一种基于薄膜扩散梯度技术测定土壤或水体中无机砷的方法

摘要

本发明公开了一种基于DGT技术测定土壤和水体（包括沉积物）中无机砷的方法，基于薄膜扩散梯度原理，采用二氧化锆为吸附剂制成的凝胶薄膜（Zr-oxide膜）为固定膜，与扩散膜等组装成DGT装置，将其与土壤或水体（包括沉积物）接触，放置1-6天后，取出装置中的Zr-oxide膜，提取并测定Zr-oxide膜中无机砷的积累量，根据Fick第一扩散定律计算得到无机砷的浓度。本发明将Zr-oxide膜应用于无机砷的DGT测定方法中，与现有的ferrihydriteDGT和MetsorbDGT方法相比，具有容量高、储存时间长、抗PO

说明书

技术领域

本发明涉及一种对土壤、水体（包括沉积物）等环境介质中无机砷的测定方法，可用于环境介质中无机砷的迁移活性、生物有效性、污染风险等的分析与评价。

背景技术

薄膜扩散梯度（Diffusive Gradients in Thin Films, DGT）技术是一种新的形态分析技术，主要由英国Lancaster大学Davison和Zhang等在上世纪90年代中期发展起来。该技术基于离子扩散原理，通过目标离子在定义扩散层的梯度扩散以及关联过程研究，获得离子在介质中的活性信息。DGT测定技术的装置由固定层和扩散层叠加组成，离子以扩散方式穿过扩散层，随即被固定层捕获，并在扩散层上形成线性梯度分布，其靠近固定膜一端的离子浓度维持为零，与介质接触一端的浓度（                                                ）为： 

上式中M为固定膜上离子的积累量(mol cm^-2)，为扩散层厚度(cm)，D_g为离子在扩散膜中的扩散速率(cm² s^-1)，t为扩散时间（s）。是放置时间段通过DGT分析得到的平均浓度 (mol L^-1)。

DGT扩散过程与实际环境中的离子迁移及生物吸收过程具有可比性，该技术已经作为一种新的形态分析手段，逐渐应用到水体、土壤和沉积物研究中，研究对象已从常规的金属元素扩展到稀有金属元素以及非金属元素等。

砷（As）已被国际癌症组织（IARC）列为一类致癌物。多种自然和人为活动造成大量砷在地表和地下环境中扩散，使得砷污染已成为世界性的环境问题。尤其是地下水砷超标和水稻砷污染，由于涉及到数十亿人口的饮食、饮水安全，被认为是20-21世纪的环境灾难。砷在环境中主要以无机离子的形式存在，在水稻土、沉积物等还原环境中以三价无机砷（As(III)）为主。由于无机砷的毒性高于有机砷，对其准确测定是评价砷污染风险的重要前提。

DGT技术已被用于土壤和水体中无机砷的测定，主要的技术有两种：（1）一种方法是利用（氢）氧化铁（ferrihydrite）为吸附剂制成的凝胶薄膜作为固定膜，根据固定膜配制方法区分为泥浆型和沉淀型，前者是目前商业化的材料，但存在测定容量低、储存时间短（6个月）等缺陷；后者与前者相比测定容量有小幅度提高，但储存时间缩短到38天。（2）另一种方法是利用二氧化钛（商品名为Metsorb）为吸附剂制成的凝胶薄膜作为固定膜。该固定膜技术性能较为稳定，储存时间尚没有报道，但对As(III)的测定容量仅为泥浆型铁膜的37%，因此不能应用到高As(III)含量的水稻土、沉积物等还原环境中。

此外，DGT对PO₄^3-与无机砷离子的吸收存在竞争作用。由于环境中PO₄^3-含量通常比无机砷高出1-2个数量级，对DGT技术测定砷将产生极大的干扰。已有两种DGT技术（ferrihydrite DGT和Metsorb DGT）对砷的测定容量低，因此抗PO₄^3-干扰能力弱。

发明内容

本发明目的是提供一种基于DGT技术测定土壤和水体（包括沉积物）中无机砷的方法，能够克服现有DGT技术用于无机砷测定中存在的装置容量不足、固定膜储存时间短、抗PO₄^3-干扰能力弱等一系列缺陷。

本发明上述目的通过以下技术方案实现：一种基于DGT技术测定土壤或水体中无机砷的方法，其特征在于，所述的方法采用二氧化锆为吸附剂制成的凝胶薄膜为固定膜。

优选地，所述的固定膜采用聚丙烯酰胺和二氧化锆粉末配制成的凝胶薄膜（以下称为“Zr-oxide膜”），有关Zr-oxide膜及其制备方法，详细技术内容可参见中国发明专利CN200910183047.5。

本领域技术人员公知，DGT测定装置中设有固定膜、扩散膜和渗透膜叠加的结构。DGT方法是基于薄膜扩散梯度原理，将DGT测定装置放入环境介质中提取待测物并由固定膜捕获，即本发明的测定土壤或水体中无机砷的方法，采用包含Zr-oxide膜的DGT装置，将其与土壤或水体（包括沉积物）接触，放置1-6天后，取出装置中的Zr-oxide膜，提取并测定Zr-oxide膜中无机砷的积累量，根据Fick第一扩散定律计算得到无机砷的浓度。

有关DGT装置、固定膜的回收或切片、无机砷离子的提取和测定以及测定数据的处理等，均可按照现有技术中DGT技术实现。

具体地，所述的方法包括以下步骤：

(1)   DGT装置组装：将Zr-oxide膜、扩散膜、渗透膜依次叠加后组装成DGT装置；

(2)   充氮：将DGT装置放入盛有去离子水的容器中，向水中充入纯氮气去除DGT装置中含有的氧；

(3)   DGT装置放置：将DGT装置放入土壤（事先加水湿润）、水体或沉积物中，放置时间为1-6天；

(4)   Zr-oxide膜回收和切片：将DGT装置取出后，取出Zr-oxide膜并用去离子水冲洗后放入容器中；对于沉积物中砷的测定，先对Zr-oxide膜进行切片，然后将每个Zr-oxide膜切片分别放入容器中；

(5)   砷提取：按照Zr-oxide膜与提取液体积比1:10至1:100向容器中加入提取液，室温下振荡24小时；提取液可采用1.0 M NaOH（针对淡水体系的测定）或1.0 M NaOH和1.0 M H₂O₂混合液（针对海水或盐水体系的测定）；

(6)   砷测定：从步骤（5）的每个容器中吸取适量提取液，稀释后，采用氢化物发生-原子荧光分光光度法（HG-AFS）或电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)方法测定提取液中的砷浓度；

(7)   Zr-oxide膜上砷积累量(M)换算：根据以下方程计算，

          

其中C_e是提取液中无机砷的浓度，V_e是稀释后提取液体积，V_g是Zr-oxide膜体积，f_e是砷的提取率，当采用1.0 M NaOH为提取液时为87.7%，采用1.0 M NaOH和1.0 M H₂O₂混合液为提取液时为91.7%；

(8)   DGT浓度换算：根据Fick第一定律计算，

上式中，为扩散膜厚度，单位为cm；为无机砷离子在扩散膜中的扩散系数，单位为cm²/s（25℃为8.69×10^-6 cm²/s）；为DGT装置暴露面积，单位为cm²；t为放置时间，单位为秒，为无机砷离子的浓度，单位为μg/L。

以二氧化锆为吸附剂的凝胶薄膜（Zr-oxide膜）通常用于DGT技术测定磷的方法中，本发明将Zr-oxide膜用于无机砷的DGT测定方法中，与现有的ferrihydrite DGT和Metsorb DGT方法相比，具有容量高、储存时间长、抗PO₄^3-干扰能力强的特点。

表1

^a Bennett et al., (2011); ^b Price et al., (2013); ^c Luo et al.,(2010); ^d Panther et al.,(2008); ^e Huynh et al.,(2012).

表1 是三种DGT技术的容量比较，其中Zr-oxide膜 DGT方法的容量数据是申请人实际测定得到，ferrihydrite DGT和Metsorb DGT容量数据收集自文献报道。从表1中可以看出，Zr-oxide 膜DGT方法对淡水体系中As(III) 和As(V)的测定容量是另外两种DGT方法的5-19倍，对海水体系中As(III) 和As(V)的测定容量是另外两种DGT方法的3-13倍。申请人的研究表明（图1-图7），与现有DGT方法相比，本发明无机砷的测定方法在测定容量、适用的pH范围、固定膜储存时间、抗PO₄^3-干扰能力等方面均有显著的提高。

总之，本发明方法至少具有以下优点及有益效果：

（1）本发明采用的Zr-oxide膜在常温下可储存24个月以上，现有的砷测定DGT固定膜只能储存6个月；

（2）本发明方法采用Zr-oxide 膜用于砷离子DGT测定的方法，适应的pH范围为2.0-9.1，现有DGT装置只能适用于pH为3.0-8.5的环境介质；

（3）本发明方法对淡水体系中无机As(III)和As(V)的测定容量为159 μg和434 μg，是现有DGT技术的5-19倍，对海水体系中无机As(III)和As(V)的测定容量为94 μg 和152 μg，是现有DGT技术的3-13倍；

（4）本发明方法对PO₄^3-具有很强的抗干扰能力，可容许环境中存在10mg P/L以上的磷酸根离子，已有DGT装置仅容许^-0.5 mg P/L（测定As(III)时）和2.5 mg P/L（测定As(V)时）。

附图说明

图1  是Zr-oxide膜的有效储存时间（>24个月）。其中C_SOL为溶液中无机砷离子的浓度，C_DGT为Zr-oxide DGT测定得到的无机砷离子浓度，当两者比值吻合时（即C_DGT/C_SOL比值在0.9-1.1之间），说明Zr-oxide DGT测定准确。从图1可看出，当Zr-oxide膜储存至24个月后，组装的DGT仍然可以准确测定溶液中的无机砷离子含量（即C_DGT/C_SOL比值在0.9-1.1之间）。

图2  是Zr-oxide DGT测定适应的pH范围（2.0-9.1）。当pH在2.0-9.1之间变化时，Zr-oxide DGT测定保持准确（即C_DGT/C_SOL比值在0.9-1.1之间）。

图3  是三种DGT技术测定As(III)时对PO₄^3-的抗干扰能力。当PO₄^3-浓度增加至10mg/L时，Zr-oxide DGT测定值保持准确。当PO₄^3-浓度为0.25和0.50 mg/L时，ferrihydrite DGT和Metsorb DGT测定值降低（即C_DGT/C_SOL比值小于0.9），说明PO₄^3-对这两种DGT测定已产生显著的影响。

图4  是三种DGT技术测定As(V)时对PO₄^3-的抗干扰能力。当PO₄^3-浓度增加至10mg/L时，Zr-oxide DGT测定值保持准确。当PO₄^3-浓度为0.50和2.5 mg/L时，ferrihydrite DGT和Metsorb DGT测定值开始降低（即C_DGT/C_SOL比值小于0.9），说明PO₄^3-对这两种DGT测定已产生显著的影响。

图5  是三种DGT技术测定海水无机砷的比较。DGT装置放置时间延长至100h时，Zr-oxide DGT测定值保持准确。当放置时间分别为24h和48h时，ferrihydrite DGT和Metsorb DGT测定值开始降低，说明两种DGT容量有限，对砷离子的吸收很快达到饱和。

图6和图7  是三种DGT技术测定土壤无机砷的比较。选取了29种总砷含量不同的土壤进行了测试，当Zr-oxide DGT吸收量在10μg As/装置以下时，ferrihydrite DGT和Metsorb DGT的吸收量与Zr-oxide DGT保持一致（图6）；当Zr-oxide DGT吸收量达到23μg As/装置时，ferrihydrite DGT吸收量开始出现降低；当Zr-oxide DGT吸收量达到78μg As/装置时，Metsorb DGT吸收量出现降低（图7）。以上差异说明ferrihydrite DGT和Metsorb DGT对土壤砷的吸收容量比Zr-oxide DGT低。

图8 是利用本发明方法由Zr-oxide DGT测定得到的太湖沉积物中无机砷离子含量的剖面图。

具体实施方式

下面以太湖沉积物中无机砷的DGT分析为实例，对本发明做进一步说明。

Zr-oxide膜采用以二氧化锆为吸附剂，通过丙稀酰胺将二氧化锆粉末制成凝胶薄膜，具体按照中国发明专利CN200910183047.5披露的方法制备。

根据本发明将Zr-oxide 膜DGT装置放入太湖梅梁湾沉积物中，48小时后取出，运回实验室，对固定膜上的砷进行分析，通过固定膜上砷的积累量换算获得沉积物剖面中活性砷的含量和空间分布（图8）。

具体操作包括：

(1)    DGT装置组装：将Zr-oxide膜、扩散膜、渗透膜依次叠加后组装成DGT装置；

(2)   充氮：将DGT装置放入盛有去离子水的容器中，向水中充入纯氮气去除DGT装置中含有的氧；

(3)   DGT装置放置：将DGT装置保存在密封容器中，运至湖区现场后，将装置垂直插入沉积物中，放置时间为4天；

(4)   Zr-oxide膜回收：将装置取出后，依次揭开渗透膜和扩散膜，将Zr-oxide膜用去离子水冲洗后，放入事先准备好的塑料容器（一般为离心管）中；

(5)   Zr-oxide膜切片：对固定膜沉积物-水界面以下部分，用切片刀按一维（沉积物垂向）方向切成2mm宽度的条状片段，将每个片段挑出，放入1.0ml的塑料离心管中；

(6)   砷提取：按照Zr-oxide膜与提取液体积比1:10向每个离心管中加入1.0 M NaOH，室温下振荡24小时；

(7)   砷测定：从步骤（6）的每个离心管中吸取0.2ml的溶液，经过适量稀释后，采用氢化物发生-原子荧光分光光度法（HG-AFS）测定提取液中的砷浓度；

(8)   Zr-oxide膜上砷积累量(M)换算：根据以下方程计算，

          

其中C_e是提取液中无机砷的浓度，V_e是提取液体积（稀释后），V_g是Zr-oxide膜体积（0.15ml），f_e是砷的提取率(87.7%)；

(9)   DGT浓度换算：根据Fick第一定律计算，

上式中，为扩散膜厚度(0.093cm)；为无机砷离子在扩散膜中的扩散系数（25℃为8.69×10^-6 cm²/s）；A为DGT装置暴露面积(0.16cm²/片段)；t为放置时间(345600秒)，为活性磷或铁的浓度，单位为μg/L。

图8是测定得到的无机砷离子剖面分布，发现砷离子含量自界面（沉积物深度标记为0）至-20mm左右迅速增加，随后呈降低趋势。砷离子在界面附近含量的增加可能是铁结合态砷在沉积物内部还原条件下的释放造成，而随后的降低应该是砷与钙等金属离子的沉淀和金属矿物的吸附造成。