电感耦合等离子体发射光谱法测定西藏日多温泉地热水中11种主次量元素_王祝.pdf

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2015 年 5 月 May 2015 岩矿测试 ROCK AND MINERAL ANALYSIS Vol. 34,No. 3 302 ~307 收稿日期 2014 -09 -19;修回时期 2015 -05 -11;接受时期 2014 -05 -20 基金项目国土资源部公益性基金项目 201211035 作者简介王祝, 硕士, 工程师, 主要从事岩矿分析及质量管理工作。E- mail wang. zhu825163. com。 文章编号 02545357 2015 03030206 DOI 10. 15898/j. cnki. 11 -2131/td. 2015. 03. 007 电感耦合等离子体发射光谱法测定西藏日多温泉地热水中 11 种主次量元素 王祝1, 2,李明礼1, 2,邵蓓1, 2,卓玛曲西1, 2,姜贞贞1, 2,刘高令1, 2,多吉3 1. 西藏自治区地质矿产勘查开发局中心实验室,西藏 拉萨 850033; 2. 国土资源部拉萨矿产资源监督检测中心,西藏 拉萨 850033; 3. 西藏自治区国土资源厅,西藏 拉萨 850000 摘要西藏地热水的矿化度普遍较高, 矿物质种类丰富, 本文建立了采用电感耦合等离子体发射光谱 ICP -OES 同时测定西藏日多温泉地热水中 11 种主次量元素 钾钠钙镁硅硼锂锶砷铁和硫酸根 的分析方 法。使用双向观测模式可确保不同浓度元素的同时检出, 且地热水采用1硝酸介质保存, 在 5 周时间内 11 种 元素含量的测定值基本稳定。方法检出限为 0. 0006 ~0. 0162 mg/L, 加标回收率为 95. 5 ~105. 8, 精密度 RSD, n 10 均小于6, 实际水样的测试结果与传统方法基本吻合。本方法为西藏温泉的水文地球化学研究 提供了大量可靠的数据。 关键词地热水; 主次量元素; 电感耦合等离子体发射光谱法; 保存介质; 保存时间; 硝酸 中图分类号P641; O657. 31文献标识码B 地热水是地下水在长期运动过程中吸收地球内 部的热能而形成的, 由于温度及压力对水溶解性能 的影响, 一般具有矿物质种类丰富及矿化度普遍较 高的特点, 含有一些特殊的化学成分、 气体、 放射性 物质及微量元素等, 常见的是富含无机盐的水溶液, 如 Na 、 K 、 Ca2 、 Mg2 、 Cl - 、 SO2 - 4 、 HCO - 3等离子分 布最为广泛, 它们的含量约占地热水中离子总数的 90以上。 地热水的检测方法主要参考 DZ/T 0064地下 水质检验方法 及 GB/T 8538饮用天然矿泉水检验 方法 采用火焰原子吸收光谱法、 滴定法、 分光光度 法、 离子色谱法等进行分析, 主要缺点是一份试样溶 液不能同时测定多种元素, 分析步骤繁杂。电感耦 合等离子发射光谱法 ICP - OES 在地表水、 地下 水、 矿泉水及卤水等水质检测中得到了广泛应 用 [1 -6 ], 用于测定地热水在 20 世纪 80 年代已有报 道, 如孔令仙等 [7 ]测定地热水中稀土和难熔金属元 素钽铌铪锗钇镱镧钪锆, 认为地热水中碱金属、 碱土 金属和有机试剂酒石酸的存在对待测元素谱线强度 存在影响。谢小风等 [8 ]应用 ICP - OES 法直接测定 地热温泉水样中的 7 种元素 钾钠钙镁硅锂硼 , 基 体干扰无或很小。陈国娟 [9 ]将地热水样品用浓硝 酸酸化混匀后用 ICP - OES 直接测定 8 种微量元素 铁锰锂铜铅锌镉铬 , 此法线性范围宽、 检出限低 并具有较好的准确度和精密度。 西藏地处藏南 - 滇西高温地热带, 属于地中海 - 喜马拉雅地热带的一部分, 地热显示区内水热活 动强烈, 地热水矿化度普遍较高 [10 -11 ], 除了常见的 地热水标志性元素外, 研究发现西藏地区地热水中 的锶、 砷、 铁、 硫酸根含量也普遍偏高。因此本文以 日多温泉地热水为研究对象, 在前人研究基础上增 加了该区地热水中的 4 个代表性元素 锶砷铁和硫 酸根 , 建立了 ICP - OES 直接测定地热水中 11 种 主次量元素 钾钠钙镁硅硼锂锶砷铁和硫酸根 的 分析方法。另外, 针对西藏地区高海拔低气压的测 试环境, 试验并确定了仪器的最佳工作条件, 讨论了 ICP - OES 法测定地热水中的硫酸根的可行性, 研究 了保存介质和保存时间对待测元素稳定性的影响。 203 1实验部分 1. 1仪器及工作条件 Optima 5300DV 电感耦合等离子体发射光谱仪 美国 PerkinElmer 公司 , 采用十字交叉雾化器, 轴 向、 径向双向观测模式, 经高海拔低气压条件下 海拔 3700 m 多次试验和优选, 确定了仪器最佳工作条件 为 功率1350 W, 冷却气流量 15. 0 L/min, 辅助气流 量0.20 L/min, 雾化气流量 0. 67 L/min, 进样量1.50 mL/min, 雾化器压力105 kPa, 积分时间2 ~10 s。 1. 2主要试剂 硝酸 ρ 1. 42 g/mL 优级纯; 盐酸 ρ 1. 19 g/mL 优级纯。 多元素混合标准储备溶液 选用相应浓度的有 证混合标准溶液、 单标溶液, 并稀释至所需浓度; 也 可自行配制单元素标准储备溶液并混合成多元素标 准储备溶液。本研究采用的多元素混合标准储备溶 液如下。 标液 1 As、 B、 Fe、 Li、 Sr, 浓度均为 100 mg/L; 标 液 2 K、 Na、 Ca、 Mg, 浓度均为 500 mg/L; 标液 3 SiO2, 浓度为 200 mg/L; 标液 4 SO2 - 4 , 浓度为 1000 mg/L。各标液的介质均为 5硝酸。 实验用水 去离子水。 1. 3样品采集及处理 本研究测定用的地热水样品采集于西藏拉萨市 墨竹工卡县日多温泉, 地热水泉口温度 82℃, 矿化 度 1200 mg/L。采样容器采用高聚乙烯塑料瓶, 样 品采集为原样、 硝酸酸化样、 盐酸酸化样。硝酸酸化 样为以容积为 1 L 的塑料瓶采集地热水样后, 在采 样现场加入10 mL 硝酸, 使得样品酸度 <2。盐酸酸 化样为容积为 1 L 的塑料瓶采集地热水样后, 在采 样现场加入 10 mL 盐酸, 使得样品酸度 <2。 2结果与讨论 2. 1分析谱线的选择 不同类型地热水中各成分的含量均有所差异, Optima 5300DV 电感耦合等离子体发射光谱仪具有 双向观测模式, 在实际样品测试中可根据信号强度 选择恰当的观测模式。为了保证较高的灵敏度和尽 量宽的线性范围, 本方法通过试验对比选择了灵敏 度高、 干扰少的谱线作为分析谱线, 并采用了不同的 观测模式。各待测元素分析波长和观测模式为 As 188. 979 nm, 轴向; B 249. 677 nm, 轴向; Ca 317. 933 nm, 径向; Fe 259. 939 nm, 轴向; K 766. 490 nm, 径 向; Li 670. 784 nm, 径向; Mg 279. 077 nm, 径向; Na 589. 592 nm, 径向; S 181. 975 nm, 轴向; Si 251. 611 nm, 轴向; Sr 407. 771 nm, 径向。 2. 2方法检出限及测定范围 在选定的仪器条件下, 对样品空白进行 10 次连 续测定, 以 3 倍标准偏差计算出方法的检出限, 采用 3 倍检出限作为方法的测定下限, 以标准曲线的最 高点作为方法测定上限。方法检出限 0. 0006 ~ 0. 0162 mg/L 及测定范围见表 1。在实际样品测试 中, 如样品中的元素含量超过方法测定上限, 可根据 实际情况对样品进行稀释。 表 1方法检出限及检测范围 Table 1Detection limit and measured range of the elements 测定元素 标准系列浓度 mg/L 相关系数 方法检出限 mg/L 测定范围 mg/L As0, 1, 5, 501.00000.01020.031 ~50 B0, 1, 5, 501.00000.00570.018 ~50 Ca0, 5, 50, 100, 5000.99920.00540. 017 ~500 Fe0, 1, 5, 500.99990.00060.002 ~50 K0, 5, 50, 100, 5000.99940.02520. 076 ~500 Li0, 1, 5, 500.99990.00120.004 ~50 Mg0, 5, 50, 100, 5000.99960.01620. 049 ~500 Na0, 5, 50, 100, 5000.99950.01620. 049 ~500 S SO2 - 4 0, 50, 200, 5000.99990.0780.24 ~500 Si SiO20, 10, 20, 1000.99980.00360. 011 ~100 Sr0, 1, 5, 500.99990.00120. 0036 ~50 2. 3方法加标回收率和精密度 分别取日多温泉地热水原样及硝酸酸化样, 进 行加标回收实验, 并计算回收率。由表 2 分析结果 可见, 硝酸酸化样加标回收率为 95. 5 ~105. 8, 优于原样加标回收率 93. 5 ~ 108. 0, 说明采用 ICP - OES 对地热水进行测定的方法准确度可以得 到保证。 取日多温泉地热水硝酸酸化样, 同一实验室同 一仪器不同时间对水样测定 10 次, 计算各元素含量 的相对标准偏差 RSD 。由表 2 分析结果可见, 各 元素的 RSD 均小于 6, 说明本方法精密度好。 2. 4方法比对试验 由于缺少地热水标准物质作为质量监控, 因此 采用不同方法测定结果比对的方式来验证 ICP - OES 测定数据的准确性。验证方法依据地下水质 检验方法 DZ/T 0064 K、 Na、 Li、 Sr、 Fe 采用原子 吸收光谱法, Ca、 Mg 采用 EDTA 滴定法, B 采用甘露 303 第 3 期王祝, 等 电感耦合等离子体发射光谱法测定西藏日多温泉地热水中 11 种主次量元素第 34 卷 醇 - 碱滴定法, As 采用原子荧光光谱法, SiO2采用 硅钼蓝比色法, SO2 - 4 采用离子色谱法。由表 3 分析 结果可见, ICP - OES 与传统方法测定的数据基本 吻合。 2. 5地热水中 SO2 - 4 的测定 由于地表水和地下水中的 S 主要以 SO2 - 4 形态存 在, 其他形态的 S 含量较低且需要现场固定, 采用 ICP -OES 测定地表水和地下水中的全硫近似代替 SO2 - 4 不仅大大缩短了分析周期, 并且可获得较为满意 的精密度和准确度 [ 5 -6 ]。对西藏地区部分温泉研究 发现, 地热水中大多都含有硫化物 表 4, 硫化物的测 定依据 DZ/T 0064. 6693地下水质检验方法 碘量 法测定硫化物 , 采用 ICP - OES 法测定的 SO2 - 4 结 果偏高, 为了保证测试结果的准确, 采用 ICP - OES 法测定地热水中的 SO2 - 4 时, 需通过差减法计算水中 的 SO2 - 4 含量, 计算公式为 ρ硫酸根S ρ 全S -ρ 硫化物S。 表 2方法加标回收率和精密度 Table 2Recovery and precision tests of the 元素 原样 加标前量 μg 加标量 μg 加标后量 μg 回收率 硝酸酸化样 加标前量 μg 加标量 μg 加标后量 μg 回收率 测定低值 mg/L 测定高值 mg/L 测定平均值 mg/L RSD As33.42052.193.537. 42056.595.51.801.921.862. 0 B744100851107. 0764100864100.035.240.638.24. 5 Ca15162000345296.8149620003612105.869.377.073.93.4 Fe----13. 22034.3105.50.590.710.665.4 K55220074496.054420073696.025.729.126.93. 5 Li45.62067.2108. 044.82065.8105.02.142.352.243. 0 Mg77200287105. 075.6200285104.83.594.033.735.4 Na66002000854697.365402000850298.1307. 53483244.2 S SO2 - 4 532040009339100.554604000942199.0260. 42812722.7 Si SiO215708002422106.515728002410104.873.679. 777.52.7 Sr44.22063.697.043. 62063.7100.52.052.292.163. 3 表 3 ICP - OES 与传统方法测定结果比较 Table 3A comparison of analytical results with ICP- OES and traditional s 测定方法 元素含量 mg/L AsBCaFeKLiMgNaS SO2 - 4 Si SiO2 Sr 本方法1.8737.374. 80.6526.82. 213.8934826979.52.22 传统方法1.8336.872. 00.6125.92. 333.8436728483.42.35 注 B、 Ca、 Mg、 SO2 - 4 、 SiO2对比测定采用原样, 其他元素测定采用硝酸酸化样。 表 4西藏部分温泉水中硫含量分布 Table 4Sulfur distribution in some geothermal springs of Tibet 温泉名称所属地区水化学类型 硫酸根 SO2 - 4 含量 mg/L 硫化物 S2 - 含量 mg/L 测定误差 羊八井温泉拉萨地区 Na - HCO3- Cl700.481.9 日多温泉拉萨地区 Na - SO4- Cl - HCO32790.570.6 德仲温泉拉萨地区 Ca - Na - HCO348. 50.211.2 邱桑温泉拉萨地区 Na - Ca - HCO312. 6<0.020 色温泉山南地区 Na - HCO333. 60.060.5 拉普温泉山南地区 Na - Cl - HCO340. 40.725.0 邛多江温泉山南地区 Na - HCO310. 60.184.8 曲普温泉阿里地区 Na - HCO387. 84.1813.4 塔格架温泉日喀则地区 Na - HCO379. 10.843.0 康布温泉日喀则地区 Na - Cl - HCO319. 3<0.020 曲卓木温泉日喀则地区 Na - Ca - HCO3- Cl - SO4333<0.020 曲孜卡温泉昌都地区 Na - HCO344. 90.030.2 注 本表中数据来源于国土资源部公益性基金项目 西藏典型地热田地热水资源科学利用研究 201211035 。 403 第 3 期 岩矿测试 http ∥www. ykcs. ac. cn 2015 年 3保存介质和保存时间对测定结果的影响 天然水在贮存期间, 其中的成分由于物理、 化学 平衡条件的改变、 生物和微生物作用、 水解沉淀以及 容器吸附等作用特别容易产生变化, 致使分析结果 偏高或偏低 [12 -13 ]。由于温度、 压力等保存条件改 变, 地热水中矿物组分可能因沉淀、 吸附、 溶解度降 低、 形态转化等发生变化, 为尽可能保证样品代表 性, 本文对样品的保存介质和保存时间进行了研究。 分别对原样、 1硝酸酸化样、 1盐酸酸化样进 行连续 5 周的测试对比 酸化样均为采样现场酸化 处理 。测试结果对比显示, 在 5 周时间内, 地热水 中除 As、 B、 Fe 外的其他 8 种待测元素的原样、 酸化 样测试结果基本无差异; As、 B、 Fe 原样测试结果明 显低于酸化样测试结果 图 1 , 这可能是由于采样 后原样中 As、 B、 Fe 三种元素随着环境的变化水解 沉淀或者在器壁表面上吸附造成的; 在 5 周时间内 原样中 Fe 的浓度降低非常明显, 在第 2 天取样瓶内 就出现铁红色沉淀, 在第 14 天基本达到最低值 图 1c 。测试结果对比表明, 样品酸化可防止元素 水解沉淀或器壁吸附等造成的失少现象, 所有待测 元素浓度在 5 周的保存时间内无明显下降; 两种酸 化水样测试结果相差不大, 综合考虑其他元素的测 定特别是采用 ICP - MS 法测定时盐酸介质可能存 在干扰, 因此选择 1 硝酸作为地热水样品的保存 介质。 图 1地热水中 As、 B、 Fe 元素浓度随保存时间的变化情况 Fig. 1Concentration of As,B and Fe in geothermal waters in different storage time 分别对原样、 1硝酸酸化样、 1盐酸酸化样进 行连续 5 周的测试比较, 酸化样均为采样现场酸化 处理, 地热水中各待测元素的浓度随保存时间的变 化情况见图 1。可以看出, 地热水中各组分浓度除 As、 B、 Fe 外, 其他元素的原样、 酸化样测试结果基本 无差异。As、 B、 Fe 原样测试结果明显低于酸化样测 试结果 图 1a、 b、 c , 这可能是由于采样后原样中 As、 B、 Fe 三种元素随着环境的变化水解沉淀或者在 器壁表面上吸附造成的[12 -13 ]。在 5 周的时间内, 原 样中的 Fe 浓度降低非常明显, 在第 2 天取样瓶内就 出现铁红色沉淀, 在第 14 天基本达到最低值 图 1c 。测试结果对比显示, 样品酸化可防止元素水 解沉淀或器壁吸附等造成的失少现象, 所有待测元 素浓度在 5 周的保存时间内无明显下降; 两种酸化 水样测试结果相差不大, 综合考虑其他元素的测定 特别是采用 ICP - MS 法测定时盐酸介质可能存在 干扰, 因此选择 1硝酸作为地热水样品保存介质。 4结论 本文建立了 ICP - OES 同时测定西藏日多温泉 地热水中 11 种主次量元素 钾钠钙镁硅硼锂锶砷 铁和硫酸根 的方法, 方法检出限低、 准确度高、 精 密度好, 与传统方法测试结果基本吻合。由于西藏 地热水中普遍含有硫化物的原因, 地热水中硫酸根 含量需通过差减法计算得出; 地热水样品保存条件 实验表明 1硝酸酸化水样在 5 周时间内元素含量 不会产生显著变化。本方法高效、 可靠、 实用性强, 在西藏温泉的水文地球化学研究中提供了大量可靠 数据。 5参考文献 [ 1]叶义昌, 云作敏. 电感耦合等离子体发射光谱法测定 饮用天然矿泉水中微量元素[ J] . 长春工程学院学报 自然科学版 , 2006, 7 4 85 -86. 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Simultaneous determination of potassium,sodium,calcium,magnesium,silicon,boron,lithium,strontium, arsenic,iron and sulfate radical in geothermal water of Riduo Hotspring by Inductively Coupled Plasma- Optical Emission Spectrometry ICP- OESwas developed in this study. Analytical conditions were optimized by application of two- way observation mode to ensure simultaneous determination of the multi- elements in geothermal water. In addition,geothermal water was preserved in 1 nitric acid and the results of 11 elements after five weeks are stable. This has a detection limit of 0. 0006 -0. 0162 mg/L,recoveries of 95. 5 -105. 8 by standard addition,and relative standard deviation RSD,n 10of less than 6. The analytical results were in good agreement with those obtained by traditional s.This provides a number of reliable data for hydrogeochemical research on geothermal water in Tibet. Key words geothermal water; major and minor elements; Inductively Coupled Plasma- Optical Emission Spectrometry;preservation medium;preservation time;nitrate 703 第 3 期王祝, 等 电感耦合等离子体发射光谱法测定西藏日多温泉地热水中 11 种主次量元素第 34 卷
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