質(zhì)量法測(cè)定植物營(yíng)養(yǎng)液中電導(dǎo)率可行性

收稿日期：20231230

通信作者：廖曉斌（1984），女，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事水環(huán)境和水安全的研究。Email：liaoxb@hqu.edu.cn。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51878301）；青年科技創(chuàng)新資助項(xiàng)目（23YYST06QCB29）

摘要：通過與測(cè)定電導(dǎo)率的傳統(tǒng)電極法對(duì)比，探討運(yùn)用質(zhì)量法測(cè)定植物營(yíng)養(yǎng)液電導(dǎo)率的可行性。結(jié)果表明：采用質(zhì)量法測(cè)定植物營(yíng)養(yǎng)液中的電導(dǎo)率，測(cè)定值與采用高精度電導(dǎo)率/總?cè)芙庑怨腆w水質(zhì)測(cè)試筆測(cè)定結(jié)果極為接近，分別為19.85，19.30mS·cm-1；溶液中的顆粒物僅貢獻(xiàn)2.4%的電導(dǎo)率，懸浮物和膠體對(duì)電導(dǎo)率貢獻(xiàn)更低（0.5%），絡(luò)合態(tài)的有機(jī)物對(duì)電導(dǎo)率貢獻(xiàn)也有限；解絡(luò)后，植物營(yíng)養(yǎng)液的電導(dǎo)率由19.30mS·cm-1急劇增至66.68mS·cm-1。

關(guān)鍵詞：電導(dǎo)率；質(zhì)量法；電極法；總?cè)芙庑怨腆w

中圖分類號(hào)：X824文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：10005013（2022）02027105

液體電導(dǎo)率的測(cè)量在地球物理、水處理、食品加工及海洋工程等領(lǐng)域具有重要意義［15］。電導(dǎo)率表示溶液傳導(dǎo)電流的能力，它經(jīng)常用來表示水的純度。當(dāng)水中含有無機(jī)酸、堿、鹽或有機(jī)帶電膠體時(shí)，電導(dǎo)率就增加［6］。水溶液的電導(dǎo)率取決于帶電荷物質(zhì)的性質(zhì)和質(zhì)量濃度、溶液的溫度和粘度等［7］。

液體中電導(dǎo)率一般采用電極法來進(jìn)行測(cè)量，而傳統(tǒng)的電導(dǎo)率儀采用四電極電導(dǎo)率測(cè)量探頭［8］，其與液體接觸的電極會(huì)因腐蝕和污染而變質(zhì)，從而影響測(cè)量的準(zhǔn)確性［9］。因此，目前對(duì)電導(dǎo)率測(cè)量方法的研

究主要集中在如何解決電極因多次接觸液體而遭到腐蝕的問題，有研究提出一種采用非接觸式電極取代接觸式電極，也稱為電磁感應(yīng)式電導(dǎo)率傳感器［1011］。非接觸式電極不存在電極腐蝕或污染的問題，也不存在極化效應(yīng)［12］。然而，此類電極存在測(cè)量誤差較大的問題［13］。此外，電容耦合式非接觸電導(dǎo)的測(cè)量方法也經(jīng)常被用于液體的電導(dǎo)率測(cè)量中［14］。然而，此類方法無法應(yīng)用于需要將電導(dǎo)探針浸沒在液體中的場(chǎng)合［15］。因此，對(duì)于測(cè)量電導(dǎo)率方法的探索仍沒有解決可以防止電極污染的同時(shí)，又能適用于各種場(chǎng)合的電導(dǎo)率測(cè)量。基于此，本文對(duì)質(zhì)量法測(cè)定植物營(yíng)養(yǎng)液中電導(dǎo)率可行性進(jìn)行研究。

1研究方法

1.1實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

高精度電導(dǎo)率（EC）/總?cè)芙庑怨腆w（TDS）水質(zhì)測(cè)試筆（天津市諾華清源科技有限公司）；DHG9030A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海市圣欣科學(xué)儀器有限公司）；SXL1008型程控箱式馬弗爐（上海市精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）；微孔濾膜（孔徑為0.45，0.22μm）及配套濾器；AR224C型電子分析天平（美國(guó)奧豪斯儀器有限公司）；200mL瓷坩堝；250mL量筒；1L燒杯；1mL移液槍；AdvantageA10型超純水機(jī)（美國(guó)密理博有限公司）；植物營(yíng)養(yǎng)液（1mol·L-1濃硫酸，超純水（電阻率為18.2MΩ·cm-1））。

1.2實(shí)驗(yàn)步驟

通過高精度EC/TDS水質(zhì)測(cè)試筆測(cè)定樣品的電導(dǎo)率和總?cè)芙庑怨腆w，確定電極法測(cè)量樣品的數(shù)據(jù)。將5個(gè)坩堝在（105±3）℃的烘箱中烘30min，冷卻30min后稱質(zhì)量，直至恒質(zhì)量（兩次稱質(zhì)量相差不超過0.5mg），從而確定坩堝的質(zhì)量。移取5次振蕩均勻的水樣200mL，置于5個(gè)不同的坩堝內(nèi)，稱其質(zhì)量，隨后移入（105±3）℃的烘箱中，每次烘6h，冷卻30min后稱質(zhì)量，直至恒質(zhì)量，從而確定可溶性固體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。將烘干至恒質(zhì)量的坩堝和樣品繼續(xù)移入馬弗爐中，分別在500，900℃下進(jìn)行煅燒，每次煅燒結(jié)束后稱質(zhì)量，再次進(jìn)行下一個(gè)溫度的煅燒，從而分別確定有機(jī)物和溶液中離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。將900℃馬弗爐煅燒過的坩堝分別用200mL超純水潤(rùn)洗后，用高精度EC/TDS水質(zhì)測(cè)試筆測(cè)定其電導(dǎo)率和總?cè)芙庑怨腆w，從而確定樣品中電導(dǎo)率的起主要貢獻(xiàn)的物質(zhì)類別。移取振蕩均勻的水樣1L，置于1L燒杯內(nèi)，測(cè)量其電導(dǎo)率和總?cè)芙庑怨腆w，隨后將1mol·L-1濃硫酸用1mL移液槍逐滴加入到溶液中，直到溶液pHlt;2，再次測(cè)量其電導(dǎo)率和總?cè)芙庑怨腆w，從而確定樣品中絡(luò)合態(tài)離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。總共進(jìn)行了3次平行實(shí)驗(yàn)。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1電極法測(cè)量植物營(yíng)養(yǎng)液中的電導(dǎo)率

溶液中電導(dǎo)率的大小可以間接反應(yīng)溶液中離子的質(zhì)量濃度［16］。宋晨等［17］用兩電極法測(cè)試PVS2聚合物凝膠

電解質(zhì)的電導(dǎo)率，從而證實(shí)了PVS2凝膠有更多的帶正負(fù)電荷的基團(tuán)。因此，用高精度EC/TDS水質(zhì)測(cè)試筆測(cè)得營(yíng)養(yǎng)液的電導(dǎo)率，從而找出營(yíng)養(yǎng)液中各種物質(zhì)對(duì)電導(dǎo)率（σE）貢獻(xiàn)。營(yíng)養(yǎng)液電導(dǎo)率，如圖1所示。

由圖1可知：原液電導(dǎo)率為19.30mS·cm-1，稀釋1倍后的營(yíng)養(yǎng)液電導(dǎo)率為10.40mS·cm-1，稀釋5倍后的營(yíng)養(yǎng)液電導(dǎo)率為5.03mS·cm-1，表明稀釋后營(yíng)養(yǎng)液的電導(dǎo)率并非完全成倍數(shù)降低。這是由于營(yíng)養(yǎng)液中的部分絡(luò)合物水解成可導(dǎo)電離子，從而使?fàn)I養(yǎng)液的電導(dǎo)率升高，該結(jié)論與先前的研究一致。在以鋰離子傳輸?shù)木植扛邼舛入娊赓|(zhì)中，當(dāng)溶液電解質(zhì)進(jìn)行稀釋之后，離子的電導(dǎo)率反而會(huì)略有增加，可能是因?yàn)殡娊赓|(zhì)粘度的降低，離子擴(kuò)散率隨著非配位氫氟醚（HFE）質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加［18］。

聚醚砜膜可根據(jù)孔徑的大小過濾不同類型的固體物質(zhì)［19］，0.45μm的膜能過濾掉細(xì)小顆粒物，但不能去除營(yíng)養(yǎng)液中的懸浮物、膠體等［20］；0.22μm的膜能過濾掉營(yíng)養(yǎng)液中的懸浮物、膠體等［21］。由圖1還可知：營(yíng)養(yǎng)液通過0.45μm的膜進(jìn)行過濾，電導(dǎo)率為18.86mS·cm-1，僅降低0.47mS·cm-1，顆粒物對(duì)溶液電導(dǎo)率的貢獻(xiàn)率為2.4%，說明在營(yíng)養(yǎng)液中決定電導(dǎo)率的物質(zhì)并不是顆粒物，而在土壤中，顆粒物對(duì)電導(dǎo)率貢獻(xiàn)最大［22］；營(yíng)養(yǎng)液繼續(xù)通過0.22μm聚醚砜膜進(jìn)行過濾，兩次電導(dǎo)率差值（0.10mS·cm-1）就是懸浮物和膠體對(duì)電導(dǎo)率的貢獻(xiàn)，因此，懸浮物和膠體對(duì)植物營(yíng)養(yǎng)液的電導(dǎo)率貢獻(xiàn)也不大，僅為0.5%。

2.2質(zhì)量法測(cè)離子質(zhì)量濃度

電導(dǎo)率表示溶液傳導(dǎo)電流的能力［23］，而傳導(dǎo)電流的能力又是由溶液中離子質(zhì)量濃度決定［2324］。據(jù)此，從準(zhǔn)確測(cè)量溶液中離子質(zhì)量濃度的角度，提出運(yùn)用質(zhì)量法測(cè)定營(yíng)養(yǎng)液的質(zhì)量濃度（ρ），如圖2所示。

由圖2可知：1L營(yíng)養(yǎng)液的固體質(zhì)量為1018.9g，在105℃下烘干后，質(zhì)量為50.3g，說明固體質(zhì)量濃度為50.3g·L-1；500～700℃煅燒后，剩余營(yíng)養(yǎng)液的固體質(zhì)量濃度為14.1g·L-1，由于此溫度可去除大多數(shù)有機(jī)物［2526］，說明有機(jī)物質(zhì)量濃度為36.2g·L-1；繼續(xù)升高煅燒溫度至900℃，固體的質(zhì)量濃度變化甚微；經(jīng)過900℃煅燒后，不可揮發(fā)的總?cè)芙庑怨腆w的質(zhì)量濃度為13.3g·L-1［27］；105和900℃煅燒后的營(yíng)養(yǎng)液的質(zhì)量之差為可揮發(fā)性有機(jī)物，因此，可揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)量濃度為37g·L-1，這表明該營(yíng)養(yǎng)液含有豐富的有機(jī)物。

總?cè)芙庑怨腆w代表水中不可揮發(fā)的總?cè)芙庑怨腆w，可在一定程度反映水質(zhì)［28］。通常總?cè)芙庑怨腆w質(zhì)量越低，表明水中的重金屬離子等可溶性鹽類越少，離子質(zhì)量濃度越少，水質(zhì)越純［29］。電導(dǎo)率和鹽質(zhì)量濃度之間存在一定的比例關(guān)系，電導(dǎo)率和不同水的關(guān)系，如表1所示［30］。表1中：K為比例常數(shù)。

ρTDS=K×σE，當(dāng)原液的電導(dǎo)率為19.3mS·cm-1，則根據(jù)表1，系數(shù)K=0.67，根據(jù)有機(jī)物質(zhì)量濃度計(jì)算出營(yíng)養(yǎng)液的電導(dǎo)率為19.85mS·cm-1，該值與用高精度EC/TDS水質(zhì)測(cè)試筆測(cè)得的19.30mS·cm-1接近，表明兩種方法殊途同歸。用1L超純水潤(rùn)洗900℃馬弗爐煅燒過的坩堝，測(cè)定電導(dǎo)率和總?cè)芙庑怨腆w質(zhì)量濃度。營(yíng)養(yǎng)液煅燒前、后的參數(shù)的比較，如圖3所示。

（a）電導(dǎo)率（b）總?cè)芙庑怨腆w質(zhì)量濃度

由圖3（a）可知：煅燒前、后的營(yíng)養(yǎng)液電導(dǎo)率僅從19.3mS·cm-1降低至17.2mS·cm-1，這表明營(yíng)養(yǎng)液的電導(dǎo)率主要由不可揮發(fā)的溶解性固體貢獻(xiàn)，而可揮發(fā)的有機(jī)物對(duì)電導(dǎo)率得貢獻(xiàn)有限，這與上述電極法測(cè)定的結(jié)果相同。由圖3（b）可知：營(yíng)養(yǎng)液營(yíng)養(yǎng)豐富，總?cè)芙庑怨腆w質(zhì)量濃度高達(dá)22000mg·L-1，而經(jīng)過煅燒后，幾乎沒有殘留。

2.3營(yíng)養(yǎng)液解絡(luò)前后電導(dǎo)率

營(yíng)養(yǎng)液含有大量的有機(jī)物（圖2），這些有機(jī)物大多數(shù)以絡(luò)合態(tài)的形式存在，可絡(luò)合其中大部分的無機(jī)離子，使游離的離子質(zhì)量濃度大大減少。為證實(shí)這一猜想，將營(yíng)養(yǎng)液用濃硫酸酸化（pHlt;2），使絡(luò)合態(tài)的有機(jī)物全部解絡(luò)合，釋放出無機(jī)離子［31］，再測(cè)定其電導(dǎo)率，營(yíng)養(yǎng)液解絡(luò)前、后的電導(dǎo)率，如圖4所示。

由圖4可知：解絡(luò)前的營(yíng)養(yǎng)液的電導(dǎo)率為20.10mS·cm-1，酸解絡(luò)后的營(yíng)養(yǎng)液的電導(dǎo)率急劇增加，高達(dá)66.68mS·cm-1。這表明營(yíng)養(yǎng)液中，被絡(luò)合的離子是游離態(tài)離子的3倍多，這與之前的研究結(jié)果相似，植物營(yíng)養(yǎng)液中含有充足的鐵絡(luò)合物［32］。因此，營(yíng)養(yǎng)液可為植物提供充足的營(yíng)養(yǎng)，且具有巨大的緩沖能力，可適應(yīng)不同的土壤環(huán)境。同時(shí)，也再次驗(yàn)證了質(zhì)量法對(duì)營(yíng)養(yǎng)液中電導(dǎo)率測(cè)量是可行的。

3結(jié)束語

運(yùn)用質(zhì)量法測(cè)量植物營(yíng)養(yǎng)液中的電導(dǎo)率是可行的，該法測(cè)得的電導(dǎo)率（19.85mS·cm-1）與電極法（19.30mS·cm-1）相近；溶液中的電導(dǎo)率是由溶解性的游離無機(jī)離子貢獻(xiàn)的，顆粒物、懸浮物、膠體、有機(jī)物對(duì)電導(dǎo)率貢獻(xiàn)有限。在實(shí)驗(yàn)室無儀器時(shí)，可采用質(zhì)量法測(cè)試溶液中的電導(dǎo)率。質(zhì)量法解決了電極法測(cè)量下由于電極與液體接觸而造成的腐蝕和污染問題，可測(cè)試腐蝕性的液體，應(yīng)用更為廣泛。此外，與傳統(tǒng)的電極法相比，采用質(zhì)量法測(cè)定液體中電導(dǎo)率法具有誤差更小的優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

［1］MANTHILAKEG，BOLFANCASANOVAN，NOVELLAD，etal.Dehydrationofchloriteexplainsanomalouslyhighelectricalconductivityinthemantlewedges［J］.ScienceAdvances，2016，2（5）：e1501631.DOI：10.1126/sciadv.1501631.

［2］NAUHIXC，HOLSENTM，THAGARDSM.Influenceofsolutionelectricalconductivityandioniccompositionontheperformanceofagasliquidpulsedsparkdischargereactorforwatertreatment［J］.JournalofAppliedPhysics，2021，130（12）：113.DOI：10.1063/5.0054327.

［3］SRIVASTAVS，ROYS.Changesinelectricalconductivityofliquidfoodsduringohmicheating［J］.InternationalJournalofAgriculturalandBiologicalEngineering，2014，7（5）：133138.DOI：10.3965/j.ijabe.20140705.015.

［4］MOONEYDE.Doesthe‘MarineSignature’ofdriftwoodpersistinthearchaeologicalrecord？AnexperimentalcasestudyfromIceland［J］.EnvironmentalArchaeology，2018，23（3）：217227.DOI：10.1080/14614103.2017.1377404.

［5］DASILVAAJC，DOSSANTOSEV，DEOLIVEIRAMCC，etal.Electrochemicaltreatmentoffresh，brineandsalineproducedwatergeneratedbypetrochemicalindustryusingTi/IrO2Ta2O5andBDDinflowreactor［J］.ChemicalEngineeringJournal，2013，233：4755.DOI：10.1016/j.cej.2013.08.023.

［6］代天豪，王中美，陳堯，等.貴陽花溪養(yǎng)牛村暗河枯水期巖溶水動(dòng)態(tài)特征分析［J］.中國(guó)巖溶，2019，38（4）：546551.

［7］劉應(yīng)學(xué).人工濕地處理生活污水研究［J］.環(huán)保科技，2015，21（6）：5257.

［8］MAHongsen，LANGJH，SLOCUMAH.Calibrationfreemeasurementofliquidpermittivityandconductivityusingelectrochemicalimpedancetestcellwithservomechanicallyadjustablecellconstant［J］.IEEESensorsJournal，2009，9（5）：515524.DOI：10.1109/JSEN.2009.2015401.

［9］范麗，尹文慶，王川，等.作物營(yíng)養(yǎng)液電導(dǎo)率傳感器及其測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2016，35（12）：9295.DOI：10.13873/J.10009787（2016）12009204.

［10］武玉華.XCTD溫度和電導(dǎo)率傳感器技術(shù)研究［D］.天津：國(guó)家海洋技術(shù)中心，2007.

［11］HUANGXi，PASCALRW，CHAMBERLAINK，etal.Aminiature，highprecisionconductivityandtemperaturesensorsystemforoceanmonitoring［J］.IEEESensorsJournal，2011，11（12）：32463252.DOI：10.1109/JSEN.2011.2149516.

［12］STRIGGOWK，DANKERTR.Theexacttheoryofinductiveconductivitysensorsforoceanographicapplication［J］.IEEEJournalofOceanicEngineering，1985，10（2）：175179.DOI：10.1109/JOE.1985.1145085.

［13］SCHIEFELBEINSL，F(xiàn)RIEDNA，RHOADSKG，etal.Ahighaccuracy，calibrationfreetechniqueformeasuringtheelectricalconductivityofliquids［J］.ReviewofScientificInstruments，1998，69（9）：33083313.DOI：10.1063/1.1149095.

［14］JIAJiabin，WANGHuarui，MILLINGTOND.Electricalresistancetomographysensorforhighlyconductiveoilwatertwophaseflowmeasurement［J］.IEEESensorsJournal，2017，17（24）：82248233.DOI：10.1109/JSEN.2017.2705063.

［15］KANTAMANIT，GEORGEB.Assayofinductivecapacitiveprobeforthemeasurementoftheconductivityofliquids［J］.IEEETransactionsonIndustrialElectronics，2020，68（9）：89118918.DOI：10.1109/TIE.2020.3013754.

［16］余新紅，趙麗霞.學(xué)科核心素養(yǎng)引領(lǐng)下信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的融合創(chuàng)新：以數(shù)字化實(shí)驗(yàn)測(cè)定飲用水的電導(dǎo)率為例［J］.中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2023（16）：2930，46.DOI：10.13492/j.cnki.cmee.2023.16.015.

［17］宋晨，張思瑤，劉文娜，等.雙網(wǎng)絡(luò)凝膠的制備及在鋅空氣電池中的性能［J］.印染，2023，49（12）：6771.

［18］WATANABEY，UGATAY，UENOK，etal.Doesliiontransportoccurrapidlyinlocalizedhighconcentrationelectrolytes？［J］.PhysicalChemistryChemicalPhysics，2023，25（4）：30923099.DOI：10.1039/d2cp05319e.

［19］HUBES，ESKAFIM，HRAFNKELSDTTIRKF，etal.Directmembranefiltrationforwastewatertreatmentandresourcerecovery：Areview［J］.ScienceoftheTotalEnvironment，2020，710：136375.DOI：10.1016/j.scitotenv.2019.136375.

［20］常靜，劉敏，李先華，等.城市路面徑流重金屬固液分配系數(shù)及其影響因素［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2009，20（5）：714720.

［21］SHANDCA，SMITHS，EDWARDSAC，etal.Distributionofphosphorusinparticulate，colloidalandmolecularsizedfractionsofsoilsolution［J］.WaterResearch，2000，34（4）：12781284.DOI：10.1016/S00431354（99）002407.

［22］CHOOH，SONGJ，LEEW，etal.Effectsofclayfractionandporewaterconductivityonelectricalconductivityofsandkaolinitemixedsoils［J］.JournalofPetroleumScienceandEngineering，2016，147：735745.DOI：10.1016/j.petrol.2016.10.009.

［23］劉麗貞，黃琪，遲殿委，等.基于隨機(jī)森林回歸模型和高頻數(shù)據(jù)的鄱陽湖子湖電導(dǎo)率預(yù)測(cè)［J］.水電能源科學(xué)，2023，41（10）：5053.DOI：10.20040/j.cnki.10007709.2023.20222548.

［24］高金墻.無鹵電纜材料pH值與電導(dǎo)率相關(guān)性研究［J］.廣東建材，2023，39（3）：5254.

［25］江梅，范秀清.水中溶解性總固體測(cè)定方法探討［J］.市政技術(shù)，2012，30（1）：121123.

［26］XUJiang，ZHANGHong，DINGJunjie，etal.CalcinedoilshalesemicokeforsignificantlyimprovedperformancealginatebasedfilmbycrosslinkingwithCa2+［J］.JournalofPolymersandtheEnvironment，2022，30：24052418.DOI：10.1007/s10924021023536.

［27］宋遠(yuǎn)明，錢覺時(shí)，劉景相，等.SO3對(duì)固硫灰渣膠凝系統(tǒng)水化及性能的影響［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2013，16（4）：688693.

［28］NOORIA，MOHAJERISH，DELNAVAZM，etal.AspatiotemporalmonitoringmodelofTSMandTDSinaridregionlakesutilizingSentinel2imagery［J］.JournalofAridEnvironments，2023，216：105024.DOI：10.1016/j.jaridenv.2023.105024.

［29］ASHRAFS，RIZVINB，RASOOLA，etal.EvaluationofheavymetalionsinthegroundwatersamplesfromselectedautomobileworkshopareasinnorthernPakistan［J］.GroundwaterforSustainableDevelopment，2020，11：100428.DOI：10.1016/j.gsd.2020.100428.

［30］戴海洋.典型畜禽糞便堆肥過程中保氮和減排氨氣研究［D］.南京：南京信息工程大學(xué)，2022.DOI：10.27248/d.cnki.gnjqc.2021.000441.

［31］WANGQi，ZHANGYing，LIYutong，etal.SimultaneousCuEDTAoxidationdecomplexationandCr（VI）reductioninwaterbypersulfate/formatesystem：Reactionprocessandmechanisms［J］.ChemicalEngineeringJournal，2022，427：131584.DOI：10.1016/j.cej.2021.131584.

［32］BIENFAITHF，GARCIAMINAJ，ZAMAREOAM.DistributionandsecondaryeffectsofEDDHAinsomevegetablespecies［J］.SoilScienceandPlantNutrition，2004，50（7）：11031110.DOI：10.1080/00380768.2004.10408581.

（責(zé)任編輯：陳志賢英文審校：方德平）