水中六價鉻測定方法的優(yōu)化分析

尚文健(北京市通州區(qū)環(huán)境保護監(jiān)測站，北京 101100)

0 引言

六價鉻是第一類污染物，具有很強的生物蓄積性，對人體健康和環(huán)境都極具危害，因此對六價鉻的準(zhǔn)確測定在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測工作中具有重要意義。目前，GB/T 7467—1987《水質(zhì) 六價鉻的測定 二苯碳酰二肼分光光度法》[1]測定地表水和工業(yè)廢水中六價鉻是日常監(jiān)測分析中經(jīng)典且應(yīng)用普遍的方法。方法中所使用的丙酮和濃硫酸對人體健康有害[2]。目前，探索對人體和環(huán)境都無毒無害的分析方法已成為生態(tài)環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的重要任務(wù)及大勢所趨。本文依據(jù)GB/T 7467—1987的測定原理，運用回歸分析及方差分析對國標(biāo)法的顯色劑溶劑和反應(yīng)酸度來源進行優(yōu)化分析，并對優(yōu)化方法的檢出限、精密度和準(zhǔn)確度進行驗證。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

GB/T 7467—1987測定水中六價鉻的方法原理是：在酸性條件下，六價鉻與顯色劑二苯碳酰二肼反應(yīng)生成二苯偶氮碳酰肼，六價鉻自身被還原為三價鉻并與二苯偶氮碳酰肼絡(luò)合生成紫紅色化合物，于波長540 nm處進行分光光度測定[3-4]。

1.2 技術(shù)路線

(1)顯色劑溶劑：國標(biāo)法所用顯色劑是將二苯碳酰二肼溶于丙酮中。丙酮有毒、易揮發(fā)、易制毒，長期使用會對分析人員身體健康及環(huán)境造成損傷。由于二苯碳酰二肼微溶于水，溶于熱醇及丙酮，分析乙醇、丙酮兩種溶劑的對比測試效果。

(2)反應(yīng)酸度來源：國標(biāo)法用硫酸溶液和磷酸溶液共同提供反應(yīng)酸度。為保持最佳顯色酸度[3]，分析實驗室常用酸(硫酸、磷酸、鹽酸)在與國標(biāo)法同等酸度條件下的對比測試效果。

1.3 主要儀器與試劑

(1)儀器：7230G可見分光光度計，E300H超聲波清洗器，50 mL具塞比色管等。

(2)試劑：硫酸 (ρ=1.84 g/mL，優(yōu)級純 )，磷酸 (ρ=1.69 g/mL，優(yōu)級純)、鹽酸(ρ=1.19 g/mL，優(yōu)級純)、二苯碳酰二肼(優(yōu)級純)，丙酮、95 %乙醇均為分析純，鉻標(biāo)準(zhǔn)溶液(生態(tài)環(huán)境部標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所)，實驗用水為去離子水。

1.4 實驗方法

在50 mL具塞比色管中，加入一定體積的鉻標(biāo)準(zhǔn)溶液或水樣，用去離子水稀釋至標(biāo)線，分別加入一定量的酸和二苯碳酰二肼顯色劑，搖勻，放置10 min，在波長540 nm條件下用30 mm比色皿，以實驗用水為參比，測定吸光度值。

(1)顯色劑的配制

國標(biāo)法：稱取0.2 g二苯碳酰二肼，溶于50 mL丙酮中，加水稀釋至100 mL，搖勻，儲于棕色試劑瓶中，置于冰箱。

乙醇法：稱取0.2 g二苯碳酰二肼，溶于50 mL95 %乙醇中，加水稀釋至100 mL，搖勻，儲于棕色試劑瓶中，置于冰箱。

(2)酸的配制

(1+1)硫酸，(1+1)磷酸，鹽酸。

2 結(jié)果與討論

2.1 顯色劑優(yōu)化的回歸分析

取兩組9支50 mL具塞比色管，分別加入濃度為1.00 mg/L的鉻標(biāo)準(zhǔn)溶液 0、0.20、0.50、1.00、2.00、4.00、6.00、8.00、10.00 mL，用去離子水稀釋至標(biāo)線，加入(1+1)硫酸和(1+1)磷酸各0.5 mL，搖勻。第一組中分別加入2.0 mL以丙酮為溶劑的顯色劑；第二組中分別加入2.0 mL以95 %乙醇為溶劑的顯色劑；依實驗方法分別測定吸光度值。對用丙酮和乙醇分別作為顯色劑溶劑的兩種方法制作校準(zhǔn)曲線，經(jīng)回歸分析統(tǒng)計檢驗[5-6]，結(jié)果表明兩條曲線無顯著性差異，檢驗結(jié)果如表1所示。表明在固定酸度的條件下，乙醇溶劑和丙酮溶劑這兩種方法不存在系統(tǒng)差異。

表1 兩校準(zhǔn)曲線回歸分析結(jié)果

實驗過程中觀察到，室溫下二苯碳酰二肼不太容易溶解于乙醇，可用超聲波加速溶解，效果明顯。經(jīng)測試觀察，乙醇作為溶劑的顯色劑至少可保存一周，因平時儲存于冰箱中，從冰箱取出來后可見瓶底有溶質(zhì)析出，放置室溫后經(jīng)超聲波促進溶解，不影響使用。比較丙酮和乙醇兩種溶劑，乙醇具有無毒且便于購買的優(yōu)勢，可運用超聲波加速溶解彌補其對二苯碳酰二肼溶解性稍差的缺點。

2.2 顯色劑和酸優(yōu)化的雙因素方差分析

由實驗原理，六價鉻的測定過程中，顯色劑和反應(yīng)酸度是完成測定的兩個要素。設(shè)因素一為二苯碳酰二肼溶劑，兩水平分別為1.丙酮、2.乙醇。因素二為同等反應(yīng)酸度的不同來源，選用實驗室常用酸，四水平為A(硫酸+磷酸)、B硫酸、C磷酸、D鹽酸。

取兩組8支50 mL具塞比色管，依次加入濃度為1.00 mg/L的鉻標(biāo)準(zhǔn)溶液3.00 mL，用去離子水稀釋至標(biāo)線，于每組1、2號比色管中分別加入(1+1)硫酸和(1+1)磷酸各0.5 mL，搖勻；每組3、4號比色管中分別加入(1+1)硫酸1.1 mL，搖勻；每組5、6號比色管中分別加入(1+1)磷酸0.9 mL，搖勻；每組7、8號比色管中分別加入鹽酸1.7 mL，搖勻。向第一組比色管中依次加入2.0 mL以丙酮為溶劑的顯色劑；向第二組比色管中依次加入2.0 mL以乙醇為溶劑的顯色劑；依實驗方法分別測定吸光度值。對測定結(jié)果做雙因素等重復(fù)試驗方差分析，結(jié)果見表2。

結(jié)果表明：(1)在同等酸度水平下，兩溶劑(丙酮、乙醇)對測定結(jié)果均無顯著性差異。(2)對(硫酸+磷酸)、硫酸、磷酸、鹽酸這四個不同酸的來源，尚不能明確判斷測定結(jié)果間有無顯著性差異；而(硫酸+磷酸)、硫酸、磷酸這三個水平下，可以明確判斷測定結(jié)果間無顯著性差異。盡管鹽酸也是實驗室常用酸，從統(tǒng)計結(jié)果來看，暫不考慮鹽酸在此方法中的應(yīng)用。從分析結(jié)果來看，用(硫酸+磷酸)、硫酸、磷酸來控制反應(yīng)酸度都是可行的。(3)顯色劑溶劑與反應(yīng)酸度來源之間的交互作用無顯著性差異。資料表明[7]，分光光度法測定六價鉻時，加入磷酸可與三價鐵形成穩(wěn)定的無色絡(luò)合物，消除三價鐵干擾，同時磷酸也和其他金屬離子絡(luò)合，避免一些鹽類析出而產(chǎn)生渾濁。綜上，為兼顧實驗效果及便于操作，后續(xù)研究應(yīng)用乙醇作為顯色劑溶劑、磷酸作為反應(yīng)酸度來源。

表2 雙因素等重復(fù)試驗方差分析結(jié)果(n=2)

2.3 優(yōu)化方法的驗證

由2.1和2.2部分的探討，本部分對用乙醇為顯色劑溶劑、磷酸為反應(yīng)酸度來源的優(yōu)化方法進行方法可行性驗證[8]。

2.3.1 檢出限

因國標(biāo)方法檢出限為0.004 mg/L，配制濃度為預(yù)期方法檢出限5倍(即0.020 mg/L)的樣品，按照實驗方法共進行7次平行測定，結(jié)果見表3。優(yōu)化方法測定的六價鉻檢出限＜0.004 mg/L，符合方法要求。

表3 方法檢出限

2.3.2 有證標(biāo)準(zhǔn)樣品的精密度和準(zhǔn)確度

采用來自生態(tài)環(huán)境部標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所的編號為203349、203357、203360的有證標(biāo)準(zhǔn)樣品，分別平行測定6次，分析及統(tǒng)計結(jié)果見表4。結(jié)果表明，三個六價鉻標(biāo)準(zhǔn)樣品的測定結(jié)果相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于5%，測定值均在標(biāo)準(zhǔn)樣品的參考值范圍內(nèi)，說明此方法對有證標(biāo)準(zhǔn)樣品的精密度和準(zhǔn)確度滿足質(zhì)控要求[5]。

2.3.3 實際樣品的精密度和準(zhǔn)確度

采集通州區(qū)實際水樣(某地表水、某工業(yè)廢水、某污水廠出水)進行實驗，按照實驗方法分別測定6次，考察方法精密度(因目前實際水樣中六價鉻含量較低，為便于驗證方法精密度，對第3組樣品加標(biāo)制作為分析用樣品)。對第2、3組實際樣品進行加標(biāo)回收分析，考察方法準(zhǔn)確度，分析及統(tǒng)計結(jié)果見表5。經(jīng)驗證，三個實際水樣相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于15 %，測定值加標(biāo)回收率在85 %～115 %范圍內(nèi)，說明此方法對實際水樣的精密度和準(zhǔn)確度滿足質(zhì)控要求[5]。

表4 有證標(biāo)準(zhǔn)樣品的精密度和準(zhǔn)確度

表5 實際樣品的精密度和準(zhǔn)確度

3 結(jié)語

對二苯碳酰二肼分光光度法測定水中六價鉻國標(biāo)方法進行優(yōu)化分析，得到以下結(jié)論：(1)不同顯色劑溶劑校準(zhǔn)曲線回歸分析表明，在反應(yīng)酸度基本一致的條件下，乙醇溶劑和丙酮溶劑這兩種方法不存在系統(tǒng)差異，可用超聲波促進溶解來解決二苯碳酰二肼在乙醇中的溶解性稍差的問題。(2)雙因素(顯色劑溶劑和反應(yīng)酸度來源)等重復(fù)試驗方差分析表明，在同等酸度水平下，兩溶劑(丙酮、乙醇)對測定結(jié)果無顯著性差異；用(硫酸+磷酸)、硫酸、磷酸作為酸度來源的測定結(jié)果無顯著性差異；溶劑與顯色酸度來源之間的交互作用無顯著性差異。(3)確定優(yōu)化方案，用乙醇代替丙酮作為溶劑配制二苯碳酰二肼顯色劑，用磷酸提供反應(yīng)酸度，可降低試劑對人體和環(huán)境的損害，同時簡化操作步驟。驗證此方法檢出限、精密度和準(zhǔn)確度，結(jié)果與國標(biāo)法無顯著性差異，能夠達到國標(biāo)法測定六價鉻的質(zhì)量保證要求。(4)目前國標(biāo)/行標(biāo)方法測定水中六價鉻均用到丙酮和濃硫酸，分析結(jié)果可為推動水中六價鉻國標(biāo)/行標(biāo)方法的優(yōu)化提供技術(shù)支撐。