姜 磊 朱世亮

(浙江省輕工業(yè)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，杭州 310013)

氰化物(Cyanide)俗稱(chēng)山奈，是指包含有氰根(CN-)的無(wú)機(jī)化合物或含有氰基(-CN)的有機(jī)化合物。氰化物具有劇毒性，通過(guò)對(duì)細(xì)胞色素氧化酶的破壞會(huì)抑制細(xì)胞正常呼吸，導(dǎo)致人類(lèi)或動(dòng)物機(jī)體窒息甚至死亡[1, 2]。人們對(duì)水體中氰化物的含量密切關(guān)注，世界衛(wèi)生組織規(guī)定飲用水中氰化物的含量必須低于50 μg/L；歐盟對(duì)礦泉水中氰化物的含量的最大限量值為70 μg/L。氰化物的傳統(tǒng)分析方法有硝酸銀滴定法[3]、比色法[4]、分光光度法[5]、流動(dòng)注射電流分析法[6]等，存在操作復(fù)雜繁瑣、有毒試劑消耗大、耗時(shí)費(fèi)力等缺陷；文獻(xiàn)還報(bào)道了氣相色譜法[7]、氣相色譜-質(zhì)譜法[8]、熒光探針?lè)╗9]等方法用于氰化物的檢測(cè)中，這些方法靈敏度高，但操作時(shí)間長(zhǎng)，不適用于大批量樣品分析。不同于這些方法，離子色譜/脈沖安培檢測(cè)法具有明顯優(yōu)勢(shì)，不僅不易受到基質(zhì)干擾，同時(shí)具有靈敏度高、操作方便快速、樣品用量少等優(yōu)點(diǎn)。

實(shí)際樣品中氰化物的分析由兩個(gè)過(guò)程組成：樣品中氰化物的提取和對(duì)提取液中氰化物的定性定量分析。在已有文獻(xiàn)報(bào)道中，通常采用蒸餾法、頂空法、曝氣法、頂空微萃取法、固相萃取法等對(duì)復(fù)雜樣品中的氰化物進(jìn)行提取，但這些前處理技術(shù)的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性不佳，同時(shí)回收率也不理想。氫氰酸的pKa值為9.31，在酸性條件下具有極強(qiáng)的揮發(fā)性，因此對(duì)于水樣中氰化物的提取，通常采用酸溶劑酸化水解，再通過(guò)加熱蒸餾方式使氰化物以氰化氫(HCN)的形式釋放并被吸收液吸收。本研究中，我們?cè)诖嗽砘A(chǔ)上設(shè)計(jì)了比蒸餾等方法更為溫和安全準(zhǔn)確的微量擴(kuò)散法用于工業(yè)廢水中氰化物的提取凈化，氰化物等易揮發(fā)物質(zhì)經(jīng)酸化后，在較為溫和的溫度下即可釋放并被吸收液吸收，同時(shí)微量擴(kuò)散裝置的設(shè)計(jì)能夠有效防止目標(biāo)物的泄漏流失，保證方法的回收率，再采用IC/PAD法對(duì)處理后的樣品溶液中的氰化物進(jìn)行分析檢測(cè)，方法快速安全、靈敏準(zhǔn)確、基質(zhì)干擾小，為工業(yè)廢水中氰化物的檢測(cè)提供了重要的方法支持。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

ICS-3000 離子色譜系統(tǒng)(Thermo Fisher公司，美國(guó))，配置有四元梯度泵、六通閥、EG淋洗液發(fā)生器、ED40 電化學(xué)檢測(cè)器；本實(shí)驗(yàn)中采用的色譜柱為IonPac AG7 保護(hù)柱( 50 mm×4 mm i.d)和IonPac AS7分析柱(250 mm×4 mm i.d.)，流動(dòng)相流速為1.00 mL/min。氫氧化鈉、磷酸等化學(xué)品均購(gòu)自阿拉丁試劑有限公司(美國(guó))，純度為分析純或以上級(jí)別。實(shí)際樣品為工業(yè)廢水，采集自中國(guó)杭州。

1.2 樣品前處理

通過(guò)微量擴(kuò)散前處理法對(duì)廢水樣品中的氰化物進(jìn)行了提取凈化，具體操作如下：準(zhǔn)確稱(chēng)取5.0 mL樣品，轉(zhuǎn)移至康威氏微量擴(kuò)散皿的外室中，再加入1.0 mL釋放劑和10.0 mL70%磷酸酸化試劑，混合均勻，同時(shí)在康威氏微量擴(kuò)散皿的內(nèi)室中加入5.0 mL氫氧化鈉吸收液(10.0 g/L)，然后在康威氏微量擴(kuò)散皿的磨口邊緣均勻涂上真空脂，加蓋密封。將密封的康威氏微量擴(kuò)散皿在50℃恒溫箱中放置1.5小時(shí)后，將吸收液過(guò)0.22 μm濾膜并進(jìn)行IC/PAD法分析?？低衔⒘繑U(kuò)散處理過(guò)程如圖1所示。

圖1 康威氏微量擴(kuò)散處理過(guò)程

1.3 離子色譜分析條件

本實(shí)驗(yàn)選擇IonPac AG7 保護(hù)柱和IonPac AS7分析柱分離氰化物，流動(dòng)相由100 mmol/L的 NaOH 溶液和含0.5%(v/v)乙二胺的500 mmol/L的醋酸鈉溶液組成，兩者比例為1∶1(v/v)，流速為1.00 mL/min，柱溫為30℃，進(jìn)樣體積為25 μL，脈沖安培檢測(cè)器以pH/Ag/AgCl復(fù)合參比電極、Ag工作電極、Ti對(duì)電極三電極模式進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 前處理過(guò)程的優(yōu)化

2.1.1氰化物酸化體系的選擇

工業(yè)廢水基質(zhì)復(fù)雜，廢水中可能存在金屬離子等物質(zhì)通過(guò)絡(luò)合作用與CN-形成絡(luò)合物，使氰化物難以被酸化釋放并提取，為了防止CN-被金屬離子絡(luò)合，本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行酸化水解過(guò)程時(shí)，在10.0 mL70%磷酸酸化溶液中分別加入了乙酸鋅、氯化鎘、氯化亞錫、EDTA 4種不同的釋放劑，考察了不同的釋放劑對(duì)氰化物提取回收率的影響。結(jié)果如圖2所示，當(dāng)選擇1.0 mL乙酸鋅溶液作為釋放劑時(shí)，微量擴(kuò)散法對(duì)工業(yè)廢水中氰化物的回收率最高，因此選擇乙酸鋅溶液作為釋放劑用于消除樣品中金屬離子對(duì)氰根回收率的干擾。

圖2 酸化體系中加入不同釋放劑對(duì)氰化物提取效率的影響A.不使釋放劑；B.1.0 mL乙酸鋅溶液作為釋放劑；C.1.0 mL氯化鎘溶液作為釋放劑；D.1.0 mL氯化亞錫作為釋放劑；E.1.0 mL EDTA溶液作為釋放劑。

2.1.2微量擴(kuò)散法操作條件的優(yōu)化

雖然HCN為易揮發(fā)氣體(沸點(diǎn)25.7℃、飽和蒸汽壓53.32 kPa)，但其易溶于水，在廢水樣品中具有良好的溶解性能，因此在微量擴(kuò)散過(guò)程中，需要對(duì)溫度和時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，使HCN能完全從水樣中釋放并被吸收液吸收，從而達(dá)到最佳提取效率。本實(shí)驗(yàn)對(duì)加熱溫度(30～70℃)和微量擴(kuò)散時(shí)間(0～150 min)進(jìn)行了優(yōu)化，溫度和時(shí)間對(duì)提取回收率的影響如圖3。當(dāng)操作時(shí)間從0 min延長(zhǎng)至90 min時(shí)，氰根的回收率逐漸增加，繼續(xù)增加操作時(shí)間，氰根回收率趨于穩(wěn)定。此外，隨著加熱溫度從30℃增加到50℃，氰根的擴(kuò)散平衡時(shí)間大幅縮短，這主要是因?yàn)闇囟鹊脑黾訕O大地加快了HCN分子的傳質(zhì)速率。綜上，最終微量擴(kuò)散過(guò)程的加熱溫度設(shè)定為50℃，操作時(shí)間為90 min。

圖3 微量擴(kuò)散時(shí)間(0 min～150 min)和加熱溫度(30～70℃)的優(yōu)化

2.2 色譜條件的優(yōu)化

在離子色譜中，離子最常用的檢測(cè)方法為抑制電導(dǎo)檢測(cè)法，氰根經(jīng)陰離子抑制器后轉(zhuǎn)化為HCN，而HCN的pKa在9.21左右，這意味著HCN的電導(dǎo)響應(yīng)信號(hào)弱，無(wú)法滿(mǎn)足痕量氰化物的檢測(cè)要求。而采用脈沖安培檢測(cè)器檢測(cè)氰根，Ag工作電極表面對(duì)氰根具有極高的響應(yīng)，選擇性好，靈敏度強(qiáng)，因此選擇脈沖安培檢測(cè)方式。以Ag/AgCl 作為參比電極，當(dāng)Ag工作電極的施加電位在-0.15 V與-0.05 V之間時(shí)，氰根靈敏度處于平臺(tái)穩(wěn)定區(qū)域，因此選定氰根的檢測(cè)電位為-0.10 V。脈沖安培法在檢測(cè)電位后輔助清洗電位，對(duì)Ag工作電極進(jìn)行清洗再生，經(jīng)過(guò)一個(gè)電位周期后Ag電極又可恢復(fù)至初始狀態(tài)，從而維持長(zhǎng)期穩(wěn)定的電極靈敏度。

對(duì)于氰根的分離，本實(shí)驗(yàn)選擇IonPacAG7和IonPacAS7高容量陰離子色譜柱作為固定相，同時(shí)選擇1∶1的100 mmol/L的NaOH溶液和含0.5%(v/v)乙二胺的500 mmol/L的醋酸鈉溶液作為流動(dòng)相，在該條件下，硫離子、氯離子、硫酸根離子、亞硫酸根離子等潛在的共存離子均不干擾氰根的測(cè)定。

2.3 方法驗(yàn)證及評(píng)價(jià)

2.3.1方法線(xiàn)性及檢出限

本實(shí)驗(yàn)采用外標(biāo)法定量，對(duì)方法的線(xiàn)性范圍、線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)、檢出限等進(jìn)行了考察。以峰面積(Y)對(duì)質(zhì)量濃度(X, μg/L)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)，得到線(xiàn)性回歸方程Y= 85.36X- 15. 21，氰化物在1.0～200.0 μg/L濃度范圍內(nèi)具有良好線(xiàn)性，線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)0.9996，方法的檢出限為0.15 μg/L，定量限為0.50 μg/L，分別由3倍信噪比(S/N = 3)和10倍信噪比(S/N = 10)計(jì)算得到。

2.3.2方法準(zhǔn)確度和精密度

實(shí)驗(yàn)對(duì)方法的準(zhǔn)確度和精密度進(jìn)行了考察，具體操作如下：隨機(jī)選擇兩種工業(yè)廢水樣品并準(zhǔn)確稱(chēng)取5 mL工業(yè)廢水樣品各4份，分別加入1.0 μg/L、2.0 μg/L、 5.0 μg/L、10.0 μg/L4個(gè)濃度水平的氰根標(biāo)準(zhǔn)溶液，進(jìn)行加標(biāo)回收率實(shí)驗(yàn)，每個(gè)樣品平行測(cè)定5次，計(jì)算方法的回收率和重現(xiàn)性。本方法的加標(biāo)回收率為88.6～108.5%，日內(nèi)精密度和日間精密度分別為5.6～10.3%和6.0～11.8%(表1)。

表1 本方法測(cè)定氰化物的加標(biāo)回收率和方法重現(xiàn)性(n=5)

2.4 實(shí)際樣品測(cè)定

本實(shí)驗(yàn)共采集了8份工業(yè)廢水樣品進(jìn)行分析，并將本方法與分光光度法測(cè)得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，各樣品中的氰化物含量測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。8個(gè)工業(yè)廢水樣品中共有5個(gè)樣品檢出氰化物，含量在18.6 μg/L～115.4 μg/L之間，本方法測(cè)得的結(jié)果和分光光度法測(cè)得的結(jié)果無(wú)明顯差異，并且本方法具有更高的靈敏度，能夠滿(mǎn)足更高的檢測(cè)要求。圖4列出了其中若干樣品的色譜圖，IC/PAD法在8 min內(nèi)即可快速分離檢測(cè)氰根。

表2 本方法和分光光度法測(cè)得的實(shí)際樣品中氰根含量對(duì)比

圖4 實(shí)際樣品色譜圖

3 結(jié)論

氰化物是廣泛存在于環(huán)境中的劇毒物質(zhì)，不慎攝入就會(huì)對(duì)人體造成致命傷害，因此對(duì)環(huán)境水體中氰化物的準(zhǔn)確測(cè)定十分必要。在分析工業(yè)廢水樣品時(shí)，氰化物的提取效率常會(huì)受到金屬離子等基質(zhì)的干擾，進(jìn)而造成測(cè)定結(jié)果的不準(zhǔn)確，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)微量擴(kuò)散法對(duì)工業(yè)廢水中的氰化物進(jìn)行提取，優(yōu)化后的微量擴(kuò)散法對(duì)氰化物的提取效率達(dá)到90%以上。本實(shí)驗(yàn)建立了離子色譜-脈沖安培檢測(cè)法結(jié)合微量擴(kuò)散前處理法用于快速測(cè)定工業(yè)廢水中的氰化物，方法在線(xiàn)性濃度范圍內(nèi)具有良好的線(xiàn)性，同時(shí)方法的靈敏度高、回收率好、重現(xiàn)性佳、分離速度快，適合大批量樣品分析。本方法不僅能滿(mǎn)足工業(yè)廢水中氰化物的檢測(cè)要求，還可廣泛應(yīng)用于土壤、食物等各種固態(tài)或液態(tài)樣品氰化物的分析檢測(cè)工作中。