双通道在线连续流动分析法同时测定水中挥发酚和氰化物

崔腾 ,  张宇微 ,  赵文志 ,  张锦涛 ,  秦超 ,  卢兵

现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (S2) : 382 -388.

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现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (S2) : 382-388. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.S2.064
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双通道在线连续流动分析法同时测定水中挥发酚和氰化物

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Simultaneous determination of volatile phenols and cyanides in water by continuous flow-spectrophotometry with a dual-channel flow path

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摘要

为实现水中挥发酚和氰化物的同步检测,建立了基于双通道流路设计的连续流动-分光光度分析方法(以下简称为连续流动分析法),通过优化标准曲线稀释溶液,考察纯水、NaOH(0.01 mol/L)、NaOH(0.02 mol/L)3种介质对检验体系的影响,确定最优稀释溶液参数是NaOH(0.01 mol/L),可实现标准曲线与待测试样的基体匹配,有效校正基体效应干扰,同时对移液管选用、进样与冲洗时间、蠕动泵泵速等条件进行考察优化,结果表明,在最佳实验条件下,采用连续流动分析法同时测定水中挥发酚和氰化物的标准曲线线性关系良好,在0~0.1 mg/L质量浓度范围内线性相关系数均在0.999以上;挥发酚和氰化物方法检出限分别为0.000 46 mg/L和0.000 23 mg/L,最低检测质量浓度分别为0.001 84 mg/L和0.000 92 mg/L,加标回收率介于90.17%~107.09%,经有证水质标准样品验证,相对误差≤0.4%,相对标准偏差≤1.33%,验证了方法具有较好的准确度和精密度,与GB/T 5750系列国标方法相比,本方法氰化物检测较国标方法中最低检测质量浓度下降42.5%,灵敏度显著提升,且具备操作简便、自动化程度高的优势,适用于大批量水样同步检测。

Abstract

To achieve simultaneous determination of volatile phenols and cyanides in water,a continuous flow spectrophotometric method (hereinafter referred to as continuous flow analysis,CFA) based on a dual-channel flow path design was established.By optimizing the standard curve dilution solution,the effects of three media—pure water,NaOH (0.01 mol/L),and NaOH (0.02 mol/L)—on the detection system were investigated,and the optimal dilution solution was determined to be NaOH (0.01 mol/L),which achieves matrix matching between the standard curve and test samples,effectively correcting matrix interference.Meanwhile,conditions such as pipette selection,sampling and rinsing time,and peristaltic pump speed were optimized.Under optimal experimental conditions,the CFA method showed good linearity for simultaneous determination of volatile phenols and cyanides in water,with correlation coefficients (R2) above 0.999 in the mass concentration range of 0-0.1 mg/L.The method detection limits (MDLs) for volatile phenols and cyanides were 0.000 46 mg/L and 0.000 23 mg/L,respectively,and the minimum detectable mass concentrations were 0.001 84 mg/L and 0.000 92 mg/L,respectively.The spiked recoveries ranged from 90.17% to 107.09%.Validation using certified water quality reference materials showed relative errors ≤0.4% and relative standard deviations (RSD)≤1.33%,confirming the good accuracy and precision of the method.Compared with the GB/T 5750 series of national standard methods,the minimum detectable mass concentration for cyanide was reduced by 42.5%,with significantly improved sensitivity.The proposed method offers the advantages of simple operation and high automation,making it suitable for simultaneous batch analysis of large numbers of water samples.

Graphical abstract

关键词

连续流动分析法 / 双通道 / 水 / 挥发酚 / 氰化物

Key words

continuous flow analysis / dual-channel / water / volatile phenol / cyanide

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崔腾,张宇微,赵文志,张锦涛,秦超,卢兵. 双通道在线连续流动分析法同时测定水中挥发酚和氰化物[J]. 现代化工, 2026, 46(S2): 382-388 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.S2.064

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挥发酚与氰化物是水体中典型的有毒污染物,具有强生物毒性,即使低浓度也会危害水生生态系统与人体健康[1-3]。挥发酚是环境领域典型的高毒性有机污染物[4],可通过抑制水生生物的呼吸作用、酶活性及细胞代谢过程,引发藻类、无脊椎动物及鱼类的急性或慢性中毒,造成水域生物多样性的不可逆破坏,人体长期接触含酚水体或食用受污染的水生生物,会引发肝肾功能损伤、血液系统病变,部分衍生物(如氯酚类)还被证实具有致癌、致畸、致突变的“三致”效应[5-10]。氰化物是一种剧毒物质[11-12],对人体的毒性很强,急性中毒可在短时间内引发心律失常、昏迷甚至危及生命,其致死量为50 mg,若摄入高浓度水平或大剂量氰化物[13-14],可在几分钟内死亡,氰化物在水体中存在复杂的形态转化效应,部分低毒性配合物在酸性条件或微生物作用下,可分解释放剧毒游离氢根离子,进一步放大生态风险,同时,挥发性与迁移性还可能导致污染从地表水向地下水扩散,形成跨介质污染链条[15-16]。这2种污染物自然来源极少,主要以工业废水污染为主,我国《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)列为优先控制指标,明确规定Ⅰ类、Ⅱ类水域挥发酚限值≤0.002 mg/L,Ⅰ类水域氰化物限值≤0.005 mg/L、Ⅱ类水域氰化物限值≤0.05 mg/L,对检测方法的灵敏度与准确性提出了严苛要求。
目前,针对水中挥发酚和氰化物的检测方法主要依据《生活饮用水标准检验方法 第4部分:感官性状和物理指标》(GB/T 5750.4—2023)、《生活饮用水标准检验方法 第5部分:无机非金属指标》(GB/T 5750.5—2023),包括4-氨基安替比林三氯甲烷萃取分光光度法、异烟酸-吡唑啉酮分光光度法、异烟酸-巴比妥酸分光光度法、流动注射法及连续流动法等[17-18]。其中分光光度法前处理及显色步骤烦琐,耗时较长,依赖人工操作,难以实现自动化,影响分析效率;流动注射法及连续流动法虽自动化程度高,但通常设计为一套流路,只对单一指标进行检测。
本研究对比已有分析方法的基础上,基于双通道流路设计,结合在线蒸馏与显色反应,实现样品前处理与反应检测一体化,构建水中挥发酚和氰化物同步检测的方法,旨在缩短检测周期、提高分析效率,具有自动化程度高、同时检测2种指标等优势,为水质应急监测与日常批量检测提供重要技术支持。

1 实验部分

1.1 主要仪器

SAN++型连续流动分析仪(荷兰SKALAR公司);SA1074型XYZ极坐标自动取样器(荷兰SKALAR公司);DC-0506型低温恒温槽(上海衡平仪器仪表厂)。

1.2 试剂

实验中若未做特别说明,均使用分析纯试剂,配制试剂所用的水必须为去离子水或者蒸馏水,储存容器未做特别说明,可储存于塑料瓶或者玻璃瓶。
水中挥发酚标准物质:1 000 mg/L,20 mL/瓶,编号BW20018-1000-W-20,批号A24070428,购自坛墨质检科技股份有限公司。
水中氰标准物质:1 000 mg/L,50 mL/瓶,编号XFE3021-50 mL,批号X25050032,购自坛墨质检科技股份有限公司。
聚氧乙烯月桂醚(Brij,30%):250 mL/瓶,编号SLCC9725-A11-21,批号SC13900,来源于荷兰SKALAR公司。
4-氨基安替比林盐酸盐:购自上海麦克林生化科技有限公司;氢氧化钠:购自天津市大陆化学试剂厂;邻苯二甲酸氢钾:购自国药集团化学试剂有限公司;氯胺T:购自天津百伦斯生物技术有限公司;1,3-二甲基巴比妥酸:购自上海阿拉丁生物技术有限公司;异烟酸:购自天津市光复精细化工研究所;磷酸、硼酸、盐酸、铁氰化钾、氯化钾、柠檬酸均购自天津市科密欧化学试剂有限公司。

1.3 试剂配制

1.3.1 挥发酚试剂

(1)蒸馏试剂:量取20 mL磷酸注入150 mL水中,用水定容至200 mL,混匀。
(2)4-氨基安替比林盐酸盐:溶解0.13 g 4-氨基安替比林盐酸盐至180 mL水中,用水定容至 200 mL,加入1 mL聚氧乙烯月桂醚(Brij,30%),混匀,用棕色瓶装。
(3)铁氰化钾:称0.4 g铁氰化钾,0.6 g硼酸,1 g氯化钾,溶于180 mL水中,加入10 mL NaOH(1 mol/L),用水定容至200 mL,混匀,用氢氧化钠或盐酸调整pH到10.3,用棕色瓶装。
(4)NaOH(1 mol/L):溶解4 g氢氧化钠到 80 mL水中,用水定容至100 mL,混匀,储存于塑料瓶中。
(5)NaOH(0.01 mol/L):溶解0.4 g氢氧化钠到800 mL水中,用水定容至1 000 mL,混匀,储存于塑料瓶中。
(6)挥发酚标准使用液(1 mg/L):取适量水中挥发酚标准物质,用NaOH(0.01 mol/L)稀释并定容,即得,现用现配。

1.3.2 氰化物试剂

(1)蒸馏试剂:称25 g柠檬酸,6 g氢氧化钠,溶于300 mL水中,用水定容至500 mL,混匀,基本上pH=3.8,否则用盐酸或者氢氧化钠调整,在1~5℃低温环境中储存,可以保存3个月。
(2)缓冲溶液:称1.2 g氢氧化钠,10.2 g邻苯二甲酸氢钾,溶于300 mL水中,用水定容至 500 mL,加入1 mL聚氧乙烯月桂醚(Brij,30%),混匀,基本上pH=5.2,否则用盐酸或者氢氧化钠调整,在1~5℃低温环境中储存,可以保存3个月。
(3)氯胺T:溶解1 g氯胺T到300 mL水中,用水定容至500 mL,混匀,用棕色瓶装,在1~5℃低温环境中储存,可以保存3个月。
(4)显色剂:称3.5 g氢氧化钠,8.4 g 1,3-二甲基巴比妥酸,6.8 g异烟酸,溶于300 mL水中,在超声波里搅拌溶解,然后用水定容至500 mL,用棕色瓶装,使用前需要过滤,基本上pH=5.2,否则用盐酸或者氢氧化钠调整,在1~5℃低温环境中储存,可以保存3个月。
(5)NaOH(0.1 mol/L):溶解2 g氢氧化钠到300 mL水中,用水定容至500 mL,混匀,储存于塑料瓶中。
(6)NaOH(0.01 mol/L):溶解0.4 g氢氧化钠到800 mL水中,用水定容至1 000 mL,混匀,储存于塑料瓶中。
(7)氰化物标准使用液(1 mg/L):取适量水中氰化物标准物质,用NaOH(0.01 mol/L)稀释并定容,即得,现用现配。

1.4 方法原理

连续流动分析法是通过蠕动泵压缩各个不同内径的弹性泵管,将样品、试剂和空气按顺序和比例吸入到密闭管路流路中,在连续流动的状态下利用液体剪切力与湍流效应进行充分混匀,再经加热蒸馏、紫外消解、分离干扰物,待反应平衡后进入比色池进行光度检测,根据朗伯-比尔定律计算机处理分析结果,分析过程中引入空气作为样品间隔及管路清洗,消除了测试过程中可能出现拖尾峰的现象,同时又能让每个液段浓度均匀一致,使测试数据结果更加准确。

1.5 化学反应原理

挥发酚:通过蠕动泵将样品、试剂和空气泵入到分析模块中,在酸化条件下,样品通过加热蒸馏释放出的酚在pH(10.3)碱性溶液中,以铁氰化钾为氧化剂,与4-氨基安替比林同步实现酚羟基氧化与分子间缩合协同反应,生成橙红色的吲哚安替比林化合物,然后进入50 mm比色池中在波长为505 nm下进行比色测定,如图1所示。
氰化物:通过蠕动泵将样品、试剂和空气泵入到分析模块中,样品经过加热蒸馏和紫外消解前处理后,与氯胺T发生氧化反应生成氯化氰,然后与异烟酸反应生成戊烯二醛,戊烯二醛随即与巴比妥酸发生缩合反应生成蓝紫色化合物,然后进入50 mm比色池中在波长为600 nm下进行比色测定,如图1所示。

1.6 仪器工作条件

比色波长:挥发酚505 nm,氰化物600 nm;加热温度:挥发酚135℃,氰化物125℃/37℃;进样时间:80 s;冲洗时间:120 s;蠕动泵泵速:6 r/min;计算方法:峰高法。

1.7 实验方法

按照顺序依次打开自动进样器、化学反应池主机、数据转换器、循环冷却水等电源开关,合上蠕动泵泵盖,将进样针及所有的试剂管路、清洗液管路放入去离子水中,电脑界面选择进入程序软件,设定挥发酚和氰化物对应的仪器条件,移取待测试样约 10 mL倒入样品管中(若待测试样浑浊,需过滤),置于进样器固定托盘上,软件操作界面选择基线,点击开始,进入峰形图程序,大约20 min基线就可以平稳,此时系统已经稳定,即可开始实验,在此等待过程中可以进行表格编辑,将需要的标准曲线及待测试样点位分别编辑到相应位置,根据流程文件顺序,依次测定标准曲线和待测试样,利用好等待基线平稳的时间段,可以节省和缩短实验时间。
分析结束后,关闭加热器,用去离子水冲洗管路20 min,然后将所有弹性泵管置放在空气中,直至管路中所有的液体都排空,按照与开机相反的顺序依次关闭各个部件电源。

2 结果与讨论

2.1 标准曲线的制备

挥发酚和氰化物标准曲线共同用NaOH(0.01 mol/L)稀释溶液定容配制,配制标准曲线时,使用同一根移液管会最大可能地消除累计误差,测得曲线线性相关系数结果较好,比如统一使用一根 10 mL移液管,遇有吸取量较少的情况,可先稀释标准使用液浓度,再依次配制标准溶液系列。
挥发酚标准溶液系列:取适量的挥发酚标准使用液,用NaOH(0.01 mol/L)逐级稀释,配制成浓度为0、0.002、0.005、0.010、0.020、0.050、0.100 mg/L挥发酚标准溶液系列。
氰化物标准溶液系列浓度及方法同上。

2.2 稀释溶液的优化

考察纯水、NaOH(0.01 mol/L)、NaOH(0.02 mol/L)3种介质对检验体系的影响。以挥发酚和氰化物的质量浓度为横坐标、峰高为纵坐标绘制标准曲线,在质量浓度为0~0.1 mg/L内测得线性回归方程和相关系数,结果见表1。
由表1可知,用NaOH(0.01 mol/L)稀释溶液定容配制标准曲线相关系数结果较好,为0.999 9,挥发酚用纯水配制与氰化物用NaOH(0.02 mol/L)配制标准曲线相关系数结果也好,分别为0.999 5和0.999 8,均在0.999以上,但是挥发酚用NaOH(0.02 mol/L)配制与氰化物用纯水配制标准曲线相关系数结果较差,均没有达到0.999以上。
选择线性回归方程相关系数较好的实验方法,选取GSB 07-3180—2014(编号200367)水质挥发酚标准样品和BY400126(编号B23090273)水质氰化物标准样品为研究对象,分别将标准样品平行测定10次,以平行测定10次的平均值为测定结果,与标准样品认定值进行对比,计算准确度与精密度,准确度是反映测量结果与真实值的吻合程度,用绝对误差或相对误差表示,绝对误差或相对误差越小,准确度越高;精密度是体现多次重复测量结果的一致性,反映方法的稳定性与重现性,用相对标准偏差RSD%表示,相对标准偏差RSD%越小,精密度越好,结果见表2和图2。
由表2和图2可知,NaOH(0.01 mol/L)是兼顾挥发酚和氰化物检测准确度与精密度的最优稀释溶液,2项检测的相对误差均为0.40%,表明准确度较高,相对标准偏差RSD%分别为1.33%和0.37%,表明具有较好的精密度;纯水稀释溶液使挥发酚检测的准确度低于NaOH(0.01 mol/L)稀释溶液,NaOH(0.02 mol/L)稀释溶液虽保证了氰化物较好的精密度,却会导致准确度严重下降;氰化物2组的相对标准偏差RSD%<0.4%低于挥发酚2组RSD%<1.5%,表明本方法对氰化物的检测精密度更优。
挥发酚:以纯水为稀释溶液容易使挥发酚挥发损失,采用NaOH(0.01 mol/L)可有效抑制挥发酚的挥发损失,而当NaOH浓度提升至0.02 mol/L时,会使显色反应偏离,导致标准曲线线性结果较差。
氰化物:以纯水为稀释溶液时,氰化物易与水中或空气中CO2反应生成HCN,导致标准曲线线性结果较差;以NaOH(0.01 mol/L)为稀释溶液时,氰化物以CN-形式稳定存在,所以标准曲线线性结果较好;以NaOH(0.02 mol/L)为稀释溶液时,虽然线性尚可,但会增加后续显色反应的试剂消耗,且通过测试标准样品可以看出,测得结果会明显偏高。
基于上述分析,检测挥发酚和氰化物时应优先选用NaOH(0.01 mol/L)作为稀释溶液,既可抑制挥发酚的挥发损失,又避免了氰化物生成HCN,同时还具有较好的准确度与精密度。

2.3 校正基体效应干扰

根据《生活饮用水标准检验方法 第2部分:水样的采集与保存》(GB/T 5750.2—2023)规定,水样的采集应根据测定指标选择适宜的保存方法,主要有冷藏、避光和加入保存剂[19],挥发酚和氰化物的保存方法和保存剂是一样的,样品采集后,应立即加入氢氧化钠(NaOH),调至pH≥12。在实验过程中,以纯水配制所得NaOH(0.01 mol/L)稀释溶液的pH为12,标准曲线的制备选用NaOH(0.01 mol/L)稀释溶液定容配制,使标准曲线与待测试样尽可能有相似一致的基体,相当于对所有溶液进行了基体匹配,通过基体匹配法校正基体效应干扰问题,确保标准曲线与每一个待测试样以相同的化学形态和相同的条件下发生显色反应,保证测试数据结果的可靠性和准确性。

2.4 进样与冲洗时间

参考相关研究的优化结果及仪器适配性[20-22],设定挥发酚和氰化物的进样时间为70~90 s,本实验选择80 s,该时长既能保证样品在蒸馏模块中充分转化,又能使目标物与显色体系完全反应,形成信号强度稳定的检测峰。当进样时间短于70 s时,样品量不足导致目标物蒸出不完全,使检测峰高偏低;若延长进样时间至90 s以上,过多的样品量容易引发目标物冷凝回流,管路中样品出现扩散叠加情况,且会延长分析周期,降低了大批量样品检测效率。设定挥发酚和氰化物的冲洗时间为100~140 s,本实验选择120 s,该时长可保障对样品、试剂管路和比色池进行充分清洗,避免样品中酚类物质或氰化物吸附残留,确保相邻样品检测峰基线分离,防止出现连峰现象。

2.5 蠕动泵泵速

在实际样品分析中,往往需要连续分析标准溶液系列以及多个样品,蠕动泵作为连续流动分析法分析体系中的主要动力来源,其泵速直接决定体系进样速率、反应液混合均匀性及反应时间,进而影响检测结果的准确性、精密度与分析效率,低泵速下反应液接触时间充足,反应更充分,但分析周期延长,增加试剂的消耗,且易出现管路残留;高泵速可提升分析效率,减少残留干扰,却可能因反应时间不充足造成目标物转化不完全,降低检测灵敏度与结果准确性。实验表明,选择泵速为6 r/min时,测试效果较好。

2.6 方法检出限和最低检测质量浓度

在选定的最佳仪器和实验条件下,对样品空白溶液连续测定11次,根据USEPA法MDL=t(n-1,0.99)×S计算检出限,其中t(n-1,0.99)为置信度99%、自由度为n-1时的t值,n为重复测定的样品数,在99%的置信区间t(10,0.99)=2.764,S为重复测定11次的标准偏差,结果见表3。
由表3可知,方法检出限结果为挥发酚0.000 46 mg/L,氰化物0.000 23 mg/L,以4倍方法检出限计算最低检测质量浓度,结果为挥发酚0.001 84 mg/L,氰化物0.000 92 mg/L。

2.7 加标回收率

加标回收率分为空白加标回收和样品加标回收2种方式,本实验选择样品加标回收,选取5份不同浓度的水样各50 mL,编号为A1、A2、A3、A4和A5,浓度顺序为由低到高,分别加入1 mL浓度为1 mg/L的标准使用液,结果见表4。
由表4可知,挥发酚的加标回收率为90.17%~107.09%,氰化物的加标回收率为99.65%~105.56%,符合《地质矿产实验室测试质量管理规范》第6部分 水样分析的加标回收率允许限。

2.8 方法对比

将本方法与文献报道的方法及关键参数进行比对,结果见表5。
由表5可知,对于挥发酚检测,本方法最低检测质量浓度为0.001 84 mg/L,与GB/T 5750.4—2023报道中最低检测质量浓度0.0018 mg/L基本持平;氰化物检测,本方法将最低检测质量浓度降至0.000 92 mg/L,相较于GB/T 5750.4—2023报道中最低检测质量浓度0.001 6 mg/L,下降了42.5%,灵敏度显著提升。本方法线性范围,挥发酚低于0.2 mg/L大于其他方法,氰化物低于0.15 mg/L大于其他方法,虽然不是最宽的线性范围,但也能满足常规水样的检测需求。

3 结论

本研究在保证检测性能的前提下,未增加复杂的操作步骤,实现了水中挥发酚和氰化物的同步检测,通过优化确定NaOH(0.01 mol/L)为最优稀释溶液,有效抑制目标物损失与形态转化,校正基体效应干扰,结合80 s进样时间、120 s冲洗时间及 6 r/min泵速的操作参数,方法展现出较好的检测性能,加标回收率介于90.17%~107.09%之间,准确度相对误差≤0.4%,精密度相对标准偏差≤1.33%,与国标方法相比,本方法氰化物最低检测质量浓度下降了42.5%,检测灵敏度显著提升,挥发酚最低检测质量浓度与国标方法基本持平,且具备自动化程度高的优势,适用于大批量水样同步检测。

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杜艳丽, 何俊, 蒋芳, 等. Skalar连续流动分析仪同时测定饮用水中挥发酚、阴离子合成洗涤剂、氰化物及氨氮四种指标[J]. 预防医学情报杂志, 2022, 38(5):708-712.

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中国地质调查局地质调查项目(DD20250209110)

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