葉美英，邱 瑾， 王燕青， 王玉婷， 李 婷

(杭州師范大學(xué) 材料與化學(xué)化工學(xué)院，杭州 310036)

幾個環(huán)境分析實驗的綠色化改進

葉美英，邱 瑾， 王燕青， 王玉婷， 李 婷

(杭州師范大學(xué) 材料與化學(xué)化工學(xué)院，杭州 310036)

文中通過采用新儀器、新方法，對幾個傳統(tǒng)環(huán)境化學(xué)實驗進行了綠色化改進。采用差分脈沖溶出伏安法測定土壤中重金屬離子含量，Pb2+、Cd2+在0～100 μg/L濃度范圍內(nèi)均保持良好的線性關(guān)系，具有較高的精確度和靈敏度。采用鉍膜電極代替汞膜電極，避免了汞對環(huán)境的污染；使用化學(xué)耗氧量測定儀代替滴定法測定水樣中的COD，不僅節(jié)約了試劑、節(jié)省了時間，而且減少了人為誤差。在測定環(huán)境空氣中苯系物的含量實驗中，通過采用微量進樣針取樣，使用小體積容器配制溶液，大大減少了有毒苯系物及溶劑二硫化碳的用量。上述方法都具有污染少、節(jié)約試劑、操作簡便等優(yōu)點，更適合作為學(xué)生實驗。

環(huán)境分析實驗；新方法；綠色化；學(xué)生實驗

環(huán)境問題已是全球關(guān)注的熱點問題。目前，很多污染控制問題的解決都離不開環(huán)境化學(xué)研究的理論方法與技術(shù)。環(huán)境化學(xué)對于環(huán)境科學(xué)與工程領(lǐng)域，特別是解決環(huán)境問題有著十分重要的地位和作用。而環(huán)境化學(xué)實驗則是培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際，提高動手能力，增強創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)之一[1]。其中，環(huán)境污染物的分析監(jiān)測是環(huán)境化學(xué)實驗的重要組成部分[2-3]。

當(dāng)前，高校的環(huán)境分析實驗教學(xué)存在以下的問題[4-6]：(1)實驗內(nèi)容單一，方法陳舊；(2)儀器設(shè)備利用率不高；(3)實驗過程化學(xué)試劑大量浪費，造成不可避免的環(huán)境污染；(4) 實驗內(nèi)容與實際生活脫節(jié)，缺乏實用性。

本文在參考董德明等人主編的《環(huán)境化學(xué)實驗》[7]基礎(chǔ)上，通過減少有毒試劑的用量，采用新的檢測方法和儀器對其中的“環(huán)境空氣中苯系物含量的測定”“土壤中重金屬離子的含量測定”“自來水、江河水化學(xué)耗氧量的測定”等幾個實驗進行了改進。在考慮環(huán)保性、重現(xiàn)性、創(chuàng)新性等前提下，探究新方法的測定條件，并考察了各個實驗作為學(xué)生實驗的可行性。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

1)儀器

微量注射器；SP-6890型氣相色譜儀(山東魯南瑞虹化工儀器有限公司)；氫火焰離子檢測器(FID)；XQC-15ET型空氣采樣器；GH-1型活性炭采樣管；KQ超聲波清洗器(昆山市超聲波儀器有限公司)；LK2005A微機電化學(xué)分析系統(tǒng)；CLJ2000磁力攪拌器(天津蘭力科化學(xué)電子高科技有限公司)；PHS-3C型pH計(上海精密科學(xué)有限公司)；原子吸收分光光度計(AAS vario6)；電爐；尼龍篩(100目)；三電極系統(tǒng)：玻碳電極、Ag-Agcl電極、鉑絲電極；HH-5型化學(xué)耗氧量測定儀；回流裝置(球形冷凝管、250 mL磨口錐形瓶)。

2)試劑

醋酸-醋酸鈉緩沖溶液；Pb2+、Cd2+、Bi3+(硝酸鉍)標(biāo)準(zhǔn)儲備液；鐵氰化鉀溶液；氯化鉀溶液；Al2O3粉；優(yōu)級純硝酸；濃H2SO4；硫酸-硫酸銀溶液；硫酸鐵溶液；重鉻酸鉀溶液；亞鐵靈指示劑、硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液；以上試劑均為分析純。苯、甲苯、鄰二甲苯、對二甲苯、間二甲苯，均為色譜純試劑；二硫化碳經(jīng)色譜鑒定無干擾峰；實驗用水為去離子水。

1.2 實驗內(nèi)容

1.2.1 土壤中重金屬離子的含量測定

1)采樣及樣品的預(yù)處理

(1)土壤的采樣

按照參考文獻[7]進行土壤的采樣和前處理。

(2)土樣的消解

稱取烘干土樣0.99 52 g置于高型燒杯中，加少許去離子水潤濕，再加入硫酸4 mL，蓋上表面皿，在電熱板上加熱至冒白煙，直至土壤變白。取下燒杯后，用水沖洗表面皿和燒杯壁。將消解液用濾紙過濾到25 mL容量瓶中，用水洗滌殘渣2～3次，將清液過濾至容量瓶中，用水稀釋至刻度，搖勻備用[7]。同時做1份空白試樣。

2)電極的預(yù)處理

玻碳電極在Al2O3粉中拋光，再依次用1∶1無水乙醇、1∶1硝酸、去離子水超聲清洗時間各3 min后，在K3Fe(CN)6溶液中進行循環(huán)伏安法檢測，若峰電位差在60～80 mV之間且循環(huán)伏安圖重現(xiàn)性較好，則表明該玻碳電極表面已符合要求，可以使用。

3)標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

分別取一定量的10 mg/L Pb2+、Cd2+、Bi3+的標(biāo)準(zhǔn)溶液配制成一定濃度梯度的金屬離子混合溶液，其中，Bi3+的濃度控制在金屬離子的3倍左右，用去離子水定容至10 mL，其中醋酸-醋酸鈉緩沖溶液濃度為0.1 mol/L。用差分脈沖溶出伏安法按表1中參數(shù)條件進行電化學(xué)分析，記錄金屬離子的還原峰峰電位及峰電流，制作標(biāo)準(zhǔn)曲線。

表1 差分脈沖溶出伏安法試驗條件

4)土樣中重金屬離子的含量測定

取土壤消解液5 mL，加一定量Bi3+標(biāo)準(zhǔn)溶液及醋酸-醋酸鈉緩沖溶液，用去離子水稀釋至10 mL，使Bi3+濃度為20 mg/L。在上述相同條件下測定土樣溶液的還原峰峰電位及峰電流，記錄數(shù)據(jù)。從標(biāo)準(zhǔn)曲線上查出消解液中Pb2+、Cd2+的含量C(μg/L)。則土壤樣品中Pb2+、Cd2+的含量ρ為：

(1)

在相同條件下測定空白樣和試樣的峰電流，記錄數(shù)據(jù)。從標(biāo)準(zhǔn)曲線上查出空白樣、試樣中的金屬濃度，扣除空白值后，得到試樣中的金屬濃度。

通過在土壤消解液中分別加入200 μg/L Pb2+和40 μg/L Cd2+標(biāo)準(zhǔn)溶液，在相同條件下測定加標(biāo)液的峰電流的加標(biāo)回收率。

(2)

1.2.2 環(huán)境水中化學(xué)耗氧量的測定

1)水樣預(yù)處理

實驗前先消除水樣中氯離子的干擾。分別取適量自來水、江河水水樣于燒杯中，用3 mol/L H2SO4調(diào)節(jié)pH值至微酸性，邊加固體AgNO3，邊充分攪拌，待AgCl沉淀不再生成后，靜置片刻，沉淀凝聚成絮狀后，取上層澄清液存于容量瓶。

2)化學(xué)耗氧量測定儀測定水樣COD

根據(jù)儀器說明書進行重鉻酸鉀溶液的總氧化量標(biāo)定和水樣測定，重復(fù)多次，取平均值[8]。并做空白實驗以扣除試劑空白。

1.2.3 環(huán)境空氣中苯系物含量的測定

1)色譜條件

(2)柱溫120 ℃；檢測室溫度150 ℃；汽化室溫度150 ℃。

(3)載氣(氮氣)壓力0.12 MPa，燃氣(氫氣)壓力0.05 MPa，助燃氣(空氣)壓力0.1 MPa。

(4)進樣量5.0 μL。

2)標(biāo)準(zhǔn)溶液測定

用微量進樣針分別取1 μL苯、甲苯、鄰二甲苯、間二甲苯，用CS2配成濃度分別為8.8 μg/mL、8.7 μg/mL、8.8 μg/mL、8.7 μg/mL的標(biāo)準(zhǔn)混合溶液,分別取該標(biāo)準(zhǔn)混合溶液0.5 mL、1.0 mL、1.5 mL、2.0 mL、2.5 mL于10 mL比色管中，用CS2稀釋至標(biāo)線并搖勻，得到一系列濃度梯度的苯系物標(biāo)準(zhǔn)混合溶液。另外，再取樣品瓶，各加入0.25 g粒狀活性炭及上述系列濃度的苯系物標(biāo)液2.00 mL ，振蕩2 min，放置20 min，過濾后進行色譜分析。在上述色譜條件下對苯系物標(biāo)準(zhǔn)混合液進行色譜分析，每個濃度重復(fù)測定5次，以苯系物濃度為橫坐標(biāo)，峰面積值為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 采用電化學(xué)法測定土壤中重金屬離子含量

檢測金屬離子含量的傳統(tǒng)方法為原子吸收光譜法、原子發(fā)射光譜法、電感耦合等離子質(zhì)譜法等。這些方法往往存在設(shè)備大型昂貴、實驗操作復(fù)雜等缺點。電化學(xué)的溶出伏安法具有儀器設(shè)備簡單、靈敏度高、選擇性好等優(yōu)點，更適合重金屬離子的檢測。然而，采用電化學(xué)方法測定重金屬含量很少作為環(huán)境化學(xué)的學(xué)生實驗。本文研究了鉍膜電極差分脈沖溶出伏安法測定土壤中重金屬離子含量的方法，并考察了其作為學(xué)生實驗的可行性，通過改進實驗方法和實驗內(nèi)容，使其適合學(xué)生實驗的特點。

2.1.1 工作電極

差分脈沖溶出伏安法測定痕量重金屬離子含量時常用各種汞電極作為工作電極。由于汞具有很強的毒性，近年來很多科學(xué)工作者致力于研究新型電極代替汞電極[9]。研究表明，鉍的毒性極低，可以和重金屬形成類似于汞齊的合金，而且鉍膜電極具有很高的靈敏度和較寬的工作電位，對溶解氧不敏感。因此，本文選擇鉍膜電極作為工作電極對重金屬離子進行差分脈沖溶出伏安法檢測，并采用同位鍍鉍法制備鉍膜電極。如圖1所示，Cd2+在-0.80 V處有溶出峰，Pb2+在-0.56 V處有溶出峰。

圖1 Pb、Cd的差分脈沖溶出伏安圖

2.1.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制及土壤中Pb、Cd離子含量的測定

如圖2所示，Pb2+、Cd2+在0～100 μg/L濃度范圍內(nèi)有良好的線性關(guān)系，Pb2+的線性回歸方程為y=0.005 7x+0.274，r=0.995 3；Cd2+的線性回歸方程為y=0.008 5x+0.262 4，r=0.999 6。

圖2 差分脈沖溶出伏安法測定Pb、Cd離子標(biāo)準(zhǔn)曲線 (■Pb，◆Cd)

由表2可知，將樣品濃度減去空白濃度，得到土壤樣品消解液中Pb2+、Cd2+的含量分別為66.04 μg/L、11.06 μg/L。根據(jù)式(1)可得，該土壤樣品中Pb、Cd的實際含量分別為3.318 mg/kg、0.555 7 mg/kg。根據(jù)土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，自然背景下土壤中Pb含量的一級標(biāo)準(zhǔn)值為35 mg/kg， Cd含量的二級標(biāo)準(zhǔn)值為0.6 mg/kg，說明該土壤樣品的Pb含量未超過一級標(biāo)準(zhǔn)值，Cd含量未超過二級標(biāo)準(zhǔn)值?？瞻讟又杏休^多的Pb2+、Cd2+，可能是由于消解過程中使用較多的濃硫酸，引入了較多的Pb2+和Cd2+。

表2 差分脈沖溶出伏安法測定土壤消解液中的Pb2+、Cd2+含量

2.1.3 學(xué)生實驗討論

1)在最佳實驗條件下，從試劑的準(zhǔn)備到測定結(jié)束，差分脈沖溶出法需要時間1 h,用時較短，適合作為學(xué)生實驗。

2)原子吸收分光光度法不能同時進行多元素測定，所需溶液用量大，且實驗所需儀器比較昂貴。而電化學(xué)分析法所用的儀器設(shè)備簡單，易自動化，且靈敏度和準(zhǔn)確度高，重現(xiàn)性良好，選擇性好，能一次同時測定幾種元素，儀器運行費用遠低于原子吸收分光光度法，更適合學(xué)生實驗。

3)在分析過程中，空氣、塵土中存在較多的鉛，在配制和分析過程中需時刻注意避免污染，迅速完成測定。

4)每次實驗必須嚴格控制相同的實驗條件(如參數(shù)設(shè)置、電極面積、攪拌速度、電極位置、溶液總體積、攪拌子大小等)，其中電極的處理是關(guān)鍵。

2.2 采用庫倫分析法測定水樣化學(xué)耗氧量

化學(xué)耗氧量是描述水體富營養(yǎng)化的一個重要指標(biāo)。目前，多數(shù)高校環(huán)境分析化學(xué)實驗中都開設(shè)了水體化學(xué)耗氧量的測定實驗項目。然而，多數(shù)學(xué)校仍采用傳統(tǒng)的高錳酸鉀法或重鉻酸鉀法，采用滴定法測定。這種方法通常需要較長時間的水樣消解過程，需要大量的硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液作為滴定劑，靈敏度低，誤差大[10]。

本文采用HH-5型化學(xué)耗氧量測定儀代替?zhèn)鹘y(tǒng)的滴定法，用于水體化學(xué)耗氧量的測定實驗。其原理是用重鉻酸鉀(或高錳酸鉀)為氧化劑進行樣品消解后，消耗氧化劑，電解產(chǎn)生亞鐵離子為滴定劑，滴定剩余的氧化劑，測量滴定過程中消耗的電量，根據(jù)法拉第定律，計算出樣品的COD含量。該儀器通過單片機進行全過程的自動控制與數(shù)據(jù)處理，既保留了恒電流庫侖分析的特點，又保證了與標(biāo)準(zhǔn)方法的相關(guān)性。

2.2.1 水樣化學(xué)耗氧量的測定

表3 滴定法測定水樣的COD值

表4 化學(xué)耗氧量測定儀測定水樣的COD值

2.2.2學(xué)生實驗討論

采用化學(xué)耗氧量測定儀測定COD值相較于傳統(tǒng)的滴定法有以下優(yōu)勢，更適合學(xué)生實驗。

1)操作省時

重鉻酸鉀法一次樣品全過程分析只需30 min，而滴定法測定一次全過程需0.5 d左右。

2)節(jié)約試劑

滴定法中需要大量的0.25 mol/L硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液，且硫酸亞鐵銨要每天標(biāo)定。而化學(xué)耗氧量測定儀測定中，因為亞鐵離子是在陰極上電解產(chǎn)生，可隨時用隨時電解。

3)高低含量都可以測定

儀器可直接測定COD值低于1 000 mg/L的水體，高于1 000 mg/L的水體可稀釋后測定，水樣的COD值低于2～3 mg/L時仍然可以測定，儀器靈敏度為0.3 mg/L。而滴定法則遠遠達不到，且滴定會產(chǎn)生諸多誤差。

4)滴定終點自動控制

直接顯示測量結(jié)果，并且準(zhǔn)確可靠。而滴定法則需要手動計算，煩瑣的計算可能會導(dǎo)致人為誤差的產(chǎn)生。

5)誤差小

滴定法中標(biāo)準(zhǔn)液的準(zhǔn)確配制，硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液在滴定管中的準(zhǔn)確量取，滴定消耗體積的準(zhǔn)確讀取等都會直接影響實驗的結(jié)果。

2.3 環(huán)境空氣中苯系物含量測定

苯系污染物會對人體產(chǎn)生嚴重危害，已經(jīng)被世界衛(wèi)生組織確定為強致癌物質(zhì)。室內(nèi)空氣中的苯系物通常采用氣相色譜法檢測[11]，采用標(biāo)準(zhǔn)曲線法(外標(biāo)法)定量。董德明等人主編的《環(huán)境化學(xué)實驗》參考國標(biāo)HJ 584-2010設(shè)計了“環(huán)境空氣中揮發(fā)性有機物的污染”實驗，采用活性炭吸附/二硫化碳解吸-氣相色譜法空氣中苯系物。根據(jù)實驗講義中的步驟，在配制各種苯系物的標(biāo)準(zhǔn)溶液過程中，每次每組實驗需要苯、甲苯等各種苯系物各10 μL，需要毒性較大的二硫化碳至少1 L作為苯系物的溶劑。

為了減少苯系物及二硫化碳的用量，本文采用10 μL氣相色譜儀進樣針來準(zhǔn)確吸取微量苯系物或苯系物標(biāo)準(zhǔn)儲備液，并用10 mL的比色管代替《環(huán)境化學(xué)實驗》中所用的100 mL容量瓶配制苯系物標(biāo)液。通過逐級稀釋，配制成所需濃度的苯系物標(biāo)準(zhǔn)液。整個實驗中所需的各苯系物量各為1 μL，二硫化碳溶劑體積不超過200 mL。通過微量進樣針和比色管的使用，在保證準(zhǔn)確配制苯系物標(biāo)液的同時，大大減少了有毒溶劑的用量，不僅節(jié)約了實驗成本，還減少了對實驗人員身體健康的危害。

盡管大大減少了苯系物及二硫化碳溶劑的用量，然而實驗結(jié)果卻表明，實際用量的減少并不影響實驗的重現(xiàn)性和準(zhǔn)確度。盡管該實驗用時較長，不適合作為具一定學(xué)時限制的學(xué)生實驗，但研究對象貼近生活，能極大地引起學(xué)生的興趣，適合作為開放性實驗。

3 結(jié)束語

本文采用了新儀器、新方法，使環(huán)境化學(xué)實驗更環(huán)保、更省時，使操作更方便快捷。在電化學(xué)法測定土壤中重金屬離子含量中，采用鉍膜電極代替汞膜電極，避免了環(huán)境污染，相較于原子吸收光譜法，大大地降低了儀器運行費用；化學(xué)耗氧量測定儀的使用，在節(jié)約試劑、時間的同時，減少了人為誤差；氣相色譜儀測定空氣中苯系物含量時，大大減少了苯系物及二硫化碳的使用。實驗結(jié)果表明，以上實驗的重現(xiàn)性良好，在實驗儀器的允許誤差范圍內(nèi)，在考察環(huán)保、實用、省時、低成本等因素的前提下，本文采用的新方法更適合作為學(xué)生實驗。這些實驗內(nèi)容不僅可以作為環(huán)境化學(xué)課程的配套實驗，也適合作為化學(xué)及相關(guān)專業(yè)的儀器分析實驗的內(nèi)容。隨著科研水平的進一步提高，學(xué)校儀器條件的進一步改善，將有更多更好的實驗內(nèi)容可以引入學(xué)生實驗中，從而提高學(xué)生應(yīng)用新方法、新儀器的能力，拓展知識面。

[1] 李娟英,江敏,彭自然,等. 環(huán)境化學(xué)實驗教學(xué)體系的優(yōu)化與改革[J]. 實驗科學(xué)與技術(shù), 2008,6(1):69-71.

[2] 滕麗華, 林建原, 夏靜芬,等. 環(huán)境化學(xué)實驗課程與教學(xué)體系的改革與創(chuàng)新[J].高等理科教育，2010(3):89-92.

[3]劉綺. 環(huán)境化學(xué)實驗課教學(xué)改革研究[J]. 高校實驗室工作研究, 2006(4):7-13.

[4]王建兵, 蔣雯婷, 王春榮,等. 環(huán)境化學(xué)實驗教學(xué)體系的優(yōu)化與改革[J]. 科技資訊, 2011(12):172-173.

[5]齊云,遲杰,魯逸人.環(huán)境化學(xué)實驗教學(xué)之改革[J].實驗室研究與探索，2008,27(12):104-106.

[6]李金玲，王軍，朱魯生.高校環(huán)境化學(xué)實驗教學(xué)改革的新方法[J].實驗室科學(xué)，2007，10(1)：53-54.

[7]董德明,朱利中.環(huán)境化學(xué)實驗[M].北京：高等教育出版社，2002.

[8]姜堰市銀河儀器廠.HH-5型化學(xué)耗氧量測定儀使用說明書[EB/OL].[2014-01-12].http://www. doc88.com/p-38361782390.html.

[9] 公維磊,杜曉燕,王舒然,等.預(yù)鍍鉍膜修飾鉑電極差分脈沖溶出伏安法測定痕量鉛、鎘[J].分析化學(xué)研究報，2008,36(2):177-181.

[10]王萍.COD 儀器快速測定法與標(biāo)準(zhǔn)法的比較[J].甘肅環(huán)境研究與監(jiān)測，1997，10 (2):11-13.

[11]張凱. 分析氣相色譜法檢測室內(nèi)空氣中苯系物[J].科學(xué)之友,2011(10):32-33.

Greening Improvement of Several Environment Analytical Experiments

YE Meiying， QIU Jin，WANG Yanqing, WANG Yuting,LI Ting

(College of Material Chemistry and Chemical Engineering, Hangzhou Normal University，Hangzhou 310036, China)

In this paper, three environmental chemical experiments were innovated using new instruments and detection methods. Differential pulse stripping voltammetry was applied to determine heavy metals in soil. Pb2+, Cd2+have good linear relationship in the concentration range of 0-100 μg/L. Compared with atomic absorption spectrophotometry, accuracy and sensitivity of the new method are better, and by using bismuth film electrode instead of mercury film electrode, the experiment avoids the pollution to the environment. The use of COD tester instead of titration method for determination of chemical oxygen demand, not only save reagents and time, but also reduce personal error. In the experiment of determination of benzene, toluene, dimethylbenzene (BTE) in ambient air, the amount of the toxic solvent CS2was reduced greatly. These new methods have advantages such as less pollution, less time consuming, less reagents consumption and simpler operation, so are more suitable for Student experiments.

environmental analytical experiments; new methods; greening improvement；student experiments

2014-03-13；修改日期: 2014-05-12

葉美英(1977-)，女，博士，副教授，研究方向：微反應(yīng)器的研制及其在生化與環(huán)境樣品分析中的應(yīng)用。

O6-3

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.02.005