范海嘯

(中國人民解放軍陸軍勤務(wù)學(xué)院，重慶 400000)

隨著人們生活水平的不斷提高和工業(yè)的不斷發(fā)展，生活污水以及工業(yè)廢水不斷增加，水體污染的現(xiàn)象一直圍繞在我們身邊。大部分的都是有機(jī)物的污染，這些有機(jī)物被水體分解時(shí)需要消耗很大一部分的溶解氧，使水中氧的平衡遭到破壞，水質(zhì)開始惡化。高錳酸鹽指數(shù)是衡量水污染的一項(xiàng)重要指標(biāo)?！禛B 11892 -1989 水質(zhì) 高錳酸鹽指數(shù)的測(cè)定》是目前常用的分析依據(jù)［1］。

一般選用酸性法來測(cè)定高錳酸鹽指數(shù)，用這種方法加熱的時(shí)間、溫度、高錳酸鉀消耗量以及濃度、溶液的滴定速度、酸度都對(duì)結(jié)果有較大的影響。高錳酸鉀的消耗和樣品水浴加熱等需要在樣品瓶較高溫度下進(jìn)行樣品滴定，具有危險(xiǎn)性。該設(shè)計(jì)選用紫外可見分光光度法來完成水中高錳酸鹽指數(shù)的測(cè)定［2］。

此分析方法可以通過機(jī)械設(shè)備完成樣品測(cè)定，大大減小了上述危險(xiǎn)性。在環(huán)境分析中也得到了廣泛應(yīng)用。準(zhǔn)確度和精密度都達(dá)到了檢測(cè)要求，適合遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，在測(cè)定嘉陵江以及長江水域高錳酸鹽指數(shù)時(shí)取得了很不錯(cuò)的結(jié)果，是一種較好的監(jiān)測(cè)方法。

1 紫外可見分光光度的介紹

微量組分含量的測(cè)定、高含量組分的測(cè)定、多組分分析以及配合物組成都可以用紫外—可見分光光度法來測(cè)定。

1.1 特點(diǎn)

(1)紫外吸收光譜對(duì)應(yīng)的電磁波波長短，能量大，它反映了分子中價(jià)電子能級(jí)的躍遷情況。主要應(yīng)用于共軛體系及芳香化合物的分析。

(2)因?yàn)殡娮幽芗?jí)改變的同時(shí)，往往伴隨著振動(dòng)能級(jí)的躍遷，所以電子光譜圖比較簡單，但峰形較寬。一般來說，定性分析利用紫外吸收光譜信息較少。

(3)紫外吸收光譜常用于共軛體系的定量分析，靈敏度高，檢出限低［3］。

1.2 測(cè)定條件

(1)入射光波長的選擇。在最大吸收波長處測(cè)定吸光度不僅能獲得高靈敏度，而且還能減少由非單色光引起的對(duì)朗伯—比爾定律的偏離。所以，在分光光度法測(cè)定中一般選擇最愛吸收波長作為入射光波長。但是如果最大吸收波長有共存離子干擾，應(yīng)該考慮選擇靈敏度稍低但能避免干擾的入射光波長。

(2)參比溶液的選擇。實(shí)驗(yàn)時(shí)，調(diào)節(jié)儀器的零點(diǎn)需要合適的空白溶液進(jìn)行參比，這樣可以消除顯色溶液中其他的有色物質(zhì)進(jìn)行干擾，消除試劑以及吸收池對(duì)入射光的影響。選擇合適的參比溶液要根據(jù)試樣溶液的性質(zhì)來選擇。常用的參比溶液有試樣參比、褪色參比、溶劑參比、試劑參比等。

(3)比色皿的使用。選擇合適的比色皿，吸光度值應(yīng)在0.2 ～0.8 范圍內(nèi)。同一個(gè)實(shí)驗(yàn)應(yīng)使用同一套比色皿，這樣可以減少誤差。使用時(shí)應(yīng)注意:①拿取比色皿時(shí)應(yīng)用手指接觸兩側(cè)毛玻璃，輕拿輕放。②具有腐蝕性溶液，不能長時(shí)間放置在比色皿中。③使用完畢后應(yīng)立即用水沖洗干凈，如沖洗不凈，需先用乙醇清洗再用清水沖洗。④溶液應(yīng)裝置比色皿3/4 的位置［4］。

2 方法比較及分析

常用水中高錳酸鹽指數(shù)的測(cè)定方法主要有滴定法、分光光度法、連續(xù)流動(dòng)分析法。

2.1 滴定法

由于測(cè)定溶液介質(zhì)不同，滴定法分為酸性法和堿性法。當(dāng)氯離子含量在不超過300 mg/L 的情況下，一般采用酸性法。堿性法適用于氯離子超過300 mg/L 時(shí)，由于堿性條件下，高錳酸鉀的氧化能力會(huì)減弱，則水中氯離子不能得到氧化。

堿性條件下反應(yīng)原理為:在沸水浴中加熱氧化30 min。

加入酸酸化，剩余的高錳酸鉀用草酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液還原，生成二氧化錳，再用高錳酸鉀滴定至微紅色。

酸性條件下反應(yīng)原理為:在沸水浴中加熱氧化30 min;趁熱加入10 mL 0.010 0 mol/L 的草酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液還原剩下的高錳酸鉀，再用高錳酸鉀溶液反滴定成微紅色。

2.2 分光光度法

(1)紫外可見分光光度法。紫外可見分光光度法的原理:單色光輻射穿過被測(cè)物質(zhì)溶液時(shí)，被該物質(zhì)吸收的量與該物質(zhì)的濃度和液層的厚度(光路長度)成正比，即朗伯—比爾定律，這是吸收光譜法定量的理論依據(jù)。

(2)雙波長分光光度法。雙波長分光光度法測(cè)定水中高錳酸鹽指數(shù)實(shí)驗(yàn)條件見表1［6］。

表1 最佳實(shí)驗(yàn)條件Tab.1 Optimum experiment condition

2.3 連續(xù)流動(dòng)分析法

連續(xù)流動(dòng)分析法工作原理為:把一定體積樣品注射到一個(gè)無空氣間隔，流動(dòng)的溶液載流中，試劑和樣品在分析板塊中按規(guī)定的順序和比值混合、反應(yīng)，在沒有完全反應(yīng)的條件下，在流動(dòng)檢測(cè)池進(jìn)行光度檢測(cè)，定量的測(cè)定試樣中被測(cè)物質(zhì)的含量。

方法:選取0. 0 mg/L、0. 1 mg/L、0. 2 mg/L、0.3 mg/L、0.4 mg/L、0.5 mg/L 6 個(gè)濃度點(diǎn)，以峰高為縱坐標(biāo)，對(duì)應(yīng)的濃度為橫坐標(biāo)繪制工作曲線［7］。

2.4 快速測(cè)定法

快速測(cè)定法采用了植入工作曲線和預(yù)制式試劑的方式。不需要需制定工作曲線和進(jìn)行滴定，只需要取少量的水樣加入已經(jīng)制備好的試劑瓶中。經(jīng)過簡單加熱和比色，由儀器直接給出高錳酸鹽指數(shù)的測(cè)定結(jié)果［8］。

2.5 在線自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)

在線自動(dòng)分析儀的方法原理有三種:高錳酸鹽氧化—化學(xué)測(cè)量法、電位滴定法、uv 計(jì)法。

高錳酸鹽氧化—化學(xué)測(cè)量法和電位滴定法前處理方法相同，水樣進(jìn)入儀器反應(yīng)室后，加入過量的高錳酸鹽標(biāo)準(zhǔn)使用液，用濃硫酸酸化，100 ℃回流一定時(shí)間反應(yīng)結(jié)束后，化學(xué)測(cè)量法用氧化還原滴定法測(cè)定剩余的錳離子，電位滴定法需要加入過量的草酸鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液，用高錳酸鹽溶液回滴。終點(diǎn)時(shí)用氧化還原電位法確定，經(jīng)計(jì)算得到水樣中高錳酸鹽指數(shù)［9］。

2.6 方法分析

滴定法優(yōu)點(diǎn)是高錳酸鉀溶液本身具有紫紅色，所以滴定時(shí)不需要添加任何指示劑。它的氧化能力強(qiáng)，多種有機(jī)物和無機(jī)物都可以被氧化。缺點(diǎn)是滴定終點(diǎn)很難判斷，操作步驟繁瑣，效率低，實(shí)驗(yàn)溫度要求比較嚴(yán)格等。

流動(dòng)注射法優(yōu)點(diǎn)是可進(jìn)行樣品預(yù)處理，分析速度快，穩(wěn)定性好等。缺點(diǎn)是定性能力相對(duì)較差。

快速測(cè)定法優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程可以在30 min內(nèi)完成，縮短了分析時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快速測(cè)定，適合應(yīng)急監(jiān)測(cè)工作的需要。缺點(diǎn)是靈敏性和準(zhǔn)確度較低。

在線自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是儀器具有自動(dòng)清洗，狀態(tài)自檢，斷電保護(hù)等功能。缺點(diǎn)是穩(wěn)定性差，干擾因素多，儀器維修過程復(fù)雜。

分光光度法優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用廣泛，重現(xiàn)性好，操作簡單，試劑樣品用量少等［10］。

3 紫外可見分光光度法測(cè)定水中高錳酸鹽指數(shù)方案設(shè)計(jì)

3.1 方案設(shè)計(jì)

該方案設(shè)計(jì)的目的是了解紫外分光光度法的原理及操作要點(diǎn)并掌握紫外可見分光光度法測(cè)定水中高錳酸鹽指數(shù)的原理和方法。

3.1.1 方案設(shè)計(jì)的原理

水體為酸性條件時(shí)，水中的有機(jī)物會(huì)被過量的高錳酸鉀溶液氧化，因?yàn)楦咤i酸鉀本身具有紫紅色，在波長525 nm 時(shí)采用紫外可見分光光度法將剩余的高錳酸鉀進(jìn)行測(cè)定。建立標(biāo)準(zhǔn)曲線，由標(biāo)準(zhǔn)曲線得出高錳酸鹽的指數(shù)。

3.1.2 儀器與設(shè)備

采用的儀器設(shè)備見表2。

表2 儀器與試劑Tab.2 Instruments and reagents

3.1.3 設(shè)計(jì)方案流程圖(見圖1)

圖1 設(shè)計(jì)方案流程圖Fig.1 Flow chart of design scheme

3.2 方案驗(yàn)證

3.2.1 主要儀器與試劑

儀器

(1)721 型分光光度計(jì)使用方法。

①儀器電源接通，指示燈亮，開啟比色皿暗盒蓋，調(diào)節(jié)吸光度，使微安表指針處于“0”位，預(yù)熱20 min。

②調(diào)節(jié)波長，選擇單色光波長，并選擇合適的靈敏度擋，再用“0”吸光度調(diào)節(jié)旋鈕復(fù)核電表透光度“0”位。

③將待測(cè)溶液和參比溶液分別裝入比色皿，放入比色皿座，蓋上暗盒蓋，使光電管受光，將參比溶液推入光路，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)100%旋光度，使指針指向100%旋光度處。

④按上述方法調(diào)至“0”100%不變。即可進(jìn)行測(cè)量工作。

⑤將待測(cè)溶液依次推入光路，讀取吸光度A值［11］。

(2)HHS-6 六孔水浴鍋。

使用方法:

①水箱中加入蒸餾水于隔板50 mm 以上，避免電熱管燒壞。

②接通電源，綠燈表示電源開啟，加熱狀態(tài)時(shí)，黃燈熄滅。

③通過溫度顯示調(diào)節(jié)儀進(jìn)行溫度設(shè)定和控制，使電管加熱，直至黃燈亮綠燈滅，表示加熱停止，達(dá)到設(shè)定溫度。

④工作結(jié)束后，應(yīng)隨手關(guān)閉開關(guān)。

(3)50 mL 比色管6 只;吸量管(10 mL、5 mL、2 mL、1 mL)。

試劑:

(1)0.01 mol/L 的高錳酸鉀的配置:準(zhǔn)確稱取1.6 g 高錳酸鉀于燒杯中，用去離子水溶解后，定量轉(zhuǎn)移至1 000 mL 容量瓶中，加水稀釋至刻度，搖勻。

(2)1 ∶1 硫酸的配置，準(zhǔn)確移取25 mL 的硫酸放入25 mL 的水中。

(3)水樣。

3.2.2 操作步驟

(1)吸收曲線的繪制。

取高錳酸鉀溶液10 mL，用1 cm 的比色皿，以空白為參比，從470 nm 到540 nm，每隔5 nm 測(cè)定一次吸光度，吸收峰附近多測(cè)定幾個(gè)點(diǎn)，繪制工作曲線，根據(jù)吸收曲線選擇最大吸收峰的波長。

(2)工作曲線的繪制。

取水樣10 mL 于6 個(gè)50 mL 的比色管中，分別加入0. 00 mL(空白)、0. 2 mL、0. 4 mL、0. 6 mL、0.8 mL、1.0 mL 的高錳酸鉀溶液，加入0.2 mL 的硫酸，放入溫度為100 ℃的水浴鍋中加熱30 min，用自來水冷卻至室溫，定容至刻度線，以空白為參比，在波長為525 nm 處測(cè)定吸光度。

以吸光度A 為從坐標(biāo)，高錳酸鉀的含量為橫坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

(3)樣品的測(cè)定。

取水樣10 mL 于50 mL 比色管中，加入1 mL 高錳酸鉀，0.2 mL 硫酸，放入溫度為100 ℃的水浴鍋中加熱30 min，用自來水冷卻，定容到刻度線，以空白為參比，在波長為525 nm 處測(cè)得吸光度。

3.2.3 數(shù)據(jù)記錄和結(jié)果計(jì)算

(1)工作曲線的繪制見表3。

表3 數(shù)據(jù)記錄Tab.3 Data record

(2)計(jì)算公式如下:

式中:IMn——指高錳酸鹽指數(shù)，mg/L;C0——指曲線查得空白水中高錳酸鉀的濃度，mg/L;C樣——指曲線查得樣品水中高錳酸鉀的濃度，mg/L。

3.2.4 方案條件實(shí)驗(yàn)

(1)硫酸的用量影響。

酸性在方案中有很重要的作用，它不僅影響了高錳酸鉀的氧化能力，而且對(duì)于工作曲線的建立也有影響。在酸性條件中，高錳酸鉀錳會(huì)被還原為二價(jià)錳。按照實(shí)驗(yàn)的方法，在波長525 nm 時(shí)，分別改變硫酸的用量，加入0.2 mL 硫酸線性良好。故選擇加入硫酸為0.2 mL［12］。

(2)加熱溫度的選擇。

按照實(shí)驗(yàn)的方法，改變加熱溫度，在溫度為95 ℃～100 ℃時(shí)，95 ℃的誤差為8.3%，100 ℃時(shí)誤差為0.3%。故選擇溫度為100 ℃的條件下進(jìn)行加熱［13］。

(3)加熱時(shí)間的選擇。

設(shè)置水浴溫度為100 ℃，將六組反應(yīng)溶液分別加入20 min、25 min、30 min、35 min、40 min、45 min于波長為525 nm 處測(cè)定吸光度，反應(yīng)時(shí)間大于30 min時(shí)，中間產(chǎn)物二氧化錳消失，對(duì)吸光度值影響最小，故選擇加熱時(shí)間為30 min。

(4)高錳酸鉀的濃度。

紫外可見分光光度法中，高錳酸鉀的濃度為，1.00 ×10-4mol/L。滴定法測(cè)定中，高錳酸鉀的濃度為，8.00 ×10-4mol/L。兩種測(cè)定方法中，進(jìn)行高錳酸鉀濃度計(jì)算，活度系數(shù)為1，根據(jù)Nernst 方程進(jìn)行計(jì)算，兩組不同的溶液只能夠氧化電勢(shì)的電位之差為0.01，兩組反應(yīng)液中高錳酸鹽的氧化率差不多［14］。

3.3 注意事項(xiàng)

(1)分光度度計(jì)使用前預(yù)熱30 min。

(2)如果大幅度改變測(cè)定的波長時(shí)，在調(diào)整“0”和“100%”透光度后稍等片刻，(鎢燈在急劇改變亮度后需要一段熱平衡時(shí)間)，當(dāng)指針穩(wěn)定后重新調(diào)整“0”和“100%”透光度即可進(jìn)行測(cè)量。

(3)連續(xù)測(cè)定時(shí)間太長，會(huì)造成光電管疲勞，吸光度讀數(shù)漂移，此時(shí)要將儀器稍停再連續(xù)使用［15］。

4 總結(jié)

該設(shè)計(jì)方案采用紫外—可見分光光度法測(cè)定水中高錳酸鹽指數(shù)，實(shí)驗(yàn)過程中使用了721 型分光光度計(jì)，HHS -6 六孔水浴鍋、0.01 mol/L 的高錳酸鉀、1 ∶1 的鹽酸、水樣、1 000 mL 的容量瓶，50 mL 的比色管，吸量管。在波長為525 nm、加熱時(shí)間為30 min，溫度為100 ℃，高錳酸鉀用量1 mL，硫酸用量為0.2 mL 的條件下，可獲取紫外可見分光光度法的優(yōu)化測(cè)定。該測(cè)定方法具有快速便捷，其靈敏度高，成本低，節(jié)省時(shí)間等特點(diǎn)。由此可見，紫外—可見分光光度法是測(cè)定水質(zhì)環(huán)境的一種良好的測(cè)定方法，適合各實(shí)驗(yàn)室水中高錳酸鹽指數(shù)的測(cè)定，在實(shí)際工作中可以應(yīng)用。