸盐谱图Fig.1 The spectrums offormic acid, acetic acid, propionic acid, n-butyric acid, fluoride chloride, sulfate and nitrate

2.4 样品分析

在2.1确定的色谱条件下，分别对某企业的地下水、地表水、废水和实验室自来水进行了检测，水样的采集、运输及保存按照《水和废水监测分析方法》[18]中的要求进行。将测试样品和加标后的水样过0.45 μm的针式水相滤器后上机检测，将可能含有有机物和重金属的水样及加标后水样分别过RP预处理柱和H预处理柱，防止有机物和重金属污染分离体系，实验结果见表7。结果显示，地下水、地表水、废水、实验室自来水中均未检出甲酸、乙酸、丙酸和丁酸。加标量为1.0、2.0 mg/L时，样品中甲酸、乙酸、丙酸、丁酸的回收率都在95%以上，回收率较好。

表7 样品中甲酸、乙酸、丙酸、丁酸的分析结果

续表7

样品名称检测项目测定值/(mg·L-1)加标值/(mg·L-1)回收率/%废水甲酸乙酸丙酸丁酸ND1．096．5ND2．095．9ND1．095．3ND2．095．6ND1．096．7ND2．096．2ND1．097．1ND2．096．4自来水甲酸乙酸丙酸丁酸ND1．098．7ND2．097．9ND1．097．6ND2．098．3ND1．097．2ND2．097．8ND1．098．7ND2．098．2

注：ND表示未检出。

3 结论

本文建立了一种用离子色谱法检测水样中甲酸、乙酸、丙酸、丁酸的方法。实验结果表明，甲酸、乙酸、丙酸、丁酸的检出限分别达到0.004、0.005、0.004、0.005 mg/L，且当有机酸浓度介于0.2～3.0 mg/L之间时具有较好的线性关系，11次重复进样的相对标准偏差均小于2.0%。对样品进行加标回收，回收率均高于95.0%。此方法能够满足地下水、地表水和废水中的中甲酸、乙酸、丙酸、丁酸的快速分离与检测，不受Cl-、SO42-、NO3-等阴离子的干扰，是一种绿色环保，快速有效的有机酸定性分析与定量检测方法。

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Simultaneous determination of formic acid, acetic acid，propionic acid and n-butyric acid in environmental samples by ion chromatography

SUN Yun-yun1, YU Shuai2*, LUAN Ling-yu1，LI Jian1, DING Shang-zhi1, WANG Li-juan1, ZHAO Yan-rong1

(1.Shandong Analysis and Test Center, Jinan 250014,China; 2. School of Chemistry and Chemical Engineering, South China University of Science and Technology, Guangzhou 510641, China)

∶A method for simultaneous determination of formic acid, acetic acid, propionic acid and n-butyric acid in water sample by ion chromatography was established. The chromatographic instrument used was a Thermo Fisher ICS-5000+ion chromatograph．An inhibitory conductance detector, Ion Pac AS11-HC (250 mm×4 mm I.D.) separation column and Ion Pac AG11-HC (50 mm×4 mm I.D.) guard column were used. The temperature of detector and columns were 35 ℃ and 30 ℃, respectively. Gradient elution was conducted with KOH as eluent and the gradient elution conditions were as followings: the concentration of KOH was 1.0 m mol/L at 0 ～17.0 min, 30.0 m mol/L at 17.1～25.0 min, and 1.0 m mol/L at 25.1～30.0 min. When the flow rate was 1.2 ml/min, formic acid, acetic acid，propionic acid and n-butyric acid could meet the requirements of separation, and the detection limit was 0.004, 0.005, 0.004 and 0.005 mg/L, respectively. The four organic acid showed good linear correlation in the range of 0.2 mg/L～3.0 mg/L, and its correlation coefficients was within 0.999 1～0.999 5. Two mixed standard solutions of 0.2 and 1.0 mg /L were detected 11 times and the results showed that the relative standard deviation of formic acid, acetic acid, propionic acid and butyric acid were all less than 2%, and the precision was better. The spike recovery of formic acid, acetic acid, propionic acid and butyric acid ranging from 95.3% to 98.7% was obtained when applying this method to analyze the four organic acids in water samples.

∶ion chromatography; organic acid; precision; rate of recovery

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.04.015

2017-01-15

孙芸芸(1988—)，女，助理工程师，研究方向为环境检测。E-mail:syysdyt@163.com

*通信作者，于帅(1989—)，男，博士研究生，研究方向为化工系统工程。E-mail:ceyushuai@mail.scut.edu.cn

X830.2

A

1002-4026(2017)04-0092-07