高效液相色谱法同时测定钢中的钨钼Word下载.docx
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目前已广泛应用于环境保护、食品卫生、医药医疗、生命科学、地质、化工、冶金等领域中。
二.钨、钼同时测定方法
研究钨、钼同时测定方法的报道很多,综合如下:
方法
测定范围(%)
检测限
优点
缺点
参考文献
分光光度法
0.05~1
应用范围广
选择性差
[2][3][4][5]
光谱法
AAS
>
0.01
检测限低
线性范围窄
[6]
AES
0.05~2.0
选择性好、灵敏度高、精度高
存在样品匹配和谱线干扰的问题
[7]
ICP-AES
多元素同时测定、线性范围宽
[8]
XRF
主量、痕量
线性范围宽
[9]
质谱法
0.0001
灵敏度高、谱线简单
同测困难
[10]
色谱法
多元素同时测定
[11][12]
极谱法
0.001
灵敏度高、相互允许量高
钨波有干扰
[13]
动力学法
灵敏度高
实验工作量大
[14]
重量法
高含量
结果准确
操作繁琐
[15]
三.实验部分
1.实验方案
本实验选用钛铁试剂与钨、钼-进行柱前衍生,然后在C18色谱柱上分离,紫外-可见分光光度计检测。
选用甲醇和水(53+47)为流动相,四丁基溴化铵为对离子试剂,讨论了柱前衍生、色谱分离及测定的最佳条件。
考察样品前处理条件,并建立了柱前衍生-离子对反相色谱法同时测定钢铁及合金中钨和钼的分离分析方法。
2.仪器和试剂
2.1仪器
日本岛津(Shimadzu)高效液相色谱仪LC—10Ai,KromasilC18柱(填料颗粒为5um,150mm4.6mm,北京分析仪器厂生产)
2.2试剂
钛铁试剂(tiron);
乙酸-乙酸钠缓冲溶液(HAc-NaAc,pH3.8);
四丁基溴化铵(TBA-Br);
甲醇(优级纯)。
实验中所用水为去离子水,流动相所用水为二次蒸馏水,流动相使用前需用0.45um膜滤器过滤。
其它试剂为优级纯。
3.实验结果和讨论
3.1固定相的选择
RP-HPLC中所用固定相通常为极性较弱的烷基硅键合固定相。
它是一种非极性键合相,其烷基链长对溶质的保留值、选择性和样品容量都有不同影响。
长链烷基可使样品的保留时间增大并可改善分离的选择性,同时样品容量也随链长增大而提高,所以长链的烷基键合相有利于进行痕量分析与制备、分离,另外长链的稳定性也较好。
因此,目前最为常用的是键合十八烷基(ODS)硅烷固定相。
本实验选取以键合十八烷基硅固定相为填料的色谱柱C18柱为分析柱,该填料具有相当的物理强度,被填充到不锈钢柱,柱效高,能承受很高的压力。
与其它填料相比,C18填料对各类样品均有较强的适应能力。
同时易于更换流动相及清洗色谱柱。
3.2流动相的选择
本实验分别以甲醇-水、乙腈-水体系作为流动相,考察了不同流动相对钨、钼络和物在ODS柱上分离的影响,选择洗脱强度较弱的水-甲醇体系作为本实验的流动相,所得色谱图1。
WMo
图1色谱图
10ugW,Mo,流速0.7mL/min,检测波长320nm,甲醇-水(53+47,含40mmol/LTAB-Br,3mmol/LpH3.8的HAc-NaAc,2mmol/Ltiron)作流动相
3.3柱前衍生试剂的选择
化学衍生法是借助化学反应给样品化合物接上某个特定基团,从而提高样品混合物的检测性能和分离效果。
HPLC的衍生技术可分为柱前、柱中和柱后衍生三种,目前,对柱前衍生法研究较多。
柱前衍生是在色谱前,预先将样品制成适当的衍生物,然后进样和检测。
柱前衍生的优点是衍生试剂、反应条件和反应时间的选择不受色谱系统的限制,衍生产物易进一步纯化,不需要附加的仪器设备。
钛铁试剂(tiron)化学名为1,2-二羟基苯-3,5-二磺酸钠,它通过氧键螯合作用与高价金属离子如Ti(橙),Mo(黄),Nb,V,Fe(Ⅲ),Ce(Ⅲ),Cu等反应。
钛铁试剂与钨、钼在pH值3-4,形成1:
1的络合物,在高于pH大于4的介质中形成tiron:
W(Mo)为2:
1或3:
1的络合物。
O
-3OSO-O
Mo(W)tiron:
W(Mo)=1:
1
O-O
SO3-O
图2tiron-Mo(W)络合物分子式
3.4色谱条件的确定
3.4.1流动相组成
本文选择甲醇—水体系作为流动相,考察甲醇含量对分离度的影响。
经实验发现随着流动相中甲醇含量的增大,钨、钼的保留值都变小。
究其原因是由于甲醇的加入使流动相的极性减小,流动相的疏水性相互作用减弱,从而使两者的保留变小,分离度也逐渐减小。
同时随着甲醇含量的降低,钨、钼的峰形变差,影响定量计算。
综合考虑分离度及峰形,优选甲醇含量为53%,此时,分离度已达1.5以上,满足基线分离,其色谱图如图5。
图3甲醇含量与保留时间的关系
图4甲醇含量与分离度的关系
12
图5色谱图
甲醇:
水=53:
47(1为钨峰,2为钼峰)
3.4.2流动相的酸度
在流动相中添加一定量的pH缓冲液,一方面可避免络合物的分解,另一方面有好的分离效果。
W,Mo与tiron生成络合物的适宜pH值为3.8,为保持络合物的稳定性,需在流动相中加入缓冲溶液来调节酸度,考察缓冲溶液用量对两者保留值得影响。
缓冲溶液由乙酸-乙酸钠溶液调节,其结果如图6所示:
图6缓冲溶液用量对分离度的影响
本实验,优选HAc-NaAc缓冲溶液的浓度为3mmol/L。
3.4.3对离子试剂
在离子对色谱中,配对离子的类型和浓度在很大程度内对被分离组分的
值有影响,对分离的选择性起着十分重要的作用。
配对离子必须具有以下条件:
有与溶质相适应的电荷;
应当是一价的、质子惰性的和可溶于有机相的;
不应当是聚集状态或有其它的化学平衡作用;
配对离子在化学行为上与固定相、流动相及担体都不矛盾;
对检测器的检测不干扰等。
实际上,摩尔吸光系数大的配对离子与溶质组成离子对之后,可以提高检测的灵敏度。
本实验,在pH3.8的介质中,W,Mo-tiron络合物为酸性的,选择常用的分离酸性物质的离子对试剂十六烷基三甲基溴化铵、四丁基溴化铵进行实验。
实验发现用CTMAB作对离子试剂,钨、钼及两者混合的峰形相似,只是出峰时间不同(钨最先、钼最后、混合组分居中),未能实现分离。
估计原因,CTMAB的长烷基链,使钨、钼两者的
值增大;
且其为表面活性剂,在高浓度下,会形成胶束溶液,使缔合物产生胶束增溶作用,从而引起副效应。
以四丁基溴化铵(TBA-Br)作为对离子试剂时,若流动相中不加入,钨、钼都不出峰。
不同浓度时对分离度的影响不同,结果如图7所示:
图7四丁基溴化铵的用量与分离度的关系
选择TAB-Br作为对离子试剂,其浓度为40mmol/L。
3.4.4钛铁试剂(tiron)
因为W,Mo与tiron反应生成的络合物在反相柱上的吸附较弱,注入流动相中,被大量的流动相稀释离解为tiron和钨、钼离子,故需在流动相中加入一定量的tiron试剂防止吸收峰的消失。
对不同的tiron用量进行实验,结果如图8所示。
本实验,优选tiron的浓度为2mmol/L。
图8钛铁试剂用量与分离度的关系
3.4.5测定波长的选择
在pH3.8的醋酸-醋酸钠缓冲溶液中,钨、钼与钛铁试剂可形成络合物。
通过紫外-可见分光光度计对两络合物在波长250-400nm间扫描,间隔为5nm。
发现在320nm处,钨、钼有最大吸收(见图9),吸光度分别为0.621,0.070,计算表观摩尔吸光系数ε=A/(c×
L):
钼:
ε=1.68×
104L·
mol-1·
cm-1
钨:
ε=2.85×
105L·
图9测定波长对W,Mo-tiron络合物吸光度的影响
同时,考察络合物在色谱柱上的行为,测定波长从310-325nm变化,其结果如表1:
表1测定波长对W,Mo-tiron络合物峰面积的影响
检测波长(nm)
色谱峰面积
分离度
钨
钼
310
基线很难稳定
315
10948
11088
1.58
320
8158
13503
1.60
325
7795
11626
1.57
可见,钼的络合物在设定的波长范围内吸收较稳定。
而钨稳定性较差,随着测定波长的增加,峰面积减小。
故优选测定波长为320nm。
3.4.6流速
色谱操作的另外一个较重要的参数就是流速,在0.6-1.0mL/min的范围内,考察了流速对W,Mo-tiron络合物色谱行为的影响,主要考察了保留时间、峰面积和分离度。
其结果如图3.16、3.17、3.18:
综合考虑流速对峰面积、保留时间及分离度的影响,本实验选择流速为0.7mL/min。
图10流速对保留时间的影响
图11流速对峰面积的影响
图12流速对分离度的影响
3.4.7柱温的影响
在离子对色谱中使用的流动相粘度都较大,提高柱温利于降低流动相的粘度,提高柱效。
此外,在离子对色谱中,柱温的变化,对分离选择性的调节比其它类型色谱都要大,它是控制分离选择性的一个重要变量。
本实验,考察三个柱温对分离度的影响。
可见,柱温越高,分离度越小,本实验,选择柱温为30℃。
表2柱温对分离度的影响
柱温(℃)
保留时间(min)
峰宽(min)
W
Mo
30
11.039
13.487
1.750
2.458
1.16
35
10.692
12.928
1.600
2.317
1.14
40
10.284
12.204
1.408
2.275
1.04
小结:
流动相为甲醇-水体系,配比为甲醇+水=53+47;
其中四丁基溴化铵浓度为0.04mol/L;
乙酸-乙酸钠缓冲溶液的浓度为3mmol/L;
钛铁试剂的浓度为2mmol/L;
流速为0.7mL/min;
检测波长为320nm;
柱温为30℃。
3.5柱前衍生反应条件的确定
3.5.1酸度的影响
酸度是影响显色反应的一个很重要的因素,本试验中的衍生反应要在醋酸-醋酸钠缓冲溶液中完成,由0.2mol/L乙酸和乙酸钠配成的一系列pH值的缓冲溶液来考察显色所需要的酸度。
考察验生酸度对峰面积和分离度的影响,结果如图13、14所示:
图13衍生酸度对峰面积的影响
图14衍生酸度对分离度的影响
由图可以很明显的观察到,钼的衍生产物在不同的酸度下较稳定,峰面积波动不大;
钨的衍生产物稳定性较差,在pH3.8时,峰面积及分离度达到最大值。
优选酸度为pH3.8。
3.5.2缓冲溶液的用量
酸度为pH3.8时,衍生反应产物峰面积及分离度都达到最大。
在此基础上,继续考察缓冲溶液(浓度为0.2mol/L)的用量对峰面积的影响。
结果如图15、16所示。
图15缓冲溶液用量对峰面积的影响
图16缓冲溶液用量对分离度的影响
在25mL的容量瓶中,加入2.5mL的缓冲溶液,钨、钼的衍生产物峰面积及分离度最大,本实验,优选缓冲溶液的浓度为0.02mol/L。
在此用量下,继续考察底液酸度对衍生反应的影响,酸度范围pH2-12(酸度通过硫酸及氢氧化钠调节)。
实验发现使用0.02mol/L的缓冲溶液,底液的酸度范围较宽,为pH2-12。
3.5.3衍生试剂的用量
本实验以钛铁试剂为显色剂,考察了其加入量对显色反应的影响。
以不同倍数(物质的量)的钛铁试剂与钨、钼反应,结果图17所示:
图17tiron用量对衍生产物峰面积的影响
由图可知,tiron用量超过1000倍钨、钼含量时,衍生产物的峰面积基本稳定,故优选tiron用量大于1000倍钨、钼含量。
3.5.4衍生体系的稳定性
按最佳衍生体系的条件,进行W,Mo-tiron衍生反应。
通过紫外分光光度计检测,考察衍生产物的稳定性。
结果如图18所示:
图18衍生体系的稳定性
可知,衍生反应迅速完成。
钼的稳定性较钨好。
按所确定的柱前衍生条件和色谱条件进行测定,结果图19所示。
可知,W,Mo与tiron生成的络合物在色谱柱稳定性较差。
W的络合物需1h后才稳定,放置5h后,峰面积有所下降,需快速测定。
图19衍生体系稳定性实验
3.5.5保留时间与峰面积的重现性
在选定的色谱条件下,对10ug钨、钼混合液重复进样七次,结果较好,如表3所示:
表3保留时间和峰面积的稳定性
测定次序
峰面积
11.029
13.362
24078
18227
2
11.007
13.342
24124
18133
3
13.374
25561
18079
4
10.997
13.385
25489
17606
5
11.012
13.382
25019
17300
6
11.028
13.393
25708
17436
7
11.017
25728
17022
相对标准偏差(%)
0.11
0.13
2.88
2.64
在25mL容量瓶中,pH3.8的乙酸-乙酸酸钠缓冲溶液的用量为2.5mL;
钛铁试剂的用量应大于1000倍钨、钼的物质的量;
衍生反应1h后稳定,测定应在5h内完成。
5.6相互允许量
相互允许量是物质对同时测定效果的另一个很重要的指标。
本实验,考察了在优化的柱前衍生和色谱条件下,W,Mo的相互允许量。
结果如表4及5所示:
表4W对Mo的影响
W:
1:
10:
20:
30:
12300
12422
11956
11740
8555
回收率(%)
101.0
97.2
95.4
70.0
表5Mo对W的影响
Mo:
11969
11521
96.2
11310
94.5
50:
11512
100:
11794
98.5
500:
12283
102.6
1000:
12560
104.9
2500:
13321
111.3
在选定的色谱条件和柱前衍生条件下,Mo对W的容忍量较小。
综合各个条件,甲醇含量对分离度的影响最大,可选择更小的甲醇含量,以期得到更大的分离度。
但是,随着甲醇含量的增大,钼的峰形更差,影响测定的准确度。
由于W较Mo出峰早,W对Mo的影响大于Mo对W的。
由表中数据可知,20倍W量不影响Mo的测定;
而1000倍Mo量不影响W的测定。
3.7工作曲线与检测限
在0.04-40ug/mL绘制W,Mo的标准曲线,结果如图20所示:
图20钨、钼的工作曲线
在0.04-40.0ug/mL间,W,Mo都有良好的线性关系,回归方程及相关系数分别为:
W:
Y=30766X-6988.5r=0.9996
Mo:
Y=57394X-12797r=0.9990
其中,Y为峰面积;
X为浓度,单位为ug/mL。
检测器的灵敏度S是单位样品量(或浓度)进入检测器时所给出的响应值。
实际上就是所对应的样品响应值——浓度关系做出的直线的斜率。
根据钨、钼的工作曲线回归方程可知:
对于W,S=30766(mL/ug);
对于Mo,S=57394(mL/ug)。
检测器的检测能力或检测限DL是指检测器能给出可观测的信号是进入检测池的最小样品量。
它与系统的噪声电平N有关。
为了能观测到响应信号,检测器的信号噪声比应大于1,在气相色谱法中信噪比为2,即以噪声的两倍作为最小可检测的信号。
在液相色谱中还没有明确的统一规定,目前仍沿用气相色谱法的规定。
本实验色谱仪在开机两小时后,基线稳定,所得到的最大噪声峰面积为:
92。
所以,根据M=2N/S,可得:
5.98×
10-3ug/mLMo:
3.20×
10-3ug/mL
检测器的检测限对W为:
5.98ng/mL
对Mo为:
3.20ng/mL
工作曲线为:
检测限为:
对W为:
对Mo为:
3.8干扰离子的测定
按照实验方法,在25mL容量瓶中分别加入Fe3+,Fe2+,Ni2+,Cu2+,Co2+,Zn2+,Li+,Na+,K+,Cr(Ⅵ),Cr3+,Ca2+,Mg2+,Be2+,Sr2+,Ti(Ⅳ),Zr(Ⅳ),V(Ⅴ),Mn2+,Nb(Ⅴ),Pt2+,Ag+,Cd2+,Hg2+,Al3+,Si(Ⅳ),Ge2+,Sn2+,Pb2+,As(Ⅴ),Bi3+,Se2+,Te2+,La3+,Ce3+,Rh3+共存离子,测定其对10ugW,Mo的影响。
发现对于10ugW,Mo,干扰特别严重的有Cr,Sn,Pb,允许量小于500ug;
较严重的有Ti,Fe,Cu,Pt,Ce,La,允许量为1mg;
其它大量离子影响不大,允许量大于5mg。
3.9样品分解
3.9.1钢样分析
(1)溶样条件的确立
钨在钢中主要以简单碳化物:
WC,W2C,W3C或者与碳化铁形成复式碳化物Fe2C·
WC,Fe3C·
3WC,3W2C·
2FeC,以及钨化铁Fe2W形式存在。
部分钨能在铁中以固熔体形态存在。
含钨的钢通常易溶于盐酸(1+1)或硫酸(1+4)中。
当用盐酸和硫酸处理钢样时,金属钨及其碳化物以重质黑色粉末状而沉于容器底部。
要使钨的碳化物或金属钨变成钨酸,需加以氧化,最常用的氧化剂是硝酸。
钼在钢中主要以碳化物(Mo2C,MoC)的形态存在,不溶于稀硫酸或盐酸中,但可溶于硝酸。
硝酸不仅能分解钼的碳化物,而且能溶解金属钼。
故选择盐酸加硝酸作为溶样酸,待试样分解完全后,为保证进一步将两者氧化到六价,考虑到后处理,选择高氯酸冒烟。
因要冒高氯酸烟,盐酸及硝酸可被赶尽,故两者的用量对钨、钼的色谱测定几乎没有影响。
盐酸作为溶样酸,只需保证可以将试样溶解完全。
硝酸具有强氧化性,滴加即可将钨、钼氧化至六价。
此实验,优选盐酸10mL,硝酸5mL作为溶样酸。
高氯酸的用量以能冒烟为低限,需要5mL,但根据样品中铬的含量,需加大用量到10-15mL。
(2)称样量的确定
考虑到测定的准确度,称样量不应过小;
但考虑到后处理需进行过滤操作,称样量又不宜过大。
考察了三个称样量,结果如表6所示.分析原因,称样量越大,沉淀过程中吸附越多,故确定称样量为100mg。
表6称样量的影响
称样量(mg)
100
8960
12366
200
6531
12310
300
6796
11205
(3)干扰的消除
本课题所要测定的钢样首先为铁基的,而铁对测定的影响较大,需除去。
考虑用沉淀法沉淀铁,消除其对测定的影响。
本课题尝试了两种沉淀方法:
氢氧化钠法和氨水法。
考察发现采用氨水沉淀法时,水洗沉淀后,滤液上层变浑浊;
回收率只能达到50%。
估计原因为水洗后,碱度不够大,钨酸析出。
故决定采用氢氧化钠法。
氢氧化钠的用量是本步操作中一个很重要的因素,考察了不同用量对回收率的影响。
具体操作如下:
称取100mg的纯铁于250mL烧杯中,加入1mg钨、
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