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超全!水質(zhì)全方位解析環(huán)境監(jiān)測

 逐夢經(jīng)典 2021-03-23

環(huán)境介質(zhì)主要有水介質(zhì)、大氣介質(zhì)、土壤介質(zhì)三大種類,不同的環(huán)境介質(zhì),其檢測對象和檢測方法會有稍許的差別,尤其是水介質(zhì)、本文從水介質(zhì)著手,簡單論述環(huán)境水介質(zhì)中的檢測對象和檢測方法。

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樣品的采集

主要涉及到斷面的設(shè)定和采樣點位的確定。

斷面的確定:對于江、河水系或某一河段,要求設(shè)置三種斷面,即對照斷面、控制斷面和消減斷面。

A對照斷面:這種斷面應(yīng)設(shè)在河流進(jìn)入城市或工業(yè)區(qū)以前的地方,避開各種廢水、污水流入或回流處。

B控制斷面:一般設(shè)在排污口下游500-1000m處。對特殊要求的地區(qū),如水產(chǎn)資源區(qū)、風(fēng)景游覽區(qū)、自然保護(hù)區(qū)、與水源有關(guān)的地方病發(fā)病區(qū)、嚴(yán)重水土流失區(qū)及地球化學(xué)異常區(qū)等的河段上也應(yīng)設(shè)置控制斷面。

C消減斷面:通常設(shè)在城市或工業(yè)區(qū)最后一個排污口下游1500m以外的河段上。


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采樣點位的確定:設(shè)置監(jiān)測斷面后,應(yīng)根據(jù)水面的寬度確定斷面上的采樣垂線,再根據(jù)采樣垂線的深度確定采樣點位置和數(shù)目。

  • 水面寬小于50m時,設(shè)一條中泓垂線;

  • 水面寬50-100m,在左右近岸有明顯水流處各設(shè)一條垂線;

  • 面寬100-1000m,設(shè)左、中、右三條垂線;

  • 水面寬大于1500m,至少設(shè)置5條等距離垂線。

  • 水深小于5m,水面下0.3-0.5m,設(shè)一個采樣點;

  • 水深5-10m,水面下0.3-0.5m處和河底以上0.5m處各設(shè)一個;

  • 水深10-50m,設(shè)三個點,水面下0.3-0.5m處和河底以上0.5m處各設(shè)一個,1/2水深處一個;水深大于50m增加點數(shù)。

1、pH

pH是最常用的水質(zhì)指標(biāo)之一,天然水的pH值多在6-9;飲用水pH值要求在6.5-8.5之間;某些工業(yè)用水的pH值應(yīng)保證在7.0-8.5之間,否則將對金屬設(shè)備和管道有腐蝕作用。pH值表示水的酸堿性的強弱,而酸度或堿度是水中所含酸或堿物質(zhì)的含量。水質(zhì)中的pH值的變化預(yù)示了水污染的程度。

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2、硬度

指水中Ca2+、Mg2+的總量。水的硬度主要是由于水中含鈣鹽和鎂鹽所形成。硬度對工業(yè)用水關(guān)系很大,如鍋爐給水要經(jīng)常進(jìn)行硬度分析,為水的處理提供依據(jù)。水中所含鈣和鎂的酸式碳酸鹽,加熱即分解并析出沉淀而被除去:

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這種鹽所形成的硬度稱為暫時硬度。

水中所含鈣、鎂的硫酸鹽,氯化物等經(jīng)加熱不能分解,這種鹽所形成的硬度稱為永久硬度。暫時硬度和永久硬度之和為總硬度。

測定水的總硬度就是測定水中鈣、鎂的總量,一般采用EDTA配位滴定法。用EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定水中Ca2+、Mg2+ 離子總量時,使用NH3·H2O-NH4CL緩沖溶液控制溶液的酸度為pH=10,以鉻黑T為指示劑,滴定至溶液由酒紅色變?yōu)榧兯{(lán)色即為終點:

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水的硬度有多種表示方法,隨各國的習(xí)慣而不同。目前我國通常是以度(°)計。1硬度單位表示十萬份水中含1份CaO(即每升水中含10mgCaO)。故1°≈10ppmCaO(ppm為百萬份之份數(shù),part permillion)。

3、電導(dǎo)率

水質(zhì)純度的一項重要指標(biāo)是水質(zhì)的電導(dǎo)率的大小。電導(dǎo)率愈小,即水中離子總量愈小,水質(zhì)純度就高;反之,電導(dǎo)率愈大,離子總量愈大,水質(zhì)純度就低。普通蒸餾水的電導(dǎo)率約為3~5*10-6S/cm,而去離子水可達(dá)*10-7S/cm,水溶液中的離子,在電場作用下具有導(dǎo)電能力。

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4、氨氮

是指水中以游離氨(NH3)和銨離子(NH4+)形式存在的氮。總氮,簡稱為TN,水中的總氮含量是衡量水質(zhì)的重要指標(biāo)之一??偟亩x是水中各種形態(tài)無機和有機氮的總量。包括NO3-、NO2-和NH4+等無機氮和蛋白質(zhì)、氨基酸和有機胺等有機氮,以每升水含氮毫克數(shù)計算。常被用來表示水體受營養(yǎng)物質(zhì)污染的程度。

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氨氮檢測方法,通常有納氏比色法、苯酚-次氯酸鹽(或水楊酸-次氯酸鹽)比色法和電極法等。

水質(zhì)總氮的測定方法主要有:

(1)堿性過硫酸鉀紫外分光光度法(HJ 636-2012):現(xiàn)如今水質(zhì)檢測的主要方法,如英國RAIKING、中國銳泉等主流的品牌是在這個標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上優(yōu)化的在線檢測產(chǎn)品。

(2)氣相分子吸收光譜法:該方法主要應(yīng)用于實驗室。

(3)也有采用氨氮、硝酸根、亞硝酸根分別進(jìn)行測量,然后將結(jié)果累加值作為總氮的測量結(jié)果。

5、陰陽離子

無機陰離子:由于陰離子在生物和環(huán)境方面的重要性,近年來,陰離子檢測越來越受到人們的重視。無機陰離子是水質(zhì)的一項重要指標(biāo),對其含量檢測是水質(zhì)監(jiān)測的關(guān)鍵部分。大多數(shù)無機陰離子具有兩面性,其在水中的含量過多或過少不僅會給人體健康和生命帶來危害,并且對生態(tài)環(huán)境造成難以估計的破壞。目前檢測陰離子的方法主要是離子色譜法。

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定義:利用色譜技術(shù)(用于分析的一種分離技術(shù))測定離子型物質(zhì)(在水溶液中電離,具有正/負(fù)電荷的元素)的方法。IC主要分離極性和部分弱極性的化合物。

無機陰離子的檢測:如F-、Cl-、Br-、NO3-、NO2-、SO42-等。

無機陰離子是發(fā)展最早,也是目前最成熟的離子色譜檢測方法,包括水相樣品中的氟、氯、溴等鹵素陰離子、硫酸根、硫代硫酸根、氰根等陰離子,可廣泛應(yīng)用于飲用水水質(zhì)檢測、啤酒、飲料等食品的安全、廢水排放達(dá)標(biāo)檢測、冶金工藝水樣、石油工業(yè)樣品等工業(yè)制品的質(zhì)量控制。特別由于鹵素離子在電子工業(yè)中的殘留受到越來越嚴(yán)格的限制,因此離子色譜被廣泛的應(yīng)用到無鹵素分析等重要工藝控制部門。

無機陰離子交換柱通常采用帶有季胺功能團(tuán)的交聯(lián)樹脂或其他具有類似性質(zhì)的物質(zhì),常見的陰離子交換柱如Metrosep Asupp 4-150,A supp 5-250等。常用的淋洗液為Na2CO3和NaHCO3按一定比例配置成的稀溶液,改變淋洗液的組成比例和濃度,可控制不同陰離子的保留時間和出峰順序。

當(dāng)然,除去無機陰離子。離子色譜法也可以檢測無機陽離子如Li+、Na+、NH4+、K+、Mg2+等離子。

無機陽離子的檢測:

無機陽離子的檢測和陰離子檢測的原理類似,所不同的是采用了磺酸基陽離子交換柱,如Metrosep C1、C2-150等,常用的淋洗液系統(tǒng)如酒石酸/二甲基吡啶酸系統(tǒng)。

6、有機污染指標(biāo)

表示水中有機物含量的綜合指標(biāo)有兩類,一類是以與水中有機物量相當(dāng)?shù)男柩趿?O2)表示的指標(biāo),如生化需氧量(BOD)、化學(xué)需氧量(COD)和總需氧量(TOD)等;另一類是以碳(c)表示的指標(biāo),如總有機碳(TOC)。對于同一種污水來講,這幾種指標(biāo)的數(shù)值一般是不同的,按數(shù)值大小的排列順序為TOD>COD>BOD5>TOC。

(1)總需氧量(TOD)

總需氧量TOD是指水中的還原性物質(zhì)在高溫下燃燒后變成穩(wěn)定的氧化物時所需要的氧量,結(jié)果以mg/L計。TOD值可以反映出水中幾乎全部有機物(包括碳C、氫H、氧O、氮N、磷P、硫S等成分)經(jīng)燃燒后變成CO2、H2O、NOx、SO2等時所需要消耗的氧量。

(2)生化需氧量(BOD)

生化需氧量全稱為生物化學(xué)需氧量,簡寫為BOD,它表示在溫度為20℃和有氧的條件下,好氧微生物分解水中有機物的生物化學(xué)氧化過程中消耗的溶解氧量,也就是水中可生物降解有機物穩(wěn)定化所需要的氧量,單位為mg/L。BOD不僅包括水中好氧微生物的增長繁殖或呼吸作用所消耗的氧量,還包括了硫化物、亞鐵等還原性無機物所耗用的氧量,但這一部分的所占比例通常很小。

生化需氧量BOD是一種環(huán)境監(jiān)測指標(biāo),主要用于監(jiān)測水體中有機物的污染狀況。一般有機物都可以被微生物所分解,但微生物分解水中的有機化合物時需要消耗氧,如果水中的溶解氧不足以供給微生物的需要,水體就處于污染狀態(tài)。

在20℃的自然條件下,有機物氧化到硝化階段、即實現(xiàn)全部分解穩(wěn)定所需時間在100d以上,但實際上常用20℃時20d的生化需氧量BOD20近似地代表完全生化需氧量。生產(chǎn)應(yīng)用中仍嫌20d的時間太長,一般采用20℃時5d的生化需氧量BOD5作為衡量污水中有機物含量的指標(biāo)。

BOD的測量原理是:水樣、重鉻酸鉀溶液、硫酸汞(硫酸汞可以消除水樣中氯離子的干擾,因氯離子能與汞離子形成非常穩(wěn)定的氯化汞)、硫酸銀溶液(硫酸銀作為催化劑加入可以更有效地氧化直鏈脂肪化合物)混合液加熱到165℃,重鉻酸離子氧化溶液中的有機物后顏色會發(fā)生變化,分析儀檢測此顏色的變化,并把這種變化換算成生化需氧量BOD值輸出出來,消耗的重鉻酸離子量相當(dāng)于可氧化的有機物量。

(3)化學(xué)需氧量(COD)

化學(xué)需氧量COD是指在一定條件下,水中有機物與強氧化劑作用所消耗的氧化劑折合成氧的量,以氧的mg/L計。當(dāng)用重鉻酸鉀作為氧化劑時,水中有機物幾乎可以全

部(90%一95%)被氧化,此時所消耗的氧化劑折合成氧的量即是通常所稱的化學(xué)需氧量,常簡寫為CODcr。污水的CODcr值不僅包含了水中的幾乎所有有機物被氧化的耗氧量,同時還包括了水中亞硝酸鹽、亞鐵鹽、硫化物等還原性無機物被氧化的耗氧量。

化學(xué)需氧量COD是以化學(xué)方法測量水樣中需要被氧化的還原性物質(zhì)的量。廢水、廢水處理廠出水和受污染的水中,能被強氧化劑氧化的物質(zhì)(一般為有機物)的氧當(dāng)量。在河流污染和工業(yè)廢水性質(zhì)的研究以及廢水處理廠的運行管理中,COD是一個重要的而且能較快測定的有機物污染參數(shù)。   

COD是用化學(xué)的方法進(jìn)行測定的,它基本上可以表征污水中所有的有機物濃度,這其中就包含了可被生物降解的和不可被生物降解的。而BOD測的時候一般選用5天生化需氧量來測的,它基本上就可以表征污水中可降解的有機物。

(4)總有機碳TOC

TOC-總有機碳:是指水體中溶解性和懸浮性有機物含碳的總量。水中有機物的種類很多,目前還不能全部進(jìn)行分離鑒定。常以“TOC”表示。TOC是一個快速檢定的綜合指標(biāo),它以碳的數(shù)量表示水中含有機物的總量。

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測試方法:

1、差減法:

將一定體積的水樣連同凈化氧氣或空氣(干燥并除去二氧化碳)分別導(dǎo)入高溫燃燒管(900~950℃)和低溫反應(yīng)管(150℃)中,經(jīng)高溫燃燒管的水樣在催化劑(鉑和二氧化鈷或三氧化二鉻)和載氣中氧的作用下,有機化合物轉(zhuǎn)化成為二氧化碳,經(jīng)低溫反應(yīng)管的水樣受酸化而使無機碳酸鹽分解成二氧化碳,生成的二氧化碳依次進(jìn)人非色散紅外線檢測器。紅外線被二氧化碳選擇吸收,并在一定濃度范圍內(nèi),其吸收強度與二氧化碳的濃度成正比,故可對水樣中的總碳(TC)和無機碳(IC)進(jìn)行分別定量測定。

總碳與無機碳的差值,即為總有機碳。因此,TOC可由下式計算得到:TOC=TC-IC

2、直接法

將水樣加酸酸化為pH值小于2,通入氮氣曝氣,使無機碳酸鹽轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸疾⒈淮得摱コ?。再將水樣注人高溫燃燒管,便可直接測得總有機碳

主要功能及應(yīng)用范圍:適用于水樣及土壤樣品,滿足實驗分析、科學(xué)研究和特殊應(yīng)用的所有要求。

7、重金屬檢測

什么是重金屬,目前尚沒有嚴(yán)格的統(tǒng)一定義,從環(huán)境污染方面所說的重金屬,實際上主要是指汞、鎘、鉛、鉻、砷等金屬或類金屬,也指具有一定毒性的的一般重金屬,如銅、鋅、鎳、錫等。


目前,對水中重金屬的檢測技術(shù)多停留在實驗室階段,最常用的方法是原子吸收分光光度法(AAS)、電感耦合等離子-質(zhì)譜法(ICP-MS)、電感耦合等離子體-發(fā)射光譜法(ICP-AES)、化學(xué)比色法和電化學(xué)分析方法。

其中,原子吸收分光光度法分為石墨原子化原子吸收分光光度法(GF-AAS)、氫化物發(fā)生原子吸收光度法等等。石墨原子化原子吸收分光光度法是現(xiàn)行大多數(shù)重金屬分析的標(biāo)準(zhǔn)方法之一。除此之外,一些使用到的方法還有化學(xué)比色法、X射線熒光法、中子活化法、離子色譜等等,以及在此基礎(chǔ)上的聯(lián)用技術(shù)等。

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原子吸收光譜法一般一次只能分析一種元素,檢測限相對較高,雖然電感耦合等離子-質(zhì)譜法和電感耦合發(fā)射光譜法能夠同時分析多種元素。但是,原子吸收光譜法、原子發(fā)射光譜法、離子色譜法、質(zhì)譜法電感耦合等離子體法設(shè)備費用和運營維護(hù)費用,成本都較高。因此,以上技術(shù)并沒有真正應(yīng)用于重金屬檢測領(lǐng)域。

目前,國內(nèi)外真正應(yīng)用于水中重金屬分析的技術(shù)主要是比色法和電化學(xué)分析方法。比色法又稱分光光度法,是化學(xué)分析中常用的方法之一。重金屬電化學(xué)分析方法由海洛夫斯基,其因發(fā)明該方法而獲1959諾貝爾化學(xué)獎)發(fā)明,后經(jīng)眾多學(xué)者優(yōu)化發(fā)展。

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比色法是經(jīng)典的化學(xué)分析方法之一,主要基于Lambert-Beer定律(朗伯-比爾定律,光吸收基本定律,是說明物質(zhì)對單色光吸收的強弱與吸光物質(zhì)的濃度(c)和液層厚度(b)間的關(guān)系的定律,是光吸收的基本定律,是紫外-可見光度法定量的基礎(chǔ)),在一定的條件下,重金屬離子與某一特定的試劑進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),在溶液中產(chǎn)生新的化學(xué)物質(zhì),該物質(zhì)一般具有特定吸收波長光;當(dāng)一束與新產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)匹配的單色光通過該溶液時,溶液的吸光度與溶液中新產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)濃度相關(guān),據(jù)此建立吸光度與被測組分的濃度關(guān)系。該方法原理簡單,不需要特殊設(shè)備,一般分光光度計即可滿足需求,因此在實驗室重金屬分析中依舊較為常見。當(dāng)該技術(shù)應(yīng)用于水質(zhì)重金屬分析時,選擇合適的顯色劑,以及消除其他金屬組分干擾是關(guān)鍵;其次是獲得穩(wěn)定可靠的單色光,以及光強檢測系統(tǒng)。

電化學(xué)方法主要是指陽極溶出伏安法,是將電化學(xué)富集與測定方法有機地結(jié)合在一起的一種方法。先將被測物質(zhì)通過陰極還原富集在一個固定的微電極上,再由負(fù)向正電位方向掃描溶出,根據(jù)溶出極化曲線來進(jìn)行分析測定。陽極溶出伏安分析技術(shù)(ASV)使得樣品中很低濃度的金屬都能夠被快速檢測出來,并有良好精密度。對于電化學(xué)溶出分析技術(shù)而言,由于重金屬在水環(huán)境——特別是地表水、飲用水源地等水環(huán)境中的含量不高(基本在μg/L數(shù)量級),即便是市政以及工業(yè)企業(yè)污水排放口,也僅僅在幾十到幾百μg/L數(shù)量級,因此檢測限低的電化學(xué)溶出分析技術(shù)在重金屬檢測中將發(fā)揮更大的作用。

目前的兩種重金屬檢測方法,比色法較為傳統(tǒng),設(shè)備成本比電化學(xué)分析儀成本低,在一些特殊的場合,特別是待分析重金屬成分濃度較高時,可以考慮該類型分析儀。在中低濃度的重金屬檢測中,如地表水、飲用水、水處理設(shè)施排放口重金屬檢測,基于電化學(xué)溶出分析技術(shù)的重金屬分析儀能夠?qū)Ζ蘥/L數(shù)量級的重金屬進(jìn)行精準(zhǔn)定量分析,無疑是首選。

(內(nèi)容來源:e測試服務(wù)平臺   由小析姐整理編輯)

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