水中铅和镉的含量测定及处理方法

水中铅和镉的含量测定及处理方法
摘要：社会的发展离不开化学，化学科学的快速发展，加快了社会发展的速度。

随着经济和科学的发展,人们越来越关注环境和自身健康问题。

铅、镉是环境中主要的无机污染元素,它的累积性、不可逆转性和隐蔽性,严重危及人和动物的健康甚至生命。

本文通过介绍水环境化学分析了环境问题的成因及对人类的危害，简要介绍解决环境问题的化学方法，以及日常生产、生活中保护环境的措施。

关键词：水样;铅;镉;
1.样品前处理
目前测定铅、镉所用的样品处理方法主要有干灰化法、酸消解法、微波消解法、浸提法、超声波振荡直接消解法等。

1.1 干灰化法
干灰化法是传统的样品处理方法之一。

准确称取样品于瓷坩埚中,先小火在可调式电炉上炭化至无烟,移入马弗炉500℃灰化8~10 h至样品呈灰白状,冷却,用稀酸溶解灰分。

曾报道用此法对食品和饲料样品进行处理,测定样品中所含的铅、镉,获得满意的结果。

试验了食用植物魔芋粉末的不同消化方法,发现马弗炉干法灰化导致低熔点镉的损失且由于温度在炉体中的分布不均衡,容易导致部分样品灰化不完全(坩埚内有黑色灰化残留物),建议测定铅、镉时以湿法消解为好。

1.2酸消解法
酸消解法是最典型的湿法消解法,也是最常用的一种分解方法。

所用的酸以盐酸、硝酸、高氯酸为主,其它还有氢氟酸和过氧化氢等。

由于此法具有操作方便、设备简单、价格便宜等优点。

1.3 微波消解法
微波消解是近年来发展起来的一种崭新、高效的样品预处理技术。

通常用来加热的频率是2450±50 MHz,波长12.24cm,震荡频率为每秒24.5亿次，其原理是利用微波对溶液中分子极化和离子导电两个效应对物质直接加热，物质吸收的能量迅速使其在分子和均匀加热介质间进行重新分配，在电磁场中重新快速定向排列,该过程可产生分子间强烈碰撞和相互摩擦,溶液很快达到沸点,同时微波使酸的离子定向流动，形成离子电流，离子在流动过程中与周围的分子和离子发生高速摩擦和碰撞，使微波能转化为热能。

在加压的条件下,酸的氧化反应速率增加,使样品迅速溶解,对于有机物含量不是很高的样品一般20 min可消解一个样品。

微波消解法采用TFM材质的内罐及PEEK材质的外罐密封的结构在高温高压下对样品进行消化,即样品在密闭容器中在较高压力、温度、强酸和氧化剂作用下通过微波加热使样品高效快速消解。

此方法具有样品消解快,试剂消耗少,空白
值低,消化过程无玷污,回收完全等优点,基本避免了样品污染和元素损失,保证了测定结果的准确可靠。

一次消解可以满足多种元素测定,是目前理想、成熟的样品消解方法。

2.测定方法
2.1 阳极溶出法
阳极溶出伏安法是在适当的电解质溶液及外加电压下将待测离子富集在工作电极上，然后作外加电压由负向正的溶出扫描，使原先富集在工作电极上的待测组分溶出，根据溶出时所得的伏安曲线的峰电位作定性分析、峰电流作定量分析。

所以溶出峰电流的大小和峰形的好坏都将直接影响实验的结果。

为了使测定结果更加的准确，必须找出最佳的工艺条件，本实验主要探讨了支持电解质及其浓度、溶液pH、工作电极、富集时间、富集电位和氧化清洗时间对铅、镉的峰电流和峰形的影响，并通过标准加入法测定水样中的铅、镉含量。

2.1.1 主要仪器
表1 主要实验仪器表
仪器生产厂家型号
多功能微机电化学
分析仪江苏江分电分析仪器有限
公司
MEC-12B
高纯氢气发生器北京中兴汇利科技发展有
限公司
GH-500B 酸度计上海伟业仪器厂PHS-25
电炉上海中航五金电器厂丹阳
分厂
A
电子天平赛多利斯科学仪器有限公
司
BS124S
实验所用玻璃仪器均要先置于超声波清洗器中振荡清洗，然后用二次蒸馏水洗净，最后放入烘箱内在100℃下干燥后备用。

2.1.2 主要试剂
（1）Pb2+、Cd2+混合标准液：准确称取已干燥的Pb(NO3)2 0.3996g、Cd(NO3)2·4H2O 0.6860g分别置于50mL烧杯中，加入二次蒸馏水搅拌溶解，各滴入3滴浓HNO3后，分别移入250ml容量瓶并稀释至刻度，即得1.00mg/mL Pb2+标准贮备液和1.00mg/mL Cd2+标准贮备液。

各取1mL Pb2+、Cd2+标准贮备液于100mL容量瓶并稀释至刻度，即得含Pb2+、Cd2+各10μg/mL的混合标准液，使用时再按需要逐级稀释。

（2）试验溶液：在100mL容量瓶中，加入2mL底液和1mL Pb2+、Cd2+
混合标准液，用二次蒸馏水稀释至刻度摇匀，依次配制成各个级别的Pb2+、Cd2+混合标准液。

（3）HgSO4溶液(0.01mol/L)：准确称取0.[967g HgSO4于50mL装有适量二次蒸馏水的烧杯中，逐滴加入浓硫酸搅拌直至完全溶解，再移入100mL容量瓶并稀释至刻度，即得0.01mol/L HgSO4溶液。

本实验所用药品硝酸铅、硝酸镉、硫酸汞、氯化钠、氯化钾、氯化铵、柠檬酸铵、高氯酸等均为分析纯。

本实验所用水均为二次蒸馏水。

2.1.3 银基汞膜电极的制备
银基汞膜电极长期放置，其表面的汞膜易被氧化，所以测量前需要重新制备。

先将其浸在1:1硝酸溶液中使汞膜溶解，待电极表面变灰白时，用蒸馏水反复清洗并沾汞。

连接好以银-氯化银电极为参比电极、铂电极为辅助电极、新制备的银基汞膜电极为工作电极的三电极系统，并置于空白底液中，通氢气除氧气，设置富集电位-1.0V，富集时间1min，从-1.0V扫描至-0.1V，重复操作3次，使沾上的汞膜更加牢固，最后将制备好的银基汞膜电极浸在1:1氨水-乙醇溶液中保存备用。

2.1.4 玻碳汞膜电极的制备
玻碳汞膜电极制备前，要先用金相砂纸将电极抛光至镜面。

然后依次用无水乙醇、HNO3(1:1)以及蒸馏水、超声波清洗，再用蒸馏水反复清洗。

在电解杯中加入10mL蒸馏水，5滴0.01mol/L HgSO4溶液，连接好玻碳电极、参比电极和辅助电极，通氢气除氧气，设置好实验参数开始采集，重复操作3次，直到电极的性能稳定，将其浸蒸馏水中保存备用。

2.1.5 分析方法
打开MEC-12B多功能微机电化学分析系统，选择差分脉冲扫描法、单向扫描方式和溶出法。

参数设置为：富集时间2min、平衡时间为30s、富集电位-1.0V、静止时间为10s、起始电位为-1.0V、终止电位为-0.1V、灵敏度为3、电势增量为5mV、脉冲幅度为20mV、脉冲宽度为60ms、脉冲间隔为200ms。

在电解杯中加入待测液25ml，安装并连接好三电极系统，通氢气除氧气5min，启动搅拌器。

点击数据采集，获得伏安图，记录峰电流，峰电位。

氧化清洗时设置富集电位为-0.1V。

重复上述操作3~4次，直至峰电流稳定。

电极在使用之前一定要置于空白底液中再氧化清洗一遍，将电极上的一些金属杂质尽量溶出，使下一次的测量更加准确。

2.1.6 工作电极的选择
工作电极作为电化学测量的主体，其选用的材料、结构形式、表面状态对于电极上发生的电化学反应影响很大。

不同的工作电极，它的灵敏度、线性宽度和
重现性都不一样，因而测量结果也会大不相同。

本实验用玻碳汞膜电极和银基汞膜电极作比较，找出较优电极作为以下实验的工作电极。

以玻碳汞膜电极为工作电极，富集电位为1.0V，铅、镉含量在0.4-200μg/L （富集2min）范围内，峰电流与浓度呈现良好的线性关系，铅和镉的检出限分别为1×10-8g/L和4×10-7g/L；以银基汞膜电极为工作电极，富集电位为1.0V，铅、镉含量在10-300μg/L（富集2min）范围内，峰电流与浓度呈现良好的线性关系，铅和镉的检出限分别为1×10-6g/L和1×10-5g/L。

因此玻碳汞膜电极的线性范围比银基汞膜电极更宽，检出限也比较低，可以用来测定水样中的铅、镉含量。

银基汞膜电极是由银基电极沾汞制得的，其汞膜受重力作用的影响比较大，汞膜的厚度不均匀，且电极表面积比较小；而玻碳汞膜电极是由玻碳电极电镀制得的，电极表面上得汞膜薄且均匀，电极表面积也比较大。

所以在保证电极制备良好的情况下，玻碳汞膜电极的灵敏度和重现性显然要比银基汞膜电极要好，其作为本实验的工作电极更合适。

2.2火焰原子吸收光谱法(FAAS)
火焰原子吸收光谱法具有较高的灵敏度,相对费用较低,易实现在线分析等优点。

在重金属元素的分析中应用很广泛。

火焰原子吸收连续测定饲料中的铅和镉的方法,此法无须富集、萃取,操作简便,前处理简单,可一次完成铅和镉的测定,适合批量测量的需要,方法灵敏、准确。

火焰原子吸收法直接测定水样中铅、镉的快速测试方法,方法精密度较好。

火焰原子吸收法是测定铅、镉的常用方法，但有时对于铅、镉含量较低的样品,其检出限一般难以满足分析的要求,不能进行直接测定,而需进行样品的预分离富集,溶剂萃取-原子吸收光谱法测定是最常用的方法之一。

都是利用有机溶剂分离富集试样中铅、镉后,把有机相导入火焰原子吸收中进行测定。

自1975年丹麦学者Ruzicka等首次提出流动注射分析(Flow Injection Analysis, FIA )技术以来,以其应用广、效率高、低消耗、高精度、简单、价廉等显著优点,开创了分析化学的一个全新领域。

1979年Wolf等将流动注射与火焰原子吸收法联用,使分析速度提高2~3倍,样品消耗大大降低。

近年来配有微型柱的流动注射在线分离系统与原子吸收的联用技术,以其灵敏度高,选择性好,抗干扰能力强,分析自动化等特点被广泛应用于痕量元素的测定,常与火焰原子吸收联用的在线预富集系统有流动注射液-液萃取、在线螯合树脂、流动注射离子交换富集等方法。

流动注射在线分离富集的应用,提高了原子吸收的灵敏度和选择性,方法简便、快速,是重金属元素分析的有力武器,也是测定铅、镉含量常用的方法。

3.重金属污染治理方法
水体重金属污染治理包括外源控制和内源控制两方面。

外源控制主要是对采
矿、电镀、金属熔炼、化工生产等排放的含重金属的废水、废渣进行处理，并限制其排放量;内源控制则是对受到污染的水体进行修复。

3.1沉淀和絮凝
沉淀作用指加入碱性物质以提高水体pH值，使重金属以氢氧化物或碳酸盐的形式从水中分离出来，或加入硫化物沉淀剂使重金属离子生成硫化物沉淀而被除去。

絮凝作用一般采用铁盐和铝盐作絮凝剂，通过与具有净化功能的天然矿物联合，改性后可形成性能更优的絮凝材料。

3.2吸附法
吸附法是利用多孔性固态物质吸附水中污染物来处理废水的一种常用方法。

活性炭吸附是一种较早地被应用于生产的净水技术。

矿物吸附剂表面研究已深入到分子水平，对具有一定吸附、过滤盒离子交换功能的天然矿物进行合理改性是提高环境矿物材料性能的新途径。

壳聚糖、木质素等天然吸附剂也有广泛应用。

3.3离子交换法
利用重金属离子交换剂与污染水体中的重金属物质发生交换作用，经离子交换处理后，废水中的金属离子转移到离子交换树脂上，经再生后转移到再生废液中。

此法优点是费用较低，缺点是其适用范围有限，容易造成二次污染。

3.4生物方法
生物方法是20世纪80年代随着生物技术的发展而产生的一种重金属废水处理技术。

3.4.1微生物吸附
利用细菌、真菌、藻类等的生命活动过程，通过将废水中的重金属沉淀、吸附作用，降低其毒性，从而达到治理的目的。

微生物吸附法是利用具有吸附重金属特性的微生物材料来吸附水溶液中的重金属;微生物通过还原反应使金属离子转变成不易溶解的沉淀状态或降低其毒性的方法称为微生物沉淀法。

3.4.2植物修复
植物修复是通过特定植物对重金属元素或有机质的特殊富集和降解来转移、容纳或转化污染物，使其对环境无害，主要通过植物吸收、植物挥发、植物吸附和根际过滤等方式来积聚或清除水体中的重金属。

目前发现的重金属超积累植物有700多种，凤眼莲、水芹菜、香蒲、芦苇、香根草等都对重金属具有良好的吸收积累效应。

利用水生植物净化重金属污水，目前应用较多的是人工湿地技术和生物塘工程。

3.4.3动物净化
利用一些鱼类及其它水生动物在水体中吸收、富集重金属，然后把它们从水体中驱出。

如三角帆蚌、河蚌等都对重金属具有明显自然净化能力。

但此法处理
周期长，费用高，因此目前水生动物主要用作环境重金属污染的指标生物，用于污染治理的不多。

参考文献：
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微量元素科学(Guangdong Trace Elements Science,2002,9 (5):57-59.
环境化学论文
水中铅和镉的含量测定及处理方法。