化工园区废水处理中金属离子的化学检测技术

化工产业废水中常见的重金属主要包括汞、镉、铅、铬、锌、铜等，如果不能及时检测并处理，那么这些重金属不仅会污染水源和土壤，而且还会在一定程度上通过饮用水以及食物导致人类吸收，在身体内不断地积累，进而威胁人们的生命健康安全。因此，对化工污水重金属检测是至关重要的。在2011年和2016年国务院分别印发了《重金属污染综合防治“十二五”规划》和《“十三五”生态环境保护规划》，其中重点指出要重视水域重金属污染的检测治理工作，为此本文对金属离子化学检测技术进行综述，包括电化学检测技术、光化学检测技术等。

在小学的教育阶段，一个有趣的教学环境是可以在很大的程度上提高学生的学习兴趣的。因为通过我国教育专家的研究，发现在小学阶段的孩子还处于幼稚的状态，身心发展以及心理认知都还不够成熟，所以对于新奇的事物比较有好奇心，对于有趣的事情也是没有抵抗力。所以针对小学生的这一发展特点，数学老师就可以创设一个有趣的教学环境，让学生不仅可以释放自己的天性，促进学生的发展，而且还可以很好的提高学生的学习数学的兴趣，有利于小学数学高效课堂的构建。

1 传统重金属离子化学检测技术

1.1 离子选择性电极法

离子选择电极检测技术作为电化学检测技术的一种，利用离子选择电极实现对离子浓度的检测。离子选择电极是一种电化学传感设备，该设备结构中存在一个具有离子选择性的敏感膜，可以将离子活度转换为电位信号，在某些特定条件下，待检测溶液中的离子活跃度的对数和电位之间表现为线性相关，进而来确定溶液中重金属离子的浓度。一般情况下，根据测定过程的不同可以划分为直接测定法和间接测定法，其中后者在化工废水检测中应用最为广泛，这是因为间接法需要将待测溶液进行稀释后进行检测，所测得的结果更加真实更精确。

离子选择电极法的优点是操作简单、所选样本用量易获取且用量相对较少、检测快速准确等，缺点是电极易老化需要定期更换。该检测技术可以对铅、镉等重金属进行准确的检测。

1.2 电位溶出分析法

电位溶出分析法广泛应用于工业废水检测中，可以对锌、镉、铅、砷、铜等重金属进行精准检测。其主要原理是：保持电位恒定不变，然后将待检测的溶液在电解池中进行电解工作使得相应的物质富集在电极上，进而选择合适的化学试剂或者施加反向电压将富集在电极上的物质氧化或者还原使其溶出，最后通过观察并记录溶出过程电压曲线对离子浓度进行分子和确定。

1.3 溶出伏安法

溶出伏安法是在19世纪被发明的，当时因其具有较高的灵敏度、检测精确度高、抗干扰强以及操作简便等优势被广泛用于重金属浓度的检测。该方法又叫做反向溶出极谱法，其工作原理是在工作电极处施加适当的还原电势，如果电极电势比某一种重金属离子的析出电势高时，那么所检测溶液中的金属离子将在工作电极表面富集并被还原，然后再改变电极电位，将富集物质再次溶出，溶出的过程会释放电子并形成峰值电流，然后测量并记录电流和电压值，根据伏安曲线进行综合分析。一般情况下，可以根据氧化反应电势变化情况辨别重金属类别，进一步通过计算电流峰高或者面积的方式，在同一条件下与标准金属溶液进行对比得到重金属离子的浓度

。该方法实际进行时有两种方式，阳极溶出伏安法和阴极溶出伏安法，根据实际情况进行选择。其中前者应用更为广泛，在对工业废水检测和处理过程中，可以对重金属铜、锌、铅、镉、汞、砷等进行准确测定。但是随着科技越来越发达，检测仪器越来越先进，该方法的缺点也逐渐显露，即检出限相对较低，因此目前经常作为辅助方法使用。

1.4 催化极谱法

利用化学检测技术对化工园区废水进行检测具体有以下几种方式：一是冷原子荧光法。化工废水中的汞离子的存在形式是汞蒸气，其可以被紫外线吸收继而产生共振荧光，然后可以根据荧光强度来分析并确定汞的浓度。冷原子荧光法的原理就是使用特定的化学物质与金属离子进行融合碰撞发生化学反应，进一步检测化合物的颜色来判断。如果发生化学反应前后颜色差异相对较大，这说明汞含量较高，反之，汞含量相对较低；二是冷原子吸收法。首先在待检测溶液中加入高锰酸钾，将其中汞化合物进行热解还原，进一步通过振动将其转化为无机二价汞离子，并在该过程中将原子蒸气进行回收处理。对于汞蒸气来说，其标准辐射吸收波长为253.7nm，检测波长，波长越大汞含量越高，反之汞含量相对较低；三是双硫腙分光光度法。在95℃左右的待测溶液中加入高锰酸钾和过硫酸钾，将溶液中的汞全部转化为二价汞，在高锰酸钾酸性条件下，然后将双硫腙溶剂加入溶液中与汞离子发生化学反应生成橙色螯合物，进一步利用有机溶剂将化合物萃取，在波长为485nm进行吸光度检测，最后利用标准曲线法来确定检测溶液中的汞浓度

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1.5 原子吸收光谱法

自媒体时代的大学生马克思主义信仰教育 …………………………………………… 郑志康，雒新艳（3．109）

1.6 原子荧光光度法

对工业废水中金属镍的检测，普遍使用的是分光光度法，具体仪器为光度计。具体检测流程为：在待检测溶液中加入适量的二乙酰酮，金属镍会与其发生化学反应。

金属铅在工业废水中含量相对较高，因此要重视检测工作。具体有以下几种方式：一是示波极谱技术。该技术作为电解方法的一种，主要是应用阴极示波器来进行的，利用该设备来观测极谱曲线并记录，然后对其电解过后的电流—电压电位进行测定，分析曲线来判定检测溶液中铅浓度；二是阳极溶出伏安法。利用电解电位原理，在电极处施加负电压，然后铅离子会在电解池的阳极聚集还原，然后改变电极电位，施加正向电压，铅离子会融入到电极中，产生电流信号，进而生成电流—电位曲线，即溶出曲线，这样就可以通过测量电流以及观测曲线来测定溶液中铅的浓度；三是吸收分光度法。在一些特定的环境下，铅元素根据自身特性可以选择性地吸收光，利用这一特性，使用分光器来检测溶液中金属铅的含量。一般情况下，选择单色光的纯度越高，检测结果越准确。

1.7 原子发射光谱法

原子发射光谱法的工作原理是：待检测的废水样品中的金属元素发射特征光谱，进一步根据特征光谱信息利用仪器设备来测定重金属含量。其所需要的仪器设备包括光源、单色仪和检测部件，类似于原子吸收光谱法，单色仪和检测部件的作用也对应相同，其中光源最主要的两个作用是：将需要检测的废水样品蒸发至气态，然后将气态原子的电子从基态激发到激发态，这两步都是在为后续的发射光谱做铺垫。一般情况下，该检测方法不需要频繁更换光源就可以对多种不同的重金属离子进行检测，其优点是检测时间短，但是检测灵敏度取决于选择的光源。

原子吸收光谱法是基于原子吸收原理实现的，选择的样品必须是气体，宽谱光源的波长要将检测的重金属特征谱线覆盖，所选择样品的蒸气中待测元素含量要满足朗伯—比尔定律吸收特征谱线的光强，进而使得光谱所对应波长处的光强衰减，最后依据特征光谱线的光强衰减量对金属离子含量进行检测，还要注意是在检测前，要确实能够所测得样品中各个金属元素的最大吸收波长、吸收光谱和摩尔吸收度

。该检测技术最重要的检测仪器就是原子吸收光谱仪，其可以对工业废水中多种重金属进行检测，检测灵敏度和准确性相对较高，但是检测费用比较高，而且检测过程复杂，重金属离子不同光源也会重新选择。

1.8 紫外—可见分光光度法

紫外—可见分光光度法是基于目视比色法进一步发展的，利用光电检测代替人眼判断，使得检测结果更加准确，检测速度也随之提升。该检测方法可以对溶液中的重金属离子进行定性和定量分析。其检测原理是：基于朗伯—比尔定律，不同物质对于波长范围在190nm～760nm之间的紫外可见光的吸光度不同来测定所检测工业废水溶液中的重金属离子浓度。紫外可见光分光光度计主要包括光源、单色仪、样品池和检测系统等设备。单色仪可以将光谱发射到所检测的溶液中，然后根据物质对不同波长吸光度的差异来确定其含量。值得注意的是，一般情况下重金属离子溶液颜色相对较浅，甚至表现为无色，因此选择特定的螯合剂非常重要，待检测物质与其发生化学反应进而生成颜色相对比较深的螯合物，使得检测更易分辨提高检测的准确度。

1.9 电感耦合等离子体质谱法

电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）技术是20世纪80年代发展并兴起的金属离子检测分析技术，广泛应用于水质检测、环境保护、石油等领域，其主要是设备是电感耦合等离子体质谱仪，该设备将ICP技术和质谱结合在一起，如下图1所示。该方法的工作原理是：将等离子体作为质谱离子源，所要检测的废水溶液样品在雾化后流进等离子体区域，经过一系列物理化学过程，包括蒸发、解离、原子化和电离等，然后被导入到高真空的质谱区域，待检测的金属离子通过质量分析设备按照荷质比过滤并分离到离子检测器中，最后根据离子强度大小分析其含量

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目前该检测技术相对比较成熟，具有非常低的检出限和检测范围，而且谱线相对简单、检测灵敏度较高且速度非常快，可以对众多重金属铜、铅、锌、镉、铬、铍、锰、钴、镍、砷、铊进行同步测定。但是该方法的缺点包括检测溶液处理比较复杂、抗干扰能力差、检测设备比较昂贵，检测成本较高以及方式使用效果不理想等问题。

LaserGas Ⅱ激光氧分析仪自2015年11月投用以来运行稳定，但在2016年10～11月期间仪表透光率持续走低，几乎每天需要调整一次透光率。起初怀疑是炉体变形导致发射端与接收端法兰孔不能在同一水平线上，后经过多次处理，排除了炉体变形的原因。拆卸发射与接收端后发现通道内有积灰，炉壁开孔处存在大量结焦，导致透光率变低，清除后，仪表透光率提高到30%以上。

2 新型金属离子检测技术

2.1 激光诱导击穿光谱技术

该原理是通过将短脉冲高能量密度的激光照射在待测样品上产生高温，将其激发成气态，然后在较高的激光能量作用下发生雪崩电离现象，形成等离子体。然后气态元素的电子进一步被激发至激发态，当它们跃迁回基态时会产生具有元素特征的光谱，通过分析光谱线来确定重金属的种类和含量。

2.2 试纸—光电反射测量技术

该技术基本原理同紫外—可见分光光度法类似，可以利用不同金属离子对入射光谱的不同波长吸光度的差异来分析并确定所检测废水样品中重金属离子的含量，测试系统如下图3所示。入射光谱需要借助光纤，并且找适当的角度射到试纸，然后反射到接收光纤，进行一系列光电转换处理，通过对比来判断重金属离子的含量。

3 化学检验技术在金属物质检测中的应用

3.1 金属汞的检测

催化极谱检测法是基于电化学和化学动力学进一步发展起来的，在一定程度上提高了极谱分析的灵敏度和选择性。其优势更加明显，包括检测灵敏度高、各金属元素共存情况下相互干扰较小、较好的选择性等。其工作原理是：在酸性条件下，将低价的金属离子氧化成为高价，并进行沉淀处理，然后再次将沉淀进行溶解并还原成低价的金属离子，在这个处理过程中可以利用仪器测得催化电流，进而确定金属离子含量

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3.2 金属铅的检测

气相色谱条件：HP-5毛细管柱(30 m×0.32 mm×0.5 μm)，程序升温，起始温度35 ℃，保持5 min，以4℃/min升至160℃，保持2 min，再以8℃/min升至220℃，保持3 min，进样口温度250℃。质谱条件：MS，电离方式为EI，电子能量70 eV，离子源温度230℃，成分组分通过NIST98图谱库检索、分析，再结合文献进行人工谱图解析确认检测物成分[5]。

3.3 金属镍的检测

相较于原子吸收光谱法来说，二者的基本原理正好相反，该检测方法是通过辐射能激发待检测化工废水样品的原子蒸气，然后相应的生成荧光，因此可以检测荧光的强度来确定检测重金属离子的浓度。该方法的灵敏度和准确度比原子吸收光谱法相对更高，且谱线清晰。

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一般情况下，选择比例为1：4进行配制，二者反应生成的化合物会吸收特定波长范围内波长的光，然后利用仪器设备进一步对其进行定性定量分析，最终确定溶液中金属镍的含量。

3.4 金属铋的检测

较少的铋对人体健康威胁较少，而如果金属铋在工业废水中存在并通过食物链到达人体内大量聚集，那么就会对人的身体健康产生非常大的威胁。

对于化工废水中铋的检测，主要是利用光化学检测技术，包括紫外—可见分光光度法、原子荧光光谱分析法以及吸收光谱法。例如利用原子吸收光谱法来检测废水中金属铋的浓度，主要使用的是石墨原子吸收，然后利用核磁辐射进一步检测其含量。

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3.5 金属锌的检测

金属锌的污染在主要集中在化工产业的生产制造中。锌离子的毒性具有长期且不可降解的特征，通过工业废水的排放不断地累积在水生生物体内，使得水生生物带有一定的毒性，经过生态系统食物链最终聚集在人的体内，致使人产生重金属中毒等一系列疾病，严重威胁人体健康。对于工业废水中锌离子浓度的检测，其基本原理就是锌离子在酸性环境下可以和铅试剂双硫腙发生化学反应生成红色螯合物，该化合物可以在被光的波长在535nm下被吸收。具体检测方法如下：首先根据实际检测情况来配制浓度不同的标准液并且绘制标准曲线，然后在待检测的溶液中加入适量的乙酸钠缓冲液和硫代硫酸钠溶液来生成酸性环境，等待几分钟后再加入适量的双硫腙四氯化碳溶液，等静置一段时间充分反应后利用脱脂棉将溶液进行过滤，并将过滤后的溶液放置在比色皿上进行检测，最后测定溶液的吸光度，然后根据标准曲线来判断锌离子浓度。

4 结语

综上所述，我国工业经济的不断发展进一步扩大了化工园区的规模，工业废水的产量也随之增多，因此对废水的检测和处理工作是非常重要的。现阶段，对于工业废水的检测工作来说，化学检验技术应用最为普遍，不仅对自然生态环境和人们的生产生活造成极小的影响，而且有利于化工产业的可持续发展。

[1]孟庆华．化学检验技术在工业废水成分检测中的应用[J]．石化技术,2019(7)：269-270．

[2]张文婷．工业废水污染检测中化学检测技术的应用分析[J]．城市建设理论研究(电子版),2018(25)：85．

[3]张国杰,张海娥．关于工业废水污染检测中化学检测技术的应用分析[J]．当代化工研究,2018(7)：11-12．

[4]彭秋梅．激光诱导击穿光谱技术检测新鲜桔子叶中重金属元素的试验研究[D]．南昌：江西农业大学，2013．

[5]王伟辉．基于反射光检测重金属浓度系统设计与实现[D]．南京：南京理工大学，2015．