电位法测定密闭环境空气中碱性气溶胶

2021-08-23陈培红张洪彬韦桂欢杨品龙庆云商轶

化学分析计量 2021年7期

陈培红，张洪彬，韦桂欢，杨品，龙庆云，商轶

（中国船舶重工集团公司第七一八研究所，河北邯郸 056027）

密闭环境是指与外界空气隔离，自成空气控制系统的空间，比如舰船、潜艇、载人飞船、地下工事等。密闭环境空间狭小，人员密集，设备运转，人体活动与代谢及设备材料等都会释放出有害气体，致使密闭环境空气受到污染，对空间内的人员设备产生危害。开展密闭环境污染物治理和空气质量评价首先需要准确测定污染物的浓度，即建立适用于密闭环境中特定污染物的分析方法［1–3］。密闭环境中的电解水制氧设备会产生碱性气溶胶，具有刺激性和腐蚀性，工作人员吸入碱性气溶胶，可引起化学性上呼吸道炎，且仪器设备的金属表面会被碱性气溶胶所侵蚀等［1–3］。碱性气溶胶是直径小于10 μm的氢氧化钠、碳酸钠以及碳酸氢钠等固体或液体微粒在空气中的悬浮物，其含量通常以氢氧化钠计。

针对碱性气溶胶或氢氧化钠的分析方法很多，目前国军标采用目视比色法［4］，用滤膜采集空气中的碱性气溶胶后转移到溶液中，可呈现一定的酸碱度，用指示剂显色后，以不同酸碱度的溶液制作系列标准比色管，用样品管与标准管目视比色进行定量。该方法不仅受人为因素影响较大，而且消耗试剂多，操作繁琐；环境空气方面的分析方法主要有化学分析法和仪器分析法［5–8］。化学分析法是以酸碱中和滴定为基础的容量法，用滤膜采集氢氧化钠后溶于水，加入过量的盐酸之后，以甲基红为指示剂，用四硼酸钠标准溶液反滴定过量的盐酸，计算出空气中氢氧化钠的浓度。该方法步骤繁琐，测定周期长，容易带来污染和损失［5］；仪器分析法包括离子色谱法、原子吸收法和电感耦合等离子体发射光谱法，是通过滤膜采集金属钠及其化合物，经萃取或消解，测定样品溶液中金属钠的含量，计算得到空气中氢氧化钠的含量［6–8］，但是测定易受到环境空气中氯化钠的干扰，原子吸收法和电感耦合等离子体发射光谱法还会因金属钠的易电离特性受到其它元素的干扰［6，8–12］；密闭环境内碱性气溶胶大多数组分含量较低，需要采样后送到实验室检测分析，容易因采样、储存和运输等产生误差，而现场分析能完全消除这种误差，得到准确结果［2］，并且对潜艇等密闭环境，要求在采样和现场测试过程中避免引入二次污染。因此有必要建立一种环境友好、操作简单、满足现场测试的分析方法。

在大气气溶胶的酸碱性分析中，有研究采用滤膜采集气溶胶，经洗脱后测定萃取液的pH值来判断气溶胶的酸碱性［13–17］。该方法操作简单，但是目前报道中仅根据萃取液的pH值来判断气溶胶的酸碱性，没有进一步对气溶胶中氢离子和氢氧根离子含量进行计算。因此，笔者借鉴大气气溶胶的酸碱性研究，由溶液中pH值与氢离子的关系，氢离子与氢氧根离子浓度的关系，建立萃取液pH值与气溶胶中氢氧化钠含量的关系方程。将密闭环境空气中的碱性气溶胶采集到滤膜中，用水洗脱，测定溶液的pH值，根据公式计算得出空气中碱性气溶胶（氢氧化钠）的含量。该方法操作简单、高效，采样和测试过程中均不会造成二次污染，测试仪器（pH计）便于携带，可应用于密闭环境中碱性气溶胶的测定中。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

酸度计：FE28型，梅特勒–托利多仪器（上海）有限公司。

气体采样泵：IFC–2型，北京劳动保护研究所。

恒温振荡器：SHA–B型，常州恩培仪器制造有限公司。

比色管：25 mL，天津天玻玻璃仪器有限公司。

玻璃纤维滤膜：孔径为0.45 μm，英国Whatman公司。

石英滤膜：孔径为0.3 μm，瑞典Munktell公司。

聚四氟乙烯滤膜：孔径为0.45 μm，英国Whatman公司。

过氯乙烯滤膜：孔径为0.45 μm，北京赛福莱博科技有限公司。

氢氧化钠：优级纯，国药集团化学试剂有限公司。

实验用水为通过蒸馏去除二氧化碳的去离子水。

1.2 实验方法

将直径为40 mm的玻璃纤维滤膜固定于气体采样泵上，以10 L／min的等速采样方式抽取300 L空气。将采集样品后的滤膜剪碎，置于25 mL比色管中，准确加入水20 mL，于25 ℃恒温振荡器中剧烈振荡1 min，立即使用酸度计测定样品溶液的pH值。

2 结果与讨论

2.1 理论计算公式验证

在25 ℃的条件下，根据稀溶液pH值与氢离子浓度c(H+)的关系，氢离子c(H+)与氢氧根离子浓度c(OH–)的关系进行理论计算公式的推导，建立pH值与溶液中氢氧化钠含量m(NaOH)的关系方程，即式(1)。

式中：m(NaOH)——溶液中氢氧化钠质量；

M(NaOH)——氢氧化钠的相对分子质量。

为了验证式(1)的可行性，在盛有20 mL实验用水的比色管中加入不同质量的氢氧化钠，通过测定溶液的pH值，由式(1)计算得出溶液中氢氧化钠的质量。氢氧化钠的回收试验结果列于表1。

表1 氢氧化钠回收试验结果

由表1结果可知，根据式(1)计算得到的氢氧化钠的回收率为86.3%～97.1%，说明根据样品溶液的pH值计算得出氢氧化钠含量的方法可行。

2.2 采样方法的选择

目前相关标准和文献中对碱性气溶胶、金属钠和碱雾的采样主要采用滤膜和吸收液［4–8，18］。经试验对比，两者的测定结果无显著性差异。采用稀硫酸吸收法采样，相对简单，可省略滤膜法繁琐的前处理工序［18］。但吸收液采样易对潜艇等密闭环境造成二次污染，有一定的安全隐患，并且样品不易保存和运输［19］。采用滤膜法进行采样，虽然滤膜需要进行洗脱处理，但是不会对环境造成二次污染，并且易于保存和运输。因此选择采用滤膜法进行采样。

2.3 采样滤膜的选择

针对目标物和分析要求选择不同的滤膜。选择滤膜时需要考虑滤膜阻力及其对颗粒物的阻隔效果，同时还要保证滤膜的材质能够满足化学分析的要求。目前对气溶胶和氢氧化钠分析的相关文献和标准中，多采用聚四氟乙烯滤膜、过氯乙烯滤膜、石英滤膜和玻璃纤维滤膜［4–8］。

针对上述4种滤膜进行对比研究。聚四氟乙烯滤膜具有杂质含量低的优点，但是其机械延展性差、流阻率高，仅适用于低流量采样；过氯乙烯滤膜具有杂质含量低、易消解的优点，非常适合用于金属元素的分析中。但是其疏水性强，无法满足直接在滤膜上加标氢氧化钠水溶液的实验要求；而石英滤膜和玻璃纤维滤膜对粒径大于0.5 μm的颗粒物的阻隔效率均不低于99.9%，且具有很好的化学稳定性和化学惰性。石英滤膜的金属杂质含量相对更少，更适合对金属的分析。本实验测定的目标物为氢氧根离子，石英滤膜与玻璃纤维滤膜的背景干扰均较低，且萃取效率均在90%以上。而石英滤膜材质相对较脆、易剥落，因此最终选取玻璃纤维滤膜对密闭环境空气中碱性气溶胶进行采样。

2.4 前处理方式的选择

在大气气溶胶的酸碱性分析中，可以采用水或稀酸对滤膜进行洗脱［13–17］。考虑到采用稀酸作为洗脱剂，在现场测试时会对密闭环境造成二次污染，并且计算公式更为复杂，因此选择以水作为洗脱剂。

现有标准和文献中相关的样品处理方式分别为超声波提取法、加热浸出法、振荡法［4，6–8］。在滤膜上加入含100 μg氢氧化钠的氢氧化钠溶液，然后将滤膜直接剪碎置于比色管中，分别采取超声、加热和振荡方式来对滤膜进行洗脱，测定样品溶液的pH值，采用式（1）计算得到氢氧化钠的加标量，考察相同的前处理时间（10 min）下不同前处理方式的回收率。试验结果表明，不同样品处理方式的回收率差别较小。而振荡的方式操作简便，且对温度的控制最容易实现，便于后续在25 ℃条件下对样品溶液的pH值进行测定。因此在采取振荡的方式来对滤膜进行处理。

2.5 振荡时间的选择

样品振荡时间直接影响氢氧化钠的洗脱效率。试验在滤膜上加入含100 μg氢氧化钠的氢氧化钠水溶液，直接剪碎置于比色管中，加入20 mL水浸泡滤膜，分别振荡1、5、10、20、30 min后测定溶液的pH值，按照式(1)计算得到加标氢氧化钠的含量。考虑到氢氧化钠易溶于水，因此振荡时间仅考察30 min以内的回收率变化规律。图1为不同振荡时间对回收率的影响。

图1 不同前处理时间下氢氧化钠的回收率

从图1可以看出，随着振荡时间的延长，回收率缓慢下降。这可能是由于空气中的CO2会溶解在试样溶液中，从而使测定结果偏低。振荡时间在5 min内的回收率变化不大，考虑到振荡过程中CO2的影响，实验选择振荡时间1 min。

2.6 检出限

按照样品分析的全部步骤，重复n（n≥7）次空白实验，将各测定结果换算为样品的浓度，计算n次平行测定的标准偏差，按式(2)计算方法检出限。

式中：S——n次空白实验的标准偏差（n≥7）；

t(n–1，0.99)——置信度为99%、自由度为n–1的t分布值（当n=7次时，t(6，0.99)=3.14）。

按照实验方法，采集300 L不含碱性气溶胶的空气，对空白滤膜进行处理后平行测定7次，以此计算碱性气溶胶的检出限，得到空气中碱性气溶胶的为0.001 mg／m3。

2.7 加标回收与精密度试验

在滤膜上分别滴加含氢氧化钠15、30、90、150、300 μg的氢氧化钠溶液，即分别模拟空气中碱性气溶胶含量为0.05、0.10、0.30、0.50、1.00 mg／m3的条件。将加入氢氧化钠溶液的滤膜安装到采样泵上，启动采样泵以10 L／min的流量抽取300 L干净空气，模拟碱性气溶胶的采样过程，然后将完成采样过程的滤膜剪碎于比色管中，按照样品的测定过程完成测试。重复上述步骤6次，分别计算方法的精密度与回收率。试验结果列于表2。