堿熔離子選擇性電極法在土壤中氟化鈣測定中的應(yīng)用研究

陳 偉，岳曉嵐

(貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)中心實驗室，貴州 貴陽 550001)

氟(fluorine)化學符號F，鹵素元素，化學性質(zhì)極活潑，是已知電負性最高的元素，具有強烈的氧化性。在自然環(huán)境中，氟僅以氟離子的形式存在。

同時，氟也是人體不可或缺的微量元素之一。氟化物在土壤中可溶于水，容易被動植物吸收。而受到氟污染的土地，目前還沒有任何能從耕作制度上的可行解決方案。土壤中的氟污染主要來源于含氟污水對地下水體的污染，大氣中氟受重力作用的沉降或隨降水回到地表后被土壤固定，而大氣氟污染則主要是來源于鋁的冶煉、磷礦石的加工、鋼鐵冶煉、煤炭燃燒過程中排放的氟化氫等含氟氣體。土壤是否受到氟污染通常只有實地檢測才能確定，因此，土壤中氟化鈣的測定在防治地方性氟中毒、防止土地氟污染方面有著重要意義[1]。

1 堿熔離子選擇性電極法

使用堿熔離子選擇性電極法測定氟含量，有點位直接分析法和庫倫滴定分析法兩種。目前，堿熔選擇性電極法作為經(jīng)典的測定氟的方法，其技術(shù)已經(jīng)較為成熟。測定操作簡單，且測量濃度范圍寬，精度較高、設(shè)備價格低[2]。因此，在水果、牙膏、人血、飲用水、空氣、礦石等樣本的測定中，堿熔離子選擇性電極法已成為檢測的標準方法，廣泛應(yīng)用在食品安全、采礦、環(huán)境安全監(jiān)測等領(lǐng)域。本文主要通過結(jié)合國標堿熔離子選擇性電極法實驗，對電極法在土壤氟化鈣測定中的應(yīng)用進行了分析與研究[3-5]。

1.1 實驗原理

選擇性電極法測量氟離子活度時，通常采用氟離子選擇電極作為指示電極，采用飽和汞甘電極作為參考電極。當氟離子選擇電極插入試驗溶液時，所產(chǎn)生的電極電位與溶液中的離子活度滿足能斯特方程[6]：

E=E0-SlogcF-

式中，E為測得的電極電位,V；E0為參比電極的電位，V；S為氟電極的斜率；cF-為溶液中氟離子的活度。

根據(jù)能特斯方程不難得出：若控制試驗溶液總離子強度為定值，保持氟電極斜率不變，則測得的電極電位與logcF-滿足線性關(guān)系。

由于能斯特方程中使用的參數(shù)為氟離子的活度，故在實驗中需在試驗溶液中加入總離子強度緩沖液，用于消除不同離子間引力大小差異，從而使試驗溶液的活度水平調(diào)節(jié)至1，使試驗溶液活度與濃度數(shù)值上相等，從而用活度替代濃度。

除氟離子外，土壤樣本中還有如Cu2+、Fe3+等其他對實驗結(jié)果有干擾作用的陽離子，而氟本身具有極強的氧化性，不能通過酸熔或半熔的方式將氟離子分離出來，為去除這些離子對試驗結(jié)果的影響，需要對樣品用氫氧化鈉(NaOH)進行高溫熔融后用熱水浸潤，并加入適量鹽酸，從而使有干擾作用的陽離子與OH-結(jié)合形成不溶于水的氫氧化物沉淀，而氟離子則以氟化鈉的形式存在在溶液中。通過過濾操作可去除試驗溶液中對試驗結(jié)果有影響的陽離子。過濾完全后，調(diào)節(jié)溶液pH至中性，即可在總離子強度緩沖溶液環(huán)境下加入電極進行測定。

1.2 實驗儀器與試劑

為避免雜質(zhì)的存在影響電極響應(yīng)，造成實驗結(jié)果偏差，本文采用的所有試劑均為AR級及以上，所用水均為去離子水。具體儀器與試劑如下：①氟離子選擇電極；②飽和甘汞電極；③固體NaOH；④1+1鹽酸溶液；⑤氫氧化鈉溶液；⑥電磁攪拌器；⑦聚乙烯容量瓶、燒杯、移液管；⑧鎳坩堝；⑨0～1 000℃高溫電路；⑩TOSAB總離子強度緩沖液(本文采用二水檸檬酸納充當總離子強度緩沖液)；F-離子標準溶液(0.100mol/L)；溴甲酚紫指示劑(0.04%)；離子活度計與pH計(精度±0.1mV)。

1.3 實驗流程

1.3.1結(jié)晶

取適量采集到的土壤樣本攤在潔凈的紙上，置于通風避光的室內(nèi)環(huán)境自然風干。待風干完全后，將樣本壓碎并去除石子和動植物殘體等異物。用2mm尼龍篩過篩后將樣本置于聚乙烯薄膜上混勻，用四分法縮分為4份。使用研缽研磨充分后用0.149mm尼龍篩過篩并混勻充分。

1.3.2制備試液

取適量后的樣本與適量固體NaOH一同加入鎳坩堝中，放入高溫電爐加熱。加熱過程應(yīng)低溫緩慢升溫至570℃后保溫20min。取出冷卻后用適量煮沸的熱水浸取至完全溶解。將溶解后的溶液加入容量瓶中，緩緩加入濃度適當?shù)柠}酸并不停搖動，冷卻后加水至標線并搖勻放置澄清。在澄清后的溶液中準確吸取適量上清液，放入50mL容量瓶中并滴加2滴溴甲酚紫指示劑，邊搖勻邊逐漸滴加鹽酸，直至溶液變?yōu)辄S色后加入適量TOSAB溶液。用水稀釋至標線后搖勻。取適量去離子水加入容量瓶中，作為上述步驟中溶解后溶液的替代加入容量瓶中，重復(fù)上述步驟，從而得到空白溶液。

1.3.3測定

取多份體積依次增加的制備好的樣品試液和空白溶液分別倒入聚乙烯燒杯中，制成梯度溶液組，將梯度溶液依次置于電磁攪拌器上并放入攪拌子，插入指示電極和選擇電極。將電磁攪拌器置入攪拌狀態(tài)，平衡3min后測量并讀取電極電位值(mV)。在一次測量結(jié)束、下一次測量開始前，應(yīng)用水充分沖洗電極并用濾紙吸干水分。

1.4 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)對梯度溶液電極電位的測量、電位數(shù)值的大小與氟含量繪制對數(shù)標準曲線。

土壤中的氟含量c(mg/kg)計算公式如下：

式中，m為樣品中的氟含量，μg；m0為空白試劑中氟的含量，μg；w為稱取試樣的質(zhì)量，g；V總為試樣定容體積，mL；V0為測定時吸取溶液的體積，mL。

1.5 樣品中氟化鈣含量的計算

依據(jù)1.4中繪制的標準曲線與相關(guān)公式計算出樣品氟離子濃度后，可根據(jù)下式計算出樣品中氟化鈣的含量：

式中，ρF-為氟離子質(zhì)量濃度；wCaF2為樣本中氟化鈣的質(zhì)量分數(shù)；m為樣本的稱樣量。

2 影響測量結(jié)果的因素分析

2.1 熔融過程中的影響

(1)熔融過程中溫度的影響。在溫度過高或過低的情況下，通常會造成測量結(jié)果偏低。

(2)熔融時間的影響。在熔融過程中，熔融時間過短會導(dǎo)致樣品熔融不完全，使測量結(jié)果偏低；時間過長會導(dǎo)致樣品外溢，甚至會使爐膛因受到腐蝕進而漏電，危害操作者人身安全。

2.2 沉降時間的影響

當分解樣品中帶正電的金屬離子時，需要沉降的方法與溶液分離，如果沉降時間不夠長，將影響氟離子的分離。

2.3 外界溫度的影響

測量過程中，外界溫度會影響溶液中氟離子的電離程度，故實驗的整個流程都應(yīng)在恒溫條件下進行。

溫度過低時，電極靈敏度會受到影響而降低，使電極的響應(yīng)時間變慢、測量結(jié)果偏低。溫度過高時，會造成電極的失靈，使實驗無法進行。

2.4 酸堿度的影響

對于堿熔融選擇性電極法測定氟離子含量的實驗，一般情況下，選擇性電極的酸性應(yīng)控制在6.8左右。如果酸性過強、pH值低于5，溶液中氟離子則會跟氫離子結(jié)合形成氟化氫，使溶液中氟離子變少，從而導(dǎo)致測量結(jié)果偏低。如果堿性過強，pH值大于8，電極會與氫氧根發(fā)生反應(yīng)，從而影響測量結(jié)果。通常在實驗時采用在溶液中加入酸堿指示劑，然后用鹽酸滴定的方法來控制酸堿度。

2.5 攪拌時間的影響

將溶液置入電磁攪拌器，其攪拌時間會直接影響實驗結(jié)果，若攪拌時間過長，溶液溫度將升高，從而使測量結(jié)果不準確；若攪拌時間過短，電極的記憶效應(yīng)將得出錯誤結(jié)果，從而造成較大誤差。

3 結(jié)語

本文參考國家標準方法(GB/T 22104-2008)的要求，設(shè)計了基于堿熔離子選擇性電極法測量土壤中氟化鈣含量的實驗，并分析了實驗結(jié)果以及可能影響實驗結(jié)果的條件。

堿熔離子選擇性電極法在測量土壤中氯離子方面，具有操作簡單、數(shù)據(jù)精確度較高、經(jīng)濟成本低的特點，適用于對可能存在污染的土地進行測定，在地質(zhì)普查、防止土地資源氟污染、防治地方性氟中毒等方面發(fā)揮著重要的作用。