野外快速检测偏硅酸等指标在矿泉水源地调查中的应用

2019-04-11彭文彪戴林湘刘俊峰朱小燕

中国资源综合利用 2019年3期

彭文彪，戴林湘，刘俊峰，周安，朱小燕

（1.湖南省核工业地质调查院；2.湖南省核工业地质局放射性元素检测中心，长沙 410011）

近年来，人们对饮用水的重视达到了新高，地热勘查和饮用天然矿泉水勘查逐渐成为当前地矿勘探的新宠。从2009年至2014年，矿泉水市场规模和产量均呈现稳步增长的态势。饮用天然矿泉水对水质有着严格的要求，其界限指标、限量指标、微生物指标须严苛检验。水质检测对水质的采集、样品的保存与管理做了相应的要求。矿泉水水源地选区在进行大范围高密度采样，以期发现潜在矿泉水点或线索时，采样分析工作将变得繁重，大量水样送往实验室耗时较长，花费时间少则一天，多则数十天，乃至数月[1]。由于野外采样工作较长和样品保存时限较短，只能分批送检，导致项目成本上升。如何快速经济检测矿泉水部分重要指标，筛选可能性较大的水样送实验室全面检测，值得探讨。

在快速检测水质方面，目前有较多研究成果。赵学亮等针对水文地质调查中碳酸氢根和碳酸根难以现场检测的问题，研制了水中碳酸氢根和碳酸根快速检测仪器，室内和野外试验证明，该仪器工作稳定、检出限低、快速和稳定性高，相对误差低于10%，具有广泛的应用前景[1]。战楠等利用双电极法（pH和二氧化碳电极），可以现场快速检测地下水和湖水中碳酸氢根和碳酸根[2]。针对污染检测或某些组分的检测，其他学者实现了野外现场快速检测，取得了较好的成果[3-5]。但对于野外矿泉水快速检测并确定重点水样点，目前未见相关文献报道。

针对上述问题，为快速检测评估水样，本文通过分析选取几项重要指标，对水样进行野外检测，建立野外流动实验室，对野外测试达标的水样集中取样送实验室检测，极大地提高了野外工作效率，减少了检测费用。因此，该方法在矿泉水的选区调查中具有较好的应用效果。

1 检测因子的选取

按《饮用天然矿泉水》（GB8537-2008）要求，饮用天然矿泉水检测指标共65项，未列入该标准中但与水质相关检测项目还有氧化还原电位（ORP）等。这些检测项目中，有的检测项目较简单，根据人体感官便可评定，如气味、浑浊度等。另一些检测项目则可能具有一定相关性，例如，地表水的各项阴阳离子含量较少，其溶解性总固体较低。游离二氧化碳含量与pH有相关性，较高游离二氧化碳含量的地下水其pH较低等，人类活动对地下水pH也有一定影响[6-7]。

尽可能少地选取检测项目，并可方便在野外实施，是提高调查工作效率的重要手段。本文选择pH、TDS（溶解性总固体）、水温、ORP、偏硅酸和游离二氧化碳6项检测项目作为野外矿泉水筛选的重要指标。这些指标均是重要的水文地球化学环境指示标志：pH是重要的地下水环境指标，不同酸碱性条件下地下水中的元素表现出不同的化学状态，游离CO2反映了水溶液二氧化碳分压，影响酸碱度。根据战楠等人的研究，利用双电极法（pH和二氧化碳电极）可以现场快速检测地下水和湖水中碳酸氢根和碳酸根，并且在碳酸氢根和碳酸根含量较低的地下水和湖水样品中，滴定法并不适用，而检出限较低的电极法则适用。地下水的TDS表征水中溶解的离子多少，是矿泉水界限指标之一，可以反映地下水的径流速度、径流长度、循环深度等[8]。

地下水水温的高低能反映地下水循环的深度，一般温度越高，循环深度越大，矿物质含量越高。ORP综合pH等其他水质指标可以反映地下水的形成环境，判别是否受到污染。偏硅酸、游离二氧化碳本身是矿泉水8项界限指标中的两项，同时根据SiO2含量可以估算地下水的热动力平衡温度和热储深度，高SiO2含量意味着矿泉水的形成温度较高、形成深度较大，这两个条件有利于其他矿物质的溶解。

2 流动实验室的组建

野外流动实验室，具体组成的仪器设备为手持pH计、手持电导率仪（可测溶解性总固体）、温度计、游离二氧化碳&氧化还原电位等多功能分析仪、硅酸根分析仪、大功率锂电池、各种玻璃器具（三角瓶、烧杯等）、试剂药物天平、去离子水器、便携式折叠台等，用于运输实验设备的越野车等。将仪器设备安放在仪器箱中，然后放置在越野车后备箱中，可以实现长距离安全运输，方便在野外开展相关试验工作，野外化验占地非常小，流动性非常强，既可批量就近测试，也可在取样点现场测试。主要试验仪器技术指标如表1所示。

表1 主要仪器设备简介

3 检测结果准确性分析

pH、TDS（溶解性总固体）、水温、ORP、偏硅酸、游离二氧化碳测试技术为目前现有成熟技术，结果准确度较高。为了对比野外测试结果和实验室结果，将送检实验室样品的分析结果与野外测试结果进行对比，对比结果如表2～表5所示。水温、ORP按现场测试值则无需对比。

由表2～表5可以看出，pH值野外测试结果与实验室结果吻合较好，二氧化碳与偏硅酸测试值比实验室测试偏高。根据相关规范，游离二氧化碳测试需在现场进行，并且根据多次试验情况，取水样后，随着时间的推移、气体不可避免或多或少逃逸，导致测试值相应偏低，因此现场测试二氧化碳值应比实验室准确。表2中，偏硅酸值野外测试结果与实验室有较大偏差，这与受仪器量程限制（所用仪器量程为0～199.9 μg/L（Si），对应于H2SiO3量程为0～0.57 mg（H2SiO3）），与稀释水样有关，一般稀释倍数越大，偏差也容易增大，野外操作一般稀释的倍数有100倍、200倍、500倍和1000倍。不过，由于是野外操作控制，控制精度达不到实验室标准。总体就野外检测而言，检测结果较准确，可以作为矿泉水检测参考依据，在一定程度上能够分析出水样的形成深度和形成条件。

表2 野外测试结果和实验室结果对比（偏硅酸）

表3 野外测试结果和实验室结果对比（游离二氧化碳）

表4 野外测试结果和实验室结果对比（pH）

表5 野外测试结果和实验室结果对比（TDS）

4 时效性与经济分析

偏硅酸分析测试时间较长，野外测试步骤为仪器预热、标定和试剂反应时间上，一般一天标定一次仪器即可，故当测试的样品较多时，平均每个样品的测试时间分摊变少。根据野外工作情况，一般一天采集6～8个样，分析化验6个指标所需时间为4～7 h，平均5 h左右，高效快捷。

若某项目共需取水样N个，如按每个水样进行矿泉水全分析，按《地质调查项目预算标准2010》分析测试费用为N×1957。如采取野外筛选，只对野外测试矿泉水界限指标达标的水样送实验室进行全分析，若野外达标率为M，则分析测试费用总共为N×18+N×M×1957。一般M较小，故经济性好。

5 实际运用效果

笔者所在单位在承担本单位的CSJ-SP矿泉水选区立项研究当中，利用流动实验室，通过野外分析6项指标，野外现场测试水样78份，发现偏硅酸达标的水样33份，这些水样TDS大于100，ORP和pH正常，将这些水样送实验室进行矿泉水全分析，发现偏硅酸指标均达标，其他指标符合矿泉水要求。另送检1份偏硅酸未达标的水样作为对比，实验室测试偏硅酸值也未达标。可见筛选准确，准确率基本能达到100%，基本杜绝了实验费的浪费，节约了成本。