CN103994914A - 一种萃取环境水样中痕量重金属离子的新方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种萃取环境水样中痕量重金属离子的新方法，制备了碳纳米管固相萃取纤维，首次采用电辅助萃取方式，快速有效地萃取水样中的痕量重金属离子。本发明利用了碳纳米管固相萃取纤维良好的导电性，将其作为电辅助萃取中的工作电极，采用了电化学工作站，通过工作电极、参比电极和辅助电极，在样品溶液中施加了合适的电场，诱导待测物质快速迁移至固相萃取纤维附近，萃取过程高效快速。本发明充分利用了碳纳米管的强吸附性、固相微萃取纤维优良的导电性和电场辅助诱导离子迁移的能力，可以实现快速、高效富集环境水样中的痕量重金属离子的目标。

Description

一种萃取环境水样中痕量重金属离子的新方法

技术领域

本发明涉及一种萃取痕量重金属离子的新方法，特别是涉及一种碳纳米管固相萃取纤维通过电场辅助萃取方法，萃取了水样中痕量重金属离子。

背景技术

碳纳米管是一种新型的碳材料，具有很多特殊性能，如高比表面积、多孔性、低密度、良好的导热性和易化学修饰性，这些性能使之在许多领域有着广阔的应用前景。碳纳米管的结构和性质决定了其优良的吸附能力，利用碳纳米管作为萃取材料已成为分离科学领域的热门课题。

目前碳纳米管已经成功应用于水溶液中重金属离子萃取富集研究。在这些研究中，碳纳米管主要有两种萃取重金属离子的方法：1)碳纳米管以粉末状固体分散在样品溶液中，通过长时间搅拌实现萃取平衡；2)碳纳米管装在色谱柱管内，形成固相萃取柱。样品溶液通过色谱泵输入萃取柱，流经碳纳米管时实现萃取平衡。其中，第一种萃取方法操作简单，但是存在难以回收碳纳米管、容易污染样品等缺点；第二种方法可以重复利用碳纳米管，但是存在碳纳米管用量较大，且需要色谱泵、空柱管、连接管等诸多设备，操作繁琐，而且因为接触空间有限，难以达到萃取平衡。

固相微萃取是一种集采样，萃取，浓缩和进样于一体的无溶剂样品微萃取新技术。与固相萃取技术相比，固相微萃取操作更简单，携带更方便，操作费用也更加低廉；另外克服了固相萃取回收率低、吸附剂易堵塞的缺点。目前已有研究基于碳纳米管制备为固相微萃取纤维，并成功应用于环境水样中有机污染物的萃取研究中，但是尚未见到用该种纤维用于环境水样中重金属离子的萃取方面。

另外，本发明制备了基于碳纳米管的固相微萃取纤维。由于该纤维具有优异的导电性，本发明首次采用电场辅助萃取方法，诱导水样中重金属离子迁移，可以快速实现萃取平衡，使固相萃取时间大大缩短，具有很强的创新性和应用价值。

发明内容

本发明的目标是建立一种痕量重金属离子萃取方法，主要采用具有强吸附能力的碳纳米管固相萃取纤维，通过电场辅助作用来加快萃取平衡速度，快速高效地萃取水样中的痕量重金属离子。

本发明是通过如下具体技术方案来实现的：

本发明公开了一种萃取痕量重金属离子的新方法，制备了碳纳米管固相萃取纤维，首次采用电辅助萃取方式，快速有效地萃取水样中的痕量重金属离子。

作为进一步地改进，本发明利用了碳纳米管固相萃取纤维良好的导电性，将其作为电辅助萃取中的工作电极，采用了电化学工作站，通过工作电极、参比电极和辅助电极，在样品溶液中施加了合适的电场，诱导待测物质快速迁移至固相萃取纤维附近，萃取过程高效快速。

作为进一步地改进，本发明的具体制备步骤如下：

(1)、采用碳纳米管材料，利用电沉积反应，制备为一种固相萃取纤维。；

(2)、利用了碳纳米管固相萃取纤维良好的导电性，将其作为电辅助萃取中的工作电极，采用了电化学工作站，通过工作电极、参比电极和辅助电极，在样品溶液中施加了合适的电场，诱导待测物质快速迁移至固相萃取纤维附近，萃取过程高效快速；

(3)、将吸附完成后的碳纳米管固相萃取纤维放入解析液中，待测物质将溶解于解析液中；

(4)、用原子吸收分光光度法测量解析液中待测物质含量，通过换算得到样品中的待测物质含量，换算计算公式如下：

$C_0=\frac{C_1\×V_1}{V_0}$

其中，C₀为样品中的待测物质浓度，C₁为解析液中待测物质的浓度，V₀为样品体积，V₁为解析液体积。

本发明基于碳纳米管材料通过电沉积作用制备了固相萃取纤维，利用碳纳米管对重金属离子的强吸附性，富集了水样的痕量重金属离子，富集效率高，检出限低。

本发明具有如下优点和效果：

本发明将电场辅助萃取与固相微萃取相结合，首次应用于环境水样中重金属离子的富集分析研究中。充分利用了碳纳米管的强吸附性、固相微萃取纤维优良的导电性和电场辅助诱导离子迁移的能力，可以实现快速、高效富集环境水样中的痕量重金属离子的目标。

附图说明

图1为电沉积反应的装置示意图

其中，1.直流电源；2.负极电极；3.正极电极；4.碳纳米管悬浊液；5.磁力搅拌器；6.氮气。

图2为电场辅助固相萃取的装置示意图。

其中，7.电化学工作站；8.辅助电极；9.工作电极；10.样品；11.参比电极；12.磁力搅拌器；13.氮气。

图3为解析过程的装置示意图。

其中，14.固相微萃取纤维；15.解析液；16.磁力搅拌器。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案作进一步说明：

本发明制备一种含碳纳米管的萃取纤维，通过电沉积反应，得到一种新型色谱固定相，采用一个自制的萃取纤维，通过自制的简便萃取装置，在电场辅助作用下，富集水样中的痕量重金属离子(包括Cd²⁺,Pb²⁺,Cu²⁺,Mn²⁺),具有很高的富集效率。再在解析液中将富集在萃取纤维中的重金属离子(包括Cd²⁺,Pb²⁺,Cu²⁺,Mn²⁺)解析。最后用火焰原子吸收法定量测定解析液中重金属离子(包括Cd²⁺,Pb²⁺,Cu²⁺,Mn²⁺)的浓度。

碳纳米管固相微萃取纤维制备过程包括两个反应步骤：1)碳纳米管的酸化反应；2)电沉积反应。

1)碳纳米管的酸化反应

在250mL圆底烧瓶中加入100mg多壁碳纳米管和100mLH₂SO₄/HNO₃(3:1,v/v)混合溶液，搅拌反应2小时，水浴温度为60℃；反应完后将混合液抽滤，用去离子水洗涤多壁碳纳米管多次，直到pH7为止；产物30℃真空烘干24小时。

2)电沉积反应

电沉积反应装置如图1所示。取80mg酸化处理后的多壁碳纳米管和40mL水放入密闭容器中，超声混匀，成为稳定的碳纳米管悬浊液4。将两根一样的铂丝(长度为10cm，直径为0.5mm)插入碳纳米管悬浊液4中，插入深度为8cm。其中一根作为正极电极3，一根作为负极电极2。通入氮气6，气压为10psi。通过直流电源1施加50V直流电压20秒。多壁碳纳米管将附着在正极电极3上。将正极电极3取出，放在烘箱中干燥，温度为50℃。用分析天平准确称量附着上的碳纳米管质量为4.4mg，即为碳纳米管固相微萃取纤维14。

固相微萃取纤维的萃取过程包括三个步骤：1)富集；2)解析；3)测量。

1)富集

富集的装置如图2所示，其中固相微萃取纤维14作为工作电极9。将辅助电极8，参比电极11，工作电极9浸入100mL样品10中。通入氮气13，通过磁力搅拌器12搅拌，搅拌速度为200rpm。通过电化学工作站7施加电场强度为0.4V，萃取时间为10分钟，氮气13压力为10psi。

2)解析

解析的装置如图3所示。解析液15为0.2mol/L稀硝酸。取5mL解析液15放入密闭容器中。把固相微萃取纤维14浸泡于解析液15中。通过磁力搅拌器16搅拌，搅拌速度为100rpm，解析时间为10分钟。

3)测量

采用火焰原子吸收法定量检测解析液15中的重金属离子。

在该实验条件下，用本发明的电场辅助-固相微萃取法，可以对雨水、河水以及泉水样品中的重金属离子进行富集和分析，分析结果如表1所示。

表1分析结果

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种萃取痕量重金属离子的新方法，其特征在于，制备了碳纳米管固相萃取纤维，首次采用电辅助萃取方式，萃取水样中的痕量重金属离子。

2.根据权利要求1所述的萃取痕量重金属离子的方法，其特征在于，利用了碳纳米管固相萃取纤维良好的导电性，将其作为电辅助萃取中的工作电极，采用了电化学工作站，通过工作电极、参比电极和辅助电极，在样品溶液中施加了合适的电场，诱导待测物质快速迁移至固相萃取纤维附近。

3.根据权利要求1或2所述的萃取痕量重金属离子的方法，其特征在于，具体制备步骤如下：

(1)、采用碳纳米管材料，利用电沉积反应，制备为一种固相萃取纤维。；

(2)、利用了碳纳米管固相萃取纤维良好的导电性，将其作为电辅助萃取中的工作电极，采用了电化学工作站，通过工作电极、参比电极和辅助电极，在样品溶液中施加了合适的电场，诱导待测物质快速迁移至固相萃取纤维附近，萃取过程高效快速；

(3)、将吸附完成后的碳纳米管固相萃取纤维放入解析液中，待测物质将溶解于解析液中；

(4)、用原子吸收分光光度法测量解析液中待测物质含量，通过换算得到样品中的待测物质含量，换算计算公式如下：

$C_0=\frac{C_1\×V_1}{V_0}$

其中，C₀为样品中的待测物质浓度，C₁为解析液中待测物质的浓度，V₀为样品体积，V₁为解析液体积。

4.根据权利要求3所述的萃取痕量重金属离子的方法，其特征在于基于碳纳米管材料通过电沉积作用制备了固相萃取纤维，利用碳纳米管对重金属离子的强吸附性，富集了水样的痕量重金属离子。