基于电化学体系辅助判定废水中未知砷形态的方法

　　权利要求书

　　1.一种基于电化学体系辅助判定废水中未知砷形态的方法，其特征在于，包括步骤：

　　1)建立三电极体系

　　以金电极或铂电极为工作电极，玻碳电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，建立三电极体系;

　　2)配制实验溶液

　　以硫酸钠溶液或硫酸溶液为支持电解液配制实验溶液，用亚砷酸钠、砷酸钠、碳酸钠、硫酸铁配制As(III)-CO32-(HCO3-)溶液、 As(III)-Fe(III)溶液、As(V)-Fe(III)溶液;

　　3)线性扫描检测

　　在As(III)-CO32-(HCO3-)溶液中，以线性扫描伏安法从0.2V正向扫描至1.0V;在As(III)-Fe(III)溶液和As(V)-Fe(III)溶液中，以线性扫描伏安法从0.6V负向扫描至-0.5V;扫描速度均为50mV/s。

　　2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中，工作电极和对电极使用前依次采用0.5μm、0.25μm、0.1μm氧化铝粉逐级打磨，超纯水中超声清洗。

　　3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中，工作电极每次检测前在0.5mol/L H2SO4中于0～1.6V的电势范围内以 100mV/s的扫描速度进行活化处理。

　　4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2)中，实验溶液中砷的浓度为0-100mmol/L，CO32-(HCO3-)的摩尔浓度为 As(III)的0～25倍，Fe(III)的摩尔浓度为As(III)或As(V)的0～10倍。

　　5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中，配制的As(III)-CO32-(HCO3-)溶液pH值为6～12;As(III)-Fe(III)溶液及 As(V)-Fe(III)溶液pH值为0.5～2.5;采用氢氧化钠和硫酸调节pH值。

　　6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中，硫酸钠支持电解液的浓度为0.1～0.5mol/L;硫酸支持电解液的浓度为 5～10mmol/L。

　　7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以线性扫描检测得到的结果为基准，判定废水中砷的形态。

　　8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，含砷废水为冶炼厂产生的重金属含砷废水，测其中砷、铁的相对含量;以5mmol/L 硫酸为支持电解液，按照原废水中砷、铁的相对含量配制实验溶液，用氢氧化钠和硫酸调节pH值;以线性扫描伏安法从0.6V负向扫描至-0.5V;扫描速度为50mV/s。

　　9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，含砷废水为矿山酸性含砷废水经硫化沉淀、石灰中和、碳酸氢钠除钙后的废水，测其中砷、碳酸氢根的相对含量;以0.1mol/L硫酸钠为支持电解液，按废水中砷、碳酸氢根的相对含量配制实验溶液，用氢氧化钠和硫酸调节pH值;以线性扫描伏安法从0.2V正向扫描至1.0V;扫描速度为 50mV/s。

　　说明书

　　基于电化学体系辅助判定废水中未知砷形态的方法

　　技术领域

　　本发明属于检测领域，具体涉及一种使用电化学体系测定砷离子的方法。

　　背景技术

　　石灰-铁盐法和硫化沉淀法是目前处理含砷废水的主要方法，涉及的除砷机理包括吸附、絮凝和共沉淀。虽然工艺经过不断优化和改进，但仍然难以实现砷的深度净化与达标排放。主要的技术瓶颈在于，砷在废水中常以As(V)(H3AsO4、H2AsO4-、HAsO42-、AsO43-)和 As(III)(H3AsO3、H2AsO3-、HAsO32-、AsO33-)的各种形态以及其它未知复杂形态存在，形态存在及其转化机理不明确，难以实施调控。

　　已知形态的砷物质具有准确的热力学数据和可靠有效的检测手段。重金属含砷废水中的共存杂质如铁、铜、铅、碳酸根等可能与砷形成复杂的配离子，如As(OH)2CO3-、As(CO3)+、As(CO3)2-、 FeH2AsO42+、FeHAsO4+等。这些可能存在的复杂砷形态因缺乏有效的检测手段而很少受到关注。明确废水中存在的复杂砷形态对于调控砷的环境化学行为具有非常重要的意义。有研究表明，砷能与碳酸根形成As-CO32-配离子，导致硫化砷矿物在含碳酸根的水溶液中溶解度增加，降低了碳酸根浓度较高的含砷废水中砷的去除效果;砷能与硫负离子在一定条件下形成As-S2-配离子，因此在硫化除砷过程中需避免形成该类配离子以确保除砷效率;若砷能与铁离子形成稳定的配离子，在铁盐除砷过程中就需要破坏砷-铁配离子以提高砷的去除率。

　　国外关于如何确定砷的复杂存在形态已经开展了相关研究， Marini和Accornero(Environ.Geol.(2007)52:1343–1363和Environ. Earth.Sci.(2010)59:1601–1606)从理论上预测了溶液中砷(V)-金属配离子的热力学数据;Lee和Nriagu(Environ.Chem.(2007)4:123–133) 尝试利用离子色谱检测水溶液中可能存在的As(V)-金属离子对;Han M J等(Anal.Chem.(2007)79:3615-3622)利用电化学扫描隧道显微镜观测到As(OH)2CO3-和As(OH)3(HCO3-)2两种配离子。尽管砷在水溶液中可能存在的复杂形态已经逐渐被报道，但大多研究还停留在对配离子的预测阶段。现有检测手段中，离子色谱、液相色谱-质谱、红外、拉曼等能够定性或半定量检测配离子，但成本较高，不能实时原位检测，而且仪器检测过程所涉及的稀释、离子化、光照射、加热等条件都可能改变溶液中砷的原有存在形态，所以急需一种简便有效的形态分析手段以预测含砷废水中的未知砷形态。

　　电化学方法能够用来分析砷在溶液中的电化学性质。电化学性质与物质的热力学、动力学、结构性能有着密切的联系，溶液中砷形态不同，对应的氧化还原行为和稳定性不同。以配离子等复杂形态存在的砷，其氧化或还原电位与以As(V)、As(III)各种形态存在时的氧化或还原电位不同。通过线性扫描伏安法检测废水中砷的氧化或还原电位，与同条件下对照体系的氧化或还原电位进行比较，可以预测废水中存在的未知砷形态。

　　发明内容

　　针对本领域存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种简单快捷的砷形态预测方法，可以辅助元素分析，进一步判定废水中砷的形态。

　　实现本发明上述目的的技术方案为：

　　一种基于电化学体系辅助判定废水中未知砷形态的方法，其步骤包括：

　　1)建立三电极体系

　　以金电极或铂电极为工作电极，玻碳电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极的三电极体系;

　　2)配制实验溶液

　　以硫酸钠溶液或硫酸溶液为支持电解液配制实验溶液，用亚砷酸钠、砷酸钠、碳酸钠、硫酸铁配制As(III)-CO32-(HCO3-)溶液、As(III) -Fe(III)溶液及As(V)-Fe(III)溶液;

　　3)线性扫描检测

　　其中，所述步骤1)中，工作电极和对电极使用前依次采用0.5μm、 0.25μm、0.1μm氧化铝粉逐级打磨，超纯水中超声清洗。

　　其中，所述步骤1)中，工作电极每次检测前在0.5M H2SO4中于0～1.6V的电势范围内以100mV/s进行活化处理。

　　其中，所述步骤2)中，硫酸钠支持电解液的浓度为 0.1～0.5mol/L，硫酸支持电解液的浓度为5～10mmol/L。

　　其中，所述步骤2)中，实验溶液中砷的浓度为0～100mmol/L， CO32-(HCO3-)的摩尔浓度为As(III)的0～25倍，Fe(III)的摩尔浓度为 As(III)或As(V)的0～10倍。根据实验情况，砷的浓度可以是 0～25mmmol/L。

　　其中，所述步骤2)中，配制的As(III)-CO32-(HCO3-)溶液pH值为6～12;As(III)-Fe(III)溶液及As(V)-Fe(III)溶液的pH值为0.5～2.5; 采用氢氧化钠、硫酸调节pH值。

　　本发明所述的方法，还包括以线性扫描检测得到的结果为基准，判定废水中砷的形态。

　　具体地，含砷废水为冶炼厂产生的重金属含砷废水，测其中砷、铁的相对含量，以5mmol/L硫酸为支持电解液配制砷浓度、铁浓度与废水相似的实验溶液，用氢氧化钠和硫酸调节pH值;以线性扫描伏安法从0.6V负向扫描至-0.5V;扫描速度为50mV/s。根据废水中砷和铁的含量，与步骤2)中相应体系的扫描结果进行对比。

　　含砷废水也可以为矿山酸性含砷废水经硫化沉淀、石灰中和、碳酸氢钠除钙后的废水，测其中砷、碳酸氢根的相对含量，以0.1mol/L 硫酸钠为支持电解液，配制砷、碳酸氢根浓度与废水相同的实验溶液，用氢氧化钠和硫酸调节pH值;以线性扫描伏安法从0.2V正向扫描至1.0V;扫描速度为50mV/s。根据废水中砷和碳酸氢根的含量，与步骤2)中相应体系的扫描结果进行对比。

　　本发明的有益效果在于：

　　针对目前重金属废水中未知复杂砷形态缺乏有效预测和检测手段的问题，本发明提供了一种预测含砷废水中未知砷形态的电化学方法。该方法操作简便，成本低廉，能实现含砷废水的原位实时检测，对预测未知砷形态具有指导意义。