高效液相色譜法測(cè)定污水中的醋酸根離子

丁興成，何小鋒，陳素娟，何永鋒，陶彬彬，陳 清

（1.浙江閏土股份有限公司，浙江紹興312300；2.紹興市上虞區(qū)水務(wù)環(huán)境檢測(cè)有限公司，浙江紹興312300）

醋酸是最重要的有機(jī)酸之一，在醋酸酐、醋酸酯等的生產(chǎn)中有著重要的應(yīng)用，在農(nóng)藥、醫(yī)藥、染料行業(yè)也有廣泛應(yīng)用。隨著醋酸的廣泛應(yīng)用，污水中醋酸根離子的濃度增大，造成污水COD較高，為達(dá)到污水排放標(biāo)準(zhǔn)，有必要對(duì)污水中的醋酸根離子進(jìn)行檢測(cè)。

目前，醋酸根離子的測(cè)定主要有反相高效液相色譜法［1］、離子排阻高效液相色譜法［2］、離子交換高效液相色譜法［3］、離子色譜法［4-5］以及氣相色譜法。采用離子色譜法測(cè)定醋酸根離子時(shí)，由于醋酸根離子在水溶液中常以醋酸和醋酸根離子共存的方式存在，測(cè)量結(jié)果有一定的偏差，準(zhǔn)確性偏低，受其他離子基團(tuán)的影響較大，且測(cè)量過程繁瑣。采用常規(guī)的頂空-氣相色譜法檢測(cè)時(shí)，由于醋酸極性大、沸點(diǎn)較高，醋酸的響應(yīng)值很小，重現(xiàn)性差［6］，不能滿足污水限度檢查的要求。高效液相色譜法（HPLC）是一種高效、快速及應(yīng)用廣泛的現(xiàn)代分離技術(shù)，具有分離效率高、選擇性好、分析速度快、操作自動(dòng)化、應(yīng)用范圍廣的特點(diǎn)，已經(jīng)成為有機(jī)物分析的支柱技術(shù)，在生物化學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、食品檢驗(yàn)、石油化工及環(huán)境污染監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［7］。

本課題采用高效液相色譜法檢測(cè)污水中的醋酸殘留量，通過調(diào)節(jié)流動(dòng)相pH，使醋酸根離子在流動(dòng)相的不斷淋洗下以醋酸形式呈現(xiàn)，峰面積波動(dòng)小，測(cè)量數(shù)值穩(wěn)定，方法簡(jiǎn)便、靈敏度高、重現(xiàn)性好。部分色譜柱硅膠基質(zhì)的反相色譜填充材料在堿性條件下會(huì)溶解而造成峰拖尾現(xiàn)象，當(dāng)酸性過強(qiáng)時(shí)，色譜柱的硅氧鍵斷裂造成鍵合相流失［8］，影響色譜柱的使用壽命。因而，選擇合適的pH是關(guān)鍵。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與儀器

試劑：甲醇、醋酸、乙酸鈉、磷酸、氫氧化鈉（分析純），污水（浙江閏土股份有限公司）。儀器：SPD-10A VP Plus高效液相色譜儀，ODS-C18色譜柱，F(xiàn)A2204B電子天平，KQ-200KDB超聲波清洗器，AP-1P真空泵，砂芯過濾裝置，PHS-3C pH計(jì)。

1.2 HPLC分析原理［9］

在高壓條件下，溶質(zhì)在固定相和流動(dòng)相之間進(jìn)行連續(xù)多次交換，憑借在兩相間分配系數(shù)、親和力、吸附力或分子大小不同引起排阻作用差別得以分離。液相色譜柱的分離度用下式表示：

式中：R為液相色譜柱分離度；n為柱效率，用理論塔板數(shù)來表示；a為溶劑效率，是固定相對(duì)兩個(gè)混合物分離能力的表征；k為容量因子，是在平衡狀態(tài)下，組分在固定相與流動(dòng)相中的質(zhì)量比。

當(dāng)流動(dòng)相pH在1.8及以下時(shí)，在流動(dòng)相的不斷淋洗下，醋酸根離子會(huì)以醋酸形式呈現(xiàn)，峰型固定，響應(yīng)值大，測(cè)量數(shù)值穩(wěn)定。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

醋酸的檢測(cè)：準(zhǔn)確稱取醋酸2 g（±0.000 2 g）于燒杯中，加超純水稀釋定容于100 mL容量瓶中（質(zhì)量濃度為20 g/L），吸取2.5、5.0、12.5、25.0 mL于50 mL容量瓶中定容，配制質(zhì)量濃度分別為1、2、5、10 g/L的系列標(biāo)準(zhǔn)溶液；以甲醇-水（體積比10∶90）為流動(dòng)相，用氫氧化鈉溶液和磷酸溶液調(diào)節(jié)pH；調(diào)節(jié)高效液相色譜儀流速1.0 mL/min、柱溫40℃、檢測(cè)波長(zhǎng)210 nm，向不同pH流動(dòng)相進(jìn)樣5μL標(biāo)準(zhǔn)溶液，記錄數(shù)據(jù)。分別以質(zhì)量濃度、峰面積為橫縱坐標(biāo)建立線性回歸方程。

醋酸鈉的檢測(cè)：為檢測(cè)醋酸根離子在不同pH條件下呈現(xiàn)的狀態(tài)以及峰面積-質(zhì)量濃度的線性關(guān)系，以醋酸鈉為檢測(cè)對(duì)象，檢測(cè)方法同醋酸。

醋酸鈉-醋酸的檢測(cè)：為了驗(yàn)證醋酸和醋酸根離子在質(zhì)量濃度較大、不同pH條件下的變化關(guān)系，分別稱取醋酸1 g、醋酸鈉1 g于燒杯中，加水溶解，定容于100 mL容量瓶中，配制成10 g/L的溶液，于不同pH流動(dòng)相進(jìn)樣5μL，收集色譜圖進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，比較不同pH條件下醋酸根離子與醋酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 醋酸在不同pH條件下的線性回歸方程

由表1可看出，在流動(dòng)相pH為中性時(shí)，擬合度較小，說明醋酸峰面積隨質(zhì)量濃度的變化較為發(fā)散；隨著流動(dòng)相pH的不斷減小，擬合度逐漸增大，當(dāng)pH在1.8及以下時(shí)，擬合度基本不變，說明醋酸峰面積隨質(zhì)量濃度的變化逐漸趨于線性。

表1 醋酸在不同pH條件下的線性回歸方程

2.2 醋酸鈉在不同pH條件下的線性回歸方程

由表2可看出，在流動(dòng)相pH為中性時(shí)，擬合度較小，說明醋酸根離子峰面積與質(zhì)量濃度的線性關(guān)系較差；隨著流動(dòng)相pH的不斷減小，擬合度逐漸增大，說明線性逐漸增強(qiáng)；而當(dāng)pH降到1.8及以下時(shí)，擬合度無(wú)明顯變化，說明醋酸根離子的峰面積隨質(zhì)量濃度的變化逐漸趨于線性，流動(dòng)相pH在1.8及以下時(shí)較為合適。

表2 醋酸根離子在不同pH條件下的線性回歸方程

2.3 不同pH流動(dòng)相下醋酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的檢測(cè)

由圖1可知，在pH=7.0和4.0時(shí)，醋酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏低，因?yàn)闄z測(cè)中有少量醋酸根離子存在；隨著pH的降低，醋酸根離子逐漸減少，當(dāng)pH降低到3.0時(shí)基本無(wú)醋酸根離子，醋酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)趨于穩(wěn)定。

圖1 不同pH條件下醋酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

2.4 醋酸鈉在不同pH條件下的液相色譜圖及質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化

由圖2可知，醋酸根離子在pH=7.0時(shí)以醋酸和醋酸根離子的形式存在，且醋酸根離子峰高較明顯；隨著pH的降低，醋酸根離子峰高逐漸減小；當(dāng)pH降到1.8及以下時(shí)基本以醋酸的形式呈現(xiàn)，采用高效液相色譜檢測(cè)醋酸根離子可行。

圖2 醋酸鈉在不同pH條件下的液相色譜圖

由圖3可以看出，在pH=7.0時(shí)，醋酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85.94%，因?yàn)橛胁糠忠源姿岬男问酱嬖冢浑S著pH的逐漸降低，醋酸根離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減小；當(dāng)pH降到1.8及以下時(shí)，醋酸根離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本為0%。進(jìn)一步說明pH在1.8及以下時(shí)，用高效液相色譜檢測(cè)醋酸根離子較合適。

圖3 不同pH條件下醋酸根離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

2.5 醋酸-醋酸鈉在不同pH條件下的液相色譜圖及質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化

由圖4可以看出，當(dāng)醋酸、醋酸根離子質(zhì)量濃度較大時(shí)，在pH=7.0和4.0時(shí)峰高較大，且峰形較為雜亂；隨著pH的降低，醋酸根離子質(zhì)量濃度逐漸降低，醋酸質(zhì)量濃度逐漸增大；當(dāng)pH降到1.8及以下時(shí)，基本以醋酸的形式存在，說明當(dāng)醋酸-醋酸根離子質(zhì)量濃度較大時(shí)，采用偏中性的流動(dòng)相檢測(cè)誤差較大。流動(dòng)相pH在1.8及以下時(shí)，用高效液相色譜檢測(cè)誤差較小，穩(wěn)定性較好。

圖4 醋酸-醋酸鈉在不同pH條件下的液相色譜圖

由圖5可知，當(dāng)質(zhì)量濃度較大時(shí)，在流動(dòng)相pH=4.0～7.0時(shí)醋酸、醋酸根離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)相近；隨著pH的降低，醋酸根離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低，醋酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大；當(dāng)pH降到1.8及以下時(shí)，基本以醋酸的形式存在，用高效液相色譜檢測(cè)較為合適。

圖5 不同pH條件下醋酸、醋酸根離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

2.6 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精確性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，精確配制質(zhì)量濃度為10 g/L的醋酸鈉溶液，在流動(dòng)相pH=1.8下進(jìn)樣10μL，做7次實(shí)驗(yàn)，結(jié)果以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）=0.17%（n=7）。

3 結(jié)論

（1）在流動(dòng)相pH為中性時(shí)，醋酸、醋酸根離子的擬合度較小，峰面積與質(zhì)量濃度的線性關(guān)系較差；流動(dòng)相pH在1.8及以下時(shí)，擬合度基本不變，峰面積與質(zhì)量濃度具有良好的線性關(guān)系。

（2）在流動(dòng)相pH偏中性時(shí)，醋酸、醋酸根離子峰形雜亂，峰面積波動(dòng)明顯，測(cè)量值穩(wěn)定性差，誤差大；當(dāng)醋酸-醋酸根離子質(zhì)量濃度較大時(shí)，測(cè)量會(huì)出現(xiàn)多個(gè)峰，且峰形波動(dòng)較大，甚至?xí)霈F(xiàn)兩者峰重疊的情況，測(cè)量誤差較大；而在流動(dòng)相pH 1.8及以下時(shí)，檢測(cè)誤差較小，峰面積波動(dòng)小，測(cè)量數(shù)值穩(wěn)定。考慮酸性過強(qiáng)會(huì)影響色譜柱的使用壽命，流動(dòng)相pH選擇1.8較合適。

（3）以甲醇-水（10∶90）為流動(dòng)相，在pH=1.8、流速1.0 mL/min、柱溫40℃、檢測(cè)波長(zhǎng)210 nm的條件下檢測(cè)醋酸根離子，操作簡(jiǎn)便，準(zhǔn)確性高，精密度高，穩(wěn)定性好。