高效液相色谱法同时测定钢中的钨钼.docx
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高效液相色谱法同时测定钢中的钨钼
高效液相色谱法同时测定钢中的钨钼
项目完成单位：
国家钢铁材料测试中心
项目完成人：
唐本玲胡晓燕王海舟
摘要钢铁及合金中钨、钼尤其是高含量钨、钼的同时测定一直是冶金分析中存在的难题。
本文尝试发挥色谱法的强大分离能力实现钨、钼的分离和测定，建立了同时测定钢铁及合金中高含量钨、钼的柱前衍生-高效液相色谱法。
柱前衍生试剂为钛铁试剂，色谱柱为KromasilC18柱（5μm，150mm×4.6mm），流动相为甲醇＋水（体积比为53:
47，内含0.04mol/LTAB-Br，2mmol/Ltiron，3mmol/LpH3.8HAc-NaAc）,流速为0.7mL/min，测定波长为320nm，柱温为30℃，灵敏度为0.01AUFS，以色谱峰面积定量。
利用NaOH沉淀法消除钛、铁等干扰，盐酸挥发消除铬的干扰。
可实现含量大于0.10％W，0.066%Mo的钢样测定，20倍钨不影响钼的测定，1000倍钼不影响钨的测定。
方法检出限为W0.031%，Mo0.020%。
加标回收率为：
98.1％－101.7％。
利用此法测定了合金铸铁、中低合金钢、高速工具钢、高温合金中的W，Mo。
结果与标准值相符，测定的相对标准偏差小于5％。
引言
冶金分析是冶金生产必不可缺的重要环节，随着现代冶金生产工艺的迅猛发展，冶金分析也面临着严峻的挑战。
难分离体系的分离及同时定量是冶金分析中一直存在的难题。
并且，钢铁材料中成分复杂，消除其它元素的干扰，尤其是大量存在的基体元素的干扰，实现目标元素的定量，提高方法的选择性、准确度以及灵敏度，也是冶金分析所着力发展的。
钼、钨作为钢中的重要合金元素，可提高钢的淬透性、红硬性、热强性、耐磨性，增加回火稳定性，提高剩磁和矫顽力，提高抗蚀性与防止点蚀倾向性等，大大改善钢的性能。
但是由于两者的化学性质极为相似，测定时相互干扰严重，同时测定非常困难。
尤其是高含量的钨、钼，同时测定方法稀少，常用的重量法操作复杂，费时费力。
随着高柱效、机械性能良好的色谱柱和高灵敏度、高选择性的检测器的开发以及各种联用技术的发展，现代高效液相色谱法具备了分离性能好、灵敏度高、选择性好、分析速度快、操作简便、多元素同时测定等优点，开始成为分离复杂基体组分，准确定量的有利工具。
本文充分利用高效液相色谱法的强分离优势，结合光度法的高灵敏度，采用钛铁试剂作为柱前衍生试剂，C18反相柱分离，紫外检测器检测，根据峰面积定量，同时测定了钢中的钼、钨。
该法高效、快速、准确度高、选择性好，可同时测定钢中高含量的钼和钨。
一.高效液相色谱法简介
1.基本原理
色谱法是利用在固定相和流动相之间的平衡场内的物质行为的差异，从而能从多组分混合物中使单一组分互相分离，并进行定性检出和鉴定，定量测定与记录的分析方法。
用液体作流动相的方法称为液相色谱法（LC）。
离子对色谱法是将一种（或数种）与样品离子电荷（A+）相反的离子（B-，称为对离子或反离子）加入到色谱系统的流动相（固定相）中，使其与样品离子结合生成弱极性的离子对（呈中性缔合物）。
此离子对不易在水中离解而迅速进入有机相中，存在下述萃取平衡：
A＋W＋B－W⇌（A+·B－）O
式中，下标W为水相，O为有机相。
若固定相为有机相，流动相为水溶液，就构成了反相离子对色谱。
2.基本装置
高效液相色谱法（HPLC）是60年代末70年代初发展起来的一种新型分离分析技术[1]。
如图所示，高效液相色谱仪由溶剂罐、高压输液泵、样品注入器、色谱柱、检测器和温度控制装置构成。
输液泵样品注入器色谱柱检测器记录仪
溶剂罐
3.优点
高效液相色谱法具有分离性能高、选择性高、检测灵敏度高、分析速度快、）操作简单、多元素同时测定等优点。
4.应用
20世纪80年代以来，随着高性能填料、高压输液泵、高灵敏度的检测器的开发，以及各种联用技术的发展，高效液相色谱法的应用有了蓬勃发展。
HPLC弥补了气相色谱法（GC）的不足，扩大了使用范围，80%的分析对象可借此法分析。
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
>0.01
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
0.01
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
0.01
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·mol-1·cm-1
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）
分离度
W
Mo
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
保留时间（min）
峰面积
W
Mo
W
Mo
1
11.029
13.362
24078
18227
2
11.007
13.342
24124
18133
3
11.007
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
13.382
25728
17022
相对标准偏差（%）
0.11
0.13
2.88
2.64
小结：
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:
Mo
0
1:
1
10:
1
20:
1
30:
1
峰面积
12300
12422
11956
11740
8555
回收率（％）
101.0
97.2
95.4
70.0
表5Mo对W的影响
Mo:
W
峰面积
回收率（％）
0
11969
1:
1
11521
96.2
10:
1
11310
94.5
50:
1
11512
96.2
100:
1
11794
98.5
500:
1
12283
102.6
1000:
1
12560
104.9
2500:
1
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。
小结：
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：
W：
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
小结：
工作曲线为：
W：
Y＝30766X-6988.5r＝0.9996
Mo：
Y＝57394X-12797r＝0.9990
检测限为：
对W为：
5.98ng/mL
对Mo为：
3.20ng/mL
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）
峰面积
W
Mo
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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