仪器分析在水分析化学课程中的强化作用探析

陈忠林 沈吉敏 康晶

[摘 要]水分析化学是给排水科学与工程专业的基础课程，课程内容以酸碱滴定法、络合滴定法、沉淀滴定法、氧化还原滴定法四大化学分析为主。通过对我国《生活饮用水卫生标准》发展历程进行分析，可以发现随着水质检测项目的逐渐增加，分析方法也不断增加，其中化学分析类占据比例越来越低，而以分析多参数的仪器分析在水质分析中比例越来越大。针对现有水分析化学课程内容与现有水质相关标准不匹配的问题，指出强化现代仪器分析在水分析化学课程中核心地位的意义与作用，提出水分析化学课程改革的建议和设想。

[关键词]给排水科学与工程;水分析化学;仪器分析

[基金项目]2017年黑龙江省高等教育教学改革项目“全国给排水专业本科生《水化学》课程及住建部十三五规划教材建设研究”（SJGY 20170651）;2019年黑龙江省高等教育教学改革项目“《水化学》课程体系建设与实践”（SJGY20190201）

[作者简介]陈忠林（1967—），男，云南东川人，工学博士，哈尔滨工业大学环境学院分析测试中心主任，城市水资源与水环境国家重点实验室副主任，教授，博士生导师，主要从事水处理除污染理论与技术研究。

[中图分类号] G642[文献标识码] A[文章编号] 1674-9324（2020）32-0156-03[收稿日期] 2020-07-07

一、引言

水分析化学是对水及其水中杂质、各种污染物的组成、性质、含量进行分析和分析方法进行研究的学科，是水处理工艺和环境污染治理与检测的“眼睛”和“哨兵”。给水工程、排水工程、水处理工艺、环境评价、各种水的综合利用等都必须以水质分析为依据。因此水分析化学是给排水科学与工程专业、环境工程、环境科学等专业的基础课程。

二、水分析化学课程性质

水分析化学是给排水科学与工程专业指导委员会指定的十门骨干课程之一。本课程在大学本科第二学年的第二期开设，教学时数一般56学时，其中课堂教学32学时，实践教学24学时。在学习本课程前要求学生具有较好的普通化学、有机化学和物理化学基础，通过本课程的学习使学生系统地掌握水质指标分析中的基本概念、基本理论和基本方法，并能熟练解决给水排水工程研究中的水质分析问题。重点强化学生的实验组织和动手能力，为后续水质工程学等課程学习奠定扎实的水质分析科学基础。

课程系统地讲授了水分析化学性质和任务、酸碱滴定分析法、络合滴定法、沉淀滴定法、氧化还原滴定法、电化学分析法、吸收光谱法、色谱法等分析方法的原理和使用范围，使学生掌握水质指标分析方法。本课程的主要任务是通过课堂教学和实验教学，使学生掌握水分析化学的四大滴定方法和主要的仪器分析法的基本原理、基本理论、基本知识、基本概念和基本技能，掌握水质分析的基本操作，注重培养学生严谨的科学态度，培养独立分析问题和解决实际问题的能力。

三、水分析化学课程现状分析

目前，全国各个高校的给排水科学与工程专业开设此课程所使用的教材都不尽相同，但主要内容都差不多，包括水质分析质量控制与保证，传统的化学分析方法和仪器分析方法。质量控制与保证包括主要内容有：水分析结果的误差及其表达，分析测试质量保证方法主要介绍质量控制图;化学分析方法以酸碱滴定分析法、络合滴定法、沉淀滴定法、氧化还原滴定法为基础的四大滴定方法。仪器方法主要讲授电化学、吸收光谱、原子光谱及简单的色谱介绍。所有的实验教学也主要以化学分析为主，辅之以pH测定、分光光度计等简单仪器分析方法。

相对仪器分析方法来说，化学分析方法较为准确，实验室投资费用少，关键是教学内容容易被学生掌握，因此大多数学校在讲授水分析化学这门课程都是都以化学分析为主。而仪器分析这部分内容，除了常规的小仪器，如pH计，分光光度计等，其他大型分析仪器，如原子吸收光谱仪、原子发射光谱仪、气相色谱仪、质谱仪等仪器投资大，维护困难，需要有专人管理，一般学校没有在这方面进行投入，没有相应的仪器作为实验环节，因此课堂和实验教学就很少涉及此方面内容。

四、仪器分析在现代水质分析中的作用探析

不同时期水质检测标准反映了同时期社会发展和检测技术的发展水平，可以发现随着人们生活水平的提高，对水质的要求越来越高，对自来水检测项目越来越多。1955年，卫生部颁布了我国第一部饮用水水质标准《自来水水质暂行标准》。该标准水质包括物理指标、细菌指标、化学指标和有害金属等四类指标，共计15项。透明度、色度、臭和味四项不需要进行化学分析和仪器分析，仅需人体感官就可以检测和判定;细菌总数和总大肠杆菌需要用显微镜进行检测，其余项目总硬度、氟化物、酚、余氯、砷、铅、铁、铜、锌、pH等采用化学分析方法或简单pH计就可以完成，1—2个实验人员一般2—4小时就能基本完成一次全项检测。1959年，修订发布了《生活饮用水卫生规程》依然是上述四个方面，项目数仅增加了大肠菌值和肉眼可见物两项，检测方法和实验人员投入基本不变化。在1976年我国颁布《生活饮用水卫生标准》（TJ20-76）水质指标仍然是1959年修订版的4个方面，检测项数增加到了23项，项目增加了阴离子洗涤剂、氰化物、汞、锰、硒、镉、铬等项目，由于增加了金属元素项目，要求检测实验室需增加分析仪器—原子吸收光谱仪，但检测人员和检测时间基本保持不变。

1985年，我国第三次颁布《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-85），水质指标增加了放射性，包括总α放射性性，总β放射性。物理指标、细菌指标没有变化，化学指标增加了溶解性总固体、硫酸盐、硝酸盐、氯化物、氯仿、四氯化碳、滴滴涕、六六六、苯并（α）芘。有害金属增加了银元素。与1976相比，有机物项增加较为明显，故此次变化要求实验室需增加分析仪器气相色谱和液相色谱。从分析手段来看，1976年除了微生物指标需要用到显微镜，其他项目也都可以用化学分析完成检测，而1985年标准如果仅仅依靠化学检测，有机物指标是没有办法完成分析检测任务的。

随着社会进步，世界卫生组织WHO对生活饮用水标准也提出了相应的标准。国外主要发达国家在制定生活饮用水水质标准也以WHO为主要借鉴。我国在2006年第四次颁布《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）[1]。2006年的标准不论是项目还是项数都发生了明显的变化。标准分为10个发面项目，设计检测项数106项（俗称106项，实际上不同水处理工艺，有些水厂检测项目高于106项）。表1列出了我国生活饮用水标准GB 5749-2006检测项目及所对应的检测方法，从化学分析和仪器分析两方面比较检测所需投入的设备。总之2006年标准较1985年标准新增加了71项，增加了气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）、等离子发生光谱仪（ICP）、等离子发射光谱-质谱（ICP-MS）、離子色谱（IC）等仪器分析方法[2]。

另外，从表1可明显看出，众多方法中化学分析方法所占比重越来越低，而仪器分析所占比重越来越高，特别是质谱分析方法的地位越来越重要。同样比较我国地下水标准和地表水相关标准，情况也类似，纯粹采用化学分析法进行检测的项目占比均不到10%。因此我们给排水科学与工程专业相应的水质分析课程也必须随之进行相应的变化和调整，以强化现代仪器分析在水质分析中的作用和地位。

五、水分析化学课程建设的建议和设想

目前全国大约有160所大学开设给排水科学与工程专业[3]，水分析化学课程使用教材有几十种之多，但教学大纲相似，如前所述，还仅仅借鉴化学专业的分析化学课程相关内容，以四大化学滴定为主要课程内容，仪器分析仅仅是以显色法为主的分光光度法和原子吸收，辅之以简单电化学分析、气相色谱。我单位使用的黄君礼老师编著的《水分析化学》教材，虽然至今已经出版到第四版，但主要讲授内容，四个版本没有明显变化。为了适应各类水质标准的变化要求，建议对水分析化学课程内容进行调整和增加。第一，强化色谱知识的学习内容，从表1可以看出，108项分析项目里面涉及色谱类分析占项目的60%以上，对比最近几年颁布的地表水水质标准和地下水水质相关标准也存在类似情况。现有课程中仅仅以气相色谱为例对色谱基础知识进行了介绍，一般安排2—3学时，而对液相色谱和离子色谱没有进行系统讲授。第二，应该将质谱及其质谱联用技术作为水分析化学的重点内容。质谱分析方法灵敏度和分辨率高，抗干扰能力强等，关键在于其能同时分析多种元素或多种物质，另外，分析速度快的特点，保证水质分析的实效性。

六、结论

作为给排水科学与工程专业的专业技术基础课程，水分析化学应该与时俱进。在原有化学分析基础上，将现代仪器分析方法作为水分析化学重点内容之一，增加其在课程内容上的占比。特别要突出色谱知识，包括气相色谱、液相色谱和离子色谱的现代重要水质分析技术，将具有同时分析多种元素或多种物质能力且分析速度快的质谱及其质谱联用技术，作为水质分析重要工具进行讲授，以保证水质分析的快速和实效性。

参考文献

[1]GB 5749—2006.生活饮用水卫生标准[S].北京：中国标准出版社，2006.

[2]潘玥，王可新.我国饮用水水质标准变迁的研究[J].能源技术与管理，2014，39（06）：17-19.

[3]张晓健.给排水科学与工程专业概况[J].给水排水，2017，53 （07）：141-144.