超痕量六价铬分析仪检测制革场地中六价铬

李晓敏 吴小龙 符式锦 张 临 黄玉洁

(海南省生态环境监测中心,海口 570100)

铬(Cr)是一种过渡元素,广泛应用于制革、冶金、电镀、纺织和颜料等各种行业[1-2]。铬主要以三价铬和六价铬两种形态存在,其中六价铬在全pH值范围内均可溶于水,而三价铬在微酸性和碱性环境下易吸附在土壤表面或以氢氧化铬的形式沉淀。六价铬比三价铬的毒性高100倍,且更容易被人体吸收[3-4]。因此,美国环境保护署(US EPA)将铬列为对人类构成威胁的17种化学物质之一[5]。国内也出台了相关的法规标准监测环境中的六价铬。

六价铬和三价铬往往是共存的。有研究指出三价铬在富配体环境中可能与有机配体络合[6-7]。一些电镀、制革等场地有机配体(如柠檬酸)的大量使用,形成了稳定的Cr(Ⅲ)-有机络合物。 DHAL等[8]认为,单体OM-Cr(Ⅲ)配合物普遍存在于pH值较低(酸性)的有机土壤中,多核OM-Cr(Ⅲ)配合物(由二聚体和四聚体组成)普遍存在于pH值较高(碱性)的有机土壤中。这意味着Cr(Ⅲ)-有机络合物在高温高碱的六价铬提取过程中可能存在正干扰,对六价铬的测定结果产生影响。此外土壤消解后的样品根据性质的不同往往呈现不同的颜色,基于分析方法的原理,色度也是影响六价铬测定的关键因素。

目前,国内对于土壤和沉积物中六价铬的测定方法主要有原子吸收光谱法[9]、电感耦合等离子体光谱法[10]、电感耦合等离子体质谱法等[11]。但局限性较大,一方面是这些仪器需要与色谱仪联用才能有效区分六价铬和三价铬,联用技术成本高,另一方面是现行标准的预处理方式较为繁琐,抽滤及调节样品pH值两个步骤耗时较长,导致检测效率低。超痕量六价铬分析仪,以阴离子交换并显色为原理能准确测定目标物且操作简便,目前已在多个行业运用。本文从超痕量六价铬分析仪色谱条件的优化、样品前处理改进及方法抗干扰能力三方面入手。建立一种预处理方式简便、抗干扰能力强、精密度和正确度高的方法,为电镀、制革污染等复杂场地中六价铬的测定提供新思路。

1 实验部分

1.1 仪器和主要试剂

超痕量六价铬分析仪(广州谱临晟科技有限公司)、高速离心机(赛默飞科技有限公司)、搅拌加热装置(常州普天仪器制造有限公司)、分析天平(梅特勒-托利多仪器有限公司)、微电脑色度浓度测定仪(意大利哈纳中国有限公司),硝酸铵(广州谱临晟科技有限公司)、浓硫酸(广州化学试剂)、六水合氯化铬(麦克林)、柠檬酸(国药集团)、碳酸钠(国药集团)、氢氧化钠(科密欧)、氯化镁(国药集团)、磷酸氢二钾(国药集团)、磷酸二氢钾(国药集团)、二苯氨基脲(国药集团)、732阳离子交换树脂(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;衍生化试剂为0.08%二苯氨基脲,具体配制过程详见参考文献[12];碱性提取液为3%碳酸钠和2%氢氧化钠的混合液;磷酸氢二钾-磷酸二氢钾缓冲溶液为8.71%磷酸氢二钾和6.8%磷酸二氢钾的混合液,配制过程详见标准HJ 1082—2019[13]。

Cr(Ⅲ)标准储备溶液(0.1 mol/L):称取2.66 g六水合氯化铬溶于稀盐酸(pH<2)后定容于100 mL容量瓶中,摇匀,防止水解。

1.2 实验方法

1.2.1 样品前处理的改进

称取5.0 g标准土壤样品(GBW(E)070255、GBW(E)070254、D22030008)各6组置于250 mL锥形瓶中,加入50 mL碱性提取液、400 mg氯化镁和0.5 mL磷酸氢二钾-磷酸二氢钾缓冲溶液后,加入搅拌子后用聚乙烯薄膜封口。将制好的样品放入搅拌加热装置中,常温搅拌5 min,使样品混合均匀后开启加热装置,90～95 ℃加热90 min。取下冷却至室温,3组样品使用高速离心机离心10 min(6 000 r/min),3组样品用抽滤装置抽滤30 min,将上清液转移至100 mL容量瓶中,摇匀、待测。空白试样的制备同上。

1.2.2 三价铬干扰实验

称取土壤样品5.0 g(灰白壤、淡黄壤、GBW(E)070255)各3组,分别加入20、50、100 μg三价铬后按照样品前处理的步骤进行碱消解。

1.2.3 色度干扰实验

称取6种不同色度的干净土壤样品5.0 g各3组,分别加入10、100、180 μg六价铬后进行碱消解,待测液在上机前使用微电脑色度浓度测定仪检测色度。

1.2.4 Cr(Ⅲ)-有机络合物干扰实验

以5 mL 0.1 mol/L Cr(Ⅲ)和2.5 mL 0.1 mol/L柠檬酸溶液分别在Cr(Ⅲ)与柠檬酸摩尔比为2∶1的条件下混合制备Cr(Ⅲ)-柠檬酸配合物。使用过量的Cr(Ⅲ),使柠檬酸在pH=6和50 ℃下水浴60 min[14]。然后过滤去除潜在的Cr(OH)3沉淀,最后用732阳离子交换树脂进行纯化,去除所有未螯合的Cr(Ⅲ)。收集滤液,用去离子水定容到250 mL备用(现用现配)[15]。参照DAI等[16]的经验可知,所配的Cr(Ⅲ)-柠檬酸络合物的浓度为1 000 μmol/L。

在5.0 g土壤标准样品(D22030008)中分别添加0、1、2、6、10、20、40 μmol/L三价铬[Cr(Ⅲ)-柠檬酸络合物]后进行碱消解预处理后上机测定。

2 结果与讨论

2.1 流动相浓度选择

流动相为硝酸铵,其中的硝酸根浓度对六价铬离子的洗脱有着主要影响。通过调节硝酸根的浓度,将硝酸根浓度从0增大到0.13 mol/L(图1),结果发现随着硝酸根浓度增大,则出峰时间越发提前,柱子的分离效能越低;而硝酸根浓度减小,则出峰延后,峰形变宽,峰高变低。综合考虑峰高、峰形、以及柱子的效能等因素,最后选择硝酸根浓度为0.1 mol/L。

2.2 流动相 pH值选择

测定六价铬时流动相的pH值必须为碱性,酸性或弱酸性条件下,六价铬会有向三价铬转化的趋势,因此需要调节pH值为碱性。同时,流动相的pH值不能过于碱性,二苯氨基脲与六价铬的反应需要酸性环境,流动相pH值过高会中和衍生试剂,使得反应无法进行。分别比较pH值为7.0、8.0、9.0时的出峰情况。图2结果表明,随着pH值的逐渐升高,六价铬的出峰时间会提前,但影响不大。而当流动相pH>9.5时,衍生试剂会与流动相混合呈碱性,导致无法反应,从而不出峰。综合考虑各方面因素,最后确定流动相的pH值为9.0。

图2 流动相pH值对六价铬出峰情况的影响Figure 2 Effects of mobile phase pH value on peak emergence of hexavalent chromium.

2.3 浓硫酸的用量选择

在检测过程中二苯氨基脲的用量需要确保过量才能完全将六价铬反应完全。此外,浓硫酸负责提供一个酸性环境,确保二苯氨基脲的稳定与反应的正常进行。选取了500 mL相同浓度的二苯氨基脲,加入不同量的硫酸(0、1、2、3、4、5 mL),表1结果表明,随着浓硫酸的用量增加,六价铬的峰高在逐渐变高。综合考虑后,衍生试剂确定选择每500 mL溶液加入5 mL浓硫酸,即硫酸体积百分数为1%。

表1 不同用量的浓硫酸下六价铬(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 流速的调节

保持衍生试剂与流动相的流速比例,保证混合后的试剂pH值环境不变。分别比较当流动相流速为0.85、1.0、1.2、1.4、1.7时,六价铬的出峰情况。由表2可知,随着流动相流速的增加,六价铬的保留时间在不断减少,出峰越发提前,有可能存在杂峰干扰;流动相流速过慢,保留时间过长,降低分析效率。因此,综合考虑峰形与保留时间、柱效等因素,最后选择流动相流速为1.2 mL/min,衍生试剂流速为0.7 mL/min。

表2 不同流速设置对六价铬(1 μg/L)出峰情况的影响Table 2 Influence of different flow rate settings on the peak emergence of hexavalent chromium at 1 μg/L concentration

2.5 六价铬提取方式选择

EPA Method 3060A和国内现行标准HJ 1082—2019都采用了抽滤的方式提取六价铬消解液,目的是为了固液分离。但是实际操作过程中存在抽滤效率低、电压不稳定时容易造成液体倒吸等问题,与之相比,离心操作简便且可以达到固液分离的目的。本方法研究了抽滤提取和直接离心提取两种方式在使用超痕量六价铬分析仪定量测定三种标准物质各3次取平均值结果的差异,实验结果见图3。结果发现,离心提取的回收率均在95%以上,与抽滤提取相比可以显著提高土壤样品的前处理效率,最终提高六价铬的检测效率。

图3 提取方式对六价铬测定的影响Figure 3 Effects of extraction method on hexavalent chromium determination.

2.6 进样前pH值的调节

根据HJ 1082—2019的结论,调节试样溶液的pH值为6.5～13.1,六价铬均有较高的回收率。为避免高碱环境对原子吸收光谱仪造成损害,最终选择分析pH值为7.5±0.5。本方法所使用的超痕量六价铬分析仪的工作原理是将六价铬吸附测定,因此分析pH值基本不会影响仪器性能。使用六价铬质控样(GBW(E)070254)在其他条件不变的基础上,调节分析试液的pH值为6～14,测定结果见表3。由表3结果可知,随着溶液pH值的变化,测定结果无明显差异,回收率达到95.8%～100%。故本方法的分析试液可不调pH值,直接上机测定。

表3 分析pH值的优化Table 3 Analysis of pH value optimization /(mg·kg-1)

2.7 三价铬干扰实验

制革行业中铬的主要存在形态是三价铬,为研究三价铬对六价铬测定的影响,开展了三价铬干扰实验。称取土壤样品分别加入低、中、高浓度的三价铬并按照预处理步骤处理后,进行三价铬的干扰实验,考察三价铬的添加对试样中六价铬测定值的影响,结果见图4。由实验数据可知,六价铬回收率均满足指标要求(97.5%～103%),样品中添加的三价铬对六价铬的测定没有影响,说明三价铬在本方法仪器和预处理条件下不会干扰六价铬的测定。

图4 不同加标三价铬对六价铬测定的影响Figure 4 Effects of different marking trivalent chromium on hexavalent chromium determination.

2.8 色度干扰

土壤样品成分复杂,经过碱消解预处理后的待测液根据其性质往往会呈现出不同颜色,基于本方法的测定原理是分光光度,色度有可能成为干扰六价铬测定不可忽略的因素。为了验证色度对土壤中六价铬测定的干扰情况,选取了6种不同色度的土壤样品进行加标实验,分别按照低、中、高浓度加标量展开3次平行测定。由图5的实验结果可知,土壤样品的色度在62～4 800,回收率范围在81.6%～109%,表明本方法不受土壤色度的干扰,可正确测定样品中的六价铬。

图5 色度对土壤样品中六价铬测定的影响Figure 5 Effects of chroma on hexavalent chromium determination in soil samples.

2.9 Cr(Ⅲ)-有机络合物干扰实验

消解后的样品分别用原子吸收光谱仪和超痕量六价铬分析仪测定。标准值为(29±3.2)mg/kg的D22030008实验结果见表4。结果显示,随着Cr(Ⅲ)-柠檬酸络合物添加量的增加,使用原子吸收光谱法测定的六价铬含量也显著增加,相对误差不断增大。

表4 Cr(Ⅲ)-有机络合物干扰实验Table 4 Cr(Ⅲ)- organic complex interference experiment /(mg·kg-1)

有研究表明,当pH值大于等于9时,[Cr(Ⅲ)-OH-cit]-与Cr(Ⅲ)-cit共存[15]。这意味着在高温高碱的前处理条件下三价铬与有机物质形成的络合物仍然稳定存在,原子吸收光谱法无法鉴别六价铬和三价铬,导致样品中六价铬的测定结果偏高。相比之下,基于六价铬在酸性条件下与显色剂二苯碳酰二肼形成化合物的原理,使用超痕量六价铬分析仪测得的六价铬含量稳定保持在误差范围内(-7.2%～5.5%),表明本方法可以有效规避有机小分子和三价铬的干扰。

2.10 方法精密度和正确度

称取4种土壤有证标准物质各6组按照样品前处理步骤处理后,在超痕量六价铬分析仪最佳色谱条件的基础上进行测定,测定结果见表5。由实验数据可知,超痕量六价铬分析仪的测定误差在-5.4%～3.4%,相对标准偏差在1.7%～5.2%,回收率均在94.6%～103%。表明本方法对于土壤样品中六价铬的测定具有较好的精密度和正确度。

表5 方法精密度和正确度Table 5 Precision and accuracy of the method

2.11 实际样品的测定

液相色谱-电感耦合等离子体质谱仪(LC-ICP-MS)是目前形态分析最热门的技术[17]。为验证本方法的适用性,采用超痕量六价铬分析仪和LC-ICP-MS对海南某废弃制革厂和电镀厂附近的土壤样品进行六价铬的测定,统一预处理消解并平行测定4次。进一步采用F检验法和t检验法检验两种仪器测定结果的显著性差异,结果如表6所示。

制革厂样品和电镀厂样品的F值分别为1.43、1.29。经查单边F值表,当置信度为95%时,F0.05(3,3)=9.28,F

3 结论

使用碱消解-超痕量六价铬分析仪测定制革电镀等富含Cr(Ⅲ)-有机络合物场地中六价铬。考察了流动相浓度、流动相pH值、浓硫酸用量以及衍生试剂与流动相的流速比例等检测条件的影响。对样品前处理方式进行了改进。在优化的检测条件及改进的前处理方式条件下,六价铬的测定误差小、回收率高且能规避三价铬、色度以及Cr(Ⅲ)-有机络合物的干扰。该方法在HJ 1082—2019标准基础上进一步实现了有机成分复杂的土壤样品中六价铬的准确测定,可为制革电镀等污染场地中六价铬的风险评估及相关限值的制定提供理论依据。