浊点萃取-火焰原子吸收光谱法测定土壤中的有效态钴_杨琳.pdf

2013 年 10 月 October 2013 岩矿测试 ROCK AND MINERAL ANALYSIS Vol． 32，No． 5 775 ～779 收稿日期 2013 －03 －01; 接受日期 2013 －03 －12 基金项目 郑州大学大学生创新训练计划基金项目 2012cxsy080 作者简介 杨琳， 硕士研究生， 研究方向为光谱学与光谱分析。E- mail yanglin． 0314163． com。 通讯作者 韩华云， 副教授， 研究方向为分析化学。E- mail ryan zzu． edu． cn。 文章编号 02545357 2013 05077505 浊点萃取 － 火焰原子吸收光谱法测定土壤中的有效态钴 杨琳，李雪蕾，王相舒，王晓燕，王文涛，韩华云* 郑州大学化学与分子工程学院，河南 郑州450052 摘要 重金属的毒性和迁移性不仅取决于总量， 而且取决于特殊的化学形态， 其中有效态容易被植物吸收， 对人体的危害更严重， 因此准确测定土壤中的重金属有效态含量非常重要。但土壤中有效态金属的含量通 常很低， 而且干扰组分多， 直接进行仪器分析测定比较困难。本文以 0． 1 mol/L 盐酸为浸提剂， 甲基红为螯 合剂， Triton X －114 为表面活性剂， 建立了一种浊点萃取 － 火焰原子吸收光谱测定土壤中有效态钴的新方 法， 提高了测定的选择性和灵敏度。在最佳实验条件下， 钴的线性范围为 0． 10 ～2． 00 μg/mL， 方法检出限为 0． 03 μg/mL， 方法回收率为 94． 0 ～104． 0， 应用于分析 0． 5 μg/mL 钴标准溶液， 9 次平行测定的相对标 准偏差为 3． 3。通过测定发现不同地区土壤中有效态钴占钴总量的比例差别很大， 土壤中重金属有效态 含量更能直观地传递出重金属在土壤中的迁移能力、 存在状态以及危害程度等信息。 关键词 土壤; 有效态钴; 浊点萃取; 火焰原子吸收光谱法 中图分类号 S151． 93; O614． 812; O657． 31文献标识码 B 重金属元素在土壤中的总量不能直接用来评估 环境效应 ［1 －2 ］， 土壤中重金属离子的毒性和迁移性 不仅取决于总量， 而且取决于特殊的化学形态 ［3 ］。 重金属在土壤中只有少部分以水溶态和离子交换态 存在， 这部分在土壤中具有较大的活性， 容易被植物 吸收 ［3 －4 ］， 通常被称为有效态。有效态金属对人体 的危害严重， 因此准确测定土壤中的有效态金属具 有很重要的意义 ［5 ］。 对土壤中有效态重金属的提取方法已有很多研 究 ［6 ］， 使用的浸提剂主要有三类 弱 稀 酸类、 络合 剂类和中性盐类。我国环境保护行业标准规定 DTPA、 0． 1 mol/L 盐酸和水作为土壤中有效态金属 的提取剂 ［7 ］。文献［ 8］ 报道 0． 1 mol/L 盐酸提取效 果比 DTPA 好， 原因可能是各类提取剂本身的 pH 有较大差异， DTPA 放置一段时间后 pH 值有变小的 趋势， 而 0． 1 mol/L 盐酸的 pH 值没有变化， 比较稳 定; 另外， 其浸提机制也不同， DTPA 对土壤中重金 属的浸提机制可能主要是缓冲条件下的络合作用和 阳离子交换作用， 但是阳离子的浓度较低， 交换作用 较弱， 而盐酸主要是 H 的交换作用 ［9 ］。不论应用 哪一类提取剂获得的土壤中有效态金属的含量通常 很低， 而且浸出液中浸出的共存干扰组分多， 直接进 行仪器分析测定很困难。因此， 分离和富集技术用 于测定土壤中痕量有效态金属是非常必要的。已有 文献报道的分离富集方法主要有 共沉淀法、 液 － 液 萃取法、 离子交换色谱法、 吸附法、 液膜萃取法及固 相 萃 取 法 等 ［10 －12 ］。 浊 点 萃 取 法 cloud point extraction， 简称 CPE 是近年来出现的一种新兴的环 保型液 － 液萃取技术。它是以表面活性剂胶束水溶 液的溶解性和浊点现象为基础， 通过改变实验参数 而引发相分离， 将亲水性物质与疏水性物质分 离 ［13 ］。与传统的液 － 液萃取技术相比， 它最主要的 优点在于不使用有毒有害的有机溶剂， 适应绿色分 析技术的发展需要 ［14 ］。 钴是人体和动植物所必需的微量元素之一， 但 人体中钴含量过高或过低都会对健康造成危害， 对 土壤中有效态钴的研究十分必要。本文采用 0． 1 mol/L 盐酸对土壤中有效态钴进行浸提， 以甲基红 为络合剂， Triton X － 114 为非离子表面活性剂， 应 用浊点萃取技术与火焰原子吸收光谱联用的方法测 577 ChaoXing 定有效态钴含量， 通过研究影响浊点萃取的主要因 素， 建立了测量土壤中有效态钴的新方法。 1实验部分 1． 1仪器与主要试剂 日立 Z －8000 偏振塞曼原子吸收分光光谱仪、 钴空心阴极灯 日本日立公司 ， 工作条件为 采用 塞曼偏振效应扣背景， 测定波长 240． 7 nm， 灯电流 7． 5 mA， 狭缝宽度 0． 2 nm， 空气流量 1． 5 kg/cm2， 乙炔气流量 0． 2 kg/cm2。 RM － 220 超纯水仪 台湾艾柯公司 ; 79 － 1 磁力加热搅拌器 金坛市华峰仪器有限公司 ; PHS －3C型精密酸度计 上海大普仪器有限公司 ， E －331 型pH 复合电极; 电热板 浙江省嘉兴市新腾 电器厂 。 钴标准储备液 GBW 08613 1． 0 mg/mL 中国 计量科学研究院国家标准物质研究中心提供。 钴标准溶液 由钴标准储备液逐级稀释而得。 Na2CO3－ NaHCO3缓冲溶液 pH 10． 1 分别 移取 30 mL 0． 1 mol/L Na2CO3溶液和 20 mL 0． 1 mol/L NaHCO3溶 液 混 合 在 一 起， 混 匀， 即 得 到 Na2CO3－ NaHCO3缓冲溶液。 1． 0 g/L 甲基红 － 乙醇溶液 准确称取0． 1000 g 甲基红 固体 ， 用 60 乙醇溶解并定容至 100 mL 容量瓶中。 0． 1 mol/L 硝酸 － 乙醇溶液 8 mL 浓硝酸用乙 醇定容至 1000 mL。 52． 9 g/L Triton X － 114 溶液， 2 氨水， 0． 1 mol/L 盐酸。 实验用水均为二次去离子水， 其他试剂均为分 析纯及以上。 1． 2样品采集与前处理 土壤采自郑东新区、 郑州高新区规划绿地和四川 烟草地。将采集的土壤样品用四分法缩分， 缩分后的 土壤样品在自然状态下风干， 以陶瓷或玛瑙研钵轻轻 研压， 拣出大颗粒岩块、 根茎等杂物， 全部过 100 目分 样筛， 以备分析用。处理前研钵、 分样筛等工具要用 酒精清洗干净， 以免样品污染， 影响测定结果。 参照 LY/T 12601999［15 ］， 称取 2． 5 g 上述土 壤样品， 以土液比 1 ∶ 10 加入 0． 1 mol/L 盐酸， 混 匀， 恒温振荡 1． 5 h， 静置， 干过滤， 滤液转入 100 mL 容量瓶中保存， 即得到酸浸提土壤溶液。 1． 3土壤样品中钴总量的测定 参考国家标准 GB/T 171381997［16 ］消解土壤 样品， 然后将溶液转移至 10 mL 比色管中， 定容， 用原子吸收光谱法测定钴的总量。 1． 4浊点萃取方法 分别移取不同量的 Co 标准溶液和样品溶液于 10 mL 刻度离心管中， 加入 0． 9 mL 甲基红溶液， 摇 匀， 用 2氨水调至恰好由红色变为黄色， 然后依次 加入 1． 5 mL Na2CO3－ NaHCO3缓冲溶液 pH 10. 1 、 1. 2 mL Triton X －114， 最后用去离子水定容 至刻度， 摇匀后置于 80℃ 恒温水浴中加热 100 min 后取出， 迅速放入冰水浴中冷却， 使表面活性剂相成 为黏滞的浓缩相， 与水相有明显的分层， 倾倒出水 相， 在表面活性剂相中加入 0. 1 mol/L 硝酸 － 乙醇 溶液并定容至 1. 0 mL， 放入热水中 5 min， 取出混 匀， 用火焰原子吸收分光光谱仪测定。同时做空白 实验。 2结果与讨论 2． 1缓冲溶液用量及 pH 的选择 浊点萃取金属离子的关键步骤是形成金属螯合 物， 而 pH 值是影响金属螯合物形成的重要因素。 本文试验了不同 pH 值时钴的萃取效果， 如图 1 所 示。随着 pH 值的增大， 吸光度逐渐增大， 这是因为 在酸性条件下， 形成的螯合物很少。对两相中钴浓 度进行测定并计算分配系数 DM， 结果表明当 pH ＜8 时， DM＜7; 增大 pH 值， DM逐渐增大， 形成的螯合物 也趋于稳定; 当 pH 10. 1 时， 吸光度最大， DM达到 32; 继续增大 pH 值， 吸光度和 DM又下降。实验选 用 pH 10. 1 的 Na2CO3－ NaHCO3缓冲溶液。 图 1 pH 对吸光度的影响 Fig． 1Effect of pH on absorbance 试验了 pH 10. 1 的 Na2CO3－NaHCO3缓冲溶液 不同用量对 Co 吸光度的影响。随着缓冲溶液体积的 677 第 5 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2013 年 ChaoXing 增大， 吸光度逐渐增大; 在缓冲溶液体积达到 1. 5 mL 时， 吸光度达到最大值; 进一步增大缓冲溶液体积， 吸 光度变化较小。实验选用缓冲溶液用量为1. 5 mL。 2． 2络合剂浓度的选择 甲基红和 Co2 络合形成螯合物， 将 Co2 萃取到 有机相中， 达到富集的目的。由图 2 所示， 在甲基红 浓度为 0. 05 ～ 0. 08 g/L 时， Co 吸光度很低; 当甲基 红浓度增加至 0. 09 g/L 时， 吸光度达到最大; 继续 增大甲基红浓度， 吸光度明显下降。说明在甲基红 浓度为 0. 09 g/L 时， 形成稳定的络合物。实验选用 结合剂甲基红浓度为 0. 09 g/L。 图 2甲基红浓度对吸光度的影响 Fig． 2Effects of methyl red concentration on absorbance 2． 3表面活性剂 Triton X －114 浓度的选择 表面活性剂的浓度对浊点萃取效率和仪器的分 析测定都有一定的影响。表面活性剂浓度过大， 会 导致相分离时间延长， 并影响萃取后样品的处理; 表 面活性剂浓度过小， 会使相分离不完全， 萃取效率降 低。为了保证待测金属离子萃取完全， 提高萃取效 率和富集能力， 应选用适当浓度的表面活性剂。 图 3 是 Triton X － 114 浓度在 1. 06 ～ 9. 52 g/L 范围 内 对 Co 吸 光 度 的 影 响。 吸 光 度 随 着 Triton X －114浓度的增加， 呈增大趋势; Triton X － 114 浓度为 6. 35 g/L 时， 吸光度最大; Triton X －114 浓度大于 6. 35 g/L 时， 吸光度下降， 这是由于有机 相体积增大， 导致体系黏度增大， 吸光度下降。为了 保证最大萃取效率， 且提高测定的灵敏度， 实验选择 Triton X －114 浓度为 6. 35 g/L。 2． 4平衡温度和平衡时间的选择 试验了不同温度对钴萃取效率的影响， 结果见 图 4。当温度低于 80℃时， 吸光度随着温度的升高 而增大; 当温度达到 80℃ 时吸光度最大; 进一步提 图 3Triton X －114 浓度对吸光度的影响 Fig． 3Effects of Triton X- 114 concentration on absorbance 图 4平衡温度对吸光度的影响 Fig． 4Effects of equilibrium temperature on absorbance 高温度， 吸光度稍有下降， 可能是温度过高使金属螯 合物分解， 萃取效率变低。所以平衡温度选择 80℃。 分别选取 20、 40、 60、 80、 100、 120、 140、 160、 180 min 进行平衡时间试验， 当平衡时间超过80 min 时， 钴的吸光度基本达到一个平台。实验选择平衡时间 为 100 min。 2． 5共存离子的影响 试验了常见的阳离子和阴离子对钴萃取效率的 影响， 结果见表 1。大多数离子都不干扰钴的测定。 在 pH 10. 1 条件下， Fe3 、 Al3 、 Pb2 等阳离子在浓 度很高时会形成絮状沉淀， 冰水浴中冷却后， 悬浮在 表面活性剂相上层， 倾倒出水相时， 与水相一起和表 面活性剂相分开。即使与甲基红发生络合反应的低 浓度金属离子进入到表面活性剂相， 由于火焰原子 吸收光谱法的高选择性， 并不影响钴的测定。 2． 6标准曲线、 方法精密度和检出限 在上述选定的最佳实验条件下， 按照实验方法 配制 浓 度 为 0. 10、 0. 20、 0. 50、 1. 00、 1. 50、 2. 00 777 第 5 期杨琳， 等 浊点萃取 － 火焰原子吸收光谱法测定土壤中的有效态钴第 32 卷 ChaoXing μg/mL的钴标准溶液， 浊点萃取测定其吸光度， 测得 Co 的线性范围为 0. 10 ～ 2. 00 μg/mL， 线性回归方 程 A －9. 045 10 －4 0. 1454ρ， 线性相关系数 R 0. 9993。对 0. 50 μg/mL 钴标准溶液用本法富集后 进行 9 次测定， 得到相对标准偏差 RSD 为 3. 3。 表 1共存离子对钴测定的影响 Table 1Effects of foreign ions on the preconcentration and determination of Co 共存 离子 共存离子与 Co 的浓度比 回收率 / 共存 离子 共存离子与 Co 的浓度比 回收率 / K 1000106. 0Cr6 100100. 0 Na 50095．0Ni2 1092．0 Mg2 5090．0Fe3 5096．0 Pb2 1000108．0SO2 － 4 5000109．0 Ca2 500106．0I － 5000100．0 Cu2 300108．0Br － 5000102．0 Zn2 300104．0 NO － 3 500096．0 Ba2 500101．0Cl － 3000100．0 Al3 100110．0Cd2 5094．0 用本法对空白溶液富集后进行 9 次测定， 空白 溶液的标准偏差为 0. 01 μg/mL， 用空白溶液标准偏 差的 3 倍计算， 得到方法检出限为 0. 03 μg/mL。 2. 7实际土壤样品的有效态钴含量及回收率测定 采集郑州郑东新区、 高新区规划绿地、 四川烟草 地的土壤， 按照实验方法进行测定 n 3 并做加标 回收试验。表 2 结果表明， 样品的加标回收率在 94. 0 ～ 104. 0 范围内， 该方法的准确度较高， 结 果可靠。 表 2土壤样品中有效态钴的测定及回收率试验 Table 2Determination of available cobalt in soil samples and recovery tests 实际土壤样品 w Co / μgmL －1 加标量平均测定值 回收率/ 郑东新区规划绿地 00．13100．0 0． 500．63 郑州高新区规划绿地 0未检出104．0 0． 500．52 四川烟草地 1 00．12102．0 0． 500．63 四川烟草地 2 00．1494． 0 0． 500．61 3实际土壤样品中钴总量及有效态钴占 钴总量的比例 土壤中有效态钴占钴总量的比例结果见表 3 n 3 。各地土壤中有效态钴占钴总量的比例相 差较大。例如， 郑东新区规划绿地的钴总量并不高 7. 36 μg/g ， 但有效态钴占钴总量的比例最高是 58. 8， 而郑州高新区规划绿地的钴总量是 13. 71 μg/g， 有效态钴却未检出。有效态钴含量相近的郑 东新区规划绿地 有效态钴 4. 33 μg/g 和四川烟草 地 1 有效态钴4. 00 μg/g ， 由于钴总量相差较大导 致有效态钴的比例相差较大， 分别是 58. 8 和 22. 6。可见， 即使土壤中钴总量很高， 如果有效态 钴含量很低， 那么其活性及对人体的危害也就很低。 重金属污染土壤， 有效态含量更能反映污染的危害 程度， 更能直观地传递出重金属在土壤中的迁移能 力、 存在状态以及植物吸收的有效性等信息。 表 3土壤样品中钴总量及有效态钴占钴总量的比例 Table 3Total quantity of Co and available cobalt ratio in soil samples 实际土壤样品 w Co / μgg －1 钴总量有效态钴含量 有效态钴占 钴总量的比例/ 郑东新区规划绿地7. 364．3358．8 郑州高新区规划绿地13．71未检出－ 四川烟草地 117．714．00 22．6 四川烟草地 216．694．67 30．0 4结语 浊点萃取是一种绿色、 环保、 简便的分离富集技 术， 与火焰原子吸收光谱法联用， 克服了直接仪器分 析灵敏度较低的不足， 在金属离子的分离富集方面 应用广泛。本文利用甲基红络合 － 浊点萃取火焰原 子吸收光谱法测定土壤中有效态钴， 该方法准确度 较高， 精密度好， 结果可靠， 但是在更快速的分析测 定方面仍需进一步研究。通过测定发现不同地区土 壤中有效态钴占钴总量的比例差别很大， 钴对人体 的危害程度以有效态钴的含量进行评估更为合理。 5参考文献 ［ 1］Han H Y，Zhou J，Xu Y Y，Jia C L，Xia H． Determination of water- soluble and acid- soluble zinc in soils by flame atomic absorption spectrometry after cloud point extraction ［J］ ． Soil Science and Plant Analysis， 2012， 43 18 2389 －2399． 877 第 5 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2013 年 ChaoXing ［ 2］查立新， 马玲， 刘文长， 刘洪青， 陈波， 冯玲玲． 振荡提 取和超声提取用于土壤样品中元素形态分析［J］ ． 岩矿测试， 2011， 30 4 393 －399． ［ 3］Han H Y，Xu Y Y，Zhang C． Determination of available cadmium and lead in soil by flame atomic absorption spectrometry after cloud point extraction［ J］ ． Soil Science and Plant Analysis， 2011， 42 14 1739 －1751． ［ 4］尹君， 刘文菊， 谢建治， 肖崇彬． 土壤中有效态镉、 汞浸 提剂和浸提条件研究［J］ ． 河北农业大学学报， 2000， 23 20 25 －28． ［ 5］靳霞． 土壤中重金属有效态的联合测定及其植物修复 研究［ D］ ． 临汾 山西师范大学， 2012． ［ 6］王畅， 郭鹏然， 陈杭亭， 舒永红． 土壤和沉积物中重金 属生物可利用性的评估［J］ ． 岩矿测试， 2009， 28 2 108 －112． ［ 7］HJ/T 1662004， 土壤环境监测技术规范［ S］ ． ［ 8］李亮亮， 张大庚， 李天来， 依艳丽， 臧健， 胡睿． 土壤有 效态重金属提取剂选择的研究［J］ ． 土壤， 2008， 40 5 819 －823． ［ 9］熊礼明， 鲁如坤． 土壤有效 Cd 浸提剂对 Cd 的浸提机 制［ J］ ． 环境化学， 1992， 11 3 41 －47． ［ 10］ 梁沛， 李春香， 秦永超， 胡斌， 江祖成． 纳米二氧化钛 分离富集和 ICP － AES 测定水样中 Cr Ⅵ /Cr Ⅲ ［ J］ ． 分析科学学报， 2000， 16 4 300 －303． ［ 11］ Hosseini M S， Sarab A R R． Cr Ⅵ /Cr Ⅲ speciation in water samples by extractive separation using Amberlite CG 50 and final determination by FAAS ［J］ ． Inter- national Journal of Environmental Analytical Chemistry， 2007， 87 5 375 －385． ［ 12］Marques M J，Salvador A，Morales- Rubio A，de la Guardia M． Chromium speciation in liquid matrices A survey oftheliterature ［J］ ． FreseniusJournalof Analytical Chemistry， 2000， 367 7 601 －613． ［ 13］Balcerzak M，Swiecicka E． Determination of ruthenium and osmium in each other s presence in chloride solutionsbydirectandthirdorderderivative spectrophotometry［ J］ ． Talanta， 1996， 43 471 －478． ［ 14］Keith L H， Gron L U， Young J L． Green analytical ologies ［J］ ． Chemical Reviews， 2007， 107 6 2695 －2708． ［ 15］ LY/T 12601999， 森林土壤有效铜的测定［ S］ ． ［ 16］ GB/T 171381997， 土壤质量; 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available cobalt; cloud point extraction; Flame Atomic Absorption Spectrometry 977 第 5 期杨琳， 等 浊点萃取 － 火焰原子吸收光谱法测定土壤中的有效态钴第 32 卷 ChaoXing