儀器分析在水分析化學課程中的強化作用探析

陳忠林 沈吉敏 康晶

[摘 要]水分析化學是給排水科學與工程專業的基礎課程，課程內容以酸堿滴定法、絡合滴定法、沉淀滴定法、氧化還原滴定法四大化學分析為主。通過對我國《生活飲用水衛生標準》發展歷程進行分析，可以發現隨著水質檢測項目的逐漸增加，分析方法也不斷增加，其中化學分析類占據比例越來越低，而以分析多參數的儀器分析在水質分析中比例越來越大。針對現有水分析化學課程內容與現有水質相關標準不匹配的問題，指出強化現代儀器分析在水分析化學課程中核心地位的意義與作用，提出水分析化學課程改革的建議和設想。

[關鍵詞]給排水科學與工程;水分析化學;儀器分析

[基金項目]2017年黑龍江省高等教育教學改革項目“全國給排水專業本科生《水化學》課程及住建部十三五規劃教材建設研究”（SJGY 20170651）;2019年黑龍江省高等教育教學改革項目“《水化學》課程體系建設與實踐”（SJGY20190201）

[作者簡介]陳忠林（1967—），男，云南東川人，工學博士，哈爾濱工業大學環境學院分析測試中心主任，城市水資源與水環境國家重點實驗室副主任，教授，博士生導師，主要從事水處理除污染理論與技術研究。

[中圖分類號] G642[文獻標識碼] A[文章編號] 1674-9324（2020）32-0156-03[收稿日期] 2020-07-07

一、引言

水分析化學是對水及其水中雜質、各種污染物的組成、性質、含量進行分析和分析方法進行研究的學科，是水處理工藝和環境污染治理與檢測的“眼睛”和“哨兵”。給水工程、排水工程、水處理工藝、環境評價、各種水的綜合利用等都必須以水質分析為依據。因此水分析化學是給排水科學與工程專業、環境工程、環境科學等專業的基礎課程。

二、水分析化學課程性質

水分析化學是給排水科學與工程專業指導委員會指定的十門骨干課程之一。本課程在大學本科第二學年的第二期開設，教學時數一般56學時，其中課堂教學32學時，實踐教學24學時。在學習本課程前要求學生具有較好的普通化學、有機化學和物理化學基礎，通過本課程的學習使學生系統地掌握水質指標分析中的基本概念、基本理論和基本方法，并能熟練解決給水排水工程研究中的水質分析問題。重點強化學生的實驗組織和動手能力，為后續水質工程學等課程學習奠定扎實的水質分析科學基礎。

課程系統地講授了水分析化學性質和任務、酸堿滴定分析法、絡合滴定法、沉淀滴定法、氧化還原滴定法、電化學分析法、吸收光譜法、色譜法等分析方法的原理和使用范圍，使學生掌握水質指標分析方法。本課程的主要任務是通過課堂教學和實驗教學，使學生掌握水分析化學的四大滴定方法和主要的儀器分析法的基本原理、基本理論、基本知識、基本概念和基本技能，掌握水質分析的基本操作，注重培養學生嚴謹的科學態度，培養獨立分析問題和解決實際問題的能力。

三、水分析化學課程現狀分析

目前，全國各個高校的給排水科學與工程專業開設此課程所使用的教材都不盡相同，但主要內容都差不多，包括水質分析質量控制與保證，傳統的化學分析方法和儀器分析方法。質量控制與保證包括主要內容有：水分析結果的誤差及其表達，分析測試質量保證方法主要介紹質量控制圖;化學分析方法以酸堿滴定分析法、絡合滴定法、沉淀滴定法、氧化還原滴定法為基礎的四大滴定方法。儀器方法主要講授電化學、吸收光譜、原子光譜及簡單的色譜介紹。所有的實驗教學也主要以化學分析為主，輔之以pH測定、分光光度計等簡單儀器分析方法。

相對儀器分析方法來說，化學分析方法較為準確，實驗室投資費用少，關鍵是教學內容容易被學生掌握，因此大多數學校在講授水分析化學這門課程都是都以化學分析為主。而儀器分析這部分內容，除了常規的小儀器，如pH計，分光光度計等，其他大型分析儀器，如原子吸收光譜儀、原子發射光譜儀、氣相色譜儀、質譜儀等儀器投資大，維護困難，需要有專人管理，一般學校沒有在這方面進行投入，沒有相應的儀器作為實驗環節，因此課堂和實驗教學就很少涉及此方面內容。

四、儀器分析在現代水質分析中的作用探析

不同時期水質檢測標準反映了同時期社會發展和檢測技術的發展水平，可以發現隨著人們生活水平的提高，對水質的要求越來越高，對自來水檢測項目越來越多。1955年，衛生部頒布了我國第一部飲用水水質標準《自來水水質暫行標準》。該標準水質包括物理指標、細菌指標、化學指標和有害金屬等四類指標，共計15項。透明度、色度、臭和味四項不需要進行化學分析和儀器分析，僅需人體感官就可以檢測和判定;細菌總數和總大腸桿菌需要用顯微鏡進行檢測，其余項目總硬度、氟化物、酚、余氯、砷、鉛、鐵、銅、鋅、pH等采用化學分析方法或簡單pH計就可以完成，1—2個實驗人員一般2—4小時就能基本完成一次全項檢測。1959年，修訂發布了《生活飲用水衛生規程》依然是上述四個方面，項目數僅增加了大腸菌值和肉眼可見物兩項，檢測方法和實驗人員投入基本不變化。在1976年我國頒布《生活飲用水衛生標準》（TJ20-76）水質指標仍然是1959年修訂版的4個方面，檢測項數增加到了23項，項目增加了陰離子洗滌劑、氰化物、汞、錳、硒、鎘、鉻等項目，由于增加了金屬元素項目，要求檢測實驗室需增加分析儀器—原子吸收光譜儀，但檢測人員和檢測時間基本保持不變。

1985年，我國第三次頒布《生活飲用水衛生標準》（GB 5749-85），水質指標增加了放射性，包括總α放射性性，總β放射性。物理指標、細菌指標沒有變化，化學指標增加了溶解性總固體、硫酸鹽、硝酸鹽、氯化物、氯仿、四氯化碳、滴滴涕、六六六、苯并（α）芘。有害金屬增加了銀元素。與1976相比，有機物項增加較為明顯，故此次變化要求實驗室需增加分析儀器氣相色譜和液相色譜。從分析手段來看，1976年除了微生物指標需要用到顯微鏡，其他項目也都可以用化學分析完成檢測，而1985年標準如果僅僅依靠化學檢測，有機物指標是沒有辦法完成分析檢測任務的。

隨著社會進步，世界衛生組織WHO對生活飲用水標準也提出了相應的標準。國外主要發達國家在制定生活飲用水水質標準也以WHO為主要借鑒。我國在2006年第四次頒布《生活飲用水衛生標準》（GB 5749-2006）[1]。2006年的標準不論是項目還是項數都發生了明顯的變化。標準分為10個發面項目，設計檢測項數106項（俗稱106項，實際上不同水處理工藝，有些水廠檢測項目高于106項）。表1列出了我國生活飲用水標準GB 5749-2006檢測項目及所對應的檢測方法，從化學分析和儀器分析兩方面比較檢測所需投入的設備。總之2006年標準較1985年標準新增加了71項，增加了氣相色譜-質譜聯用儀（GC-MS）、等離子發生光譜儀（ICP）、等離子發射光譜-質譜（ICP-MS）、離子色譜（IC）等儀器分析方法[2]。

另外，從表1可明顯看出，眾多方法中化學分析方法所占比重越來越低，而儀器分析所占比重越來越高，特別是質譜分析方法的地位越來越重要。同樣比較我國地下水標準和地表水相關標準，情況也類似，純粹采用化學分析法進行檢測的項目占比均不到10%。因此我們給排水科學與工程專業相應的水質分析課程也必須隨之進行相應的變化和調整，以強化現代儀器分析在水質分析中的作用和地位。

五、水分析化學課程建設的建議和設想

目前全國大約有160所大學開設給排水科學與工程專業[3]，水分析化學課程使用教材有幾十種之多，但教學大綱相似，如前所述，還僅僅借鑒化學專業的分析化學課程相關內容，以四大化學滴定為主要課程內容，儀器分析僅僅是以顯色法為主的分光光度法和原子吸收，輔之以簡單電化學分析、氣相色譜。我單位使用的黃君禮老師編著的《水分析化學》教材，雖然至今已經出版到第四版，但主要講授內容，四個版本沒有明顯變化。為了適應各類水質標準的變化要求，建議對水分析化學課程內容進行調整和增加。第一，強化色譜知識的學習內容，從表1可以看出，108項分析項目里面涉及色譜類分析占項目的60%以上，對比最近幾年頒布的地表水水質標準和地下水水質相關標準也存在類似情況。現有課程中僅僅以氣相色譜為例對色譜基礎知識進行了介紹，一般安排2—3學時，而對液相色譜和離子色譜沒有進行系統講授。第二，應該將質譜及其質譜聯用技術作為水分析化學的重點內容。質譜分析方法靈敏度和分辨率高，抗干擾能力強等，關鍵在于其能同時分析多種元素或多種物質，另外，分析速度快的特點，保證水質分析的實效性。

六、結論

作為給排水科學與工程專業的專業技術基礎課程，水分析化學應該與時俱進。在原有化學分析基礎上，將現代儀器分析方法作為水分析化學重點內容之一，增加其在課程內容上的占比。特別要突出色譜知識，包括氣相色譜、液相色譜和離子色譜的現代重要水質分析技術，將具有同時分析多種元素或多種物質能力且分析速度快的質譜及其質譜聯用技術，作為水質分析重要工具進行講授，以保證水質分析的快速和實效性。

參考文獻

[1]GB 5749—2006.生活飲用水衛生標準[S].北京：中國標準出版社，2006.

[2]潘玥，王可新.我國飲用水水質標準變遷的研究[J].能源技術與管理，2014，39（06）：17-19.

[3]張曉健.給排水科學與工程專業概況[J].給水排水，2017，53 （07）：141-144.