水中總磷快速測定的微型環(huán)境監(jiān)測實驗

周永莉，王琳玲，楊 海，梁向輝，陸曉華

（華中科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

水體中過量總磷是造成湖泊富營養(yǎng)化、海灣赤潮等環(huán)境問題的主要原因之一，因而總磷是環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測中極為重要的常規(guī)監(jiān)測指標(biāo)。目前，GB 11893—89中采用鉬酸銨分光光度法對水中總磷進行檢測［1］，試劑用量較大，操作較為繁瑣。近年來，隨著對現(xiàn)場實時環(huán)境監(jiān)測的需求量日益增多，市場上已出現(xiàn)微型化多功能的快速檢測設(shè)備，新的測定方法不斷出現(xiàn)［2－9］，除了分光光度法 ，還有人采用流動注射分析法［10－11］、等離子發(fā)射光譜法［12］、離子色譜法［13］等測定總磷。

環(huán)境監(jiān)測實驗是國內(nèi)外環(huán)境類專業(yè)本科生的重要專業(yè)課，其中水中總磷的測定實驗是大多數(shù)院校必開的實驗項目之一。但目前的傳統(tǒng)實驗方法大多按照GB 11893—89采用分光光度計、電熱板等大裝置和較大器皿，試劑成本高，實驗學(xué)時較長。為了更新本科生環(huán)境監(jiān)測實驗教學(xué)內(nèi)容，提高實驗教學(xué)質(zhì)量，將實驗教學(xué)與科研和實際應(yīng)用緊密結(jié)合，設(shè)計了水中總磷快速測定的微型環(huán)境監(jiān)測實驗。課題組在我校環(huán)境科學(xué)研究所研發(fā)的多功能微型環(huán)境監(jiān)測儀及亞臨界水快速預(yù)處理裝置的基礎(chǔ)上，對儀器功能進行了改進和完善，以滿足本科實驗教學(xué)的要求；同時設(shè)計了新的實驗方法，讓學(xué)生在掌握基本實驗原理和操作方法的基礎(chǔ)上，了解現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測的發(fā)展趨勢，增強環(huán)境保護意識，提高科學(xué)研究的熱情和能力。

1 實驗方法

富營養(yǎng)化是指在人類活動的影響下，生物所需的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)大量進入湖泊、河口、海灣等緩流水體，引起藻類及其他浮游生物迅速繁殖，水體溶解氧量下降，水質(zhì)惡化，魚類及其他生物大量死亡的現(xiàn)象。水體富營養(yǎng)化后，即使切斷外界營養(yǎng)物質(zhì)的來源，也很難自凈和恢復(fù)到正常水平。

許多參數(shù)可作為水體富營養(yǎng)化的指標(biāo)，常用的是總磷、總氮、葉綠素－a含量和初級生產(chǎn)率等。本實驗通過測定天然水體中的總磷，來判斷水體的富營養(yǎng)化程度（見表1）。

表1 總磷與水體富營養(yǎng)化程度的關(guān)系

總磷的測定采用高溫高壓快速消解和鉬酸銨分光光度法測定。地面水和各種污水等水樣在中性條件下，加入一定量的過硫酸鉀為氧化劑，采用“亞臨界水快速預(yù)處理裝置”進行高溫高壓消解，將各種形態(tài)的磷轉(zhuǎn)化為正磷酸鹽，隨后在酸性條件下用鉬酸銨和酒石酸銻氧鉀與之反應(yīng)，生成磷鉬銻雜多酸，再用抗壞血酸把它還原為深色鉬藍，然后采用多功能微型環(huán)境監(jiān)測儀在700nm單色光源下測定其吸光度，檢測范圍為0.05～1.5mg／L。

2 儀器和試劑

儀器：多功能微型環(huán)境監(jiān)測儀（教學(xué)專用），自制亞臨界水快速預(yù)處理裝置。

試劑：濃硫酸、抗壞血酸、過硫酸鉀、酒石酸銻氧鉀、鉬酸銨和磷酸二氫鉀均為分析純。鉬酸鹽混合顯色劑配制：分別稱取0.21g固體酒石酸銻氧鉀（K（SbO）C4H4O6·1／2H2O）和7.8g鉬酸銨（（NH4）6Mo7O24·4H2O），全部溶解于100mL、體積分數(shù)為50%的硫酸溶液中。

水樣：喻家湖水樣。

3 實驗

3.1 樣品預(yù)處理

水樣預(yù)處理：打開亞臨界水快速消解儀電源，調(diào)節(jié)溫度至165℃，開始預(yù)熱；取3支干凈的消解瓶，分別加入10.0mL水樣（濃度高于測定上限進行適當(dāng)稀釋），再分別加入過硫酸鉀固體粉末60mg，擰緊瓶蓋，搖勻；當(dāng)消解儀加熱到指定溫度（165℃）時，將裝好樣品的消解瓶搖勻后放入消解儀中，開始計時，消解30 min；30min消解完成后，馬上取出所有消解瓶，放置于通風(fēng)處，冷卻至室溫。

空白樣預(yù)處理：另取3支干凈的消解瓶，分別加入10.0mL蒸餾水，按水樣的預(yù)處理完全相同的操作進行消解。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

采用逐級稀釋法，用磷酸二氫鉀配制磷的質(zhì)量濃度分別為0.00、0.10、0.25、0.50、0.75、1.00mg／L 的標(biāo)準(zhǔn)溶液10mL，分別加入35mg抗壞血酸，用力搖振，使固體完全溶解；約30s后，再滴加5滴鉬酸鹽混合顯色劑，搖勻；顯色10～15min后，采用10mm比色皿，以零濃度溶液為參比，用多功能微型環(huán)境監(jiān)測儀總磷測定通道（波長為700nm）測定吸光度值；根據(jù)吸光度與標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度的關(guān)系，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

3.3 樣品分析

樣品的測量：待消解后的水樣及空白樣冷卻后，分別加入35mg抗壞血酸，用力搖振，使固體完全溶解；約30s后，再滴加5滴鉬酸鹽混合顯色劑，搖勻，顯色10～15min后，采用10mm比色皿，放入總磷測定通道測定吸光度值；將扣除空白樣吸光度值后的差值代入標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合公式計算待測水樣的濃度。

如試樣中含有濁度或色度時，需配制一個濁度空白樣，即將水樣消解預(yù)處理后，再加入5滴濁度色度補償液，然后從水樣顯色測定后的吸光度中扣除濁度空白試樣的吸光度。

4 結(jié)果

實驗教學(xué)中，我們安排學(xué)生在學(xué)校附近的喻家湖進行現(xiàn)場采樣，水樣冷藏運輸并送回實驗室保存，在24h內(nèi)完成總磷的測定。學(xué)生根據(jù)水樣的實際情況設(shè)計測定湖水總磷，根據(jù)結(jié)果決定稀釋倍數(shù)，配制標(biāo)準(zhǔn)溶液，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，并完成水樣的測定和計算，評價水體富營養(yǎng)化程度，完成實驗報告。標(biāo)準(zhǔn)曲線和喻家湖水樣的實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果計算分別見表2和表3。擬合得到標(biāo)準(zhǔn)曲線公式為y＝0.463x＋0.010，相關(guān)系數(shù)R＝0.997。

表2 總磷快速測定的標(biāo)準(zhǔn)曲線

表3 喻家湖樣水總磷快速測定的實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果

5 結(jié)論

將現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的快速檢測儀器裝置和檢測技術(shù)引入實驗教學(xué)中，有以下好處：

（1）對現(xiàn)有儀器的功能進行了改進和完善，研究開發(fā)了適合于本科教學(xué)的實驗方法，形成一套多功能微型化環(huán)境監(jiān)測實驗教學(xué)平臺。此改革促進了教學(xué)與科研實踐的融合，同時提高了學(xué)生的專業(yè)熱情。

（2）學(xué)生通過現(xiàn)場采樣、實驗室分析檢測位于學(xué)校附近的喻家湖水樣，完成樣品消解預(yù)處理、顯色及使用快速檢測儀測定的全過程操作，掌握了水樣消解及光度法分析的原理和基本技能，熟悉了環(huán)境監(jiān)測流程，增強了環(huán)境保護意識。

（3）通過設(shè)計實驗、實際操作、數(shù)據(jù)處理及問題分析等訓(xùn)練，大大提高了學(xué)生的科研熱情和創(chuàng)新能力。

（4）與傳統(tǒng)實驗方法相比，降低了實驗成本，實驗試劑成本僅為1／5，豐富了實驗教學(xué)內(nèi)容。采用專用樣品預(yù)處理裝置，實驗安全性加強，實驗時間也有所減少，符合現(xiàn)代教育改革的發(fā)展趨勢。

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