原子荧光光谱法测生活污水中砷含量的不确定度分析
宋锦云
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宋锦云 ,. 原子荧光光谱法测生活污水中砷含量的不确定度分析[J]. 水资源科学研究,20219. DOI:10.12721/ccn.2021.157086.
摘要: 通过原子荧光光谱法来测量、测试生活污水中砷含量的不确定度,重点分析了不确定度的成因与来源,并对这种不确定度进行科学评定。
关键词: 原子荧光光谱法;生活污水;砷含量;不确定度;评定;分析
DOI:10.12721/ccn.2021.157086
基金资助:

0  前言    

现代化学药品对水体的侵害持续加剧,特别是生活污水中砷元素含量逐渐增多,需要对污染水体进行砷含量监测,然而,由于受到多方因素影响,监测值具有不确定性,有必要分析影响不确定度的因素,并给出科学的评定。

1  原子荧光光谱法原理分析

原子荧光法是一种测量方法,具体就是通过参照荧光强度与溶液中被测成分含量之间正比例的关系来加以测量的。首先按照各个标准溶液来测出荧光强度值,用最小二乘法拟合校准曲线:

IF = a+bCF  

IF -------- 对应工作液浓度的荧光强度值

    a ------标准曲线截距

b ------标准曲线的斜率

CF ------ 工作标准溶液中As浓度

于同等条件下来测出样品溶液的荧光强度,依照以上公式来对应算出样品内的 As(砷)浓度。

2  数学模型

生活污水样品溶液内砷浓度可以用以下公式计算出来:

CF1=

CF1 -------生活污水样品内砷的浓度

IF1------- 污水溶液的荧光强度

依照此数学模型来评定生活污水中砷浓度的不确定度。

3  不确定度的来源

根据以上数学模型以及内部各个参数变量能看出,生活污水中砷浓度的不确定度和IF1,a,b等密切相关,用u(a),u(b)分别代表a,b的不确定度,一般能从最小二乘法拟合来获得这两个参数的标准偏差,给出吸光度的不确定度主要包括两项:第一,荧光强度测量的反复性,可通过一组现测值的标准偏差来表示,第二,工作标准溶液浓度的不确定度对测量溶液荧光强度的影响。编制工作标准曲线过程中,工作标准溶液通过自变量方式输入,可以忽视其不确定度,然而,现实中污水溶液的不确定度将被带入样品吸光度测量中,所以,必须测量工作溶液的不确定度,而且要把这两项合成。

4  计算标准不确定度

计算标准不确定度应利用以上数学模型,模型中体现了参数之间的做差以及做商,对此应让两个模型同步运行来对应算得不确定度。可以先算出的不确定度,u() =[u2(IF1)+u2(a)]0.5,再求得u(CF1) 的不确定度,有以下关系式:

u (CF1)/ CF1 = [图片1.png]0.5 +( 图片2.png)2

4.1 吸光度标准不确定度

4.1.1 吸光度测量重复性标准不确定度

相同样品于同等环境或条件下,反复地被测试八次,最终得到吸光度现测数值,如下表所示:

1.png

利用公式来求得均值的标准方差值为:2.48。

4.1.2 生活污水溶液浓度不确定度对样品荧光强度的影响

(1)砷元素的标准溶液,主要是从浓度为1000ug/mL的水体内砷元素有证标准物质,将其作为最初的溶液,而且要对此溶液进行逐级稀释,最终加工成标准溶液,具体的稀释流程为:

 C0(1000ug/mL) V0(5mL)  C1V1(250mL)V2(5mL) C2V3 (100mL) V4(1mL) CWV5 (100mL)

C0 ----原始溶液浓度(ug.mL-1)

C1------一级稀释溶液浓度 (ug.mL-1)

Cw------工作标准溶液浓度1ug.L-1

V0------原始溶液用量(5mL)

V1-----一级稀释溶液定容体积(250mL)

V2-----一级稀释溶液用量(5mL)

V3------二级稀释溶液定容体积(100mL)

V4-----二级稀释溶液用量 (1mL)

V5----- 工作标准溶液定容体积(100mL)

按照上面的操作能得到标准溶液不确定度的数学模型,通过模型中的参数能判断出:生活污水溶液浓度的不确定度主要和标准物质浓度不确定度以及稀释过程中量器体积的不确定度相关,后者主要源自以下几个方面:

第一,量器体积的不确定度;第二,读书重复性的不确定度;第三,矫正量器体积过程中,温度与调配溶液温度之差等所导致的体积不确定度。

(2)V0与V2相对标准不确定度

第一,产品说明负责提供体积刻度的不确定度,一般5mL吸管的容量误差达到1.5x 10-2 mL,置信系数:2

第二,量器读书重复性的标准不确定度一般能通过反复试验来获得标准偏差,具体值:5x10-3mL

第三,温度对体积的影响。量器一般在20摄氏度时,所调配的溶液的温度在18—22度左右,水体膨胀系数达到:2.1 x 10-4℃-1,对应产生的体积变化:2x10-3mL,利用上面三个分量数值得到V0,V2的不确定度:2x10。

(3)V1相对标准不确定度

第一,250mL容器的容量允许误差:0.15mL,置信系数:2,从而得出容量刻度的标准不确定度:8x10-2mL。

第二,反复读数带来的标准不确定度:0.10mL。

第三,温度变化导致体积的变化,量器一般在20摄氏度时,所调配的溶液的温度在18—22度左右,水体膨胀系数达到:2.1 x 10-4℃-1,对应产生的体积变化:0.105mL。

将上面几项合成,能得到250mL容量瓶体积V1的相对不确定度:7x10-4

(4)V3和V5 的相对标准不确定度

第一,100mL容量瓶,其容量的允差在0.10mL,对应算得:容量刻度的标准不确定度:5x10-2mL。第二,反复读数的标准不确定度:2x10-2mL;第三,温度变化导致体积的变化,量器一般在20摄氏度时,所调配的溶液的温度在18—22度左右,水体膨胀系数达到:2.1 x 10-4℃-1,对应产生的体积变化:4.2 x 10-2mL。

将上面几项合成,能得到250mL容量瓶体积V3和V5 的相对标准不确定度:1x10-3 。

4.2 合成标准不确定度

把以上计算所得的各个分量标准不确定值带入计算模型公式,就能算得砷元素工作标准溶液浓度的不确定度。
    通过将吸光度测量重复性的标准不确定性,工作标准溶液浓度不确定度对样品荧光强度影响合成,能够得到荧光强度测量标准不确定度:u(IF1)=2.48。

根据上述规则与数学模型来算得:(Asa -a) 的不确定度,可以把u(Asa)和u(a)分别带入公式,从而获得合成标准不确定度:1x10-2 ug.1-1。

5  结语

原子荧光光谱法能对生活污水中砷含量不确定度进行科学地分析,经分析得出这种不确定度来自于原始溶液浓度,一级稀释溶液定容体积与用量等因素,经过对不确定度的评定,可以提高分析结果的可靠度。

参考文献:

[1] 邓勃著.原子吸收光谱分析的原理、技术和应用[M].清华大学出版社, 2004.

[2] 刘明钟等.原子荧光光谱分析[M].化学工业出版社,2007.
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[5] 国家环境保护总局,水和废水监测分析方法编委会编,水和废水监测分析方法[M].中国环境科学出版社,2002.