金属络合效应对草酸HPLC分析的影响及消除

吴雨涵, 孙贤波, 徐宏勇

(华东理工大学资源与环境工程学院,国家环境保护化工过程环境风险评价与控制重点实验室,上海 200237)

摘要电镀废水中“金属-络合剂”带来的络合效应可能会降低高效液相色谱(HPLC)对络合剂分析的准确度。以镍-草酸为模式化合物,考察了络合效应对络合剂草酸HPLC分析的影响,发现质量浓度为200 mg/L的镍离子对草酸定性分析的影响较小,保留时间的变化幅度为1.0%;质量浓度为200 mg/L的镍离子对草酸定量分析的影响较大,峰面积的分析误差为 33.7%。采用氢氧化物沉淀法来消除络合效应,使得峰面积的变化幅度降为 1.7%,从而提高了电镀废水中草酸HPLC分析的准确度。

关键词络合效应; 草酸; HPLC; 破络

中图分类号X832.1

文献标志码:A

收稿日期2017-06-27

作者简介吴雨涵(1993-),女,江苏人,硕士生,研究方向为电镀络合物。

通信联系人孙贤波,E-mail:xbsun@ecust.edu.cn

文章编号1006-3080(2018)05-0715-04

DOI:10.14135/j.cnki.1006-3080.20170614001

Influence and Elimination of Metal Complexation on HPLC Analysis of Oxalic Acid

WU Yu-han,SUN Xian-bo,XU Hong-yong

(State Environmental Protection Key Laboratory of Environmental Risk Assessment and Control on Chemical Process,School of Resources and Environmental Engineering,East China University of Science and Technology,Shanghai200237,China)

Abstract:The conventional complexing agents in the electroplating wastewater include oxalic acid, ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), tartaric acid and citric acid. The precise determination of these complexing agents helps to select proper treatment method for electroplating wastewater. The HPLC method is advantaged by its qualitative analysis and quantitative analysis of the complexing agents in real wastewater due to its robust separation capability. However, the metal complexation probably causes the peak tailing, the new stray peaks and the change of the peak shape as well as the peak area, thus reduces the accuracy and the reliability of qualitative and quantitative analysis of the complexing agent by HPLC. The influence of metal complexation on the qualitative and quantitative analysis of the complexing agent was investigated by HPLC. Hydroxide precipitation was used as a pretreatment method to eliminate metal complexation and improve the analytical accuracy of the complexing agent. Nickel-oxalic acid was chosen as a model compound and the influence of metal complexation on HPLC analysis of oxalic acid was studied. TUV-visible spectrometry was applied to verify the impact of metal complexation on the HPLC analysis of oxalic acid. The experimental results showed that nickel ions had little impact on the qualitative analysis of oxalic acid, but had significant influence on the quantitative analysis of oxalic acid. All peaks were symmetrical and peak trailing was not observed. After adding 200 mg/L nickel ions, the retention time of oxalic acid varied only 1.0% while the variation of peak area reached 33.7%. In Summary, hydroxide precipitation eliminated the metal complexation effectively and enhanced the accuracy on HPLC analysis of oxalic acid. The variation of peak area was reduced to 1.7% as pH was adjusted to 9.0.

Key words:metal complexation effect; oxalic acid; HPLC; decomplexation

电镀废水中常用的络合剂包括草酸、乙二胺四乙酸二钠、酒石酸和柠檬酸等,准确测定这些物质的含量对于确定电镀废水的处理方法具有重要的意义。络合剂常用的分析方法有分光光度法[1-2]、高效液相色谱法(HPLC)[3-5]和离子色谱法[6-9]等,其中色谱法以其较强的分离能力,对实际废水的定性和定量分析具有一定的优势。然而色谱分析中的金属络合效应可能造成峰形严重拖尾,甚至形成新的杂峰,改变色谱峰形、峰面积,干扰其重现性,因而降低色谱法的定性和定量分析的准确度和可信度[10]

已有报道从基本现象上阐述了HPLC中的金属络合效应[10],但鲜见金属种类及数量与色谱峰峰形间的量效关系的研究,如何消除络合效应,提高色谱分析的准确度也鲜见报道。本文以镍-草酸作为模式化合物,考察了络合效应对络合剂草酸HPLC定性定量分析的影响,并利用全波长扫描的手段考察了络合效应对吸光度的影响。实际废水中金属络合物的预处理方法一般分为氢氧化物沉淀法、硫化物沉淀法和重金属捕集剂法[11-12]。本文对于色谱分析的预处理中,选择采用氢氧化物沉淀法以消除络合效应,从而提高了电镀废水中络合剂HPLC分析的准确度。

1 实验部分

1.1 材料与方法

试剂与仪器:甲醇(色谱纯),磷酸(分析纯),磷酸二氢铵(分析纯),六水合硫酸镍(分析纯),二水合草酸(分析纯),氢氧化钠(分析纯),去离子水。高效液相色谱仪(LC-20AT型,日本岛津公司):包括光电二极管阵列(PDA)检测器、色谱站;紫外可见光分光光度计(DR5000型,美国哈希公司);pH计(PB-10);离心机(TGL-16G);HJ-6磁力搅拌器;BT224 S电子天平;反渗透去离子纯水器(上海和泰公司);0.22 μm滤膜;5 mL针筒。

色谱条件:0.2%(质量分数)磷酸二氢铵溶液的pH为2.5~2.6,流速为1 mL/min,流动相甲醇与 0.2%(质量分数)磷酸二氢铵的体积比为2∶98,草酸溶液的pH为 2.5~2.6,C18柱(4.6 mm×250 mm×5 μm),检测波长为198 nm,柱温为25 ℃,二元泵,结束时间为20 min,最大压力为20 MPa,选择D2氘灯。

绘制标准曲线:在测定之前用磷酸将pH调至 2.5~2.6,进样前通过 0.22 μm的滤膜。配制100 mg/L的草酸标准溶液,稀释得到质量浓度分别为10、20、60、80、100 mg/L的草酸溶液,以质量浓度为横坐标,峰面积为纵坐标绘制标准曲线。

1.2 实验步骤

1.2.1 模拟电镀废水的配制 根据文献[13-14]选择模拟电镀废水中镍离子和草酸的质量浓度分别为200 mg/L和50 mg/L。稀释得到0、10、50、100、200 mg/L的镍离子和50 mg/L草酸的混合溶液,磷酸调节pH为 2.5~2.6,静置12 h使草酸和金属离子充分络合,得到最终待测的络合溶液。

1.2.2 紫外-可见光全波长扫描 辅以紫外-可见光全波长扫描,验证络合效应的机理,将络合溶液进行紫外-可见光全波长扫描,设置波长为190~800 nm,使用10 mm比色皿。

1.2.3 氢氧化物沉淀 根据草酸与镍离子的络合能力,选用氢氧化物沉淀法进行破络。根据镍的氢氧化物沉淀析出的pH范围,选取pH为8.0、9.0、10.0。

配制200 mg/L镍离子和50 mg/L草酸的混合溶液,用氢氧化钠溶液调节pH为 8.0、9.0、10.0。磁力搅拌1 h,离心取上清液,最后进入液相色谱仪测定草酸。

2 结果与讨论

2.1 镍离子对草酸HPLC分析的影响

图1示出了不同质量浓度的镍离子和草酸络合后的高效液相色谱图。由图1可知,镍离子对草酸溶液定性分析的影响较小。保留时间的平均值为 3.235 min,最大值为 3.253 min,最小值为 3.221 min,变化幅度为 1.0%。色谱峰的对称度较好且尖峰突出,峰强随着镍离子质量浓度的升高而逐渐增高,峰的起点和终点基本对应,未见峰形拖尾现象。保留时间的变化较小,可能是因为草酸和镍-草酸络合物与色谱柱的结合能力以及流动相的洗脱能力在本色谱条件下没有明显的差异,使得草酸的出峰较为规整。

镍离子对草酸溶液的定量分析有显著的影响。峰强的最大值约为 85.4×104mAU,最小值为 54.2×104mAU,不同质量浓度的镍离子所对应的峰强的变化幅度为 57.7%。随着镍离子质量浓度的增加,峰面积也随之增大,峰面积的最大值约为 10.98×106mAU·min,最小值约为 8.21×106mAU·min,增幅为 33.7%。镍离子对草酸HPLC的分析造成影响,是因为草酸在溶液中的形态由游离态变为络合态,络合物的存在增加了响应信号的强度[15]。随着金属离子质量浓度的增大,生成的络合物的质量浓度也随之增大,因而信号强度提升。

图1 镍-草酸的高效液相色谱图
Fig.1 HPLC chromatogram of nickel-oxalic acid

图2 镍离子和草酸的紫外-可见光全波长扫描
Fig.2 UV-visible light wavelength scanning of nickel ions and oxalic acid

2.2 紫外-可见光全波长扫描对络合效应的分析

图2示出了不同波长下镍离子和草酸络合后的紫外-可见光全波长扫描曲线。由图2可知,200 mg/L镍离子对50 mg/L草酸溶液的最大吸收波长基本无影响。吸收峰的顶峰突出,草酸的最大吸收波长为198 nm,镍离子和草酸络合后的最大吸收波长为204 nm,红移了6 nm,因此,镍离子对草酸的定性分析影响较小。

高效液相色谱仪测定草酸对应的检测波长是198 nm,而紫外-可见光全波长扫描后草酸的最大吸收波长也是198 nm,因此,紫外-可见光全波长扫描能够进一步验证络合效应对草酸HPLC分析的影响。

图3示出了不同质量浓度的镍离子和50 mg/L草酸溶液络合后经紫外-可见光全波长扫描的吸光度变化。由图2和图3可知,不同质量浓度的镍离子和草酸络合后紫外光谱吸收强度增大,吸光度发生了变化。随着镍离子质量浓度的增加,吸光度逐渐增大,由 0.844 增至 1.245,增加了 47.5%。因此,镍离子对草酸定量分析的影响较大。这与HPLC得到的分析结果一致,因此紫外扫描能够证明镍离子对草酸HPLC定量分析的影响,与冯钰锜等[16]研究金属离子与有机络合剂形成的络合物在紫外或可见区产生特征吸收峰的结论一致。

图3 不同质量浓度镍离子与草酸络合后的吸光度变化
Fig.3 Changes in the absorbance of different mass concentrations of nickel ions and oxalic acid

2.3 金属络合效应的消除

对于200 mg/L镍离子和50 mg/L草酸络合后带来的络合效应,采取氢氧化物沉淀作为预处理方法,用氢氧化钠调节pH分别为 8.0、9.0、10.0。表1示出了预处理后的保留时间和峰强。由表1可知,预处理后的峰强均小于络合态草酸的峰强,且与纯草酸的峰强较为接近,说明氢氧化物沉淀法能够达到破络的目的,使得草酸能够被HPLC正确识别。pH为 9.0 和 10.0 时对应的峰强分别为 48.4×104mAU和 48.8×104mAU,与纯草酸的峰强比较接近,因此该pH下更有利于消除络合效应。达世禄等[17]研究也发现HPLC对铜-羧酸络合物的检测灵敏度随pH的升高而升高,有利于络合剂的准确测定。

当pH为9.0时,对应的峰面积为 8.36×106mAU·min,此时的峰面积与纯草酸的峰面积较为接近,说明该pH下可以达到理想的破络效果,为草酸HPLC分析的准确度提供依据。在不同pH下,保留时间的变化范围为 3.194~3.253 min,说明预处理方法对草酸的定性没有影响。当pH为 9.0 时,峰面积降为 8.36×106mAU·min,与络合态草酸的 10.98×106mAU·min和纯草酸的 8.21×106mAU·min比较,将峰面积的分析误差(E)由 33.7% 降为 1.7%,E的表达式为

(1)

其中:E为分析误差;Pi为络合态草酸或预处理后草酸的峰面积;P0为纯草酸的峰面积。聂磊等[18]利用高效液相色谱法测定铜离子和EDTA生成的络合物时,发现不同浓度铜离子的加入会导致峰面积发生一定的变化,产生了分析误差。

1 预处理后的保留时间和峰强

Table1 Retention time and peak intensity after pretreatment

ItemRetention time/minPeak intensity/104 mAUPeak area/(106 mAU·min)Oxalic acid in complex state3.25385.410.98Pretreated (pH=8.0)3.19453.69.19Pretreated (pH=9.0)3.22248.48.36Pretreated (pH=10.0)3.22848.88.39Pure oxalic acid3.23254.28.21

图4 预处理后的紫外-可见光全光谱扫描
Fig.4 UV-invisible light wavelength scanning after pretreatment

图4示出了预处理后的紫外-可见光全波长扫描曲线。由图4可知,当pH为 8.0、9.0、10.0 时,对应的吸光度分别为 1.138、1.015、0.996,处于络合态草酸和纯草酸的吸光度之间,说明氢氧化钠沉淀法能够有效破络。其中,pH为 9.0 和 10.0 对应的吸光度较为接近,说明这两种pH下对络合物的破络效果相同。图4和表1得到的结论一致,因此,氢氧化物沉淀法能够显著减少镍离子对草酸HPLC分析的影响。

3 结 论

本文采用高效液相色谱并辅以紫外-可见光全波长扫描研究了金属络合效应对草酸HPLC分析的影响,并利用氢氧化物沉淀法消除了金属络合效应。

(1) 通过高效液相色谱对镍-草酸的定性分析,镍离子对草酸定性分析的影响较小,保留时间的变化幅度约为 1.0%。

(2) 通过高效液相色谱对镍-草酸的定量分析,镍离子对草酸定量分析的影响较大,峰面积的变化幅度约为 33.7%。

(3) 氢氧化物沉淀法对于镍-草酸的破络是有效的,当pH为 9.0 时能够将峰面积的分析误差降为 1.7%。

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