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      雙通道離子色譜儀在濕沉降平衡中的應(yīng)用研究

      2023-04-29 12:15:52姜燕張婭
      環(huán)境科學(xué)與管理 2023年6期

      姜燕 張婭

      關(guān)鍵詞:雙通道離子色譜儀;濕沉降;陰、陽(yáng)離子濃度平衡;電導(dǎo)率平衡

      前言

      現(xiàn)行的《酸沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》( HJ/T 165-2004)規(guī)定,濕沉降監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目有:電導(dǎo)率、pH、SO、N03-、F-、Cl-、NH4+、Ca2+、Mg2+、Na+、K+、降雨(雪)量等。SO、N03-、F-、Cl-的測(cè)定方法主要有重量法、比色法、電極法和離子色譜法等;Ca2+、Mg2+、Na+、K+的主要測(cè)定方法有原子吸收分光光度法和電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP-AES)法等;NH4+的主要測(cè)定方法有連續(xù)流動(dòng)分析法或納氏試劑光度法。上述方法在實(shí)現(xiàn)多種離子同時(shí)測(cè)定上都具有潛在缺陷,如:原子吸收光譜法操作過(guò)程中會(huì)使用一些濃酸和毒性試劑,對(duì)作業(yè)人員健康不利;化學(xué)分析操作過(guò)程復(fù)雜,試驗(yàn)靈敏度較低,使用的有毒化學(xué)藥劑會(huì)引發(fā)環(huán)境污染問(wèn)題;氣相色譜法前處理過(guò)程煩瑣,常需要進(jìn)行衍生反應(yīng)等各種步驟。

      離子色譜技術(shù)是一種新型高效液相色譜技術(shù),能夠分離檢測(cè)水質(zhì)、大氣、土壤中有機(jī)、無(wú)機(jī)離子。陳皓玥等人研究了離子色譜法同時(shí)測(cè)定環(huán)境空氣降水中的5種陽(yáng)離子,鄧美榮等人研究了離子色譜法測(cè)定空氣PM2.5中4種陰離子。

      文章用雙通道離子色譜法同時(shí)對(duì)濕沉降中陰、陽(yáng)離子進(jìn)行測(cè)定,每次分析只需用針式過(guò)濾器過(guò)濾1mL樣品至離子色譜進(jìn)樣小瓶即可同時(shí)檢測(cè)9種可溶性陰陽(yáng)離子組分,除標(biāo)準(zhǔn)溶液外,僅需配制陽(yáng)離子淋洗液甲磺酸溶液。該方法所用儀器少,所需樣品量少,操作簡(jiǎn)單,檢出限低,分析線性范圍寬,分析速度快,可用于酸沉降中九種陰陽(yáng)離子的同時(shí)快速測(cè)定,結(jié)合酸沉降的pH和電導(dǎo)率數(shù)值,可快速計(jì)算濕沉降陰、陽(yáng)離子濃度平衡和電導(dǎo)率平衡。

      1實(shí)驗(yàn)部分

      1.1主要儀器與試劑

      雙通道離子色譜儀:美國(guó)賽默飛世爾科技ICS-6000DP型,配有AS-AP自動(dòng)進(jìn)樣器,CDRS600陽(yáng)離子抑制器,ADRS600陰離子抑制器,兩個(gè)電導(dǎo)檢測(cè)器。

      電導(dǎo)率儀:上海精科雷磁DDS-307A型,配有同廠家DJS-IC型電導(dǎo)電極和T-818-B-6型溫度傳感器。

      酸度計(jì):美國(guó)賽默飛世爾科技ORION STARA211型,配有同廠家ORION 8102BNUWP型復(fù)合pH電極和ORION 927007MD型溫度傳感器。

      甲磺酸:damas-beta,規(guī)格100g,純度99%+,批號(hào)P1610396。

      pH=4.01緩沖溶液:美國(guó)賽默飛世爾科技,475mL,貨號(hào)Orion 910104。

      pH =7.00緩沖溶液:上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司,1000mL,貨號(hào)CFGX-272170-1211。

      去離子水:MILLIPORE純水機(jī)制備,無(wú)色譜峰干擾。

      水相針式過(guò)濾器(聚醚砜):上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司,直徑25mm,孔徑0.22um。

      F-、Cl-、N03-、SOi-四種陰離子和K+、Na+、Ca2+、Mg2+、NH4+五種陽(yáng)離子標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液:國(guó)家有色金屬及電子材料分析測(cè)試中心,體積50mL,濃度1000ug/mL。

      模擬酸雨:生態(tài)環(huán)境部環(huán)境發(fā)展中心環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所,批號(hào)207212。

      1.2實(shí)驗(yàn)條件

      陽(yáng)離子色譜參數(shù):CG12A陽(yáng)離子色譜保護(hù)柱(50mm×0.4mm,美國(guó)賽默飛世爾科技),CS12A陽(yáng)離子色譜分離柱(250mm×0.4mm,美國(guó)賽默飛世爾科技),柱溫:25℃;電導(dǎo)池溫度:35℃;抑制器電流:53mA;進(jìn)樣體積:25uL,淋洗液為甲磺酸溶液,18mmol/L,流速:1.00mL/min,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集均由Chromeleon7.0工作站完成;以色譜峰面積外標(biāo)法定量。

      陰離子色譜參數(shù):AGII-HC陰離子色譜保護(hù)柱(50mmx0.4mm美國(guó)賽默飛世爾科技),AS11-HC陰離子色譜分離柱(250mmx0.4mm,美國(guó)賽默飛世爾科技),柱溫:25℃;電導(dǎo)池溫度:35℃;抑制器電流:60mA;進(jìn)樣體積:25uL;淋洗液為氫氧化鉀溶液,18mmol/L,流速:1.00mL/min,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集均由Chromeleon7.0工作站完成;以色譜峰面積外標(biāo)法定量。

      1.3溶液配制

      陽(yáng)離子淋洗液:18mmol/L甲磺酸溶液,移取1.17mL甲磺酸1L容量瓶中,用去離子水定容。

      陰離子淋洗液:在儀器操作軟件淋洗液發(fā)生器界面目標(biāo)濃度處,輸入18.00mM,打開(kāi)CR-TC,自動(dòng)生成18mmol/L氫氧化鉀溶液。

      陽(yáng)離子標(biāo)準(zhǔn)系列:分別取5mL鈉離子、銨離子、鉀離子、鎂離子和25mL鈣離子標(biāo)準(zhǔn)溶液至同一個(gè)50mL容量瓶中,用去離子水定容,得到混合標(biāo)準(zhǔn)溶液中間液,中間液中鈉離子、銨離子、鉀離子和鎂離子的濃度均為100mg/L、鈣離子的濃度均為500mg/L。分別取250uL、500uL、1.25mL、2.50mL、5.00mL混合標(biāo)準(zhǔn)溶液中間液至5個(gè)50mL容量瓶中,用去離子水定容。

      陰離子標(biāo)準(zhǔn)系列:分別取0.50mL氟離子、5.00mL氯離子和硝酸根離子、10.0mL硫酸根離子標(biāo)準(zhǔn)溶液至同一個(gè)50mL容量瓶中,用去離子水定容,得到混合標(biāo)準(zhǔn)溶液中間液,中間液中氟離子、氯離子、硝酸根離子和硫酸根離子的濃度分別為10.0、100、100和200mg/L。再分別取500uL、1.00mL、2.50mL、5.00mL、10.0mL混合標(biāo)準(zhǔn)溶液中間液至5個(gè)50mL容量瓶中,用去離子水定容。

      2結(jié)果與討論

      2.1陽(yáng)離子淋洗液濃度確定

      分別配制15mmol/L、18mmol/L和20mmol/L甲磺酸溶液,用來(lái)分析陽(yáng)離子標(biāo)準(zhǔn)系列。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,用20mmol/L甲磺酸溶液做淋洗液,鈉離子和銨離子兩個(gè)色譜峰底部有部分重疊,分離度不好,不能完全分離。用15mmol/L甲磺酸溶液做淋洗液,鈣離子保留時(shí)間過(guò)長(zhǎng),每個(gè)樣品的分析時(shí)間達(dá)到半小時(shí),影響工作效率。用18mmol/L甲磺酸溶液做淋洗液,每個(gè)樣品在15min完成分析且5種陽(yáng)離子色譜峰能夠完全分離,出峰尖銳無(wú)拖尾,說(shuō)明這個(gè)淋洗液濃度合適,見(jiàn)圖1。

      2.2陰離子淋洗液濃度確定

      比較了淋洗液濃度等度和梯度洗脫對(duì)陰離子分離度和分離時(shí)間的影響,結(jié)果表明:在等度條件下,即氫氧化鉀溶液濃度(18mmol/L)和流速保持不變的情況下,四種陰離子和碳酸根離子色譜峰能夠完全分離。(見(jiàn)圖2)

      2.3標(biāo)準(zhǔn)曲線

      分別將陽(yáng)離子標(biāo)準(zhǔn)系列和陰離子標(biāo)準(zhǔn)系列倒入離子色譜進(jìn)樣小瓶中,放在自動(dòng)進(jìn)樣器上進(jìn)行系列分析,除銨根離子外,其他離子以離子峰面積Y對(duì)相應(yīng)組分的質(zhì)量濃度X進(jìn)行線性回歸,得到線性回歸方程。氨是弱堿,銨離子不會(huì)對(duì)抑制電導(dǎo)率檢測(cè)產(chǎn)生線性響應(yīng),在使用該檢測(cè)方法時(shí),使用二次擬合進(jìn)行校準(zhǔn)。濕沉降中9種陰陽(yáng)離子校準(zhǔn)曲線的相關(guān)系數(shù)均能穩(wěn)定≥0. 999。

      2.4方法檢出限

      移取25uL陽(yáng)離子混合標(biāo)準(zhǔn)溶液中間液至50mL容量瓶中,用去離子水定容,用陽(yáng)離子系統(tǒng)對(duì)該樣品進(jìn)行7次平行測(cè)定,計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差S,按照MDL=t(n-1,0.99)S計(jì)算方法檢出限,測(cè)得水中鈉離子、銨離子、鉀離子、鎂離子、鈣離子的方法檢出限分別為0.001、0.012、0.001、0.002和0.005mg/L;移取50uL陰離子混合標(biāo)準(zhǔn)溶液中間液至50mL容量瓶中,用去離子水定容,用陰離子系統(tǒng)對(duì)該樣品進(jìn)行7次平行測(cè)定,計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差S,按照MDL=t(n-1.0.99)S計(jì)算方法檢出限,測(cè)得水中氟離子、氯離子、硫酸根離子和硝酸根離子的方法檢出限分別為0.001、0.002、0.012和0.005mg/L。

      2.5精密度和準(zhǔn)確度

      取3個(gè)濕沉降樣品,經(jīng)水相針式過(guò)濾器過(guò)濾至離子色譜進(jìn)樣瓶中,按照實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行陰、陽(yáng)離子6次平行分析,測(cè)試方法的精密度,同時(shí)對(duì)這三個(gè)濕沉降樣品進(jìn)行加標(biāo),測(cè)試方法的準(zhǔn)確度,結(jié)果如表1所示。從表1可知,濕沉降樣品陰、陽(yáng)離子6次測(cè)定值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于5.7%,加標(biāo)回收率在94.0%~104%之間,表明方法的精密度和準(zhǔn)確度都較高。另取批號(hào)為207212的模擬酸雨樣品,按照環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)樣品證書(shū)說(shuō)明稀釋后,取1mL至離子色譜進(jìn)樣瓶中,按照實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行陰、陽(yáng)離子6次平行分析,重復(fù)測(cè)試方法的精密度和準(zhǔn)確度,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。從表2可以模擬酸雨樣品陰、陽(yáng)離子6次測(cè)定值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.96%,6次測(cè)定值的平均值均在質(zhì)控樣保證值范圍內(nèi),結(jié)果都滿意。

      2.6陰、陽(yáng)離子濃度平衡和電導(dǎo)率平衡檢驗(yàn)

      將表1中三份濕沉降和表2中模擬酸雨的陰、陽(yáng)離子濃度,結(jié)合對(duì)應(yīng)的pH和電導(dǎo)率值,帶入《酸沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》的計(jì)算公式中,檢驗(yàn)其陰、陽(yáng)離子濃度平衡和電導(dǎo)率平衡,結(jié)果如表3所示。從表3可以看出,三份濕沉降及模擬酸雨的平衡參數(shù)R1和R2值都在推薦參考標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),說(shuō)明陰、陽(yáng)離子濃度平衡和電導(dǎo)率平衡很好,沒(méi)有漏測(cè)重要離子。

      揚(yáng)州市區(qū)有四個(gè)國(guó)家酸雨監(jiān)測(cè)網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn),2021年每個(gè)點(diǎn)位每個(gè)月任取一次濕沉降用雙通道離子色譜儀監(jiān)測(cè)陰、陽(yáng)離子濃度。結(jié)果表明,2021年全年48個(gè)樣品的R1和R2值均在參考值范圍內(nèi),證明了該方法測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。該方法樣品前處理簡(jiǎn)單,每次分析只需用針式過(guò)濾器過(guò)濾1mL樣品至離子色譜進(jìn)樣小瓶即可得到9個(gè)陰、陽(yáng)離子濃度數(shù)據(jù),可極大提高實(shí)驗(yàn)分析人員工作效率,建議在濕沉降陰、陽(yáng)離子分析中優(yōu)先使用。

      3結(jié)論

      建立了雙通道離子色譜儀同時(shí)測(cè)定濕沉降中9種陰、陽(yáng)離子分析方法,該方法所需樣品量少,操作簡(jiǎn)單,檢出限低,分析線性范圍寬,分析速度快,再結(jié)合濕沉降的電導(dǎo)率和pH值,可快速計(jì)算濕沉降陰、陽(yáng)離子濃度平衡和電導(dǎo)率平衡。該方法可極大提高實(shí)驗(yàn)分析人員工作效率,建議在濕沉降陰、陽(yáng)離子分析中優(yōu)先使用。

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