一种测定土壤中重金属离子迁移数的装置及方法
【专利说明】一种测定土壤中重金属离子迁移数的装置及方法
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技术领域
[0002]本发明属于土壤电化学领域，涉及一种适用于土壤的测定重金属离子迀移数的装置及方法，应用于实验室土壤中重金属离子迀移数的测定。
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【背景技术】
[0004]离子迀移数是指某离子所运载的电流占总电流的分数，表示各种离子在导电过程中各自的导电份额，是唯一能通过实验测量的离子性质，许多其他的离子性质都是由它获得。在理论研宄和电化学、化工、环境等领域的实际应用中，离子迀移数都是一个重要的参数。希托夫法是测定离子迀移数的常用方法，其利用电解池原理，通过测定通电前后溶液质量(或体积)和浓度的变化值，计算出离子迀移数。将希托夫法应用到土壤重金属离子迀移数的测定，对土壤中重金属电化学性质、土壤环境修复、水土保持的研宄都有着重要意义。
[0005]土壤中的重金属的形态通常有可交换态、碳酸盐结合态、铁猛氧化物结合态、有机结合态和残渣态等几种形态，在重金属土壤污染的处理中，离子态重金属污染物首先必须解吸以后，才能迀移，增加重金属由吸附态向游离态的转化非常重要，因而可以向土壤中加入络合剂、表面活性剂等。重金属在土壤中的主要运动机制有电迀移、电渗析、电泳和自由扩散等。重金属离子在土壤中的迀移除受到温度、浓度、外加电场等因素的影响外，还需考虑不同类型土壤本身的性质，如质地、孔隙率、含水率等。因此，亟需发明一种普遍适用的测定土壤中离子迀移数的装置及方法。
[0006]利用希托夫法，在土壤中构建电解装置，将待测土壤填入迀移管，接通电源，在外电场的作用下，使重金属离子发生迀移转化，通电结束后，分别对各迀移管土壤中重金属浓度进行测定，得出土壤中重金属离子的迀移数，实现对各种类型土壤中重金属离子迀移数测定的普遍适用。
[0007]目前将希托夫法应用于土壤中重金属离子迀移数测定的研宄国内外尚未见报道。
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【发明内容】
[0009]技术问题:本发明提供一种工作原理简单、操作方便、易于掌握和控制，实现对各种类型土壤的普遍适应性的测定土壤中重金属离子迀移数的装置及方法。
技术方案:本发明的测定土壤中重金属离子迀移数的装置，包括阳极管、阴极管和将二者连为一体的中间管，所述阳极管和阴极管中分别插入电极，所述的两个电极通过串联的电流计、开关、蓄电池、可变电阻和电量计连接，形成闭合回路。
[0010]进一步的，所述阳极管和阴极管的侧边开口处分别与中间管相连，并用连接夹固定，成为一个整体。
[0011]进一步的，所述阳极管和阴极管为玻璃材质，底部为弧形，管壁上带有标线，侧边开口处有环形凸出。
[0012]进一步的，所述中间管为玻璃材质的圆柱形管，两端开口。
[0013]进一步的，所述阳极管和阴极管中的电极结构相同，包括包裹有滤纸的带孔有机玻璃圆柱、插入所述带孔有机玻璃圆柱的金属电极棒，所述带孔有机玻璃圆柱中注有电解液，所述电极棒通过引出导线与外电路相连。
[0014]本发明的测定土壤中重金属离子迀移数的方法，基于上述测定土壤中重金属离子迀移数装置，包括以下步骤:
1)在阳极管、阴极管及中间管中充填重金属离子浓度为C1的污染土壤，其中填充入阳极管和阴极管中的土壤质量均为Hl1，计算得到阳极管和阴极管中重金属离子的物质的量均为II1=IH1Xc1ZiMtl, Mtl为重金属离子的相对分子质量；
2)两个阳极管和阴极管中分别插入电极，并通过串联的电流计、开关、蓄电池、可变电阻、电量计连接两个电极；
3)闭合开关，形成回路，通过可变电阻通过可变电阻调节回路中的电流，保持电流计读数为 18-20mA ；
4)通电60-90min后切断电源，分别对阴极管、阳极管和中间管中重金属离子污染土壤的质量和重金属离子浓度重新进行测定，得到通电结束后阳极管中土壤质量为m2，重金属离子浓度为c2，阴极管中土壤质量为m3，重金属离子浓度为c3，，从外电流电量计所测定的总电荷量即为重金属离子参加电极反应的物质的量Iltl;
5)根据下式计算重金属离子迀移数t'.t+ = n4/n0
其中，1?=]^+]?-?=-0^+?-?)，n2为通电结束后阳极管中重金属离子的物质的量，n2=m2Xc2/M0, n3为通电结束后阴极管中重金属离子的物质的量，n 3=m3Xc3/MQ。
[0015]进一步的，所述步骤4)中，采用BCR法进行重金属离子浓度的测定。
[0016]进一步的，步骤I)中，重金属离子污染土壤中添加有重金属螯合剂或表面活性剂，所述重金属螯合剂为乙二胺四乙酸、乙二胺二琥珀酸三钠或柠檬酸，所述表面活性剂为鼠李糖脂或皂角苷。
[0017]本发明中，土壤为由某种单一重金属离子污染的土壤，在阴阳极管中的充填质量相同。
[0018]所述阴阳极管为玻璃材质，高200mm，外径50mm (内径45mm)，底部为弧形，管壁上带有标线，侧边开口处有环形凸出，回转半径为5mm。
[0019]所述中间管为玻璃材质，长60mm，外径1mm (内径5mm)的圆柱形，两端开口的，开口处由环形突出回转半径为5mm。
[0020]所述电极如图2所示，滤纸包裹高40mm、直径为20mm的带孔有机玻璃圆柱，注入0.lmol/LKCl电解液，将金属电极棒插入其中，电极棒引出导线与外电路相连。
[0021]所述的连接导线，优选钛导线，也可以选用同材质导线，并进行连接点的绝缘密封处理。
有益效果:本发明与现有技术相比，具有以下优点:
I)现有技术多以水溶液为介质对土壤中重金属离子迀移数进行测定，装置阳极管、阴极管及中间管无法分离，这样对于土壤介质来说取样困难，本发明采用可分离体系，取样更方便；2 )现有技术以水溶液为介质，直接将电极板插入溶液中，这样对于土壤介质来说当重金属离子接受电子生成单质沉积于电极与土壤的界面，易阻塞土壤空隙进而阻止离子的进一步迀移，本发明以将金属电极棒插入由滤纸包裹注入电解液的带孔有机玻璃圆柱作为电极，防止了沉积物阻塞土壤空隙；3)装置较现有技术操作更加方便，能提高测试结果的准确性，适用于科研机构和高校实验室。
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【附图说明】
[0023]图1为本发明装置示意图。
[0024]图2为本发明装置中的电极结构示意图。
[0025]图中有:1_橡胶塞；2-标线；3_待测目标土壤；4_电极；5_阳极管；6_阴极管；7-中间管；8_连接夹；9_电流计；10_开关；11-蓄电池；12_可变电阻；13_电量计，14-导线；15_金属电极棒；16_电解液；17_包裹滤纸的带孔有机玻璃圆柱。
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【具体实施方式】
[0027]下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。
[0028]I)在阳极管5、阴极管6及中间管7中充填Cu2+ (Pb2+、Cd2+、Zn2+等均可)浓度为C1=10mgAg的污染土壤，其中填充入阳极管5和阴极管6中的土壤质量均为Hi1=SOg,计算得到阳极管5和阴极6中某种重金属离子的物质的量均为Ii1Uol^m1XcVMtl,Mtl为63.5g/mo I ；
2)两个阳极管5和阴极管6中分别插入电极，并通过串联的电流计9、开关10、蓄电池11、可变电阻12、电量计13连接两个电极；
3)闭合开关10，形成回路，通过可变电阻12通过可变电阻12调节回路中的电流，保持电流计读数为18-20mA ；
4)通电80min后切断电源(根据所测重金属的不同，通电时间范围为60_90min)，分别对阴极管6、阳极管5和中间管7中重金属离子污染土壤的质量和Cu2+浓度重新进行测定，其中Cu2+浓度的测定采用BCR法，即将土壤重金属依次按照水溶态、酸溶态、可还原态、可氧化态、残渣态提取出来后经火焰原子吸收测得重金属各个形态的浓度，其总和即为土壤中重金属的浓度。具体为:
称1.0OOOg过0.25mm筛的土壤样品于10m