维普资讯 http://www.cqvip.com 第8卷第3期 分析测试技术与仪器 Vl0lUiTle 8 Number 3 2002年9月 ANALYSIS AND"IESq-ING1]ECHN()I()( AND INSTRUMENTS Sep.2002 分析测试新方法(165~169) 离子色谱法测定油田有色地层水中的 碳酸根和碳酸氢根 蔡青松 ,刘 霞 ,蒋生祥 ,金彦博2 (1.中国科学院兰州化学物理研究所,甘肃兰州 730000 2.吐哈石油勘探开发指挥部试验室,新疆哈密839009) 摘要:针对油田有色地层水中碳酸根和碳酸氢根含量的测定,建立了一种间接光度非抑制离子色谱法优化了固 定相和流动相条件.发现碳酸盐碳的总量和碳酸氢根峰高在0.24--12 rr ̄aol/L范围内具有良好的线性关系.对油田 有色地层水进行了测定,结果令人满意. 关键词:离子色谱法:有色地层水;碳酸根;碳酸氢根 中图分类号:(3657.7 文献标识码:B 文章编号:1006—3757(2002)03—0165—05 水溶液中的碳酸盐碳主要指碳酸、碳酸氢根和 Model SA720 pH计. 碳酸根,在给定的pH值下三者处于一种平衡.碳酸 邻苯二甲酸氢钾、柠檬酸钠、氢氧化钠、无水碳 根和碳酸氢根是油田地层水中常见的阴离子,测定 酸钠、无水碳酸氢钠、氯化钠、硝酸钠、无水硫酸钠等 它们的含量有助于了解地层水的种类、硬度等指标, 试剂均为分析纯.实验中所用的水均为去离子水 同时可以监测它们在管路腐蚀中所起的作用.作为 油田地层水样均由吐哈石油勘探开发研究院提供. 油田水质分析的一个重要项目,我国各大油田目前 1.2色谱条件 主要采用化学滴定法对碳酸根和碳酸氢根进行测 所用固定相包括SAX一1强阴离子交换剂(中国 定l1】.离子选择性膜电极也可以对碳酸盐进行快速 科学院兰州化学物理研究所合成)、Y ̄J-R4NCI(天津 灵敏的测定[2, .李永民等[ 】建立了快速测定油田 试剂二厂)和A-25( nex )强阴离子交换树脂. 地层水中碳酸钠的催化动力学流动注射分析法.但 色谱柱:50×4.6 mrn I.D.和150×4.6 mrn I.D.不锈 是有些油田地层水呈黄褐色、绿色甚至黑色。从而严 钢管.流动相:邻苯二甲酸氢钾和柠檬酸钠的水溶 重干扰碳酸根和碳酸氢根的滴定分析。并且会在流 液,根据需要用0.1 mol/I 氢氧化钠调节pH值.流 动注射分析中引入较大的误差.为此我们建立了测 速:1.5或2.0 rnL/min.检测波长:254 nrn. 定油田有色地层水中的碳酸根和碳酸氢根含量的离 1.3实验方法 子色谱法,该法排除了颜色以及其他无机离子的干 对于吐哈油田的有色水样,用去离子水稀释10 扰. 倍,用0.45 tan滤膜过滤后进样.稀释后的样品pH 1 实验部分 值由Model SA720数字酸度计给出. 1.1仪器和试剂 2结果与讨论 Waters液相色谱仪配置如下:510型液相色谱 2.1固定相的选择 泵,7125i型六通进样阀。486型uv_ⅥS可变波长检 实验发现。以硅胶基质的强阴离子交换剂SAX一 测器和Millenni m色谱工作站.英国Orion公司的 1(150×4.6 mrn I.D.)为固定相时,用1.0 rm ̄I/I 邻 作者简介:蔡青松,男,27岁,硕士生,主要从事离子色谱研究. * 通讯联系人.收稿日期:2002—05—23;收到修改稿日期:2002—07—16 维普资讯 http://www.cqvip.com 166 分析测试技术与仪器 第8卷 苯二甲酸氢钾、0.6 nraol/L柠檬酸钠作洗脱液时 2.2.2邻苯二甲酸氢钾的浓度 Na2CO3不出峰;当改用1.0 nraol/L邻苯二甲酸氢 固定流动相中柠檬酸钠的浓度为4.4 nraol/L 钾(pH 10.73)作洗脱液时,Na2CO3在4 min左右出 和pH值9.0,改变邻苯二甲酸氢钾的浓度,考察 峰.但随着进样次数的增加,其保留时间不断减小 HCO3-的容量因子及峰高的变化,结果如图2所示. 直至不保留.究其根源,应该是硅胶基质在碱性条 件逐渐溶解,导致柱容量不断下降.考虑到树脂型 阴离子交换剂的耐碱作用,我们选择强阴离子交换 树脂Y ̄--R4NCI和A一25作固定相. 2.2流动相的选择 在非抑制离子色谱法中,常用的间接光度法洗 脱液有邻苯二甲酸盐、苯甲酸盐、苯均三甲酸盐、碘 化物及硝酸盐.由于选择的固定相YSC ̄R4NCI和 25的离子交换容量较大,除选用短柱来减少分析时 间外,还应采用洗脱能力较强的洗脱液.我们采用 邻苯二甲酸氢钾作背景吸收离子,并加入三价离子 图2流动相中邻苯二甲酸氢钾的影响 Fig.2 Effect of potassium acid phthalate in mobile phases 柠檬酸根以增加流动相的洗脱能力.在碳酸盐系统 中,HCO3-在pH 6.3~10.3内具有优势分布.实验 由图2可见,随着邻苯二甲酸氢钾浓度的增大, 中也发现,把流动相调至中等碱性时,无论样品是碳 HCO3-的滞留先减小,随后又略有增大,而峰高则不 酸盐还是碳酸氢盐都以HCOf的形式被洗脱.为了 断增加.综合考虑分析时间及灵敏度,最终选择流 考察流动相的影响,我们在Y R4NCI固定相上以 动相中邻苯二甲酸氢钾浓度为1.0 nraol/L. 5.66 nraol/LNa2CO3为样品对流动相进行了优化. 2.2.3柠檬酸钠的浓度 2.2.1 pH值 固定流动相中邻苯二甲酸氢钾的浓度为1.0 固定邻苯二甲酸氢钾的浓度为1.0 nraol/I ,柠 nraol/I 以及pH值9.0,改变其中柠檬酸钠的浓度, 檬酸钠的浓度为4.4 nraol/I ,用0.1 mol/I 氢氧化钠 考察HCO3-的容量因子及峰高的变化(图3). 调整流动相的pH值,考察HCOf的容量因子及峰 高的变化(图1). pH 图1流动相pH值的影响 图3流动相中柠檬酸钠的影响 Fig.1 Effect of pH ofmobile phases Fig.3 Effect of sodium citrate in mobile phases 由图1可见,随着流动相pH值的增加碳酸氢根 的滞留增大,而且灵敏度也增大.但也发现当流动 从图3可见,随着柠檬酸钠浓度的增加,碳酸氢 相pH值超过11时,碳酸氢根的峰形发生明显分裂, 根在固定相上的滞留减小,灵敏度降低,综合考虑分 不利于碳酸盐碳总量的测定.综合考虑灵敏度、分 析时间和灵敏度,最终选择流动相中的柠檬酸钠浓 析速度以及定量,我们选择流动相的pH值为9.0. 度为4.4 nraol/L. 维普资讯 http://www.cqvip.com 第3期 蔡青松等:离子色谱法测定油田有色地层水中的碳酸根和碳酸氢根 2.3根据碳酸盐碳的总量计算碳酸根和碳酸氢根 进行定量.为了验证可以用He03-的出峰标定样品 含量 中碳酸盐碳的总量,特意配制了一系列碳酸盐碳总 由于在选定的色谱条件下,无论所分析样品是 量相同、碳酸钠和碳酸氢钠比例不同的混合溶液,离 碳酸盐还是碳酸氢盐均在同一时间以He03-的形 子色谱分析结果列于表1中. 式出峰,所以可以用该峰对溶液中碳酸盐碳的总量 表l碳酸盐碳总量相同时H ̄Of的响应 Table 1 Responses of bicarbonate in solutions containing the same content of total carbonate-carbon 由表1可以看出,在允许的误差范围内,当碳酸 过测定其pH值给出;即:[H ]=10一pH.Ka1与Ka2 盐碳的总量相同时,即使碳酸钠与碳酸氢钠的比例 分别为碳酸的第一级和第二级解离常数;25℃下 不同,碳酸氢根的峰高基本保持不变,所以可以用 Ka1=10-6.3 Ka,=10一lo 3. HCO3-的出峰标定样品中碳酸盐碳的总量.在二元 2.4方法的线性范围、精密度和最小检测量 酸H2CO3体系中存在以下平衡: 在优化的色谱条件下,标准溶液的校正曲线如 图4所示. H2CO3 ̄H+HCO3- (1) HCO; ̄H+c (2) 根据式(1)有: 毒 枢 掌 = [H ][HCO3-] 一CT一[HCO3-]一[c0j一] (3) 根据式(2)有: cr/(mmol/L) 圉4校正曲线 K赴= (4) Fig.4 Callbration curve 联合式(3)和(4)解得: 可见溶液中碳酸盐碳的总量和HCO3-峰高在 0.24~12 rm ̄ol/I 范围内具有良好的线性关系.以 [HCO3-]= ‰㈤ 0.24 n ̄nol/I 和11.9 rm ̄ol/I 的N ̄CO3为样品.方 法的相对标准偏差分别为4.9%和3.4%(n=5). 该方法的最小检测限为0.24 rmaol/I 碳酸盐碳,完 K a2[ H CO3-] (6) —全能够满足油田地层水分析的需要. [H ] 2.5实际样品分析 其中,cT为实际样品中碳酸盐碳的总量,由离子色 2.5.1 回收率 谱结果给出.[H ]为实际样品中氢离子浓度,可通 把两种油田有色地层水样哈1#和哈2#稀释 维普资讯 http://www.cqvip.com 168 分析测试技术与仪器 第8卷 10倍、自来水用去离子水稀释2倍后,分别标准加 2.5.3现场实验 入9.40 ̄-,-,ol/i 的Na2o0 后进行离子色谱测定,方 法的回收率见表2.可见该方法的回收率令人满意. 为了满足快速分析的需要,现场实验采用A-25 阴离子交换固定相,流动相流速2.0 mL/min.此时 C1一、S0j一等干扰离子发生共洗脱从而可以在8 min 表2方法的回收率 内完成分离(图6).测得样品中碳酸盐碳的总量以 Table 2 Recovery of the method 及pH值后,根据式(1)和式(2)就可以分别计算出 实际样品中碳酸根和碳酸氢根的含量,一些实际样 品的分析结果见表3. 2.5.2干扰物的排除 油田地层水中的常见无机阴离子除89-和 0O{一外还有a一、 和 一等.实验表明在优 0 1 2 3 4 5 6 7 S 化的色谱条件下,500倍量的a一不干扰Ho。 的 t/min 出峰;对于a一含量更大的地层水样只需适当加以 图6土哈油田地层水哈3#的离子色谱图 稀释就可以很方便的消除其干扰.此外,1000倍量 Fig.6 Ion chromatogram of Ha 3#oilifeld water 的S0j一和',03-也不干扰分离.优化条件下标准溶 Column:A.25(50×4.6 mm I.D.); 液的离子色谱分离如图5所示. Mobile phase:1.0 mmol/L potassium acid phthalate and 4.4 mmol/L sodium citrate(pH 9.6,adjustde by 0.1 mol/L NaOH); Flow rate:2.0 mL/min;Injection volume:20 L;Detection:254 am; Peaks:(1)HCO3(2)cI。+SOj一 表3油田地层水样中碳酸根和碳酸氢根的分析结果 Table 3 AnalyticaI results of carbonate and bicarbonate in oiIfield water 5 l0 l5 20 t/min 图5混合标样的离子色谱分离图 Fig.5 Ion Chromatogram of the mixed standard sample 2.6结论 Colunm:YSG-R4NCl(50×4.6 nlnl I.D.); 建立了一种测定油田有色地层水中碳酸盐碳总 Mobile phase:1.0 retool/L potassium acid phthalate and 4.4 mmoI/L 量的间接光度离子色谱方法,结合样品的pH值可 sodium citrate(pH 9.0,adjus'ted by 0.1 nlol/L NaOH); Flow rate:1.5 mL/min;Injection volume:20 pL;Detcetion:254 am: 以很方便的计算出其中碳酸根和碳酸氢根的含量. Peaks:I1)aco3 l175 rag/L)I2)CI—l1 200 mg/L) 与传统的滴定分析法相比具有较强的抗干扰能力、 (3)NOr(440 mg/L)(4)s0j一(540 me,/L) 操作简便和分析速度快等优点,能够实用于油田水 质分析. 维普资讯 http://www.cqvip.com 第3期 蔡青松等:离子色谱法测定油田有色地层水中的碳酸根和碳酸氢根 169 [3]Pigott J D.Coupled ion—selective electrode measurement of aqueous 参考文献: carbonate and bicarbonate ion acitviites[J].Ana1.(;hem.,1989, 61:638.640. [4] 李永民,陈立仁,聂小斌,韩炜.动力学流动注射分析法测 [1] 中国石油天然气总公司部颁标准Is].1995年l0月. 定三元复合驱油体系中的碳酸钠[J].分析化学,1995,23 [2]SmiiTlOVa A L,Grekovich A L.carb∞a【e ion—selecitve film elecⅡ掣e (2):239.240. with a solid conga-act[J].Electrokhimiya,1988,24:830—833. Determination of Carbonate and Bicarbonate in Colored Oilifeld Underground Water by Ion Chromatography CAI Qing一鲫 ,LIt5 Xia ,JIANG Sheng一)【ian ,JIN Yan.bo2 (1.Lanzhou Institute of Chemical Physics,the Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000,China; 2.Laboratory at the Tuha Headquarters of Petroleum Exploration and Development,Hami 839009,China) Abstract:A new ion chrtxnatcgraphy has been set up to detemfine the carbonate and biocarbonate in colored oilfield water samples.By optimizing the chromatographic conditions,the total carbonate—carbon can be analyzed in lesS than 8 min, and then the content of the carbonate and bicarbonate in the sample is conveniently calculated through acid..base equilib.. rimu.q'he linear relationship between the total contents of carbonate~carbon and responses is satisfied in the range of 0. 24~12 /L.The limit of detection of htis method iS 0.24 rr ̄nol/L tohal carobnate—carobn,relative standard devia tion iS lesS than 5.0%and recovery iS 95%~105%. Key words:ion chrcrnatography;colored underground water;carbonate;bicarbonate Classilying number:O657.7