水中六价铬测定方法的优化分析

尚文健(北京市通州区环境保护监测站，北京 101100)

0 引言

六价铬是第一类污染物，具有很强的生物蓄积性，对人体健康和环境都极具危害，因此对六价铬的准确测定在生态环境监测工作中具有重要意义。目前，GB/T 7467—1987《水质 六价铬的测定 二苯碳酰二肼分光光度法》[1]测定地表水和工业废水中六价铬是日常监测分析中经典且应用普遍的方法。方法中所使用的丙酮和浓硫酸对人体健康有害[2]。目前，探索对人体和环境都无毒无害的分析方法已成为生态环境监测领域的重要任务及大势所趋。本文依据GB/T 7467—1987的测定原理，运用回归分析及方差分析对国标法的显色剂溶剂和反应酸度来源进行优化分析，并对优化方法的检出限、精密度和准确度进行验证。

1 实验部分

1.1 实验原理

GB/T 7467—1987测定水中六价铬的方法原理是：在酸性条件下，六价铬与显色剂二苯碳酰二肼反应生成二苯偶氮碳酰肼，六价铬自身被还原为三价铬并与二苯偶氮碳酰肼络合生成紫红色化合物，于波长540 nm处进行分光光度测定[3-4]。

1.2 技术路线

(1)显色剂溶剂：国标法所用显色剂是将二苯碳酰二肼溶于丙酮中。丙酮有毒、易挥发、易制毒，长期使用会对分析人员身体健康及环境造成损伤。由于二苯碳酰二肼微溶于水，溶于热醇及丙酮，分析乙醇、丙酮两种溶剂的对比测试效果。

(2)反应酸度来源：国标法用硫酸溶液和磷酸溶液共同提供反应酸度。为保持最佳显色酸度[3]，分析实验室常用酸(硫酸、磷酸、盐酸)在与国标法同等酸度条件下的对比测试效果。

1.3 主要仪器与试剂

(1)仪器：7230G可见分光光度计，E300H超声波清洗器，50 mL具塞比色管等。

(2)试剂：硫酸 (ρ=1.84 g/mL，优级纯 )，磷酸 (ρ=1.69 g/mL，优级纯)、盐酸(ρ=1.19 g/mL，优级纯)、二苯碳酰二肼(优级纯)，丙酮、95 %乙醇均为分析纯，铬标准溶液(生态环境部标准样品研究所)，实验用水为去离子水。

1.4 实验方法

在50 mL具塞比色管中，加入一定体积的铬标准溶液或水样，用去离子水稀释至标线，分别加入一定量的酸和二苯碳酰二肼显色剂，摇匀，放置10 min，在波长540 nm条件下用30 mm比色皿，以实验用水为参比，测定吸光度值。

(1)显色剂的配制

国标法：称取0.2 g二苯碳酰二肼，溶于50 mL丙酮中，加水稀释至100 mL，摇匀，储于棕色试剂瓶中，置于冰箱。

乙醇法：称取0.2 g二苯碳酰二肼，溶于50 mL95 %乙醇中，加水稀释至100 mL，摇匀，储于棕色试剂瓶中，置于冰箱。

(2)酸的配制

(1+1)硫酸，(1+1)磷酸，盐酸。

2 结果与讨论

2.1 显色剂优化的回归分析

取两组9支50 mL具塞比色管，分别加入浓度为1.00 mg/L的铬标准溶液 0、0.20、0.50、1.00、2.00、4.00、6.00、8.00、10.00 mL，用去离子水稀释至标线，加入(1+1)硫酸和(1+1)磷酸各0.5 mL，摇匀。第一组中分别加入2.0 mL以丙酮为溶剂的显色剂；第二组中分别加入2.0 mL以95 %乙醇为溶剂的显色剂；依实验方法分别测定吸光度值。对用丙酮和乙醇分别作为显色剂溶剂的两种方法制作校准曲线，经回归分析统计检验[5-6]，结果表明两条曲线无显著性差异，检验结果如表1所示。表明在固定酸度的条件下，乙醇溶剂和丙酮溶剂这两种方法不存在系统差异。

表1 两校准曲线回归分析结果

实验过程中观察到，室温下二苯碳酰二肼不太容易溶解于乙醇，可用超声波加速溶解，效果明显。经测试观察，乙醇作为溶剂的显色剂至少可保存一周，因平时储存于冰箱中，从冰箱取出来后可见瓶底有溶质析出，放置室温后经超声波促进溶解，不影响使用。比较丙酮和乙醇两种溶剂，乙醇具有无毒且便于购买的优势，可运用超声波加速溶解弥补其对二苯碳酰二肼溶解性稍差的缺点。

2.2 显色剂和酸优化的双因素方差分析

由实验原理，六价铬的测定过程中，显色剂和反应酸度是完成测定的两个要素。设因素一为二苯碳酰二肼溶剂，两水平分别为1.丙酮、2.乙醇。因素二为同等反应酸度的不同来源，选用实验室常用酸，四水平为A(硫酸+磷酸)、B硫酸、C磷酸、D盐酸。

取两组8支50 mL具塞比色管，依次加入浓度为1.00 mg/L的铬标准溶液3.00 mL，用去离子水稀释至标线，于每组1、2号比色管中分别加入(1+1)硫酸和(1+1)磷酸各0.5 mL，摇匀；每组3、4号比色管中分别加入(1+1)硫酸1.1 mL，摇匀；每组5、6号比色管中分别加入(1+1)磷酸0.9 mL，摇匀；每组7、8号比色管中分别加入盐酸1.7 mL，摇匀。向第一组比色管中依次加入2.0 mL以丙酮为溶剂的显色剂；向第二组比色管中依次加入2.0 mL以乙醇为溶剂的显色剂；依实验方法分别测定吸光度值。对测定结果做双因素等重复试验方差分析，结果见表2。

结果表明：(1)在同等酸度水平下，两溶剂(丙酮、乙醇)对测定结果均无显著性差异。(2)对(硫酸+磷酸)、硫酸、磷酸、盐酸这四个不同酸的来源，尚不能明确判断测定结果间有无显著性差异；而(硫酸+磷酸)、硫酸、磷酸这三个水平下，可以明确判断测定结果间无显著性差异。尽管盐酸也是实验室常用酸，从统计结果来看，暂不考虑盐酸在此方法中的应用。从分析结果来看，用(硫酸+磷酸)、硫酸、磷酸来控制反应酸度都是可行的。(3)显色剂溶剂与反应酸度来源之间的交互作用无显著性差异。资料表明[7]，分光光度法测定六价铬时，加入磷酸可与三价铁形成稳定的无色络合物，消除三价铁干扰，同时磷酸也和其他金属离子络合，避免一些盐类析出而产生浑浊。综上，为兼顾实验效果及便于操作，后续研究应用乙醇作为显色剂溶剂、磷酸作为反应酸度来源。

表2 双因素等重复试验方差分析结果(n=2)

2.3 优化方法的验证

由2.1和2.2部分的探讨，本部分对用乙醇为显色剂溶剂、磷酸为反应酸度来源的优化方法进行方法可行性验证[8]。

2.3.1 检出限

因国标方法检出限为0.004 mg/L，配制浓度为预期方法检出限5倍(即0.020 mg/L)的样品，按照实验方法共进行7次平行测定，结果见表3。优化方法测定的六价铬检出限＜0.004 mg/L，符合方法要求。

表3 方法检出限

2.3.2 有证标准样品的精密度和准确度

采用来自生态环境部标准样品研究所的编号为203349、203357、203360的有证标准样品，分别平行测定6次，分析及统计结果见表4。结果表明，三个六价铬标准样品的测定结果相对标准偏差小于5%，测定值均在标准样品的参考值范围内，说明此方法对有证标准样品的精密度和准确度满足质控要求[5]。

2.3.3 实际样品的精密度和准确度

采集通州区实际水样(某地表水、某工业废水、某污水厂出水)进行实验，按照实验方法分别测定6次，考察方法精密度(因目前实际水样中六价铬含量较低，为便于验证方法精密度，对第3组样品加标制作为分析用样品)。对第2、3组实际样品进行加标回收分析，考察方法准确度，分析及统计结果见表5。经验证，三个实际水样相对标准偏差均小于15 %，测定值加标回收率在85 %～115 %范围内，说明此方法对实际水样的精密度和准确度满足质控要求[5]。

表4 有证标准样品的精密度和准确度

表5 实际样品的精密度和准确度

3 结语

对二苯碳酰二肼分光光度法测定水中六价铬国标方法进行优化分析，得到以下结论：(1)不同显色剂溶剂校准曲线回归分析表明，在反应酸度基本一致的条件下，乙醇溶剂和丙酮溶剂这两种方法不存在系统差异，可用超声波促进溶解来解决二苯碳酰二肼在乙醇中的溶解性稍差的问题。(2)双因素(显色剂溶剂和反应酸度来源)等重复试验方差分析表明，在同等酸度水平下，两溶剂(丙酮、乙醇)对测定结果无显著性差异；用(硫酸+磷酸)、硫酸、磷酸作为酸度来源的测定结果无显著性差异；溶剂与显色酸度来源之间的交互作用无显著性差异。(3)确定优化方案，用乙醇代替丙酮作为溶剂配制二苯碳酰二肼显色剂，用磷酸提供反应酸度，可降低试剂对人体和环境的损害，同时简化操作步骤。验证此方法检出限、精密度和准确度，结果与国标法无显著性差异，能够达到国标法测定六价铬的质量保证要求。(4)目前国标/行标方法测定水中六价铬均用到丙酮和浓硫酸，分析结果可为推动水中六价铬国标/行标方法的优化提供技术支撑。