浅谈比色法在测定土壤总铬含量中的应用

摘要：铬在土壤中难迁移并且毒性大，具有强氧化作用，对植物、粮食以及人类、家畜危害极大。因此，土壤中总铬含量的测定受到了人们的极大关注。本实验是运用二苯碳酰二肼比色法应用土肥仪快速测定郑州市五龙口、老鸦陈两个污灌区及牛庄、河南农业大学校园里的土壤中总铬的含量，来验证此实验方法是否可行性并对这四种土样的测定结果进行分析。经分析得出，五龙口、老鸦陈的土样中总铬含量相对偏高，但这四种土样中总铬含量均未超过国家标准，说明郑州市土壤部分地区的土壤没有受到污染。

关键词：土壤；总铬；比色法；污灌区

1引言

土壤中重金属污染元素主要包括汞、镉、铅、铬及类金属元素砷等生物毒性显著的元素，以及有一定毒性的锌、铜、镍等。人类活动将重金属加入到土壤中，致使土壤中重金属含量明显高于原有含量，并造成生态环境质量恶化的现象称为土壤重金属污染。重金属污染物在土壤中移动性很小，不易随水淋滤，不被微生物降解。它们对农作物、农产品和地下水等许多方面产生重大影响，并通过食物链危害人体健康^[1]。重金属铬是广泛存在于环境中的元素，其主要污染源为过电镀、染料及颜料、制药、皮革废水等，一般土壤中总铬平均含量为100~300mg/kg^[1,2]。

铬在土壤中主要有两种价态：Cr⁶⁺和Cr³⁺。三价铬化合物极易被土壤吸附且难迁移。在PH为6.5~8.5 的条件下，土壤的三价铬能被氧化为六价铬。六价铬稳定并且毒性大，具有强氧化作用，对人体主要是慢性危害，长期作用可引起肝硬化、肺气肿、支气管扩张，甚至引发癌症^[3]。若人们将含有铬的工业废水排放或灌溉农田，则农业土壤将会受到重金属铬的污染，植物和粮食则会受到污染及危害，人类和家畜的健康也会受到不同程度的危害^[4]。

铬是世界各国环境监测的必测物质之一，而土壤中铬的实验室检测更引起人们的高度重视。据报道指出，我国部分污灌区土壤中重金属铬含量近几年来成增加趋势，部分地区重金属铬含量增加比较突出^[5,6]。由此快速测量重金属含量的方法也越来越受到人们的关注。目前，我国测量重金属常用的方法有火焰原子吸收法和二苯碳酰二肼分光光度法。而由于铬对原子吸收法火焰条件敏感，在气体变化或其他仪器条件的改变均可能造成灵敏度下降，导致虽然标准曲线相关很好，但检出限和重复性不理想，故在实际检验工作中，常选用二苯碳酰二肼法测定，测试稳定，尤其是样品中总铬含量较低时，可得到满意的结果^[7]。二苯碳酰二肼分光光度法为经典分析方法，具有灵敏度高准确度好的特点，但操作复杂、耗时^[8]。本试验采用河南农大迅捷公司研制的迅捷YN-2000型土壤养分速测仪运用比色的方法来测量郑州市污灌区等地的土壤中总铬的含量用以检验此试验方法的可行性并对其土壤中含总铬量进行分析。

2材料与方法

2.1研究区概况

郑州市位于河南省中北部，北依黄河。西南与新密县和荥阳接壤，南毗新郑，东与中牟为邻，总面积为1013kmz，郊区面积约800km2，2004年城市化率达到58％。该区是浅山丘陵向平原过渡的交接地带，属暖温带半湿润大陆性季风气候，年平均气温14．4℃。年降雨量640 mm，年平均日照时数2 385 h，七、八月份降雨占全年降雨量的42．8％，农业发达，素有中原“鱼米之乡”之称。郑州市地势自西南向东北倾斜，属于浅山丘陵向平原过渡的交接地带。土壤资源传统利用形式以蔬菜和小麦种植为主。随着郑州市城市化的快速发展，其周边土壤的肥力水平下降、环境质量恶化，而土壤资源的环境压力也日趋增大^[9]。

2.2样品采集与处理

本实验样品选取郑州市五龙口、老鸦陈以及牛庄三个地方的土壤和河南农业大学校园中的土壤进行采集。

按五点法采集土样，去除土壤表层腐殖质后挖取0~20cm的表层土壤，捡去枯枝落叶、残根、石砾等杂物，按四分法保留土样约500g，风干、研碎，过100目尼龙筛后作为待测样品保留。

2.3实验原理

土壤样品经消化后，铬化合物变成可溶且转化为离子形态，用指示剂(高锰酸钾溶液)将三价铬氧化成六价铬。用助掩剂(尿素)分解去除溶液中过剩的高锰酸钾。在酸性条件下，铬与显色剂(二苯碳酰二肼)反应生成紫红色化合物，即显色，在一定浓度范围内溶液颜色的深浅与重金属的含量呈比例关系，服从朗伯－比尔定律。即：E=K×C×L

式中E：消光度，K：消光系数，C：溶液浓度，L：溶液厚度。

由上式得 C=E/(K×L)

设待测液浓度为C₂，则当K、L相同时

C₂=E₂/E₁×C₁

式中E₂/E₁可由仪器内部测知，C₁为标准溶液浓度，当输入C₁数据后，仪器可自动计算并显示出C₂值。

干扰的金属离子有铁、汞、钼、钒等。在一般情况下，钒的含量极微，产生的颜色可很快褪去，故加入显色剂(二苯碳酰二肼)后放置10分钟再测定，50μg钒不干扰测定。亚汞及汞离子与显色剂(二苯碳酰二肼)作用可产生蓝色或紫蓝色干扰物。但在本实验所选定的酸度下，反应不灵敏，100μg汞不干扰。铁与试剂生成黄色而干扰。少量的铁，可用掩蔽剂(磷酸)除去，若大量铁共存时，可用5%试铜铁灵的氯仿溶液萃取除去。

2.4仪器与试剂

2.4.1仪器

本实验采用迅捷YN-2000微电脑多功能养分速测仪进行测定，土样通过重金属消化装置进行消化处理，采用二苯碳酰二肼比色地方法测定土壤中总铬的含量。

(1)YN-2000微电脑多功能养分速测仪结构示意图

图1 YN-2000型土肥仪结构图图2 YN-2000型土肥仪实物图

(2)重金属消化装置示意图

图3重金属消化装置实物图

2.4.2试剂的制备

(1)铬标准母液：准确称取0.2829g重铬酸钾，溶于水中，转移入1L容量瓶中，并稀释至标线，此溶液铬含量为100ppm。

(2)铬标准液：吸取10mL铬标准液母液于一100mL容量瓶中，用蒸馏水定容即可。

(3)混酸A：高氯酸:硝酸＝1:4，(体积比)

(4)浓硫酸

(5)重金属铬掩蔽剂：(1+4)稀磷酸溶液，即磷酸:蒸馏水=1:4(体积比)。

(6)重金属铬助掩剂：吸取10ml尿素溶液于100ml容量瓶中，用蒸馏水定容至刻度线，摇匀，再灌入小塑料瓶中备用。

(7)重金属铬还原剂：吸取5ml亚硝酸钠溶液于100ml容量瓶中，用蒸馏水定容至刻度线，摇匀，再灌入小塑料瓶中备用。

(8)重金属铬显色剂：取二苯碳酰二肼固体0.25g，用丙酮溶解，定容至100ml,摇匀，再灌入小黑塑料瓶中备用。

(9)重金属铬助色剂：取硫酸、磷酸各5ml慢慢倒入水中，稀释至100ml，再吸取稀释后的稀磷酸20ml和稀硫酸20ml于50ml容量瓶中，摇匀，再灌入小塑料瓶中备用。

(10)重金属铬指示剂：吸取5ml高锰酸钾溶液于100ml容量瓶中，用蒸馏水定容至刻度线，摇匀，在灌入黑色小瓶中备用。

2.5实验方法

2.5.1空白、标准及待测液的制备

取四只干净的500mL三角瓶(若用酸吸收装置需用磨口瓶，若不用可用广口瓶)，标记为1号(作空白)、2号(作标准)、3号(作样品)、4号(作样品添加)。四只瓶内各放4-5粒玻璃珠(玻璃珠事先经10％的硝酸浸泡过夜并用自来水、蒸馏水冲洗干净)，其中向2号标准瓶中加入铬标准液(10µg/ml)2.00mL，向3号瓶中加入土样0.50g，向4号瓶中加入铬标准液(10µg/ml)2.00ml及土样0.50g，再分别向1号、2号、3号、4号瓶中加入混酸A 30mL及浓硫酸5mL。然后将四只三角瓶放于垫有石棉网的电炉上加热(若用酸吸收装置，需先连接好吸收装置再加热)；加热过程中出现样品液变黑时，则将瓶子取下，再加入10mL混酸A(若装有吸收装置，可关闭电炉，稍冷后再从加液口加入混酸A)，继续加热至瓶内剩约5mL溶液，且溶液呈无色或浅黄色，无气泡产生，瓶内产生大量白烟时将瓶子取下，冷却。稍冷后用洗瓶沿瓶壁向三只三角瓶中加入蒸馏水约20mL，放在电炉上再次加热，至瓶内刚产生白烟且瓶内溶液剩约5mL时，取下三角瓶，冷却。(若用酸吸收装置，去掉吸收装置再煮水，煮水时不必安吸收装置)。最后用蒸馏水分别将四个瓶子中的溶液全部无损地转移至三个50mL容量瓶中，定容至刻度，摇匀。即为测定铬重金属的空白、标准、样品和样品添加待测液。

2.5.2总铬的测定步骤

分别吸取空白、标准、样品及样品添加待测液各5.0mL于四只25mL比色管中，加入重金属铬掩蔽剂5滴、重金属铬指示剂1滴，摇匀后放入沸水中，不加塞煮沸15分钟(若加热过程中溶液褪色，再加入1滴重金属铬指示剂)，取下，冷却后加入5滴重金属铬助掩剂，摇匀后小心滴加重金属铬还原剂使溶液刚好褪至无色为止(加一滴摇一下)。用蒸馏水定容到10mL刻度处，摇匀备用。分别吸取经处理后备用的空白、标准、样品、样品添加2.0mL于四个小反应瓶中，依次加入重金属铬助色剂2滴、重金属铬掩蔽剂3滴、重金属铬显色剂5滴(每滴加一种药品摇匀后再滴加下一种)，摇匀，静置10分钟后，倒入比色皿，于土肥仪上进行测定。测定前将滤光片前轮切换至2，置空白液于光路中，按“比色”键，功能号切换至1，按“调整＋”键，使液晶显示100％；按“调整－”键，使液晶显示100％。再按“比色”键，功能号切换至3，将标准液置于光路中，按调整键，使液晶显示值为40，等到屏幕上字母“E”消去后的值为40时，再将待测液置于光路中，此时显示读数即为土壤中铬的含量，单位是mg/kg。

2.5.3实验中的注意事项

(1)消化后向容量瓶中转移时应尽量洗涤干净，否则使结果偏低。

(2)加入显色剂后，应立即摇动，防止局部有机溶剂过量而使六价铬部分被还原为三价，使测定结果偏低。

(3)用高锰酸钾氧化剂来氧化低价铬时，七价锰有可能被还原为四价锰（如MnO₂），出现棕色。棕色的存在，使得很难辨认溶液的紫红色而影响低价铬的氧化完全。因此，要控制好溶液的酸度及高锰酸钾的用量^[10]。

2.5.4计算回收率

将测得的空白、标准、样品、样品添加的值代入如下公式：

3结果与分析

3.1绘制标准曲线

(1)配制10µg/ml的Cr标准溶液于100ml的容量瓶中定容作为储备液。分别吸取空白、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1ml的储备液于七只25ml比色管中，加少许蒸馏水使比色管中的溶液约为5.0ml，向七只比色管中滴加重金属铬掩蔽剂5滴、重金属铬指示剂1滴，摇匀后放入沸水中，不加塞煮沸15分钟（若加热过程中溶液褪色，再加入1滴重金属铬指示剂），取下，冷却后加入5滴重金属铬助掩剂，摇匀后小心滴加重金属铬还原剂使溶液刚好褪至无色为止（加一滴摇一下）。用蒸馏水定容到10mL刻度处，摇匀备用。分别吸取经处理后备用的标准溶液2.0mL于七个小反应瓶中，依次加入重金属铬助色剂2滴、重金属铬掩蔽剂3滴、重金属铬显色剂5滴（每滴加一种药品摇匀后再滴加下一种），摇匀，静置10分钟后，倒入比色皿，于土肥仪上进行测定。测定前将滤光片前轮切换至2，置空白液于光路中，按“比色”键，功能号切换至1，按“调整＋”键，使液晶显示100％；按“调整－”键，使液晶显示100％。再按“比色”键，功能号切换至2，将标准液分别置于光路中，记下吸光度。铬含量对应的吸光度值见表1。

表1 Cr标准浓度对应的吸光度

图4 Cr标准曲线

由图4可以看出，相关系数R²=0.994，线性相关较好，选取含量为0.4µg/ml为测量Cr标准。

3.2实验结果分析

3.2.1五龙口土样测得的实验结果分析

测得的五龙口土样中总铬含量见表2，由于五龙口土样第一次测出的样品中总铬含量远远超出了标准值，因此判断出测量时的样品浓度过大超出了线性范围。所以，在测量时先将消化后的样品、样品添加待测液稀释，然后再进行测值。

表2 待测液未经稀释测得的总铬含量 kg/mg

具体步骤如下：

(1)、将消化后并定容至50ml容量瓶中的样品、样品添加分别吸取20ml定容至50ml的容量瓶中作为待测液。

(2)、分别吸取空白、标准、稀释后的样品及样品添加待测液各5.0mL于四只25mL比色管中，加入重金属铬掩蔽剂5滴、重金属铬指示剂1滴，摇匀后放入沸水中，不加塞煮沸15分钟(若加热过程中溶液褪色，再加入1滴重金属铬指示剂)，取下，冷却后加入5滴重金属铬助掩剂，摇匀后小心滴加重金属铬还原剂使溶液刚好褪至无色为止(加一滴摇一下)。用蒸馏水定容到10mL刻度处，摇匀备用。分别吸取经处理后备用的空白、标准、样品、样品添加2.0mL于四个小反应瓶中，依次加入重金属铬助色剂2滴、重金属铬掩蔽剂3滴、重金属铬显色剂5滴(每滴加一种药品摇匀后再滴加下一种)，摇匀，静置10分钟后，倒入比色皿，于土肥仪上进行测定。测定前将滤光片前轮切换至2，置空白液于光路中，按“比色”键，功能号切换至1，按“调整＋”键，使液晶显示100％；按“调整－”键，使液晶显示100％。再按“比色”键，功能号切换至3，将标准液置于光路中，按调整键，使液晶显示值为100，等到屏幕上字母“E”消去后的值为100时，再将待测液置于光路中，记下此时显示读数，将记下的数值后乘以稀释倍数（即2.5倍）。计算所得出的数即为五龙口待测液经过稀释后测得的总铬含量，实验要求平行测三次并计算出其样品平均值见表3。

表3 待测液经过稀释后测得的总铬含量 kg/mg

郑州市土壤PH在7.15左右^[11]，根据国家《土壤环境质量标准》(BGl5618—1995)明确规定，在二级土壤中pH为6．5-7．5时，土壤铬含量标准值≤200 mg/kg，pH≥7．5时，土壤铬含量标准值<250mg/kg。因此，五龙口土样中总铬含量未超过国家标准，五龙口的土壤没有受到Cr的污染。

3.2.2其它三个土样测定的实验结果分析

老鸦陈、牛庄以及河南农大校园的待测土样第一次测量出的样品浓度均未超出线性范围，则无需将样品及样品添加进行稀释。测定中每个土样进行三次平行实验，并计算出其各自样品的平均值。老鸦陈、牛庄及河南农大校园三种土样平行测三次得出的总铬含量及其样品的平均值分别见表4、表5及表6。

表4 老鸦陈土样测得的总铬含量 kg/mg

表5 牛庄土样测得的总铬含量 kg/mg

表6 河南农大校园土样测得的总铬含量 kg/mg

根据国家标准所规定的Cr含量可得出，此三种土样中总铬含量均未超过国家标准。说明老鸦陈、牛庄及河南农大校园的土壤没有受到Cr的污染。

3.3.3四种土样的实验结果比较分析

3.3.3.1污灌区与非污灌区土壤总铬的比较分析

五龙口、老鸦陈、牛庄土样中总铬含量比较见图5。五龙口、老鸦陈这两个土壤中Cr含量普遍偏高，而且五龙口的Cr含量最高，老鸦陈次之，而牛庄土壤中Cr含量比这两个地方的土壤中Cr含量低。五龙口和老鸦陈这两个地方的土壤灌溉用水主要取自东风渠，而且五龙口污水处理厂处理后的二级污水也排放到东风渠中。因此五龙口及老鸦陈两地属于污灌区，于是灌溉用水中Cr含量较高。牛庄地处郑州市新郑市，农田灌溉用水取自周边的水库，水库中Cr含量较东风渠中Cr含量低，因此测得的牛庄土样中Cr含量相对较低。

图5 五龙口、老鸦陈、牛庄及校园土样中总铬的平均含量比较

3.3.3.2河南农大校园与牛庄土壤总铬的比较分析

由图5可以看出河南农大校园土样中Cr的含量略高于牛庄土样中Cr的含量，低于五龙口、老鸦陈土样中Cr含量。河南农大位于郑州市，位于文化路与农业路两大主要干路交叉口处，车流量大，较牛庄环境污染严重。大气降尘中重金属Cr是土壤中Cr的贡献因素之一，它们之间有一定的相关性。而大气和土壤中的重金属铬与很多原因有关，特别是汽车尾气等贡献比较大^[12]。这也影响到了土壤中Cr的含量，因此会影响到校园中土壤中重金属Cr的含量。所以测得的校园土样中总Cr含量会略高于牛庄土样中总Cr的含量。此外，校园中灌溉用水大多数为自来水，因此测得的校园土样中总Cr含量会低于五龙口、老鸦陈土样中总Cr的含量。

3.3.3.3预防措施与建议

经上述分析，虽然这四种土样测定的总铬含量均未超过国家标准，但五龙口、老鸦陈两个土样的总铬含量相对偏高。因此，郑州市应对这些地区的环境质量进行严密监测，严格控制污染物的排放量；也可发展清洁工艺，其中加强“三废”处理是削减、控制和消除城市土壤重金属污染源的最有效途径，从而防止其土壤中Cr含量增加，减少城市环境中重金属Cr污染压力，提高人们的生活质量。

4小结与讨论

五龙口、老鸦陈、牛庄和河南农大校园中测得的土样加标回收率均在80%~120%之间，则说明利用土肥仪通过二苯碳酰二肼比色的实验方法是可行的。

测得的四种土样中总铬均未超过国家标准，说明这些地区的土壤未受到Cr的污染，但五龙口、老鸦陈等污灌区土壤中Cr含量相对偏高，应加以重视，控制Cr的含量减少Cr在土壤中的富集，防止Cr污染。

在这次实验中，由于时间有限因此没有对郑州市可能的Cr污染地区进行全方位的取样，只选取了五龙口、老鸦陈、牛庄及河南农大校园这四种地方的土壤进行取样分析。所以，在今后的研究中可以着重选取郑州市其它可能存在Cr污染的地区土壤进行取样，进一步验证此实验方法的可行性，从而使此实验研究具有全面性、代表性。

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