簡(jiǎn)易快速水質(zhì)分析箱的研制及應(yīng)用

1、簡(jiǎn)易快速水質(zhì)分析箱的研制及應(yīng)用組長(zhǎng)：卓俊敏小組成員：李華 曾智聰 胡泓梵 紀(jì)翔 何橋一、課題意義隨著現(xiàn)代水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)的發(fā)展，尤其是“名、貴、特、優(yōu)”精養(yǎng)品種的開(kāi)發(fā)，人們對(duì)水質(zhì)的要求越來(lái)越嚴(yán)格。水質(zhì)的好壞，與水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)的豐歉休戚相關(guān)。能否及時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)其主要水質(zhì)指標(biāo)的濃度及變化趨勢(shì)至關(guān)重要。目前國(guó)內(nèi)水質(zhì)測(cè)定大部分采用現(xiàn)場(chǎng)取樣，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行化學(xué)分析。由于某些物質(zhì)穩(wěn)定性差，從取樣到分析過(guò)程中，可能已造成濃度的變化，分析結(jié)果不一定能反映現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)情況；另一方面，它需要有一定專(zhuān)業(yè)知識(shí)的技術(shù)人員來(lái)進(jìn)行測(cè)試。因此,研制一種使用方便，隨身攜帶，一般養(yǎng)殖人員可自行操作使用的水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法，對(duì)了解水質(zhì)情況，及時(shí)指導(dǎo)

2、養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)是很有必要的。通過(guò)制作簡(jiǎn)易水質(zhì)分析箱，能夠在海邊及時(shí)測(cè)量海水質(zhì)量。測(cè)量結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室方法比較，得出水樣分析的最終結(jié)果。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及相關(guān)內(nèi)容介紹對(duì)養(yǎng)殖水體而言，需測(cè)定的水質(zhì)參數(shù)為pH、DO、氨氮、硝氮、亞硝氮、鹽度、溫度和 硫化物等。本次實(shí)驗(yàn)所測(cè)項(xiàng)目為： pH、DO、氨氮。2.1 pH各種水生生物有各自最適宜水長(zhǎng)的pH范圍。借助pH值的分布，有助于認(rèn)識(shí)各自海洋動(dòng)植物的生活環(huán)境，進(jìn)而掌握海洋動(dòng)植物的生長(zhǎng)繁殖規(guī)律。通過(guò)書(shū)中資料發(fā)現(xiàn)：當(dāng)pH，魚(yú)類(lèi)正常生長(zhǎng)；當(dāng)pH5或10.8 魚(yú)類(lèi)死亡。影響?zhàn)B殖水體pH的主要因素水文條件(溫度、鹽度)；生物活動(dòng)和有機(jī)物分解；此外還有一些因素，歸納如下：l溫度：

3、T上升，pH下降。l因海水中弱酸電離常數(shù)隨T升高而升高。l鹽度：鹽度升高，離子強(qiáng)度也升高，碳酸的電離度下降，氫離子活度下降，所以pH升高。l生物活動(dòng)：因?yàn)楣夂献饔孟腃O2，使平衡左移，pH升高；而生物呼吸作用或有機(jī)物的分解則產(chǎn)生CO2，使平衡右移，pH下降。在夏季，白天表層海水光照升高，浮游植物的光合作用呼吸作用或有機(jī)物分解作用，pH升高；到了晚上，沒(méi)有光照，光合作用為0，呼吸或分解作用照樣進(jìn)行，故pH下降。l隨著養(yǎng)殖過(guò)程大量人工投餌和水文新陳代謝，引起水體pH值變化、甚至水質(zhì)惡化和養(yǎng)殖生物死亡。因此，了解水體pH值及其變化情況，對(duì)養(yǎng)殖業(yè)至關(guān)重要。由于海水的酸堿緩沖容量大，其pH值通常呈弱堿

4、性，一般7.58.6。河水緩沖容量小，pH變化大，5.47.5。污水與其性質(zhì)有關(guān)，變化非常之大2.2 DO溶解氧是水生生物賴(lài)以生存的重要物質(zhì)之一。生物生長(zhǎng)離不開(kāi)DO。DO也是海水運(yùn)動(dòng)的間接標(biāo)志。海洋表層水DO通常與大氣相平衡。 在真光層（100200m）DO含量較高，因?yàn)楦∮沃参锕夂献饔卯a(chǎn)氧。真光層以下，DO達(dá)最小。因?yàn)樯锏拇x物在這里分解要耗氧。影響DO的主要因素有溫度、pH、生物活動(dòng)、人工投餌。大洋水DO08.5mg/L，低鹽區(qū)14.5mg/L養(yǎng)殖水要求：24h內(nèi)須有16h保持DO4mg/L，最低3mg/L，即DO4mg/L氨包括離子氨(NH4) 和非離子氨(NH3) 氨是生源要素之一，

5、是評(píng)價(jià)水質(zhì)好壞的重要指標(biāo)，它是含氮有機(jī)物分解的中間產(chǎn)物。細(xì)菌對(duì)硝酸鹽的反硝化作用、細(xì)菌和蘭藻進(jìn)行固氮作用均會(huì)產(chǎn)生氨。海水中氨主要以NH4形式存在，也有少量未電離的NH3。生物需要NH3，但不能過(guò)量。因?yàn)檫^(guò)量的NH3對(duì)魚(yú)貝類(lèi)生長(zhǎng)有抑制作用，嚴(yán)重時(shí)引起魚(yú)類(lèi)和無(wú)脊椎動(dòng)物中毒死亡。因?yàn)镹H3不帶電荷，脂溶性較高，易透過(guò)細(xì)胞膜。NH4的毒性取決于pH，并直接與NH3濃度成正比。兩者的濃度之間有一經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。由于時(shí)間所限，本實(shí)驗(yàn)只選擇3項(xiàng)：pH、DO和氨作為簡(jiǎn)易快速水質(zhì)分析箱的研制和測(cè)定項(xiàng)目。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述3.1溶解氧：想法：用比色法來(lái)測(cè)定，然后用碘量法來(lái)驗(yàn)證。3.1.1碘量法 1.實(shí)驗(yàn)原理：采用碘量法

6、（即Winkler法）測(cè)定水體中的溶解氧。往水樣中加入MnSO4溶液和KI-NaOH溶液，水樣中的溶解氧即被定量地轉(zhuǎn)化三價(jià)錳化合物的褐色沉淀：Mn2+2OH- = Mn(OH)2 (白色)2Mn(OH)2+1/2O2+H2O = 2Mn (OH)3(褐色)加入酸把三價(jià)錳化合物定量地轉(zhuǎn)化為I2。2Mn(OH)3 +2I- +6H+ = 2Mn2+ +I2 +6H2O以淀粉作指示劑，用Na2S2O3標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定上述反應(yīng)生成的I2，并由此計(jì)算水平中溶解氧的濃度。2實(shí)驗(yàn)用品150mlDO固定瓶、25ml堿式滴定管、三角燒瓶K2Cr2O7標(biāo)準(zhǔn)溶液、淀粉溶液（0.5%）、溶、KI-NaOH溶液、溶液（1：

7、1）、固體KI。3. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方法（1）水樣的采集：采水器出水后，立即套上橡皮管以引出水樣。采集時(shí)使水樣先充滿(mǎn)橡皮管并將水管插到瓶底，放入少量水樣沖洗水樣瓶，然后讓水樣注入水樣瓶，裝滿(mǎn)后并溢出部分水樣（約50ml左右），抽出水管并蓋上瓶蓋（此時(shí)瓶中應(yīng)無(wú)空氣泡存在）。（2）按下述方法檢查水樣中有無(wú)氧化性干擾物存在：取樣；KI-NaOH；濃H2SO4；搖勻；MnSO4；搖勻（3）水樣的固定：重新取樣后，迅速依次加入溶液和KINaOH溶液各1ml，立即蓋上瓶蓋（加蓋后瓶中應(yīng)無(wú)空氣泡存在）。按緊瓶蓋反復(fù)翻轉(zhuǎn)顛搖20次左右使之混合均勻，靜置讓沉淀盡可能下沉到水樣瓶底部。（4）配制250mlK2Cr2O

8、7標(biāo)準(zhǔn)溶液（）：稱(chēng)取固體（AR，于130烘3h）0.1226g，溶解后在250ml容量瓶中定容。（5）標(biāo)準(zhǔn)溶液的標(biāo)定 移取標(biāo)準(zhǔn)溶液20.00ml于250ml碘量瓶中，加入KI溶液5ml和溶液2ml，蓋上瓶口混勻并在暗處放置5min，加純水50ml。以標(biāo)準(zhǔn)溶液滴至淡黃，加入淀粉溶液1ml，繼續(xù)滴至溶液呈無(wú)色為止，讀取滴定管讀數(shù)V（雙樣滴定取平均值）。（6）水樣的酸化滴定：待固定水樣中的沉淀沉降至一半以下時(shí)，小心打開(kāi)水樣瓶瓶蓋，于水樣瓶中加入溶液1ml，蓋上瓶蓋搖動(dòng)水樣瓶使沉淀完全溶解，取50.00ml酸化后的溶液與250ml三角燒瓶中，以標(biāo)準(zhǔn)溶液滴至淡黃，加入淀粉溶液1ml再繼續(xù)滴至藍(lán)色變成無(wú)色

9、，記下滴定管讀數(shù)n。數(shù)據(jù)處理：DO(mgO2/L)=其中N、V分別是碘液的當(dāng)量濃度和體積。3.1.2比色法1.可通過(guò)測(cè)定碘液的顏色強(qiáng)度來(lái)判定DO的含量，從而避免碘量法中后半部的滴定操作及Na2S2O3標(biāo)準(zhǔn)液的配制和標(biāo)定。2.可根據(jù)淀粉試紙?jiān)诓煌庖簼舛戎衅涑侍m色且發(fā)色強(qiáng)度不同，對(duì)照其色階判定DO的含量，該方法可避免因水樣混濁對(duì)析出等量碘液的顏色的干擾。3.具體的制作1）試劑： MnCl2 堿性碘化鉀 1：1硫酸2）色階系列的配制分別移取0.025N碘液0.00，0.25，0.50，0.75，1.00，1.25，1.50，1.75，2.00，2.25 mL于50mL容量瓶中，以蒸餾水定溶。溶解氧

10、相當(dāng)量根據(jù)下式計(jì)算：DO(mgO2/L)= N*V*8*1000/50，其中N、V分別是碘液的當(dāng)量濃度和體積。這樣配成的碘液對(duì)應(yīng)的溶解氧濃度如下： V碘液（mL）：0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25DO(mg/L)： 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9將上述各標(biāo)準(zhǔn)溶液系列分裝至10支10 mL試管中，并寫(xiě)上相應(yīng)的溶解氧濃度，作為標(biāo)準(zhǔn)色階系列。顏色變化：無(wú)色淺黃黃色橙黃精度：0.5 mg/L 范圍：0-9 mg/L4.具體測(cè)試方法：取水樣裝滿(mǎn)10 mL比色管，固定水樣（加入MnSO4和堿性KI各2滴 ），待沉淀至管高的一半時(shí)，加

11、1：1硫酸，混勻，比色，直接得出水樣中溶解氧的數(shù)值。3.2 pH海水通常呈弱堿性，由于緩沖容量大，其pH值一般在7.58.6之間，而河水酸堿緩沖容量小，pH變化大，一般為5.47.5之間，當(dāng)沿途污水排入時(shí)，其變化將更大。 常用的測(cè)量方法：電測(cè)法和比色法（ pH 試紙）電測(cè)法優(yōu)點(diǎn)：快速、準(zhǔn)確、儀器使用方便缺點(diǎn)： pH 電極易受水體的影響，標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液需校、更換因此：不利于養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)定。比色法1. 原理：加一定量的指示劑（如甲酚紅）于同一體積的一系列已知pH值（用電測(cè)法測(cè)定）的標(biāo)準(zhǔn)溶液和海水試樣中，若水樣的顏色與某一標(biāo)準(zhǔn)顏色相近，則可認(rèn)為水樣的pH值等于該標(biāo)準(zhǔn)溶液的pH值。若水樣的色澤處于兩個(gè)標(biāo)

12、準(zhǔn)液的色澤之間，則其pH值可用內(nèi)插法求得。.2.特點(diǎn)：簡(jiǎn)便、廉價(jià)，可以達(dá)到海水養(yǎng)殖測(cè)定要求（ 0.05 pH單位 ）3.指示劑的選擇海水： pH變化范圍7.58.6查表可知應(yīng)選用甲酚紅（有效變色范圍pH 7.2-8.8） 淡水： 5.47.5 查表可知應(yīng)選用溴百里酚蘭（有效變色范圍pH 6.0-7.6）4.比色法的具體操作：1）試劑硼砂溶液：選用分析純的Na2B4O710H2O在NaBr干燥器中干燥至恒重，稱(chēng)取19.108克溶解并稀釋到1升。 硼酸溶液：選用分析純H3BO3，在CaCl2干燥器干燥至恒重，稱(chēng)取12.925g混以2.925g二級(jí)純的NaCl（須在160烘箱中烘干，在干燥器內(nèi)冷卻，

13、稱(chēng)量），溶解并稀釋至1升。甲酚紅指示劑：100mg甲酚紅溶于100mL 20% 酒精中，配好貯存于暗處，可長(zhǎng)期使用。 磷酸氫二納：稱(chēng)取Na2HPO42H2O 11.876 g/L或Na2HPO4 9.4g/L，溶解并稀釋至1升。 磷酸二氫鉀：稱(chēng)取KH2PO4 9.078g/L，溶解并稀釋至1升。 溴百里酚蘭指示劑：稱(chēng)溴百里酚0.5g 溶于250mL20乙醇中。2）海水水樣色階緩沖體系：硼砂和硼酸 pH范圍：7.4-9.0間隔0.2，共9份，每份配制20.0 mL，每瓶溶液均用pH計(jì)測(cè)定，并將測(cè)得的pH值標(biāo)記于瓶上。色階配制：取9支10mL刻度試管，分別取上述各瓶pH緩沖液各10.0mL，加入5

14、滴甲酚紅指示劑，混勻后裝入1.5mL小塑料瓶，將色階密封（瓶口可涂蠟），標(biāo)明pH值，存放于暗處或特制的比色箱中，這樣配成的標(biāo)準(zhǔn)色階能較長(zhǎng)時(shí)期使用。色階架上應(yīng)附一盛有蒸餾水的試管，插入溫度計(jì)，記錄標(biāo)準(zhǔn)色階溫度，必要時(shí)進(jìn)行溫度校正。3.3 氨氮比色法1.方法原理水溶液中極少量的氨在堿性環(huán)境中與Nessler試劑形成黃色化合物NH2Hg2OI2K2HgI4NH4OH3KOH = NH2Hg2OI7KI3H2O當(dāng)氨氮濃度在10800mg/L范圍時(shí)，生成化合物的顏色與含量間有一定線(xiàn)性關(guān)系，可用比色法測(cè)定，此化合物的膠體狀態(tài)析出并逐漸凝結(jié)。隨著NH4含量的增加，顏色由黃色加強(qiáng)至紅褐色，且凝聚加強(qiáng)。Ness

15、ler試劑不僅與NH4、游離氨能生成有色化合物，與水中各種蛋白質(zhì)化合物分解生成的氨能發(fā)生同一反應(yīng)，很適合養(yǎng)殖水的測(cè)定。2.試劑 無(wú)氨蒸餾水：1L蒸餾水中加1mLH2SO4和數(shù)粒KMnO4，然后進(jìn)行蒸餾。收集餾出液，小心保存。 30% 酒石酸鉀鈉水溶液：取優(yōu)級(jí)純酒石酸鉀鈉，用無(wú)氨蒸餾水配成30%溶液。 20% NaOH溶液：用優(yōu)級(jí)純NaOH配制20% 水溶液（用無(wú)氨蒸餾水）。 Nessler試劑：溶解115g HgI2和80g KI于500mL無(wú)氨蒸餾水中，然后再加入500mL經(jīng)煮沸除氨的6N NaOH溶液，將此液置于暗色玻璃瓶中。 無(wú)氨海水：把鹽度與水樣相近的海水倒入燒杯中，用Na2CO3稍加

16、堿化，加入同體積的蒸餾水，蒸沸至原來(lái)體積。加入少許HCl以消除渾濁，冷卻后倒入干凈的容器中，塞緊保存。也可以陳化海水或大洋或深海海水代替無(wú)氨海水，也可以用人工無(wú)氨海水代替之。 NH4Cl標(biāo)準(zhǔn)貯備液：稱(chēng)取0.2674g NH4Cl（A.R，110烘1小時(shí)）配成500mL，濃度為10mmol/mL 。 NH4Cl標(biāo)準(zhǔn)使用液：移取NH4Cl標(biāo)準(zhǔn)貯備液2 mL稀釋成100 mL，濃度為0.20 mmol/mL 。3.配制標(biāo)準(zhǔn)色階A：在6個(gè)50 mL比色管分別加入1.25mL的30%的酒石酸鉀鈉和5mL 20% 的NaOH溶液；B、用移液管移取NH4Cl標(biāo)準(zhǔn)使用液0，0.40，0.08，0.16，0.24，0.32,0.40mL分別注入50mL的容量瓶中，然后用無(wú)氨水稀釋至刻度，搖勻?qū)緩慢倒入A，搖勻后加入1 mL的Nessler試劑，混勻，10分鐘后進(jìn)行比色，并在l=420nm處用l=1cm的比色皿測(cè)其吸光值，并作出標(biāo)準(zhǔn)工作曲線(xiàn)。這樣所配制的一套標(biāo)準(zhǔn)色階的濃度分別為0，10，20，40，60，80,100mgN/mL。4.實(shí)際水樣測(cè)定移取50.0mL水樣（同DO測(cè)定水樣，若水樣過(guò)