1.4 水质分析概述_水分析化学-QQ阅读男生历史网

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1.4 水质分析概述

1.4.1 水分析化学的性质和任务

水分析化学是研究水及其杂质、污染物的组成、性质、含量和它们分析方法的一门学科。它在国民经济的各个领域肩负着重要的使命。水分析化学在种类繁多、日趋严重的水环境污染治理及监测中起着“眼睛”和“哨兵”的作用。给水排水设计、水处理工艺、水环境评价、废水综合利用等都必须以分析结果为依据，并做出正确的判读和科学的评价。它的主要任务包括：

（1）鉴定各种用水的水质（杂质种类及浓度）是否满足用水的要求。

（2）按照用水排水的需要，对水质进行分析，以指导水处理的研究、设计及运行过程。

（3）为了对人类的环境进行保护，防止水被污染，而对江、河、湖、海及地下水、雨水、生活污水及工业废水等水体进行经常性的水质检测。

水分析化学是给排水科学与工程、环境工程等专业的一门专业基础课。通过本课程的学习，使学生掌握本专业所必需的水质分析的基本原理、基本知识、基本技能，培养学生严谨的科学作风和实事求是的科学态度、独立分析问题和解决实际问题的能力，能运用水质指标和水质分析综合资料，指导水处理的方法、设计及运行管理，并对水资源进行有效的保护和合理地开发提供科学依据。

通过学习水分析化学，掌握水分析化学的4种滴定方法（酸碱滴定法、配位滴定法、沉淀滴定法和氧化还原滴定法）和主要仪器分析法（吸光光度法、原子吸收分光光度法和气相色谱法等）的基本原理、基本知识、基本概念和基本技能，掌握水质分析的基本操作，培养严谨的科学态度以及独立分析问题和解决实际问题的能力。

1.4.2 水分析化学分析方法的分类

研究水中杂质、污染物质的组成、含量等方法是多种多样的。按照分析任务（或目的）分为定性分析、定量分析和结构分析。按照分析对象分为无机分析和有机分析；按照分析方法的原理分为化学分析和仪器分析；按照试样用量分为常量分析、半微量分析、微量分析和痕量分析等。

1.化学分析法与仪器分析法

（1）化学分析法（chemical analysis）。以物质化学反应为基础的分析方法叫做化学分析法，主要有滴定分析法和重量分析法。

1）滴定分析法（titration analysis）。滴定分析法又称容量分析法。这种方法是将一种已知准确浓度的试剂溶液滴加到被测物质的溶液中，直到所加的试剂与被测物质按化学计量关系定量反应完毕为止，再根据试剂溶液的浓度和用量，计算被测物质的含量。滴定分析法适用于水中常量组分的分析，主要用于水中化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、溶解氧（DO）、酸碱度、硫化物、氰化物、氨氮、Ca²⁺、Mg²⁺、Fe³⁺、Al³⁺等的测定。

已知准确浓度的试剂溶液称为标准溶液或滴定剂，将滴定剂加到被测物质溶液中的过程，叫做滴定。当加入的滴定剂与被测物质正好按化学计量关系定量反应完毕时，称为滴定的化学计量点（理论终点，以sp表示）。在实际的滴定过程中，利用指示剂在化学计量点附近发生颜色突变来确定滴定终点（以ep表示）。由于指示剂并不一定恰好在化学计量点时变色，所以滴定终点与化学计量点之间可能会存在着一个很小的差别，由此而造成的分析误差称为滴定误差或终点误差。

滴定分析法的准确度较高，一般测定时的相对误差在0.2%左右，而且所需的仪器设备简单，操作简便、迅速，因此被广泛应用在水质分析中。

根据反应类型不同，滴定分析法主要分为以下4类：

a.酸碱滴定法（acid-base titration）。酸碱滴定法是利用酸碱反应进行滴定的方法，如强碱滴定强酸的反应式为

H⁺+OH^-→H₂O

b.配位滴定法（complexometric titration or chelatrometry）。配位滴定法是利用配位反应对金属离子进行滴定的方法，常用EDTA作为滴定剂，例如

Mg²⁺+Y^4-→MgY^2-

c.沉淀滴定法（precipitation titration）。沉淀滴定法是利用生成沉淀的反应进行滴定的方法，例如，莫尔法：

Ag⁺+Cl^-→AgCl↓

d.氧化还原滴定法（redox titration，oxidation-reduction titration）。氧化还原滴定法是利用氧化还原反应进行滴定的方法，例如

以上4种方法都有其优点及其局限性。当同一物质可选用几种方法进行滴定时，必须根据被测物质的性质、含量、试样组分、是否有干扰离子以及分析结果的准确度要求等多种因素选用适当的测定方法。

化学反应类型较多，能适用于滴定分析的化学反应必须满足以下4个条件：

（a）反应要定量完成，在化学计量点反应的完全程度一般应在99.9%以上。

（b）反应必须具有确定的化学计量关系，即反应按一定的反应方程式进行。

（c）反应迅速，否则应加适当催化剂或加热来加快反应速度。

（d）必须要有方便、可靠的方法确定滴定的终点。

凡是能完全满足上述要求的反应，都可以用直接滴定法，即用标准溶液直接滴定被测物质。如果反应不能完全符合上述要求，则可采用反滴定、置换以及间接法等滴定方式。

2）重量分析法（gravimetric analysis）。重量分析法是通过一系列的操作步骤（如反应、沉淀、过滤、烘干、恒重等）使试样中的待测组分转化为另一种纯粹的、固定化学组成的化合物，再通过称量该化合物的质量，从而计算出待测组分的含量。重量分析法一般适合于高含量或中含量组分的测定，准确度比较高。重量分析法按分离方法的不同又可分为气化法、沉淀法、电解法、萃取法等。

气化法又称挥发法（vaporization method or volatilization method），是靠被分析组分本身的挥发性来进行测定的方法。例如，总残渣灼烧减重的测定。

沉淀法（precipitation method）是靠被分析组分以微溶化合物的形式沉淀出来，再将沉淀过滤、洗涤、烘干或灼烧，最后称重，计算其含量、例如，水中Ba²⁺的测定。

电解法（electrolytic analysis）是利用电解原理，使金属离子在电极上析出，然后称重，求其含量。例如，水中Cu²⁺的测定。

萃取法（extration method）是利用一种溶剂将水中被分析组分萃取出来，然后将有机溶剂蒸发干净后称重，求其含量。例如，活性炭氯仿萃取物（CCE）的测定。

重量分析法主要用于水中悬浮物、残渣、Ca²⁺、Mg²⁺、Ba²⁺、SiO₂、等的测定。其中沉淀法是应用最广泛的重量分析法。该方法结构准确度较高，但操作烦琐、费时，适用于水中常量组分的分析。

（2）仪器分析。通过使用仪器设备，测定物质的某些物理或物理化学性质来进行分析的方法称为仪器分析法，也称为物理或物理化学分析法。

1）仪器分析的种类。根据测定方法的原理，仪器分析法分为：光学分析法、电化学分析法、色谱分析法等。

a.光学分析法。最常用的光学分析法是光谱分析法，是以物质的光学光谱性质为基础的分析方法。主要有：比色法、分光分度法、原子吸收分光光度法等。主要用于水的色度、浊度、硫化物、氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐氮、余氯、ClO₂、酚、CN^-、Cd²⁺、Hg²⁺、Cr⁶⁺、Pb²⁺、Zn²⁺、Cu²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺、Mn²⁺、砷化物等许多微量成分的分析测定。

b.电化学分析法。电化学分析法是以电化学理论和物质的电化学性质为基础建立起来的分析方法。通常是将试样溶液作为化学电池的一个组成部分，研究和测量溶液的电物理量（电极电位、电导、电量、电流等），从而测定被测物的含量。主要分为电位分析法、电导分析法、库仑分析法和极谱分析法。主要用于水中pH值、酸度和碱度的测定，也可用于酸碱滴定、配位滴定、沉淀滴定和氧化还原滴定等。

c.色谱分析法。色谱分析法，又称层析法，是根据试样在不同的两相中做相对运动时，由于不同的物质在两相中分配系数不同，从而达到分离效果，然后再用检测仪器测定各组分含量的分析方法。色谱分析法包括气相色谱法、液相色谱法和离子色谱法等。

以上3类分析法是应用最广泛的仪器分析方法。随着仪器分析的迅速发展，又研制出许多新的或有特殊用途的仪器分析方法，如热差分析法、质谱分析法、离子探针、X射线荧光分析法、核磁共振、电子能谱等。这些分析方法，由于其用途特殊或仪器价格昂贵，一般普及率不高。

2）仪器分析法的特点。相对于化学分析法而言，仪器分析法有以下特点：

a.灵敏度高。仪器分析法的灵敏度比化学分析法的高很多，其检出量一般都在10^-6、10^-9级，甚至更高。因此仪器分析法主要适用于微量成分的测定，如水中的Cr、Hg、Pb、氰化物等毒理学指标的测定。

b.操作简便，分析速度快。由于仪器分析法的自动化程度较高，分析过程中的很多步骤由仪器自动完成，不需要人工参与，因此分析速度快，适用于批量试样的分析及连续分析。

c.选择性好。仪器分析法几乎都具有很好的选择性。只要调整到适当的条件，其他的组分一般不干扰，这对于分析组成复杂的试样非常方便。

d.仪器设备较复杂、价格昂贵。尽管仪器分析法有很多优点，是分析测试的一个发展方向，但是目前它还不可能完全取代化学分析法。因为相当一部分仪器分析还需要化学分析法进行预处理（如消解、稀释、排除干扰等），同时在建立测定方法过程中，还需要用经典的化学方法验证、制备标准溶液等。在实际分析测试工作中，应该根据具体情况和要求选用适当的方法。

2.常量、半微量、微量和痕量分析。

（1）根据试样用量的多少分。根据试样用的多少，分析方法可分为常量分析、半微量分析、微量分析和超微量分析。各种方法所需试验量见表1.9。

表1.9 各种分析方法的取样量

在无机定性分析中，多采用半微量分析方法；在化学定量分析中，一般采用常量分析方法。进行微量分析及超微量分析时，多需采用仪器分析方法。

表1.10 各种分析方法的相对含量

（2）根据试样被测组分的百分含量分。根据试样被测组分的百分含量，分析方法可粗略地分为常量组分分析、微量组分分析和痕量组分分析。各种分析相对含量见表1.10。

痕量组分的含量还常用：百万分率（10^-6W/W或V/V）、十亿分率（10^-9W/W或V/V）及万亿分率（10^-12W/W或V/V）表示，它们是百分含量的一种表示方法。

3.定性分析、定量分析和结构分析

定性分析（qualitative analysis）就是鉴定物质有哪些元素、原子团或化合物组成。定量分析（quantitative analysis）就是测定物质各组成成分的含量。结构分析（structure analysis）是研究物质的分子结构、晶体结构或综合形态。

4.无机分析和有机分析

无机分析（inorganic analysis）的对象是无机物质，有机分析（organic analysis）的对象是有机物质。两者分析对象不同，对分析的要求和使用的方法多有不同。

5.例行分析和仲裁分析

一般分析实验室对日常生产流程中的产品质量标准进行检查控制的分析称为例行分析（routine analysis）。不同企业部分间对产品质量和分析结果有争议时，请权威的分析测试部门进行裁判的分析称为仲裁分析（arbitral analysis）。

1.4.3 水质分析过程

水分析化学工作者从接受分析项目到完成，所经历的分析过程一般是：明确分析项目的任务和要求；依据项目的任务和要求，选择适当的测定方法；获得有代表性的样品与制备分析样品；进行必需的化学分离、富集与掩蔽；测定与计算分析结果并进行必要的数理统计和写出报告。

1.分析项目的任务和要求

在设计分析步骤前，必须明确任务：需要什么分析信息？是定性分析还是定量分析？是什么部门或人送的样？用途是什么？分析的是什么类型的样品？

问题确定后，下一步要考虑怎样获得样品？需要多少样品？方法应达到什么样的灵敏度？所要求的准确度和精密度是多少？为了消除干扰，需要什么样的分离和掩蔽？虽然测定微量组分达不到像主要组分那样的准确度，但在分析过程中，大多数情况下都需要排除对微量组分测定的干扰。

2.分析方法选择

对分析方法的选择通常应考虑以下几个方面：

（1）测定的具体要求，待测组分及其含量范围，待测组分的性质。

（2）获取共存组分的信息并考虑共存组分对测定的影响，拟定合适的分离富集方法，以提高分析方法的选择性。

（3）对测定准确度、灵敏度的要求与对策。

（4）现有条件、测定成本及完成测定的时间要求等。

综合考虑、评价各种分析方法的灵敏度、检出限、选择性、标准偏差、置信概率等因素，再查阅有关文献，拟定有关方案并进行条件试验，借助标准样检测方法的实际准确度和精密度，再进行试样的分析并对分析结果进行统计处理。各种方法的有关参数见表1.11。

表1.11 不同分析方法比较

3.分析样品的采取与处理

分析样品的采取与处理是分析过程中很重要的步骤，基本原则是科学性和有代表性。否则即使分析结果很“准确”，实际上也是不准确的，甚至是极为有害的。

4.化学分离、富集与掩蔽

进行化学分离、富集和掩蔽是为了消除共存组分对待测组分的干扰，以提高分析结果的准确性。

进行分离的目的有三个：一是分离基体成分，消除基体干扰；二是除去重要干扰组分或一般干扰组分；三是提取的待测组分的含量低于测定方法的检出限时，通过分离可富集待测组分。总之通过分离，可减少杂质，富集被测组分，降低空白，大大提高分析的准确性。常用的分离方法有沉淀分离法、萃取分离法、离子交换分离法、色谱分离法等。面对复杂的分析对象和众多的分离方法，如何选择分离方法？可综合考虑以下几个因素：一是测定的目的，是定性分析还是定量分析？是成分分析还是结构分析？是全分析还是主要成分分析？二是样品的数量、来源难易及某些组成的含量。大量组分中痕量组分的分离，首先要求进行萃取、吸附等富集方法，再进行分离。三是分离后所得的产物的数量、纯化程度能否满足测定的要求？四是分离对象和性质，如是亲水的还是疏水的？是离子型还是非离子型？其挥发性和热稳定性如何？这些问题可能一下子难以考虑清楚，更多的是要靠知识的积累和工作经验的丰富。例如，亲水的、极性很大的离子型化合物，一般可选择萃取、离子交换、电泳以及薄层色谱等。对于复杂体系，色谱方法是首选，对挥发性、热稳定性好的物质，可考虑选择蒸馏或气相色谱。

掩蔽是水分析化学中常用的消除干扰的有效手段。通常是向待测组分的体系中加入掩蔽剂，以改变干扰组分的存在形式，使其减少或失去与待测组分的竞争能力。可用转变成配合物或改变其价态的方法。例如，用EDTA配位滴定测定In³⁺时，加入1，10-邻二氮菲配位掩蔽Ni²⁺，加入KI配位掩蔽Hg²⁺，加入硫脲还原Cu²⁺成Cu⁺并配合掩蔽Cu⁺。以铬天青S或铝试剂分光光度法测定Al³⁺时，加入抗坏血酸还原Fe³⁺至Fe²⁺以掩蔽铁，加入硫脲掩蔽铜。由以上例子可以看出，掩蔽消除干扰组分的有效浓度降到对待测组分的影响可以忽略的程度。所以掩蔽也被称为“均相分离”。

由于干扰情况非常复杂，尽管进行了分离或掩蔽，甚至做了仪器校正，做了空白实验，但仍不能消除干扰影响，达到预期的测定效果。此时可采用标准物质与标准分析方法进行对照分析，综合消除干扰的影响。例如，将实验样品与标准物质在同一条件下测定，当标准物质的测定值与标准物质的标准值一致，则可认为使用该方法得出的实际样品的测定值可靠；若无标准物质，可选用标准分析方法进行对照，以确定测定的可靠程度。尤其在痕量组分的分析中，如采用分光光度法、原子吸收法、电化学分析法及色谱法等，校正曲线法和加标回收法是消除总体干扰，对待测组分的测定值做出评估的重要方法。

5.分析测定与结果的处理

已测定了制备样品中的组分浓度，并进行了必要的数据统计处理，则该结果可用于计算组分在原样品中的量。可用绝对量或相对量写出报告。在符合国家有关规定的前提下，考虑送样部门的要求，进行科学的表达。

被测组分含量的表示，首先要确定被测组分的化学形式。可用元素形式表示，如C、H、O、Fe、Cu等；可用氧化物形式表示，如CaO、Fe₂O₃、SiO₂等；也可用离子形式或化合物形式表示，如、KCl、CaCO₃、C₆H₈O₂ （葡萄糖）、C₂H₅O₂N （甘氨酸）等。按照确定的形式将测定结果进行换算和表达。比较普遍的是以质量分数表示。组分B的质量分数的定义是：组分B的质量与试样的质量之比，即