CN102408099B

CN102408099B - 一种适用于沉积物中酸可挥发性硫化物提取的装置及方法

Info

Publication number: CN102408099B
Application number: CN 201010290435
Authority: CN
Inventors: 张雷; 秦延文; 周莉
Original assignee: Chinese Research Academy of Environmental Sciences
Current assignee: Chinese Research Academy of Environmental Sciences
Priority date: 2010-09-25
Filing date: 2010-09-25
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2030-09-25
Also published as: CN102408099A

Abstract

一种适用于沉积物中酸可挥发性硫化物提取的装置及方法，该装置包括氮气源装置、流量计、进料装置、反应器、水浴装置、气体吸收装置及洗气分流装置，所述氮气源装置、所述流量计、所述反应器及所述气体吸收装置顺序连接，所述进料装置插入所述反应器中，所述洗气分流装置置于所述氮气源装置与所述流量计之间或者置于所述流量计与所述反应器之间。该提取方法以NaOH-EDTA-TEA为吸收液，N₂流量为80cm³/min时加入20mL1mol/L HCl，100℃沸水浴中反应40min。本发明通过对实验装置的改进防止了载气不纯对实验结果的影响。并确定了AVS提取测定的方法的优化实验条件，有效的提高了硫化物的提取效果。

Description

一种适用于沉积物中酸可挥发性硫化物提取的装置及方法

技术领域

本发明属于海洋环境保护和水质监测技术领域，尤其涉及对潮间带沉积物酸可挥发性硫化物的提取装置及提取方法。

背景技术

酸可挥发性硫化物(Acid volatile sulfide，AVS)是操作定义上的概念，是指底泥中可被酸作用而以H₂S形式释放出来的硫。AVS是底泥中的活性硫部分，可重复被氧化还原，在控制底泥孔隙水重金属浓度和底泥重金属生物有效性方面扮演着重要的角色。因此，测定沉积物中AVS化物的含量，对于判断沉积物重金属毒性和生物有效性具有重要的意义。

现有AVS的提取通常是在沉积物中加入一定浓度的盐酸，使沉积物中产生的H₂S气体随载气一起逸出，再以一定方式的吸收液吸收H₂S气体，而目前AVS的吸收液常用氢氧化钠溶液或乙酸锌溶液。NaOH为强碱，能瞬时中和弱酸性的H₂S气体；乙酸锌溶液吸收H₂S气体反应生成硫化锌胶状液体。并且，在酸性介质中，当三价铁离子存在时，S^2-与显色剂反应生成亚甲基蓝，因此，也通过亚甲蓝分光光度法测定吸收液中的H₂S的含量。而沉积物中AVS接触空气后几小时就能全部氧化，所以沉积物中的AVS的采集和测定须保持为还原状态。

图1为现有技术的定氮蒸馏器示意图；如图1所示，现有技术采样定氮蒸馏器作为AVS发生吸收装置，其包括冷凝管6、残液泄放口7、蒸馏管8、水蒸气进口9、样品进口10、冷凝水进口11及冷凝水出口12。其中，沉积物样品中的硫化物通过样品进口10装入，与盐酸反应生成硫化氢，通过蒸馏管8中水蒸气蒸馏，硫化氢随水蒸汽一起蒸馏出来，通过冷凝管6后被乙酸锌溶液吸收，反应生成硫化锌。在酸性介质中当三价铁离子存在时，硫离子与对氨基二甲基苯胺反应生成亚甲基蓝，在650nm波长下进行光度测定。

图2为AVS发生吸收装置示意图，如图2所示，其主要由转子流量计1、进料装置2、反应器3、气体吸收装置4及氮气源装置5组成，并且没有洗气分流装置，其中，氮气源装置5、转子流量计1、反应器3及气体吸收装置4通过连接管顺序连接，而进料装置2插入反应器3的一个口中，并且，转子流量计1与气体吸收装置4分别通过连接管接入反应器3的另外两口中。其硫化物的提取主要以乙酸锌为吸收液，沉积物湿样通过进料装置2置入反应器3，产生的H₂S进入气体吸收装置4，通过乙酸锌溶液吸收，反应生成硫化锌。在650nm波长下进行光度测定。

现有技术存在的主要问题如下：

1、载气N₂不能保证其纯度，影响提取分析结果。

2、单纯以乙酸锌为吸收液不能完全吸收硫离子。

3、对N₂流量和通气时间没有定量要求。

4、对加入的盐酸的浓度和酸量没有进行实验对比，不能保证为最佳条件。

5、对加热温度没有定量规定。

6、使用该方法不能保证沉积物中的酸可挥发性硫化物得到完全测定。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种适用于沉积物中酸可挥发性硫化物提取的装置及方法，以改进现有技术的装置载气不纯及方法条件不确定，AVS提取率低、测定不完全的缺陷。

为实现上述目的，本发明提出一种提取装置，适于沉积物中酸可挥发性硫化物的提取，其特征在于，包括氮气源装置、流量计、进料装置、反应器、水浴装置、气体吸收装置及洗气分流装置，所述氮气源装置、所述流量计、所述反应器及所述气体吸收装置顺序连接，所述进料装置插入所述反应器中，所述反应器置于所述水浴装置中，所述洗气分流装置置于所述氮气源装置与所述流量计之间或者置于所述流量计与所述反应器之间。

其中，所述气体吸收装置为比色装置。

其中，该提取装置还包括多孔吹球，所述多孔吹球伸入到比色装置底部，大小与比色装置匹配。

其中，所述氮气源装置、所述流量计、所述反应器及所述气体吸收装置通过连接管顺序连接，所述连接管为硅胶管。

而且，为实现上述目的，本发明还提出一种提取方法，适于沉积物中酸可挥发性硫化物的提取，其特征在于，所述氮气源装置中的N₂在进入所述反应器前先经过洗气分流装置，以净化N₂。

其中，所述吸收液为NaOH-EDTA-TEA混合吸收液或Ca(OH)₂-EDTA-TEA混合吸收液。

其中，对应每克沉积物，N₂流量较佳为14～18cm³/min，更佳为16cm³/min。

其中，对应每克沉积物，盐酸的添加量较佳为大于4mL，盐酸的浓度为1mol/L。

其中，所述反应器置于水浴装置中，水浴温度较佳为90℃-100℃，所述酸可挥发性硫化物的反应时间较佳为30-50min。

其中，所述反应器中加入NaOH-EDTA-C₆H₈O₆混合液或Ca(OH)₂-EDTA-TEA混合吸收液作为络合剂。

其中，气体吸收装置中还加入有对氨基二甲基苯胺二盐酸盐溶液。

其中，采用UV-1700型分光光度计于650nm处测定吸光值。

本发明通过对实验装置的改进防止了载气不纯对实验结果的影响。并且确定了AVS提取测定方法的优化实验条件，更加有效提高了硫化物的提取效果。提高了批量分析的效率并增加吹气效率，减少了转移液体带来的系统误差。为今后开展潮间带沉积物中酸可挥发性硫化物的研究提供了新的分析检测方法。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为现有技术定氮蒸馏器示意图；

图2为现有技术中的AVS发生吸收装置示意图；

图3为本发明中的AVS发生吸收装置示意图；

图4为本发明优化方法对比实验所使用的AVS发生装置示意图；

图5为相同浓度的S^2-在最佳N₂流量内的不同反应时间的回收率图；

图6为本发明实验4个采样点的经纬度示意图；

图7为应用本发明方法和海洋监测规范方法对渤海湾沉积物中AVS含量测定的对比图；

其中，附图标记：

1：转子流量计 2：进料装置

3：反应器 4：气体吸收装置

5：氮气源装置 6：冷凝管

7：残液泄放口 8：蒸馏管

9：水蒸气进口 10：样品进口

11：冷凝水出口 12：冷凝水进口

100：气体吸收装置 200：进料装置

300：反应器 400：水浴装置

500：流量计 600：洗气分流装置

700：氮气源装置

具体实施方式

本发明是在《海洋监测规范》(GB17378.5-2007)基础上，通过改变装置及进行系列对比实验，对吸收液种类、载气流量、反应时间、反应酸量、加热温度等实验条件进行了对比研究，确定了优化方法的工艺条件、回收率、检出限，建立了一套用于快速准确提取分析沉积物AVS的提取分析装置与提取分析方法，并且应用此方法对渤海湾潮间带沉积物AVS进行了实际测定，为进一步判定渤海湾潮间带沉积物重金属污染毒性和生物有效性提供了依据。

本发明中的AVS提取装置是在现有技术的提取装置反应瓶前增加了洗气分流装置，并用多孔吹球代替单孔吹管。同时，气体吸收装置用100mL具塞磨口比色装置代替，多空吹球能伸入到比色装置底部，大小与比色装置配套；由于乳胶管中含有硫，因此本发明中的连接管全为硅胶管。

具体而言，如图3所示，本发明的提取装置，适于沉积物中酸可挥发性硫化物的提取，包括氮气源装置700、流量计500、进料装置200、反应器300、水浴装置400、气体吸收装置100及洗气分流装置600，其中，所述氮气源装置700、所述流量计500、所述反应器300及所述气体吸收装置100通过连接管顺序连接，所述进料装置200插入所述反应器300中，所述反应器300至于所述水浴装置400中，所述洗气分流装置600置于所述氮气源装置700与所述流量计500之间或者置于所述流量计500与所述反应器300之间，所述洗气分流装置600中装有碱性溶液，可吸收氮气中的酸性气体，以使所述氮气源装置700中的氮气在进入所述反应器300之前经过所述洗气分流装置600得到净化，防止由于载气不纯对提取分析结果的影响。

另外，本发明的提取装置中，所述气体吸收装置100较佳用比色装置代替。所述连接管较佳为硅胶管。所述进料装置200较佳为进料装置。所述反应器300较佳为反应器。

并且，本发明的提取装置还包括多孔吹球，所述多孔吹球伸入到比色装置底部，大小与比色装置匹配。

另外，利于上述装置，本申请提出了沉积物中酸可挥发性硫化物的提取方法。本发明的方法是在《海洋监测规范》(GB17378.5-2007)基础上，进行系列对比实验，对吸收液种类、载气流量、反应时间、反应酸量、加热温度等实验条件进行了对比研究，确定了优化方法的工艺条件、回收率、检出限。并且，由于海洋沉积物中的硫化物以多种形态存在，对于某些难溶的硫化物，加入一定量的EDTA(乙二胺四乙酸)络合剂，更有利于S^2-的释出，有机碱TEA(三乙醇胺，分子式为C₆H₁₅O₃N)有亲核作用，加入在弱碱液后，在溶液中易形成溶剂化现象而增加了疏水性H₂S对水的亲和能力，使H₂S反应更加容易，更加稳定。

本发明吸收液种类、载气流量、反应时间、反应酸量、加热温度等实验条件的优化实验：

1、不同吸收液的AVS回收效果比较实验：在仪器测定条件不变的情况下，通过改变提取条件中的吸收液判断影响提取效率的大小，从而确定最佳吸收液。

取5g沉积物(湿样)后加入一定浓度的标准溶液(一个系列中的一个浓度标准溶液，标准系列浓度分别为0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、O.07、0.08、0.09、0.1mg/L硫离子标准溶液)于反应器300中，在吹气条件和加热温度相同的的条件下，分别移取10mL NaOH-EDTA-TEA或Ca(OH)₂-EDTA-TEA混合吸收液和Zn(Ac)₂吸收液于不同的气体吸收装置中，对不同浓度S^2-标准溶液进行回收率比较，结果表明：NaOH-EDTA-TEA或Ca(OH)₂-EDTA-TEA混合吸收液效果比Zn(Ac)₂吸收液效果明显，当S^2-量小于50μg时NaOH-EDTA-TEA或Ca(OH)₂-EDTA-TEA混合吸收液有显著的吸收效果，50-100μg时，NaOH-EDTA-TEA或Ca(OH)₂-EDTA-TEA混合吸收液效果比Zn(Ac)₂吸收液效果更佳。

2、不同N₂流量与反应时间下AVS回收效果比较实验：N₂流量对AVS的释出和吸收有重要作用，通过控制N₂流量可使H₂S吸收完全又可缩短吹气时间，是吹气效率及批量分析的关键；不同的反应时间也影响着吸收液的效率。

取5g沉积物(湿样)后加入相同浓度的标准溶液于反应器300中，对相同浓度S^2-标准溶液用不同N₂流量在相同时间内进行回收率试验(如图4)，结果表明，N₂流量在70～90cm³/min范围内效果较好，S^2-的回收率可达90％以上。过高或过低，S^2-的回收率都会下降，在80cm³/min前后，S^2-的回收率达95％以上，因而80cm³/min为最佳反应N₂流量。其中，N₂流量与反应回收率的实验结果如下表1：

N₂流量	回收率
		40	60
50	71
		60	82
70	94
		80	98
90	93
		100	90

图5为相同浓度的S^2-在上述最佳N₂流量内的不同反应时间的回收率试验，如图5所示，通气时间在30～50min之间时回收率均在95％以上，说明反应稳定。当反应时间为40min时，回收率接近100％；但反应时间过长，气体吸收装置中的AVS可能被氧化，又导致AVS的回收率降低。通过对比实验，选择80cm³/min和反应40min作为最佳N₂流量与反应时间。

3、不同酸量条件下AVS回收效果比较实验：通过控制酸度和酸量的实验，使得海洋沉积物中起到控制底泥孔隙水重金属浓度的硫化物充分释放，结合用不同用量的HCl进行试验，找到回收率达95％以上时的最佳用酸量。

取5g沉积物(湿样)后加入相同浓度的标准溶液于反应器300中，用不同量的1mol/L HCl进行试验，实验结果得出，用酸量在20mL时回收率达95％以上。酸量过低AVS回收率较低，增加酸量，AVS的回收率也不再增加。

4、水浴温度对AVS回收效果的影响实验：

取5g沉积物(湿样)后加入相同浓度的标准溶液于反应器中，对不同水浴温度进行回收实验，结果显示温度过低时回收率较低，这主要是因为土壤中成分复杂温度过低在短时间内很难把硫离子释放完全，使测定效率较低；水浴温度较佳为90℃-100℃会取得较佳结果。并且，水温为100℃时，回收率达到最高，故100℃为最佳反应温度。

通过对比上述条件对回收效果的影响，本发明确定了本发明提取方法的最佳反应条件为：以NaOH-EDTA-TEA或Ca(OH)₂-EDTA-TEA混合吸收液作为吸收液，N₂流量为80cm³/min时加入20mL1mol/L HCl，100℃沸水浴中反应40min。

在上述工艺条件的基础上，本发明提出的沉积物中酸可挥发性硫化物的提取方法是在通N₂的情况下，使得沉积物中的酸可挥发性硫化物在反应器中与酸反应(如盐酸、磷酸等)反应，产生的H₂S气体随N₂逸出进入气体吸收装置，被气体吸收装置中盛装的吸收液吸收。其中，所述N₂由氮气源装置中盛装的N₂提供，并且，所述N₂在进入所述反应器前先经过洗气分流装置，以净化N₂。

其中，所述吸收液选择NaOH-EDTA-TEA混合吸收液或Ca(OH)₂-EDTA-TEA混合吸收液。对应每克沉积物，N₂流量较佳选择为14～18cm³/min，更佳选择为16cm³/min。并且，对应每克沉积物，盐酸的添加量较佳为大于4mL，盐酸的浓度为1mol/L。

其中，所述反应器300置于水浴装置400中，水浴温度较佳为90℃-100℃，所述酸可挥发性硫化物与盐酸反应的反应时间较佳为30-50min。

其中，所述反应器300中加入NaOH-EDTA-C₆H₈O₆混合液或Ca(OH)₂-EDTA-TEA混合吸收液作为络合剂。所述比色装置中还加入有对氨基二甲基苯胺二盐酸盐溶液。并采用UV-1700型分光光度计于650nm处测定吸光值。

以下通过一具体实施例说明本发明的方法：

应用本发明的的上述优化方法与《海洋监测规范》对渤海湾天津段大沽口至驴驹河潮间带不同采样点沉积物AVS进行测定，其中，4个采样点的经纬度示意图如图6所示。

实验过程：

本发明的优化方法：

向比色装置中加入10mL吸收液(10gNaOH+1gEDTA+10mLTEA定容至1L)，用蒸馏水稀释至50mL，连接装置，开启N₂源，调整N₂流量至100cm³/min，整套装置通N₂5分钟，以除去反应瓶和气体吸收装置中的溶解氧，关闭气源。取5～10g混匀的湿样(T1、T2、T3或T4)，迅速转移至反应器中，加入5mL络合剂(4gNaOH+4gEDTA+5gC₆H₈O₆定容至1L)利于S^2-释出，以防止S^2-被氧化，轻轻摇动成糊状，将反应器移入水浴装置(100℃)中，从进料装置中加入20mL1mol/L HCl(HCl溶液应先通N₂30min)，注入反应器中，速关闭活塞；调节N₂流量为80cm²/min，加热反应40min后，停气并停止加热；关闭N₂瓶，用少量水冲洗连接处；向气体吸收装置中加入5mL对氨基二甲基苯胺二盐酸盐溶液(1g NH₂C₆H₄N(CH₃)₂·2HCl+200mLH₂SO₄加水至1L和1mL硫酸铁铵溶液(25gFe(NH₄)(SO₄)₂·12H₂O+5mLH₂SO₄定容至200mL))静置10min，用UV-1700型分光光度计于650nm处测定吸光值。

现有《海洋监测规范》方法：

对上述四个采样点湿样采样N₂流量为无具体规定，连续出气泡即可，吸收液为乙酸锌，反应时间为气体吸收装置中溶液到50-60ml即停止，用酸量为15ml，加热温度为65-85℃。

实验结果：

通过上述对四个采样点的测定，测得AVS干重结果如图7所示。四个采样点样品的具体AVS干重值(样品AVS浓度(μmol/g)＝(检测浓度×100/湿重(1-含水率))/32)如下表2所示：

站位	本发明技术(μmol/g)	现有方法(μmol/g)
			T1	0.79	0.59
T2	0.99	0.79
			T3	7.31	6.21
T4	6.47	5.76

由图7及表2可知：针对不同的采样点，按照本发明方法测得结果均高于《海洋监测规范》测得的结果。这说明利于本发明的方法，沉积物中的硫化物得到了充分提取，更加真实的反应了渤海湾潮间带沉积物AVS的含量，为进一步判定渤海湾潮间带沉积物重金属污染毒性和生物有效性提供了依据。

本发明与现有监测规范中的方法相比具有如下效果：

1、通过对实验装置和实验条件的改变，可以防止载气不纯对实验结果的影响。

2、气体吸收装置直接用比色装置，吸收液置于比色装置中，不用从气体吸收装置中用移液管进行转移，可直接用于比色测定，减少了转移液体带来的系统误差。

3、提高批量分析的效率并增加吹气效率。

4、为今后开展潮间带沉积物中酸可挥发性硫化物的研究提供了新的分析检测方法。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims

1.一种提取装置，适于沉积物中酸可挥发性硫化物的提取，其特征在于，包括氮气源装置、流量计、进料装置、反应器、水浴装置、气体吸收装置及洗气分流装置，所述氮气源装置、所述流量计、所述反应器及所述气体吸收装置顺序连接，所述进料装置插入所述反应器中，所述反应器置于所述水浴装置中，所述洗气分流装置置于所述氮气源装置与所述流量计之间或者置于所述流量计与所述反应器之间，所述气体吸收装置中盛装有吸收液，所述吸收液为NaOH-EDTA-TEA混合吸收液或Ca(OH)₂-EDTA-TEA混合吸收液。

2.根据权利要求1所述的提取装置，其特征在于，所述气体吸收装置为比色装置。

3.根据权利要求2所述的提取装置，其特征在于，还包括多孔吹球，所述多孔吹球伸入到比色装置底部，大小与比色装置匹配。

4.根据权利要求1所述的提取装置，其特征在于，所述氮气源装置、所述流量计、所述反应器及所述气体吸收装置通过连接管顺序连接，所述连接管为硅胶管。

5.一种沉积物中酸可挥发性硫化物的提取方法，其特征在于，在通N₂的情况下，使得沉积物中的酸可挥发性硫化物在反应器中与酸反应，产生的H₂S气体随N₂逸出进入气体吸收装置，被气体吸收装置中盛装的吸收液吸收，所述吸收液为NaOH-EDTA-TEA混合吸收液或Ca(OH)₂-EDTA-TEA混合吸收液，所述N₂由氮气源装置中盛装的N₂提供，所述氮气源装置中的N₂在进入所述反应器前先经过洗气分流装置，以净化N₂。

6.根据权利要求5所述的提取方法，其特征在于，对应每克沉积物，N₂流量为14～18cm³/min。

7.根据权利要求6所述的提取方法，其特征在于，对应每克沉积物，N₂流量为16cm³/min。

8.根据权利要求5所述的提取方法，其特征在于，对应每克沉积物，盐酸的添加量为大于4mL，盐酸的浓度为1mol/L。

9.根据权利要求5所述的提取方法，其特征在于，所述反应器置于水浴装置中，水浴温度为90℃-100℃，所述酸可挥发性硫化物的反应时间为30-50min。

10.根据权利要求5所述的提取方法，其特征在于，所述反应器中加入NaOH－EDTA－C₆H₈O₆混合液或Ca(OH)₂-EDTA-TEA混合吸收液作为络合剂。

11.根据权利要求5所述的提取方法，其特征在于，气体吸收装置中还加入有对氨基二甲基苯胺二盐酸盐溶液。

12.根据权利要求5所述的提取方法，其特征在于，采用UV-1700型分光光度计于650nm处测定吸光值。