CN101382514A - 测定水中氧化性金属离子的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测定水中氧化性金属离子的方法，属于环境监测的技术领域。本发明将萃取有碘的有机溶剂注入玻璃微管中。然后，将铂丝插入玻璃微管中，在前端封口形成铂电极即工作电极，使之恰好位于下方不含碘离子的电解质溶液界面上，形成液/液界面。将参比电极、辅助电极和工作电极都固定好后，连接电化学分析仪，然后通过方波伏安法或循环伏安法进行电化学分析，测定水体中具有强氧化性的金属离子。由于有机溶剂MIBK低毒、不溶于水的特性，克服了传统滴汞电极的环境危害等特点，并且操作简便，灵敏度高，价格低，可对工业废水中具有氧化性的金属离子进行测定。
Description
技术领域
本发明涉及一种电化学的技术领域的检测方法，具体是一种测定水中氧化性金属离子的方法。
背景技术
具有氧化性的金属离子，包括Cr(VI)、Cu2+等。其中Cr(VI)常在电化学工业中作为铬酸。此外还用于色素中的着色剂(亦即铬酸铅)及冷却水循环系统中。Cr(VI)为吞入性毒物/吸入性极毒物，皮肤接触可能导致敏感，更可能造成遗传性基因缺陷，吸入可能致癌，对环境有持久危险性。因此Cr(VI)是水质污染控制的一项重要指标。
铜是人体所必须的微量元素，缺铜会产生贫血，腹泄等病症，但过多摄入铜亦会产生危害。铜对水生生物的危害较大，铜对水生生物的毒性与其形态有关，游离铜离子的毒性比络合态铜大得多。铜的主要污染源是电渡、冶炼、五金加工、矿山开采、石油化工和化学工业等部门排放的废水。因此Cu2+也是工业废水污染控制的一项重要指标。
测定水体中重金属离子目前广泛采用的有分光光度法、原子吸收分光光度法、阳极溶出伏安法及容量法等，尤以前两种用的最多，容量法多用于常量分析。其中分光光度法，原子吸收分光光度法等这些测试技术，需要大型的分析仪器(如光化学法和色谱法)，不适合携带和现场分析，并且不能进行在线监测。相反，电化学方法中的极谱法，它不需要复杂的仪器而且可完全更新界面以避免干扰，并可对重金属离子进行灵敏检测。但是它的主要缺点是需要用汞，汞本身就具有很高的毒性，对于环境和操作人员会带来难以逆转的危害。
在两互不相溶电解质溶液界面上(ITIES)的电化学研究有着广泛的应用，如膜分离、离子选择性电极、溶剂萃取以及模拟生物膜等，已经有相当数量的有机溶剂，如硝基苯、1，2-二氯乙烷、苯乙酮、氯苯和硝基苯混合物等被用作研究液/液界面的有机溶剂，但由于这些溶剂具有较高的毒性，对环境会造成一定的污染而不能被广泛应用。为了克服这些缺点，1984年Koczorwski等以及Cheng在《J.Electroanal.Chem.》(《电分析化学》)发表文章分别提出利用直流和交流循环伏安法研究水/甲基异丁酮(MIBK)体系，水/2-庚酮和水/2-辛酮界面的离子迁移自由能，脂肪酮类有机试剂相对于常用的硝基苯、1，2-二氯乙烷毒性较大的有机试剂而言具有更好的实用意义。然而在利用这些试剂进行分析测试时，必须采用四电极体系，而且它们本身的介电常数较低(ε约为10)需要在水相和有机相中都加入支持电解质，它们过窄的电化学窗口限制了脂肪酮的应用。1994年Osborne等在《J.Electroanal.Chem.》上发表文章中建议在水相中不加入支持电极质，而增加有机相支持电解质的浓度，利用单个微孔界面扩展电化学窗口。
经对现有技术的文献检索发现，1998年Shi等在《J.Phys.Chem.B》(《物理化学B》)1998年第102期第9850页上发表的文献Simple ElectrochemicalProcedure for Measuring the Rates of Electron Transfer acrossLiquid/Liquid Interfaces Formed by Coating Graphite Electrodes with ThinLayers of Nitrobenzene(薄层硝基苯涂层石墨电极形成的液/液界面处电子迁移速率测定的简单电化学方法)发展了薄层伏安法研究液/液界面的离子迁移。Scholz等在《Electrochemistry Communications》(《电化学通讯》)2000年第二期第112页上发表的文献A new access to Gibbs energies of transferof ions across liquid|liquid interfaces and a new method to studyelectrochemical processes at well-defined three-phase junctions(离子在液/液界面处迁移的吉布斯自由能测定新方法以及三相电极的电化学过程研究新方法)中报道了研究液/液界面离子迁移的新方法：三相电极法。它最大的优点是在进行电化学研究时，在水相和有机相中都无需加入支持电解质。但很少有人利用脂肪酮作为有机相，因为它们的比重都比水轻，不易在电极上形成所需的液滴(膜)，对于利用液/液界面电分析法定量分析金属离子浓度的方法就更少。
总之，在液/液界面离子转移反应基础上的电化学分析方法将得到很大的发展，可以将它用于对于重金属离子检测等方面。但是满足环境监测的液/液界面电分析的有机溶剂不是很多，现在使用的溶剂主要是硝基苯、1，2-二氯乙烷等，它们都具有较高的毒性，在环境友好方面和使用汞没有很大的差别。所以发展液/液界面电化学分析的首要问题就是要找到低毒性的有机溶剂。另外，现在对金属离子的研究，还局限在NH4 +，Na+，K+等金属离子上，对重金属离子如铜，铅的研究并不多。随着汞的用量越来越受到限制，一旦在上述这些方面有所突破，液/液界面离子转移反应基础上的电化学分析方法将能逐步取代滴汞极谱分析，成为简便、快捷、经济实用，可用于现场或在线监测的方法。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种测定水中氧化性金属离子的方法，具有工艺简单，环境友好，灵敏度高，能对废水中微量或痕量的氧化性金属离子进行分析测定。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明采用电化学三电极测试系统，将铂丝插入毛细管中，在前端封口形成铂电极。将这电极插入含有萃取碘的玻璃微管中，然后将这组合电极插入水溶液中，形成液/液界面。研究玻璃微管中的碘在液/液界面处的电化学特性，由于碘的来源可以通过碘离子和强氧化剂的反应生成，从而通过一定的计量关系可以间接测定水体中具有强氧化性的金属离子。
本发明包括如下步骤：
第一步：在萃取过程。首先，将不同浓度的氧化性金属离子与过量的KI反应生成I2。然后，采用有机溶剂将I2萃取到有机相中。
第二步：液/液界面电化学分析过程。首先，将萃取有碘的有机溶剂注入玻璃微管中。然后，将铂丝插入玻璃微管中，在前端封口形成铂电极即工作电极，使之恰好位于下方不含碘离子的电解质溶液界面上界面上，形成液/液界面。将参比电极、辅助电极和工作电极都固定好后，连接电化学分析仪，然后通过方波伏安法或循环伏安法进行电化学分析，测定水体中具有强氧化性的金属离子。
所述的参比电极为甘汞电极。
所述的辅助电极为铂电极。
所述的液/液界面，其面积在同一次测定过程中，应保持不变。
所述的有机溶剂可以采用4—甲基—2—戊酮(MIBK)，硝基苯(NB)，苯乙酮(ACP)、乙酰丙酮、1，2-二氯乙烷(DCE)、四氯化碳等有机溶剂，其中优选甲基异丁酮，其毒性相对较小，介电常数不是很低，适用于三电极体系。
所述的不含碘离子的电解质溶液，其电解质选用如KNO3、NaCl、LiCl、KCl等，优选KCl。
所述的方波伏安法，其扫描电位范围-0.2V～1.2V，振幅0.15V，扫描电位增幅0.006V，频率10Hz，静置时间0s。
所述循环伏安法，扫描电位范围-0.5～+0.7Vvs.SCE，扫描速率50mV/s。
本发明在实施前，所述工作电极采用相同的三电极测试系统用循环伏安法在-0.3V～1.8V范围内扫描20圈进行清洗活化。每次更换有机相前，工作电极需要用羊皮磨光，依次用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗，并用电吹风机吹干。
本发明利用氧化性金属离子可与过量的KI反应生成I2的原理，以甲基异丁酮(MIBK)作为萃取剂，将水中的碘萃取到有机相中，通过液/液界面电分析化学的方法测定微量的I2，从而间接测定一些常见的具有氧化性的金属离子。由于碘被脂肪酮类极性溶剂萃取后，形成了碘的溶剂络合物，该络合物发生离解形成I3 -，I3 -在液/液界面处发生氧化。该电化学过程由扩散作用控制，因此采用循环伏安法时，当实验中扫描速率一定时，峰电流与有机相中碘的浓度成正比，进而间接与所测的氧化性金属离子成正比。
与现有技术相比，本发明具有下列优点：
(1)与传统滴汞电极相比，具有环境友好，无毒或毒性低的特点。由于有机溶剂MIBK低毒、不溶于水的特性，克服了传统滴汞电极的环境危害等特点，并且操作简便，灵敏度高，价格低，可对工业废水中具有氧化性的金属离子(如Cr(VI)、Cu2+、Fe3+等)进行测定。
(2)与常用的分析方法如原子吸收分光光度法，紫外光谱分析等相比，本发明仪器简单，费用低，并且分析过程较为方便。
附图说明
图1是本发明的电化学三电极测试系统装置图；
图2是本发明实例1所测得的I2+MIBK在液/液界面处的循环伏安曲线；
图3是本发明实例2所测得的不同铜离子浓度生成碘的循环伏安图；
图4是本发明实例3所测得的不同Cr(VI)浓度生成碘的循环伏安图；
图5是本发明实例4所测得的不同铜离子浓度生成碘的方波伏安图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本实施例采用的电化学三电极测试系统装置图，如图1所示，1为工作电极(铂丝)，主要起导电的作用，该铂丝封在玻璃微管4中，只保留固定面积的顶端接触到有机相以保证电极的重现性。将4插入到玻璃管7中，将萃取有碘的有机溶剂(MIBK)8注入玻璃微管中。然后将插入了铂丝电极，并且吸入了有机相的玻璃管7固定在电解池中，使其恰好在水相6表面，支撑起液/液界面5。参比电极2和辅助电极3均插入到水溶液中固定，三个电极均通过具有三个孔的盖9来固定。
实施例1：
本实例采用电化学工作站(Autolab，PGSTAT30，Netherland Metrohm Co.Ltd)及电化学三电极测试系统，参比电极为甘汞电极，辅助电极为铂电极，将铂丝插入毛细管中，在前端封口形成铂电极(工作电极)。
碘储备溶液通过直接配制获得，用于研究碘在MIBK/水溶液界面上的反应机理。配制方法为双氧水和KI反应制得，然后用碘量法标定其准确浓度，根据实验所需浓度进行相应稀释。移取已标定的碘溶液和MIBK在分液漏斗中进行等体积萃取，静置分层后取萃取有I2的MIBK于具塞锥形瓶中待用。
将20～40μL含有碘的MIBK注入到玻璃滴管(直径为1.0-1.5mm左右)中，将铂丝电极插入其中，然后将玻璃滴管小心插入水相(1mol/L的KCl溶液)中形成三电极系统。这液/液界面的面积为0.008±0.001cm2。(如图1所示)。
循环伏安条件为：扫描电位范围-0.5～+0.5Vvs.SCE，扫描速率20mV/s。
如图2所示，曲线a为等体积萃取的I3 -溶液在1.0mol/L KCl中的循环伏安图，曲线b为有机相中只有MIBK时在1.0mol/L KCl中的循环伏安图，从中也可以看出，空白的MIBK对于碘的迁移没有任何的干扰，对于测定分析来说是比较合适的。在上述溶液中研究峰电流和扫描速率的关系，峰电流的大小和扫描速率的平方根成正比，它的线性方程为Y＝0.344X+0.0891(μA)，线性相关系数为0.9983。所以该电化学过程是由扩散控制的。因此峰电流应和有机相中碘的浓度成正比，这是利用循环伏安法进行定量测定的基础。图中标准曲线为碘浓度与峰电流的关系，由标准曲线可以看出，峰电流与有机相中碘浓度成正比。
所以，利用该定量关系，根据碘的来源不同从而可以间接测定一些氧化性金属离子(如Cu2+，Cr6+)。
实施例2：
本实例采用电化学工作站(Autolab，PGSTAT30，Netherland Metrohm Co.Ltd)及电化学三电极测试系统，参比电极为甘汞电极，辅助电极为铂电极，将铂丝插入毛细管中，在前端封口形成铂电极(工作电极)。
移取铜离子溶液于具塞锥形瓶中，移入过量的KI溶液，加水稀释至10ml，加入等体积的MIBK溶剂，在锥形瓶中进行萃取。在测定时，用微量进样器吸取少量的(一般为20～40μL)萃取试样注入玻璃微管中，水相为1mol/L的KCl溶液，以三电极系统在液/液界面上进行循环伏安分析(如图1所示)。
循环伏安条件为：扫描电位范围-0.5～+0.5Vvs.SCE，扫描速率50mV/s。
如图3所示，由不同浓度Cu2+和过量I-反应生成的碘被萃取至MIBK后在液/液界面的循环伏安曲线。Cu2+浓度分别为：0.025，0.0125，0.0075，0.00025，0.000125mol/L。与反应的KI浓度为0.25mol/L(过量)。从图中可以看出，在0.02～0.0001mol/LCu2+浓度范围内峰电流和Cu2+浓度呈线性关系，线性方程为Y＝991.9X+0.026(μA)，线性关系接近为1.0，检出限为10-5mol/L。
实施例3：
本实例采用电化学工作站(Autolab，PGSTAT30，Netherland Metrohm Co.Ltd)及电化学三电极测试系统，参比电极为甘汞电极，辅助电极为铂电极，将铂丝插入毛细管中，在前端封口形成铂电极(工作电极)。
移取Cr(VI)溶液于具塞锥形瓶中，移入过量的KI溶液，加水稀释至10ml，加入等体积的MIBK溶剂，在锥形瓶中进行萃取。在测定时，用微量进样器吸取少量的(一般为20～40μL)萃取试样注入玻璃微管中，水相为1mol/L的KCl溶液，以三电极系统在液/液界面上进行循环伏安分析(如图1所示)。
循环伏安条件为：扫描电位范围-0.5～+0.7Vvs.SCE，扫描速率50mV/s。
如图4所示，由不同浓度Cr(VI)和过量I-反应生成的碘被萃取至MIBK后在液/液界面的循环伏安曲线。Cr(VI)浓度分别为：0.00034，0.00017，0.00010，0.000034，0.0mol/L。与反应的KI浓度为0.25mol/L(过量)。从图中可以看出，Cr2O7 2-浓度与峰电流的线性方程为Y＝551.2X+0.066(μA)，线性关系R为0.9973。Cr(VI)与I3 -反应的物质的量之比为1：3，所以测定Cr(VI)的灵敏度应该大于测定Cu2+。Cr(VI)的检出限为10-6mol/L。
实施例4：
本实例采用CHI832b电化学工作站(上海辰华仪器公司)及电化学三电极测试系统，参比电极为甘汞电极，辅助电极为铂电极，将铂丝插入毛细管中，在前端封口形成铂电极(工作电极)。
与实例1，2，3不同的是，本实例在萃取过程中，作为萃取剂的MIBK体积是水相(1mol/L的KNO3溶液)体积的1/5。与等体积萃取相比，在萃取总量不变的前提下，萃取后MIBK中的碘浓度将增大，峰电流增大，因此能够增加方法的灵敏度。另外，该方法在液/液界面上采用方波伏安法进行分析，减少了扫描时间，并且更容易确定峰电流，实现定量化检测。
移取铜离子溶液于具塞锥形瓶中，移入过量的KI溶液，加水稀释至10ml，加入1/5体积的MIBK溶剂，在锥形瓶中进行萃取。在测定时，用微量进样器吸取少量的(一般为20～40μL)萃取试样注入玻璃微管中，水相为1mol/L的KNO3溶液，以三电极系统在液/液界面上进行循环伏安分析(如图1所示)。
方波伏安条件为：其扫描电位范围-0.2V～1.2V，振幅0.15V，扫描电位增幅0.006V，频率10Hz，静置时间0s。
如图5所示，图5为由不同浓度Cu2+和过量I-反应生成的碘被萃取至MIBK后在液/液界面的方波伏安曲线。Cu2+浓度分别为：0.01，0.0025，0.002，0.0015，0.001，0.0005mol/L。与反应的KI浓度为0.5mol/L(过量)。从图中可以看出，在0.01～0.0005mol/LCu2+浓度范围内峰电流和Cu2+浓度呈线性关系，线性方程为Y＝0.4952+258.7X(μA)，线性关系R为0.9983，检出限为10-5mol/L。
实施例5：
含铬酸洗废水取自上海北桥某电镀厂，该厂的含铬酸洗液的主要成分是：Cr(VI)50～100mg/L，Ni(II)：3～10mg/L；pH＝2～3。按实例2，3的方法多次反复测定，结果见表1。
表1 含铬废水测定结果
含铜废液取自上海某有色金属压延厂，该厂的含铜废液的主要成分是：Cu(II)20-100mg/L，Fe(II)：3～10mg/L；pH＝2～3以及少量的SO42-、Cl-。按实例2，3的方法多次反复测定，结果见表2。
表2 含铜废水测定结果
从上述的实际废水测试结果表明，该方法的测试结果具有较高的稳定性。从平均回收率来看，它符合分析要求。对于环境保护注重源头控制污染物的政策，对于固定组成的废水而言，利用该方法进行检测符合分析测试的要求。
Claims (9)
1、一种测定水中氧化性金属离子的方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步：在萃取过程
首先，将不同浓度的氧化性金属离子与过量的KI反应生成I2，然后，采用有机溶剂将I2萃取到有机相中；
第二步：液/液界面电化学分析过程
首先，将萃取有碘的有机溶剂注入玻璃微管中，然后，将铂丝插入玻璃微管中，在前端封口形成铂电极即工作电极，使之恰好位于下方不含碘离子的电解质溶液界面上，形成液/液界面，将参比电极、辅助电极和工作电极都固定好后，连接电化学分析仪，然后通过方波伏安法或循环伏安法进行电化学分析，测定水体中具有强氧化性的金属离子。
2、根据权利要求1所述的测定水中氧化性金属离子的方法，其特征是，所述的参比电极为甘汞电极。
3、根据权利要求1所述的测定水中氧化性金属离子的方法，其特征是，所述的辅助电极为铂电极。
4、根据权利要求1所述的测定水中氧化性金属离子的方法，其特征是，所述的有机溶剂为甲基异丁酮、4—甲基—2—戊酮、硝基苯、苯乙酮、乙酰丙酮、1，2-二氯乙烷或四氯化碳中一种。
5、根据权利要求1或5所述的测定水中氧化性金属离子的方法，其特征是，所述的有机溶剂为甲基异丁酮。
6、根据权利要求1所述的测定水中氧化性金属离子的方法，其特征是，所述的不含碘离子的电解质溶液，其电解质选用KNO3、NaCl、LiCl、KCl中一种。
7、根据权利要求1或7所述的测定水中氧化性金属离子的方法，其特征是，所述的不含碘离子的电解质溶液，其电解质选用KCl。
8、根据权利要求1所述的测定水中氧化性金属离子的方法，其特征是，所述的方波伏安法，其扫描电位范围-0.2V～1.2V，振幅0.15V，扫描电位增幅0.006V，频率10Hz，静置时间0s。
9、根据权利要求1所述的测定水中氧化性金属离子的方法，其特征是，所述循环伏安法，其扫描电位范围-0.5～+0.7Vvs.SCE，扫描速率50mV/s。
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