柱后衍生-离子色谱法测定土壤和沉积物中的六价铬

吴小龙 陈琴放* 符式锦 周女琬 陈京成

(1.海南省生态环境监测中心，海口 570206；2.广州谱临晟科技有限公司，广州 510000)

六价铬是指以Cr6+形态存在的金属铬，通常以CrO42-、Cr2O72-两种阴离子形式被吸附于土壤和沉积物中。在各种价态的铬化合物中，六价铬的毒性最大且土壤对其吸附能力较弱，迁移性强，导致其易对环境造成污染[1]。六价铬主要来源于工业生产过程，例如毛皮鞣制及制品加工、含铬矿石的加工、金属塑料电镀、印染、印刷等行业排放的污水中均含有六价铬化合物[2]。这些污水中的六价铬流入地表水会污染水源，渗入地下则会污染土壤以及地下水，从而对环境和生物造成严重威胁[3-4]。此外，在我国，六价铬已被规定为总量控制指标之一，在国家发布的《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准(试行))》(GB 36600—2018)[5]中明确规定了土壤中六价铬的限值。因此，使用简便的方法对土壤和沉积物中六价铬进行准确测定具有重大意义。

目前，测定土壤和沉积物中的六价铬需要先使用碱性提取液进行预处理，通过打开土壤基体中的钙硅结构，提取出六价铬，从而得到待测溶液，然后再用分光光度法(如二苯碳酰二肼分光光度法)[6]、离子色谱法[7]、原子吸收光谱法[8-10]、电感耦合等离子体发射光谱法[11]、电感耦合等离子体质谱法[12]。此外，六价铬的测定还可以使用相关的联用技术如离子色谱-电感耦合等离子体质谱法[13]、液相色谱-电感耦合等离子体质谱法[14]等方法进行测定。这些方法中，分光光度法的准确度受试样色度影响大，导致应用范围小；电感耦合等离子体质谱法和联用技术仪器价格昂贵，运行成本高。本文采用的柱后衍生离子色谱法相较于其他测定方法来说，成本较低，仪器测定六价铬不受试样色度、盐分、pH值及三价铬影响。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

配有双离子色谱泵和TLD检测器的超痕量六价铬分析仪(IC-UV/VIS)，保护柱((4.1 mm×50 mm)及Prin-Cen Cr(VI) Spec Fast Column(4.1 mm×50 mm)色谱柱(广州谱临晟科技有限公司)；超纯水仪(台湾艾科普有限公司)，pH 计(梅特勒-托利多仪器有限公司)，分析天平(上海天平仪器厂)，搅拌加热装置(常州普天仪器制造有限公司)，真空抽滤装置(天津津腾实验设备有限公司)，高速离心机(赛默飞科技有限公司)，超声清洗仪(昆山市超声仪器有限公司)。

MgCl、NH3·H2O、Na2CO3、NaOH、浓硫酸、二苯碳酰二肼、K2HPO4、KH2PO4均为分析纯试剂，HNO3(优级纯)，CH3OH(色谱纯，美国霍尼韦尔贸易有限公司)，K2Cr2O7基准试剂(纯度99.8%，使用前在105 ℃干燥箱中烘2 h后保存于干燥器内，备用)。

聚碳酸酯滤膜(0.45 μm)，尼龙筛(0.15 mm，100目)，聚乙烯薄膜。

1.2 试剂配制

K2HPO4-KH2PO4缓冲溶液(pH=7)：称取87.1 g K2HPO4和68.0 g KH2PO4溶于超纯水中，稀释定容至1 000 mL容量瓶中，摇匀。

碱性提取溶液：称取30 g Na2CO3与20 g NaOH溶于超纯水中，稀释定容至1 000 mL容量瓶中，摇匀储存于聚乙烯瓶中并密封待用。

衍生化试剂：先称取0.80 g二苯碳酰二肼，溶解于100 mL甲醇中，再将28 mL浓硫酸缓缓加入500 mL超纯水中，混匀后冷却至室温。然后将二苯碳酰二肼甲醇溶液转至硫酸水溶液中，加超纯水稀释定容至1 000 mL容量瓶中，摇匀后转移至衍生试剂瓶，用氩气(纯度≥99.99%)或超声脱气5～10 min，再将该溶液于1～4 ℃下避光保存，5 d内使用。

淋洗液：准确移取4 mL HNO3和4 mL NH3·H2O，加入到900 mL超纯水中，混匀并分析其pH值(若溶液的pH值不在7.5±0.5范围内，则使用氨水溶液或硝酸溶液调节)，最后将其转移至1 000 mL容量瓶中，用超纯水稀释至刻度，充分混合(使用前超声10 min)。

1.3 实验方法

1.3.1 样品采集

按照《土壤环境监测技术规范》(HJ/T 166—2004)和《建设用地土壤污染风险管控和修复监测技术导则》(HJ 25.2—2019)的相关要求进行土壤样品的采集和保存，按照《地表水和污水监测技术规范》(HJ/T 91—2002)、《水质采样技术指导》(HJ 494—2009)及《水质采样方案设计技术规定》(HJ 495—2009)的相关要求进行水质样品的采集和保存，按照“海洋监测规范第三部分：样品采集、贮存与运输”(GB 17378.3—2007)的相关要求进行沉积物样品的采集和保存。样品的采集与保存均未使用金属制品储存器；按照《土壤环境监测技术规范》(HJ/T 166—2004)，将采集的样品在实验室中风干、破碎、过尼龙筛，保存。

1.3.2 样品预处理

准确称取5.0 g(精确至0.000 1 g)经制备的样品置于250 mL烧杯中，加入50.0 mL碱性提取溶液，再加入400 mg氯化镁和0.5 mL磷酸氢二钾-磷酸二氢钾缓冲溶液，放入搅拌子，用聚乙烯薄膜封口，置于搅拌加热装置上，常温下搅拌样品5 min后，开启加热装置，加热搅拌，保持60 min。取下烧杯，冷却至室温。用滤膜抽滤，将滤液转移至100 mL容量瓶中，用超纯水定容至刻度线，摇匀，稀释10倍待超痕量六价铬分析仪检测(空白试样的制备除了不加样品其余步骤与预处理步骤相同)。

1.3.3 水分的测定

按照“土壤干物质和水分的测定重量法”(HJ 613—2011)测定经制备的土壤样品的干物质含量，按照“海洋监测规范第五部分：沉积物分析”(GB 17378.5—2007)测定经制备的沉积物样品的干物质含量。

1.3.4 超痕量六价铬测定

超痕量六价铬分析仪按照表1中的仪器参数设置测定条件，并以此作为绘制工作曲线以及实际样品预处理后消解液的测定条件。

表1 超痕量六价铬分析仪工作条件Table 1 Working conditions of the ultra-trace hexavalent chromium analyzer

1.3.5 工作曲线的绘制

准确称取一定量的K2Cr2O7基准试剂，用少量超纯水溶解后，转移至容量瓶中，经稀释定容摇匀后，得到质量浓度为10 mg/L六价铬标准溶液。分别吸取0、0.05、0.20、0.50、1.00、2.00、5.00、10.0 mL六价铬标准溶液，置于250 mL烧杯中，按照样品预处理的步骤制备溶液浓度为0、5.0、20.0、50.0、100、200、500、1 000 μg/L的标准系列溶液。然后以空白试样调仪器零点，按照仪器参数，由低浓度到高浓度依次进样测定，并以目标化合物的质量浓度(μg/L)为横坐标，以其对应的峰面积或峰高为纵坐标建立工作曲线。所绘制的工作曲线线性方程为：y=18398.1467x+7581.6100(r=1.0000)。

2 结果与讨论

2.1 碱性提取液pH值的优化

《土壤和沉积物 六价铬的测定 碱溶液提取-火焰原子吸收分光光度法》(HJ 1082—2019)中提到碱性提取液的pH值对六价铬的提取效率有较大影响，进而会影响到六价铬测定的准确度。在其他实验条件不变的情况下，通过使用土壤六价铬质控样GBW(E)070255来考察提取液pH值的变化对测定六价铬的实际影响，结果如图1所示。当提取液的pH值小于11.5时，六价铬测定值随着pH值的增大而接近土壤六价铬质控样的标准值(68±7) mg/kg；当提取液的pH值等于11.5时，六价铬的测定值已经在标准值的可接受范围内；当提取液的pH值大于11.5时，六价铬的测定值受pH值变化的影响不大，趋于平稳。因此，选定的提取液pH值为11.5。

图1 提取液pH值优化Figure 1 pH value of the extraction solution optimization.

2.2 提取温度的优化

使用土壤六价铬质控样GBW(E)070255进行不同提取温度下的对比实验，从而确定合适的提取温度。由图2结果可知，提取温度在90～95 ℃时，六价铬的测定结果与样品的标准值非常接近；当提取温度低于90 ℃时，因样品消解不完全，六价铬的提取效率低导致测定结果偏低；当提取温度高于95 ℃时，提取液会沸腾溅出造成损失，导致测定结果偏低，影响结果准确性。故所选定的提取温度为90～95 ℃。

图2 提取温度优化Figure 2 Extraction temperature optimization.

2.3 提取时间的优化

在其他条件不变的情况下研究提取时间对六价铬测定结果的影响，选择不同的提取时间对土壤六价铬质控样GBW(E)070255进行实验。由图3可知，当提取时间小于60 min时，由于提取时间短，样品中的六价铬不足以完全溶出，故测定结果偏低；当提取时间延长至60 min时，六价铬测定值与在标准值的可接受范围内；当提取时间大于60 min时，提取时间的延长对六价铬测定值几乎没有影响。考虑到时间效率和能源成本，选择60 min作为提取时间。

图3 提取时间优化Figure 3 Extraction time optimization.

2.4 氯化镁加入量的优化

美国环境保护署发布的《EPA Method 3060A Alkaline Digestion for Hexavalent Chromium》中提到想要消除样品中三价铬对六价铬测定时的干扰，可以利用氯化镁和磷酸氢二钾-磷酸二氢钾缓冲溶液抑制铬提取过程中三价铬氧化反应的特性来达到目的。为了找到六价铬提取过程中合适的氯化镁加入量，使用六价铬质控样GBW(E)070254(标准值为7.1 mg/kg±0.7 mg/kg)为基体并加入100 μg三价铬进行了一系列的实验。在其他实验条件不变的情况下，改变氯化镁的用量，依次为100、200、300、400、500和600 mg，结果如图4所示。结果表明：当氯化镁加入量小于400 mg时，由于氯化镁的使用量过少不足以抑制铬提取过程中三价铬的氧化对六价铬测定的影响，所以样品测定值及回收率均偏高，但随着氯化镁的用量增加，氯化镁对三价铬的氧化反应抑制能力逐渐增强，导致样品测定值及回收率逐渐降低；当氯化镁加入量为400 mg时，六价铬测定值与标样的标准值相当且回收率为98.6%；当氯化镁加入量大于400 mg时，即使氯化镁的用量增加，测定结果也基本保持稳定。因此，确定氯化镁的加入量为400 mg。

图4 氯化镁加入量的优化Figure 4 Magnesium chloride optimization dosage.

2.5 三价铬干扰实验

将两种土壤样品和沉积物样品按照优化好的预处理步骤处理后，进行三价铬的干扰实验，考察三价铬的添加对试样中六价铬测定值的影响，结果见表2。由实验数据可知，样品中添加的三价铬对六价铬的测定没有影响，说明三价铬在本方法确定的碱溶液提取条件下不会溶出，从而不会干扰六价铬的测定。

表2 三价铬的干扰实验Table 2 The interference experiment of trivalent chromium

2.6 pH值调节后进样与直接进样比对

《土壤和沉积物 六价铬的测定 碱溶液提取-火焰原子吸收分光光度法》(HJ 1082—2019)中提到由于强碱性溶液会对仪器造成损害，所以试样在进样分析前需要调节pH值至7.5±0.5。由于本研究使用的超痕量六价铬分析仪对试样的pH值要求不高，所以碱性待测试样可以不需pH值调节，直接进入仪器测定六价铬。对沉积物和土壤的实际样品进行实验，经pH值调节后进样和直接进样的测定结果对比来探究两种进样方式对六价铬测定的影响，结果如表3所示。经过5次平行测定以及t检验，得知两组结果的t值分别为0.938和1.450,均小于t0.05(8)=2.31。说明两种进样方式对六价铬测定值无显著差异，试样可以不经pH值调节，直接进入超痕量六价铬分析仪测定六价铬，避免了火焰原子吸收光谱法中所必需的调节pH值过程，从而避免导致沉淀现象的产生以及后续相应的过滤等繁琐步骤，也避免了试样中因六价铬含量的损失而对测定准确度的影响。

表3 进样前处理方式对比实验Table 3 The comparison experiment of treatment methods before injection /(mg·kg-1)

2.7 方法检出限

根据“环境监测分析方法标准修订技术导则”(HJ 168—2020)中对测定检出限的要求以及仪器的灵敏度进行检出限的测定。选择的检出限的测定质量浓度为0.70 μg/L，先按照样品的预处理步骤处理样品，然后配制7份浓度均为0.70 μg/L的待测样品并上机测定。经仪器分析可知，方法的检出限为0.02 mg/kg，测定下限则为0.08 mg/kg。

2.8 精密度实验

精密度实验是通过采用两种沉积物，两种土壤样品及测定下限附近浓度的空白加标样品进行的，经6次平行测定后所得数据见表4。由表4可知，六价铬测定值得相对标准偏差在2.3%～11.0%，表明本方法具有较好的精密度。

表4 精密度统计数据Table 4 The test results of relative standard deviation(n=6)

2.9 方法的准确度实验

首先对六价铬标准土壤样品GBW(E)070254及GBW(E)070255进行6次平行测定，由表5可知测定的相对误差为0和-3.5%，测定平均值与标准值接近且均在可接受范围内；其次，分别对两种土壤样品和两种沉积物样品，通过加入一定量的重铬酸钾基准物质来进行加标回收实验。表6中的实验数据显示，样品的加标回收率在84.0%～94.0%，表明本方法准确度良好。

表5 土壤标准样品测定结果Table 5 Determination results of soil reference materials

表6 加标回收实验结果Table 6 Test results of recovery

2.10 方法比较

使用沉积物2和土壤2两种实际样品，分别按照本方法和国家环境保护标准HJ 1082—2019进行比对实验，表7中列出了5次平行测定的结果，并进行t检验，经计算得知两组t值分别为0.877及1.507,均小于t0.05(8)=2.31，表明两种方法测定六价铬结果无显著差异。

表7 本方法与HJ 1082—2019方法检测结果的对比Table 7 Comparison for the determination of the method with HJ 1082—2019(n=5) /(mg·kg-1)

3 结论

建立了一种能准确、高效地检测土壤和沉积物中六价铬的柱后衍生-离子色谱法，该方法检出限为0.028 2 mg/kg。通过实验结果可知，实际土壤和沉积物样品中的加标回收率为84.0%～94.0%，相对标准偏差为2.3%～11.0%。此外，本方法与火焰原子吸收分光光度法相比，样品中的盐分、酸碱度以及三价铬的存在不会影响仪器对六价铬定量分析，并且该方法操作简便，灵敏度高、精密度好、准确度高和稳定性强，能满足《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 36600—2018)中的六价铬的限值测试要求，对测定土壤和沉积物中的六价铬有很好的应用前景。