电感耦合等离子体质谱法对含气天然矿泉水中铬元素的测定研究

电感耦合等离子体质谱法
对含气天然矿泉水中铬元素的测定研究杨雪(黑龙江省地质矿产测试应用研究所，黑龙江哈尔滨150010)
摘要:本文研究了电感耦合等离子体质谱法对含气天然矿泉水中铬元素的测定，希望能够为相关的研究者提供一定的参考依据。

关键词:电感耦合；离子体质谱法；含气天然矿泉水；铬元素含气天然矿泉水有浓度较高的CO2和HCO3-在其中，用电感耦合等离子体光谱测定Cr的浓度时，浓度较低。

而测定时使用到电感耦合等离子体质谱，又易产生40Ar12C多原子离子，从而干扰到52Cr的测定，这样电感耦合等离子体质谱就无法有效地对矿泉水当中Cr元素进行测定。

本文将水样煮沸加热两分钟之后，将其晾至室温，并将硝酸加入到其中调节到5%的水样酸度，促使H+同HCO3-进行反应，并使其迅速地将生成的CO2产物释放出来，从而将40Ar12C对52Cr形成的质谱干扰消除，继而让电感耦合等离子体质谱更准确且直接地对Cr的含量进行测定。

这一方法既实用又简单，准确度以及精确度能够使天然矿泉水的测试要求和分析要求得以满足，同时，使用这一方法还可对一些痕量元素进行测定，包括铅和铜以及锌等元素。

1概述铬
生物体所必须的一种微量元素即铬，一般以两种状态存在于环境当中，包括六价铬和三价铬。

人体需要的一种微量生理的活性元素即三价铬，其对于人体健康的作用极其重大，但三价铬有较高的化合物浓度，有一定的毒性。

当三价铬的浓度为1mg／L时，会显著的增加水的浊度。

而六价铬是一种强氧化剂，极易腐蚀以及刺激黏膜以及皮肤，可视为致癌物。

当六价铬的浓度为1mg／L时，水为淡黄色且伴有涩味，六价铬的毒性是三价铬的一百倍，但因六价铬极不稳定，在pH值正常的饮用水当中可实现三价铬的转化。

国家饮用水相关的标准明确规定，铬的含量应比0.01mg／L低。

所以十分有必要分析铬的测定水样方法。

当前测定水样Cr有几种方法，包括离子色谱法和火焰原子吸收光谱法等等，这几种方法有较为繁琐的流程，且有着较高的检出限。

由于电感耦合等离子体质谱法随着时代的发展而发展，许多的样品在分析以及测定时开始借助这一仪器。

但在具体的测定时，还会产生较多的干扰，包括双电荷例子干扰和多原子离子干扰以及同质异位素的干扰，对基体样品的精确测定和分析产生了极其严重的影响，而其中最为严重的一种干扰类型即多原子离子干扰。

比方说，在分析浓度较高的CO2和HCO3-时水样时，使用电感耦合等离子体质谱测定，所产生的多原子离子会干扰到Cr元素的测定，因此要想更有效地测定Cr 元素，就得将干扰消除，一般会对色谱自动分离富集以及沉淀过滤分离基体的方法进行采用。

但由于这两种方法有着极其繁琐的处理流程，而且会引起环境问题，所以不予提倡。

本文提出了一种煮沸和加热含气天然矿泉水，晾至室温室温之后，将硝酸加入其中，通过酸化逸出浓度高的CO2和HCO3-，从而将40Ar12C对52Cr的干扰消除，继而让电感耦合等离子体质谱更准确且直接测定Cr的含量的方法[1]。

2实验部分
（1）仪器
美国公司所生产的电感耦合等离子体质谱仪。

(2)标准溶液
Pb、Cd、Ni、As、Cu、Cr标准溶液，稀释1.00mg/mL直到20ng/ mL。

内标Re、Rh混合溶液为10μg/L，5%硝酸为介质，还应准备高纯水以及硝酸[2]。

(3)水样前的电感耦合等离子体质谱测定
选取两组含气天然矿泉水的水样，将硝酸加入到其中，分别为5%和2%的水样酸度。

样品几大成分发生以下反应：HCO3-+H+=H2O+CO2↑
CaCO3+2H+=Ca2++H2O+CO2↑
基于以上反应，将加入的酸量确定下来，并煮沸和加热样品，从而将H+同HCO3-的干扰消除，以下就是操作的步骤。

第一组为原水。

应用电感耦合等离子体质直接测定水样；将硝酸加入到水样当中，调制酸度为5%，应用电感耦合等离子体质测定；将硝酸加入到水样当中，调制酸度为2%，应用电感耦合等离子体质测定。

第二组原水煮沸加热。

应用电感耦合等离子体质直接测定水样；将硝酸加入到水样当中，调制酸度为5%，应用电感耦合等离子体质测定；将硝酸加入到水样当中，调制酸度为2%，应用电感耦合等离子体质测定，与此同时对5%酸度的硝酸样品空白进行测定[3]。

3讨论
含气天然矿泉水当中不仅有较多的CO2和HCO3-，水样中还有一些其他成分，包括Ca2+:342mg·L-1、Cl-:33.7mg·L-1、K+: 6.32mg·L-1、Mg2+:94.5mg·L-1、Na+:102mg·L-1等等。

在实际的感耦合等离子体质谱分析时，我们发现40Ar12C对会对Cr形成质谱干扰，从而不能准确测量Cr，为了消除干扰，本文进行了水样处理[4]。

(1)Cr含量受样品放置时间的影响
因水样当中的CO2和HCO3-不稳定，当放置的时间越长时，Cr的含量就会逐步地降低，而这样Cr就不会受到40Ar12C太大的
影响，更利于精确的测量Cr[5]。

(2)浓度不同的硝酸加入到原水样中不同放置时间给Cr的影响
将硝酸加入到水样当中，会有HCO3-+H+=H2O+CO2↑反应产生，在水中的CO2极不稳定。

实践可知，原水样没有加入硝酸，随着时间变化，Cr含量会慢慢降低。

而将硝酸加入其中，让酸度分别为5%和2%，随着放置时间变化，Cr含量会迅速的降低，从而快速的降低CO2和HCO3-的含量，降低40Ar12C带给Cr的干扰[6]。

(3)煮沸水样并将硝酸加入其中给Cr测定带来的影响
根据第二组处理水样的方法，煮沸水样之后晾至到室温，将浓度不同的硝酸加入到其中，放置不一样时间，分析给Cr测
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定带来的影响。

煮沸水样之后，将浓度不同的硝酸加入到其
中，会有以下反应产生：
HCO 3-（加热）→H 2O+CO 2↑HCO 3-+H +=H 2O+CO 2↑CO 2在水中极其不稳定，HCO 3-含量以极快的速度降低。

通过实验可知，加热和煮沸水样之后将硝酸加入到其中，会快速的释放出大量的CO 2，降低Cr 含量。

放置一个小时之后Cr 的浓度大约是2ng/mL ，放置两个小时之后，Cr 的浓度仍然是2ng/mL 。

这可看出，一个小时之后Cr 的浓度只会发生极小幅度的变化。

对5%和2%浓度的硝酸进行采用，随着时间的变化Cr 的含量同样保持一致的趋势。

而煮沸加热之后，随着时间变化，没有加入硝酸的原水样当中元素Cr 变化仍极其缓慢。

从这可看出，煮沸样品并且将硝酸加入到其中，更可有效地降低CO 2和HCO 3-含量，从而消除40Ar 12C 带给Cr 的干扰。

由于5%硝酸为电感耦合等离子体质谱侧定的内标介质，因此实验样品检测酸度
为5%硝酸[7]。

(4)方法检出限
以空白溶液连续地侧定，对标准偏差进行计算，用10倍标准偏差计算元素Cr 元素方法检出限为0.23ng ／mL 。

(5)加标回收率煮沸水样之后，晾至到室温，将5%硝酸加入到其中，放置时间为一小时，准备三份20mL 的溶液，对Cr 含量进行侧定。

实验得出，加标回收率保持在92.3%-93.7%间[8]。

4结语
通过把含气天然矿泉水的水样煮沸加热两分钟，并将其晾至室温，之后再把硝酸加入到其中调节到5%的水样酸度。

实验结果证明，这样的方式能够有效将40Ar 12C 对Cr 形成的质谱干
扰消除，从而让电感耦合等离子体质谱更直接地对Cr 的含量进
行分析和测量。

参考文献:
[1]弥海鹏,朱宏明,李根容等.微波消解ICP-MS 测定铝塑包
装材料中的Pb,Cr,Cd 和As 含量[J].光谱学与光谱分析,2017,37(2):646-650.
[2]李力,吴志英,朱风鹏等.密闭微波消解-电感耦合等离子体质谱法测定烟用香精中多种微量元素[J].光谱学与光谱分析,2010,30(12):3413-3416.
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[7]周聪,赵敏,袁宏球等.水果、蔬菜及耕地土壤铅、镉、铬检测质量控制关键技术研究与应用[J].中国科技成果,2017,18(5):70,80.
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3.2组分平衡
工作人员要想确保整个精馏分离操作过程的持续稳定性，不仅仅要保证进出塔物料量的一致性，还必须关注到易挥发和难挥发组分之间平衡关系。

只有维持进出塔的物料量和组分都相等，才能够有效保障精馏塔内物料组成保持在一个相对稳定的范围之内。

组分平衡关系可以用公式Fx F =Dx D +Wx W 来表示。

其中Fx F 代表的是原料液中易挥发组分含量，Dx D 代表的是馏出液中易挥发组分含量，Wx W 代表的是塔釜液中易挥发组分含量
3.3热量平衡
精馏塔塔内的热量平衡关系可以表示为：进塔物料所蕴含的内能加上再沸器中输入能量应该与精馏塔顶部冷凝器的换热量，精馏塔顶部采出液与塔釜采出液的内能之和相同，如果差距过大，就会导致精馏过程停止运行操作。

倘若是输入热量大于输出热量，就会造成精馏塔底难挥发组分大量进入到产品中[3]
，最终得到的产品质量偏差；倘若是输入热量严重不足，则又会造成易挥发组分不能得到充分热量，致使大量原料的浪费。

4双组分混合液的精馏操作
双组分混合液分离是在化工领域最为常见的精馏操作，在实践操作过程中所涉及到核心设备连续精馏装置，该装置构件主要有精馏塔、再沸器以及冷凝器等。

其中，精馏塔的作用是供气液互相接触进行相际传质；在精馏塔底部的再沸器作用是促使液体部分发生汽化，蒸汽随着塔板慢慢上升，剩余下来的液体成为塔底产品；在精馏塔顶部的冷凝器作用是促使蒸汽得到部分冷凝，部分冷凝液作为回流液流入到塔底，剩余的馏出液成为塔顶产品。

进入精馏塔中的液体与上塔段来的液体共同顺着塔板慢慢往下降落，同时进料中的蒸汽则会随着下塔段
来的蒸汽共同沿着塔板往上升。

在精馏塔设备内，蒸汽与液体两者之间会进行逆流接触，从而发生相际传质。

此时，液相中的易挥发组分会成功进入到气相中，而气相中的难挥发组分则会成功进入到液相中。

工作人员要不断加强对精馏装置的优化设计工作，这样才能够确保馏出液成为高纯度的易挥发组分，塔釜液成为高纯度的难挥发组分。

精馏塔内的两段操作操作结合，促使双组分混合液的两个组分较完全的分离，最后顺利生产出企业需求的相关产品，帮助企业创造出更多的经济效益和社会效益。

5结语
综上所述，工业产业要不断加强对精馏技术的深入研究开发工作，要想最大程度提升精馏传质效率，就必须积极开发出新型高效塔板和填料。

基于科学的传质理论知识下，相关工作人员要建立更加精确完善的传质模型，用来全面描述气液传质的过程。

只有在众多技术研究人员共同努力下，才能够促进我国精馏技术的稳定持续发展进步。

参考文献:
[1]任海伦,安登超,朱桃月,李海龙,李鑫钢.精馏技术研究进
展与工业应用[J].化工进展,2016(35):121-123.
[2]李港桥.工业技术中的精馏原理探究[J].产业与科技论坛,2014(05):142-145.
[3]于光认，陈晓春，刘辉，刘时伟．工业湍动流化床反应器内流体力学行为的模型化研究[J].北京化工大学学报(自然科学版),2014(02):35-36.
作者简介：张世明（1996.2-），男，汉族，河南郑州人，河南科技学院新科学院化学工程与工艺系2014级本科在读，研究方向：化学工艺、化工原理。