本發(fā)明屬于環(huán)境科學(xué)和地球科學(xué)領(lǐng)域,具體涉及一種土壤、水體、沉積物等環(huán)境介質(zhì)中采用DGT技術(shù)分離不同形態(tài)重金屬的方法。
背景技術(shù):
土壤重金屬污染,尤其是農(nóng)田重金屬污染是我國環(huán)境治理方面長期面臨的復(fù)雜難題。重金屬污染不但破壞了自然環(huán)境,而且嚴(yán)重地威脅了人類的生存和健康。如何對環(huán)境中重金屬進(jìn)行監(jiān)測和污染治理成為了近年來人們熱衷的話題。對土壤重金屬毒性起著決定性作用的重金屬生物有效態(tài)形式也成為了人們研究的重點(diǎn)。通常所使用的重金屬有效態(tài)提取技術(shù)為化學(xué)方法,該方法雖然有所成效,但受到一系列外界因素的制約,通用性不好,并且測定過程中會使重金屬的形態(tài)分布發(fā)生變化。DGT技術(shù)的出現(xiàn)克服了這一缺點(diǎn),可以對環(huán)境中重金屬有效態(tài)提取達(dá)到理想的效果。但目前為止,DGT技術(shù)并沒有應(yīng)用到土壤不同形態(tài)重金屬的分離,并且仍沒有其他較好的方法來分離土壤不同形態(tài)重金屬。
通常使用的BCR三步法及Tessier連續(xù)提取法雖然可以對土壤中重金屬有效態(tài)的各個(gè)組分進(jìn)行分離,但是基于化學(xué)提取劑的方法仍然會受到化學(xué)試劑的影響,而且在提取過程中易造成重金屬形態(tài)的變動。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明解決的是現(xiàn)有技術(shù)中缺少的適用于土壤等環(huán)境介質(zhì)中,分離土壤不同形態(tài)重金屬的DGT測定方法。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)目的的技術(shù)方案是:
一種采用DGT技術(shù)分離土壤不同形態(tài)重金屬的方法,包括如下步驟:
⑴土壤樣品的制備:采用不同地區(qū)表層土壤樣品,將采集到的土樣在與所述采樣點(diǎn)相同的溫度條件下進(jìn)行保存,并將樣品研磨后培養(yǎng)備用;
⑵不同厚度擴(kuò)散相DGT的制備:分別制作不同厚度的擴(kuò)散相,并用體積法計(jì)算膜的精確厚度,切割后組裝成DGT裝置備用,采用不同厚度DGT提取土壤重金屬并計(jì)算規(guī)定時(shí)間內(nèi)土壤重金屬活性態(tài)含量:
(a)將裝有不同厚度擴(kuò)散相的圓形DGT插入已培養(yǎng)好的土壤樣品中,并保持一定的操作時(shí)間24h,所述帶有不同厚度擴(kuò)散相的圓形DGT在所述土樣內(nèi)的深 度處于1-2cm范圍內(nèi);
(b)取出所述裝有不同厚度擴(kuò)散相的圓形DGT,用超純水沖洗裝置,取出所述裝有不同厚度擴(kuò)散相的圓形DGT中的結(jié)合相固定膠并進(jìn)行酸洗脫,收集洗脫液;測定所述洗脫液中重金屬的濃度,并計(jì)算得到所述裝有不同厚度擴(kuò)散相的圓形DGT/溶液界面處的重金屬的時(shí)間平均濃度CDGT;
⑶采用重金屬解離動力學(xué)方程計(jì)算有機(jī)易解離態(tài)重金屬含量CML及解離率常數(shù)K-1;
⑷計(jì)算土壤重金屬離子態(tài)含量:將擬合得出的CML及K-1帶入重金屬解離動力學(xué)方程計(jì)算得出DGT測定24h內(nèi)重金屬有效態(tài)含量中解離的絡(luò)合態(tài)重金屬含量CM',游離態(tài)重金屬含量為CM=CDGT-CM'。
⑸根據(jù)重金屬全量C結(jié)果計(jì)算非易動態(tài)重金屬含量C',土壤重金屬全量C計(jì)算非易動態(tài)重金屬含量C':C'=C-CM-CML。
而且,所述步驟⑴中土壤樣品的制備方法為:將土壤樣品研磨過2mm篩,稱取磨好的土壤100g于塑料盒中加水至60%持水量,密封后放于恒溫恒濕培養(yǎng)箱中25℃條件下培養(yǎng)48h,之后加水至100%持水量繼續(xù)培養(yǎng)24h。
而且,所述步驟⑵中不同厚度擴(kuò)散相應(yīng)大于等于4個(gè)梯度。
而且,所述步驟⑶中規(guī)定時(shí)間內(nèi)土壤重金屬活性態(tài)含量計(jì)算方法為:
其中,CDGT表示土壤在一定時(shí)期內(nèi)的重金屬有效態(tài)測量值,M為在DGT展開時(shí)間t內(nèi)結(jié)合相上累積的金屬量,A為DGT窗口面積,擴(kuò)散層厚度Δg為擴(kuò)散凝膠層厚度與硝酸纖維素濾膜厚度之和,D為所測重金屬離子在擴(kuò)散凝膠中的擴(kuò)散系數(shù),t為裝置展開時(shí)間。
而且,所述步驟⑷中所述重金屬解離動力學(xué)方程為:
其中Δg表示擴(kuò)散相厚度,DML表示絡(luò)合態(tài)重金屬在土壤中的擴(kuò)散系數(shù),K-1為所述絡(luò)合態(tài)重金屬的解離率常數(shù),CML為土壤中有機(jī)易解離態(tài)重金屬含量,CM'為測定時(shí)間內(nèi)解離的重金屬含量。
而且,所述重金屬解離動力學(xué)方程,并采用軟件擬合得出土壤中有機(jī)易解離態(tài)重金屬含量CML及解離率常數(shù)K-1;
將擬合得出的CML及K-1帶入重金屬解離動力學(xué)方程,得出DGT測定24h內(nèi)重金屬有效態(tài)含量中解離的絡(luò)合態(tài)重金屬含量CM',游離態(tài)重金屬含量為 CM=CDGT-CM'。
而且,步驟(2)不同厚度擴(kuò)散相DGT中結(jié)合相制備方法,步驟如下:
⑴將DTPA改性材料和丙烯酰胺凝膠溶液混合攪拌,并超聲2-3分鐘,使DTPA改性顆粒充分散開;所述DTPA改性材料:丙烯酰胺的重量比=3~1:10;
⑵加入10wt%的過硫酸銨溶液,體積為V(過硫酸銨):V(丙烯酰胺凝膠)=3:500;并加入四甲基乙二胺,體積為V(四甲基乙二胺):V(丙烯酰胺凝膠)=3:2000;
⑶在低溫超聲1-3分鐘后將懸濁液快速注入一定厚度的玻璃槽內(nèi),用玻璃蓋板蓋好后轉(zhuǎn)入4-10℃低溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)20-40分鐘后將其平移至恒溫恒濕培養(yǎng)箱于42℃條件下培養(yǎng)1h,而后取出放在超純水中,30分鐘后取出凝膠,24小時(shí)內(nèi)換水至少三次制得DGT結(jié)合相。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是:
本發(fā)明采用裝有不同厚度擴(kuò)散相的DGT,根據(jù)絡(luò)合態(tài)重金屬在通過不同厚度擴(kuò)散相時(shí)解離量的差異性,應(yīng)用軟件進(jìn)行擬合,通過計(jì)算得出土壤中不同形態(tài)重金屬的結(jié)構(gòu)分配。本方法為以后評價(jià)植物吸收土壤重金屬有效態(tài)含量中,有機(jī)易解離態(tài)重金屬的貢獻(xiàn)提供了一種快速方便的預(yù)測方法。同時(shí)也使得對土壤中重金屬吸附/解吸/擴(kuò)散過程的評價(jià)和釋放風(fēng)險(xiǎn)的評估可以更加準(zhǔn)確地進(jìn)行。
本發(fā)明提供了一種采用不同厚度擴(kuò)散相DGT技術(shù)將土壤重金屬進(jìn)行形態(tài)分離的方法,其原理在于DGT擴(kuò)散相對有機(jī)易解離態(tài)重金屬具有解離能力,且厚度不同其解離的重金屬量不同,從而導(dǎo)致DGT提取重金屬量的差異性,通過這一差異性,采用解析DGT解離動力學(xué)公式CM'=CML(1-exp[-k-1(Δg')2/2DML]),可以原位實(shí)現(xiàn)土壤重金屬不同形態(tài)(離子態(tài),有機(jī)易解離態(tài)和非易動態(tài))的分離。
附圖說明
圖1為河南棕壤土中DGT測定不同形態(tài)Ni在重金屬不同老化時(shí)期的含量關(guān)系圖;
圖2為廣西紅壤土中DGT測定不同形態(tài)Ni在重金屬不同老化時(shí)期的含量關(guān)系圖;
圖3為重慶紫色土中DGT測定不同形態(tài)Ni在重金屬不同老化時(shí)期的含量關(guān)系圖。
圖4為湖南水稻土中DGT測定不同形態(tài)Ni在重金屬不同老化時(shí)期的含量關(guān)系圖;
圖5為西安黃綿土中DGT測定不同形態(tài)Ni在重金屬不同老化時(shí)期的含量關(guān)系圖;
圖6為江蘇黃泥土中DGT測定不同形態(tài)Ni在重金屬不同老化時(shí)期的含量關(guān)系圖;
圖7和圖8為DPS軟件中參數(shù)擬合過程圖。
具體實(shí)施方式
下面通過具體的實(shí)施方案敘述本發(fā)明方法。除非特別說明,本發(fā)明中所用的技術(shù)手段均為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的方法。另外,實(shí)施方案應(yīng)理解為說明性的,而非限制本發(fā)明的范圍,本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍僅由權(quán)利要求書所限定。
一種采用DGT技術(shù)分離土壤不同形態(tài)重金屬的方法,使用不同擴(kuò)散相厚度的DGT將土壤中不同形態(tài)的重金屬進(jìn)行分離。其特征為:利用不同厚度擴(kuò)散相的DGT其結(jié)合相上捕獲重金屬離子的差異性,采用軟件進(jìn)行擬合的方法并通過計(jì)算,最終將土壤中不同形態(tài)的重金屬進(jìn)行分離。
采用不同地區(qū)表層土壤樣品,將采集到的土樣在與所述采樣點(diǎn)相同的溫度條件下進(jìn)行保存,并將樣品研磨后培養(yǎng)備用。分別制作不同厚度的擴(kuò)散相(大于等于4個(gè)梯度),并用體積法計(jì)算膜的精確厚度,切割后組裝成DGT裝置備用,采用不同厚度DGT提取土壤重金屬并計(jì)算規(guī)定時(shí)間內(nèi)土壤重金屬活性態(tài)含量:(1)將裝有不同厚度擴(kuò)散相的圓形DGT插入已培養(yǎng)好的土壤樣品中,并保持一定的操作時(shí)間24h,所述帶有不同厚度擴(kuò)散相的圓形DGT在所述土樣內(nèi)的深度處于1-2cm范圍內(nèi);(2)取出所述裝有不同厚度擴(kuò)散相的圓形DGT,用超純水沖洗裝置,取出所述裝有不同厚度擴(kuò)散相的圓形DGT中的結(jié)合相固定膠并進(jìn)行酸洗脫,收集洗脫液;測定所述洗脫液中重金屬的濃度,并計(jì)算得到所述裝有不同厚度擴(kuò)散相的圓形DGT/溶液界面處的重金屬的時(shí)間平均濃度CDGT。(3)最后,采用重金屬解離動力學(xué)方程并通過軟件擬合得出有機(jī)易解離態(tài)重金屬含量CML及解離率常數(shù)K-1,經(jīng)計(jì)算得出土壤中重金屬離子態(tài)、有機(jī)易解離態(tài)及非易動態(tài)重金屬含量。
所述土壤中不同形態(tài)重金屬計(jì)算方法為:將擬合得出的CML及K-1帶入重金屬解離動力學(xué)方程計(jì)算得出DGT測定24h內(nèi)重金屬有效態(tài)含量中解離的絡(luò)合態(tài)重金屬含量CM',游離態(tài)重金屬含量為CM=CDGT-CM'。根據(jù)重金屬全量C結(jié)果計(jì)算非易動態(tài)重金屬含量C':C'=C-CM-CML。
本發(fā)明中使用的結(jié)合相的材料為申請?zhí)枺?01510426767.5申請日:2015-07-20,公開號為CN105148846A,發(fā)明名稱為一種DTPA改性材料及其制備的快速全解離型DGT結(jié)合相制備方法,中制備的快速全解離型DGT結(jié)合相材料。
所述快速全解離型DGT結(jié)合相制備方法,步驟如下:
⑴將DTPA改性材料和丙烯酰胺凝膠溶液混合攪拌,并超聲2-3分鐘,使DTPA改性顆粒充分散開;所述DTPA改性材料:丙烯酰胺的重量比=3~1:10;
⑵加入10wt%的過硫酸銨溶液,體積為V(過硫酸銨):V(丙烯酰胺凝膠)=3:500;并加入四甲基乙二胺,體積為V(四甲基乙二胺):V(丙烯酰胺凝膠)=3:2000;
⑶在低溫超聲1-3分鐘后將懸濁液快速注入一定厚度的玻璃槽內(nèi),用玻璃蓋板蓋好后轉(zhuǎn)入4-10℃低溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)20-40分鐘后將其平移至恒溫恒濕培養(yǎng)箱于42℃條件下培養(yǎng)1h,而后取出放在超純水中,30分鐘后取出凝膠,24小時(shí)內(nèi)換水至少三次制得DGT結(jié)合相。
本發(fā)明提供的采用DGT技術(shù)分離土壤不同形態(tài)重金屬的方法,包括如下步驟:
(1)土壤樣品的制備:采用不同地區(qū)表層(0~20cm)土壤樣品,將采集到的土樣在與所述采樣點(diǎn)相同的溫度條件下進(jìn)行保存,并將樣品研磨后培養(yǎng)備用。
(2)不同厚度擴(kuò)散相DGT的制備:分別制作不同厚度的擴(kuò)散相,并用體積法對擴(kuò)散相厚度進(jìn)行嚴(yán)格控制。切割后組裝成DGT裝置備用。
(3)采用不同厚度DGT提取土壤重金屬并計(jì)算規(guī)定時(shí)間內(nèi)土壤重金屬活性態(tài)含量:
(a)將裝有不同厚度擴(kuò)散相的圓形DGT插入已培養(yǎng)好的土壤樣品中,并保持一定的操作時(shí)間(24h),所述帶有不同厚度擴(kuò)散相的圓形DGT在所述土樣內(nèi)的深度處于1-2cm范圍內(nèi);
(b)取出所述裝有不同厚度擴(kuò)散相的圓形DGT,用超純水沖洗裝置干凈后,取出所述裝有不同厚度擴(kuò)散相的圓形DGT中的結(jié)合相固定膠并進(jìn)行酸洗脫,收集洗脫液;測定所述洗脫液中重金屬的濃度,并計(jì)算得到所述裝有不同厚度擴(kuò)散相的圓形DGT/溶液界面處的重金屬的時(shí)間平均濃度CDGT。
(4)采用重金屬解離動力學(xué)方程計(jì)算有機(jī)易解離態(tài)重金屬含量CML及解離率常數(shù)K-1。
計(jì)算土壤重金屬離子態(tài)含量:將擬合得出的CML及K-1帶入重金屬解離動力學(xué)方程計(jì)算土壤重金屬離子態(tài)含量。
根據(jù)重金屬全量(C)結(jié)果計(jì)算非易動態(tài)重金屬含量(C')。
步驟(1)中所述土壤樣品的制備方法為:將土壤樣品研磨過2mm篩,稱取磨好的土壤100g于塑料盒中加水至60%持水量,密封后放于恒溫恒濕培養(yǎng)箱中25℃條件下培養(yǎng)48h,之后加水至100%持水量繼續(xù)培養(yǎng)24h。
步驟(2)中所述不同厚度擴(kuò)散相應(yīng)大于等于4個(gè)梯度,如0.53mm、0.93mm、 1.33mm及1.73mm等。
步驟(3)中所述規(guī)定時(shí)間內(nèi)土壤重金屬活性態(tài)含量計(jì)算方法為:
其中,CDGT表示土壤在一定時(shí)期內(nèi)的重金屬有效態(tài)測量值,M為在DGT展開時(shí)間t(一般為24h)內(nèi)結(jié)合相上累積的金屬量,A為DGT窗口面積,擴(kuò)散層厚度Δg為擴(kuò)散凝膠層厚度與硝酸纖維素濾膜厚度之和,D為所測重金屬離子在擴(kuò)散凝膠中的擴(kuò)散系數(shù),t為裝置展開時(shí)間(24h)。
步驟(4)中所述重金屬解離動力學(xué)方程為:
其中CM'為測定時(shí)間內(nèi)解離的重金屬含量,Δg'表示擴(kuò)散相厚度,DML表示絡(luò)合態(tài)重金屬在土壤中的擴(kuò)散系數(shù),K-1為所述絡(luò)合態(tài)重金屬的解離率常數(shù),CML為土壤中有機(jī)易解離態(tài)重金屬含量。
土壤中不同形態(tài)重金屬的計(jì)算過程:
根據(jù)步驟(4)所述重金屬解離動力學(xué)方程,采用軟件擬合得出土壤中有機(jī)易解離態(tài)重金屬含量CML及解離率常數(shù)K-1。
將擬合得出的CML及K-1帶入重金屬解離動力學(xué)方程,得出DGT測定24h內(nèi)重金屬有效態(tài)含量中解離的絡(luò)合態(tài)重金屬含量CM',游離態(tài)重金屬含量為CM=CDGT-CM'。
根據(jù)土壤重金屬全量(C)計(jì)算非易動態(tài)重金屬含量(C'):C'=C-CM-CML。
本發(fā)明采用以下樣品進(jìn)行實(shí)際檢測,具體步驟如下:
(1)土壤樣品的采集及制備:
采用河南棕壤土、湖南水稻土、西安黃綿土、江蘇黃泥土、廣西紅壤土及重慶紫色土表層(0~20cm)土壤樣品。將采集到的土樣在與所述采樣點(diǎn)相同的溫度條件下進(jìn)行保存并對所述土樣的基本理化參數(shù)進(jìn)行測量。
為了在同一種土壤中測定不同重金屬Ni含量情況下,DGT測定Ni不同形態(tài)的分布,進(jìn)行重金屬老化試驗(yàn)。向磨好的土壤中添加100mg/kg的重金屬Ni,平行稱取4份加重金屬的土壤800g于塑料盒中,加60%的超純水?dāng)嚢杈鶆虿⒚芊夂蠓庞诤銣睾銤衽囵B(yǎng)箱中,25℃條件下培養(yǎng)48h。之后加100%的水份攪拌均勻,25℃條件下培養(yǎng)90天。
(2)DGT不同厚度擴(kuò)散相的制作:
分別制作0.53mm、0.93mm、1.33mm及1.73mm(實(shí)測0.53mm、0.91mm、 1.13mm及1.73mm)厚度的擴(kuò)散相,并用體積法對擴(kuò)散相厚度進(jìn)行嚴(yán)格控制。切割后組裝成DGT裝置備用。
(3)土壤中重金屬有效態(tài)的測定:
(a)土壤培養(yǎng)過程中將裝有擴(kuò)散相厚度為0.53mm、0.91mm、1.13mm、1.73mm的圓形DGT分別在重金屬老化的1d、45d及90d插入土壤樣品中,并保持一定的操作時(shí)間(24h),所述帶有不同厚度擴(kuò)散相的圓形DGT在所述土樣內(nèi)的深度處于1-2cm范圍內(nèi);
(b)取出所述裝有不同厚度擴(kuò)散相的圓形DGT,用超純水將裝置沖洗干凈后,取出所述裝有不同厚度擴(kuò)散相的圓形DGT中結(jié)合相固定膠并使用1mol/L的HNO3溶液進(jìn)行酸洗脫,收集洗脫液;測定所述洗脫液中重金屬的濃度,并計(jì)算得到所述裝有不同厚度擴(kuò)散相的圓形DGT/溶液界面處的重金屬的時(shí)間平均濃度CDGT。
其中,CDGT表示土壤在一定時(shí)期內(nèi)的重金屬有效態(tài)測量值,M為在DGT展開時(shí)間t(24h)內(nèi)結(jié)合相上累積的金屬量,A為DGT窗口面積(本實(shí)驗(yàn)裝置為4.64cm2),擴(kuò)散層厚度Δg為擴(kuò)散凝膠層厚度與硝酸纖維素濾膜厚度(0.013cm)之和,D為所測重金屬離子在擴(kuò)散凝膠中的擴(kuò)散系數(shù)(6.09×10-6cm/s),t為裝置展開時(shí)間(24h)。
(4)使用下列公式,并采用DPS軟件一般非線性回歸模型擬合得出土壤中有機(jī)易解離態(tài)重金屬含量CML及解離率常數(shù)K-1。
其中Δg'表示擴(kuò)散相厚度,DML表示絡(luò)合態(tài)重金屬在土壤中的擴(kuò)散系數(shù)(1.218×10-6cm/s),K-1為所述絡(luò)合態(tài)重金屬的解離率常數(shù),CML為土壤中有機(jī)易解離態(tài)重金屬含量,CM'為解離的重金屬含量。
輸入DPS軟件中的方程為:x2=c1*(1-exp(-c2x1))。
方程為步驟(4)中重金屬解離動力學(xué)方程的變形。其中x2與CM'對應(yīng),表示帶有不同厚度擴(kuò)散相的DGT測得的有效態(tài)含量(CDGT)之差,CM'-CM;c1為所述土壤中可解離的絡(luò)合態(tài)重金屬含量CML;c2為所述解離率常數(shù)K-1;x1為(Δg)2/2DML,Δg'為與CM'-CM對應(yīng)的擴(kuò)散相厚度之差。
(5)將擬合得出的CML及K-1帶入上述公式中,得出DGT測定24h的重金屬有效態(tài)含量中解離的結(jié)合態(tài)重金屬含量CM'。
在DGT展開時(shí)間24h內(nèi)測定的游離態(tài)重金屬含量為CM=CDGT-CM'。
土壤中總的重金屬有效態(tài)濃度為CML與CM之和。
根據(jù)土壤重金屬全量(C)計(jì)算非易動態(tài)重金屬含量(C'):C'=C-CM-CML。
在使用DGT測定土壤中重金屬有效態(tài)濃度過程中,通常認(rèn)為擴(kuò)散相凝膠厚度為0.8mm時(shí)測得的有效態(tài)濃度可以代表土壤中重金屬真正的有效態(tài)濃度。如圖1至圖6所示為使用0.91mm厚度擴(kuò)散相的DGT測得的六種土壤中重金屬Cd游離態(tài)、有機(jī)易解離態(tài)及非易動態(tài)重金屬含量。由此可見,本發(fā)明所述的采用DGT技術(shù)分離土壤不同形態(tài)重金屬為以后評價(jià)土壤重金屬不同形態(tài)含量供了一種快速方便的檢測方法。
以圖7、8為例,對參數(shù)擬合過程、以及結(jié)果的獲得過程進(jìn)行說明,
表1土壤重金屬全量及擬合獲得參數(shù)
注:表中CML為擬合過程中獲得的參數(shù)C1,K-1為擬合過程中獲得的參數(shù)C2。