硅钼黄分光光度法测定地下水中偏硅酸的不确定度评定_王亚平.pdf

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2010 年 10 月 October 2010 岩矿测试 ROCK AND MINERAL ANALYSIS Vol. 29,No. 5 601 ~606 收稿日期 2010- 05- 14; 修订日期 2010- 08- 12 基金项目 国土资源部公益性行业科研专项经费资助 200811133 ; 国土资源部地质大调查项目资助 1212010916020 ; 国土资源地质大调查地下水污染测试技术研究资助 1212010634607 作者简介 王亚平 1956 - , 男, 山西定襄人, 研究员, 从事环境地球化学研究和分析测试工作。 E- mail wangyaping cags. net. cn。 文章编号 02545357 2010 05060106 硅钼黄分光光度法测定地下水中偏硅酸的不确定度评定 王亚平1,许春雪1,代阿芳1, 2,袁建1,朱家平3 1. 国家地质实验测试中心,北京100037; 2. 中国地质大学 武汉 ,湖北 武汉 430074; 3. 中国地质调查局南京地质矿产研究所,江苏 南京210016 摘要 采用不确定度连续传递模型, 对硅钼黄分光光度法测定地下水中偏硅酸 DZ/T 0064. 6293 的不 确定度进行评定。测量结果的不确定度主要来源于标准溶液引入的不确定度、 曲线拟合产生的不确定度 和测量过程引入的不确定度三部分, 而二氧化硅和偏硅酸的摩尔质量不确定度较小, 可以忽略不计。采用 双误差回归的方式对标准曲线进行拟合, 在对各个不确定度分量进行量化的基础上, 通过合成得到测量结 果的标准不确定度, 再乘以 95置信概率下的扩展因子 2, 得到测量结果的扩展不确定度。 关键词 不确定度评定; 硅; 地下水; 硅钼黄分光光度法; 双误差回归 中图分类号 O213. 1; O657. 3; O612. 4; P641文献标识码 B Uncertainty uation for the Determination of Metasilicic Acid in Groundwater Samples by Molybdosilicate Yellow Spectrophotometry WANG Ya- ping1,XU Chun- xue1,DAI A- fang1, 2,YUAN Jian1,ZHU Jia- ping3 1. National Research Center for Geoanalysis,Beijing100037,China; 2. China University of Geosciences,Wuhan430074,China; 3. Nanjing Institute of Geology and Mineral Resources, China Geological Survey, Nanjing210016, China AbstractThe measurement uncertainty for the analytical results of H2SiO3in groundwater samples by molybdosilicate yellow spectrophotometry was uated using Continuous Propagation Model of Uncertainty. The main sources of measurement uncertainty came from sub- uncertainties of calibration solutions,calibration curve fitting and measurements. The uncertainty from molar masses of SiO2and H2SiO3was ignored because of their less contribution. The double- error regression was used in the course of standard curve fitting. Based on the quantitative analysis of each source,standard uncertainty of measurement results was obtained.Then the extended uncertainty of measurement results was calculated from standard uncertainty multiplied by an extended factor of 2 under confidence probability of 95 . Key words uncertainty uation; silicon; groundwater; molybdosilicate yellow spectrophotometry; double- error regression 硅是人体必需的微量元素, 一般以偏硅酸的形 式存在。偏硅酸是人体皮肤结缔组织、 关节软骨组 织和关节结缔组织中必需的元素。它能提高皮肤 的弹性, 保持弹性纤维周围组织的完整性; 有助于 骨的钙化, 促进生长发育, 特别有利于儿童智力的 发展以及骨骼的成长, 也可防止老年骨质疏松。 106 ChaoXing 偏硅酸对人体还具有良好的软化血管的功能, 可使 人的血管壁保持弹性, 故而对于动脉硬化、 心血管 和心脏疾病等也能起到明显的缓解作用。由于偏 硅酸对人体的众多有益之处, 其成为矿泉水质量评 价中的一个常用的水质指标。 地下水中一般也含有 Si, 一些高温热水, SiO2 含量可达 100 mg/mL 以上。但是水中高含量 SiO2 的存在, 对工业利用是不利的。它产生的锅垢很难 除去, 同时利用含硅量高的地下热水来发电将造成 复杂的问题 [1 ]。因此, 偏硅酸 H 2SiO3 也是地下 水污染调查评价中一个重要的无机检测指标。 分析结果的不确定评定, 是质量控制不可缺少 的定量评定参数, 其研究引起人们越来越多的关 注 [2 -10 ]。本文依据地下水检验方法 DZ/T 0064. 6293硅钼黄比色法测定硅酸 对地下水样品中 偏硅酸进行测定, 采用不确定度连续传递模型 [11 ] 对其测量过程中产生的不确定度进行评估。在对 标准曲线拟合这一步骤上, 采用 x、 y 相对差的双误 差回归方式, 最终得到该方法的不确定度评定 模型。 1实验部分 1. 1仪器和主要试剂 分光光度计。 φ 50 体积分数, 下同 的 HCl。 钼酸铵溶液 100 g/L 。 SiO2标准储备溶液 100 μg/mL 称取经 950℃灼烧过的高纯二氧化硅粉 0. 100 0 g 纯度 P≥99. 99 于铂坩埚中, 加 5 g 无水 Na2CO3 , 搅 匀。再覆盖一层无水 Na2CO3, 置于高温炉中, 于 950 ~ 1000 ℃ 熔融 30 min, 取出。冷却后, 将坩埚 置于塑料烧杯中, 并以蒸馏水浸取, 冲洗坩埚, 定容 于 1000 mL 容量瓶中, 摇匀。移入干燥的塑料容 器中贮存。此溶液 1 mL 中含 100 μg 二氧化硅。 1. 2实验方法 在酸性 pH≈1. 2 溶液中, 钼酸铵与水中可溶 性硅酸反应, 生成柠檬黄色硅钼酸络合物, 其颜色 的强度与可溶性硅酸浓度呈正比。 偏硅酸含量可按下式计算 ρH2SiO31. 3 ρSiO2 式中, ρH2SiO3偏硅酸的含量 μg/mL ; ρSiO2从标 准曲线上查得的 SiO2量 μg/mL ; 1. 3SiO2换算 为偏硅酸的因数。 1. 3分析步骤 取水样 50 mL 于容量瓶中; 准确移取 SiO2标 准溶液 0. 00、 2. 50、 5. 00、 7. 50、 10. 00、 12. 50 mL 于 一系列50 mL 容量瓶中, 用蒸馏水定容。向水样和 SiO2标准溶液系列中分别加入1. 0 mL 50的 HCl 和 2. 0 mL 钼酸铵溶液 100 g/L , 摇匀。放置 30 min, 于 440 nm 波长处, 用3 cm比色皿, 以试剂 空白作参比, 测量其吸光度。 2测量不确定度评定 2. 1二氧化硅标准储备溶液配制及不确定度 SiO2标准储备溶液配制的计算公式为 ρ0 P m0 V 1000 式中 ρ0SiO2标准储备溶液的浓度 μg/mL ; PSiO2粉的纯度; m0称取 SiO2的质量 g ; V定容体积 mL 。 SiO2标准储备溶液浓度的不确定度主要包含 纯度的不确定度、 称量的不确定度以及定容体积的 不确定度三部分。 1 纯度的不确定度 在证书上给出 SiO2的纯度 P 99. 99, 最大 允许误差为 0. 01。假设是矩形分布 [12 ], 转化成 标准不确定度, 即为 u P 0. 0001 槡 3 0. 000058 因而, 其相对不确定度 urel P 0. 000058。 2 称量的不确定度 天平计量证书标明其线性为 0. 15 mg。假设 其为矩形分布 [12 ], 天平的线性分量为0. 15 槡 3 0. 087 mg。称量需要进行两次 一次作为空盘, 另 一次为毛重 , 因此称量的标准不确定度为 u m0 2 0. 087 槡 2 0. 123 mg 其相对不确定度为 urel m0 0. 123 100 0. 00123 3 定容体积的不确定度 定容体积 1000 mL 引入的不确定度包括 3 部 分 容量允差引入的体积不确定度、 估读误差引入 的体积不确定度 即重复性不确定度 和环境温度 变化导致量器内溶液体积变化引入的不确定度。 体积校准 按 JJG 1961990[13 ]规定, 1000 mL 206 第 5 期 岩矿测试 http ∥www. ykcs. ac. cn 2010 年 ChaoXing 容量瓶 A 级 示值允差 0. 40 mL, 假设其为三角 分布, 则 u V1 0. 40 槡 6 0. 163 mL 据经验数据得, 1000 mL 容量瓶 A 级 重复性 不确定度为 u V2 0. 10 mL。 温度误差引起的不确定度 容量器皿出厂时的 校准温度为 20 ℃, 实验室的温度在 5 ℃变化, 液 体体积的膨胀系数 水, 2. 1 10 -4 /℃ 显著大于 容量 器 皿 的 体 积 膨 胀 系 数 硼 硅 酸 盐 玻 璃, 1 10 -5 /℃ 。故在统计时一般只考虑温度对液体 体积的影响, 忽略温度对器皿本身体积的影响。由 温度误差引起的不确定度△V 2. 1 10 -4 1000 5 1. 05 mL。按矩形分布计算 u V3 1. 05 槡 3 0. 606 mL 因此, 由定容体积1000 mL 引入的不确定度为 u V 0. 16320. 1020. 606 槡 2 0. 635 mL urel V 0. 635 1000 0. 00064 SiO2标准储备溶液浓度的相对不确定度为 urel ρ 0 0.00005820.0012320.00064 槡 2 0. 0014 因此, SiO2标准储备溶液浓度为 ρ0 100 0. 28 μg/mL K 2 2. 2二氧化硅标准系列溶液的不确定度 SiO2标准系列溶液的配制为 准确移取 SiO2标 准储备溶液0.00、 2. 50、 5. 00、 7. 50、 10. 00、 12. 50 mL 于一系列50 mL 容量瓶中, 用蒸馏水定容。分别用 5 mL 刻度移液管 A 级, 不完全流出式 移取 2. 50 mL、 5.00 mL, 用10 mL 刻度移液管 A 级, 不完全流 出式 移取7.50 mL、 10 mL, 用25 mL 刻度移液管移 取12.5 mL。配制的标准系列各点的浓度分别为 0.00、 5.00、 10.00、 15.00、 20.00、 25.00 μg/mL。 数学模型为 ρi ρ 0Vi/V 式中 ρi标准系列各点 SiO2的浓度 μg/mL ; ρ0标准储备溶液浓度 μg/mL ; Vi标准系列各 点移取标准储备溶液的体积 mL ; V标准系列各 点的定容体积 mL 。 其相对不确定度公式为 u2 rel ρ i u 2 rel ρ 0 u 2 rel Vi u 2 rel V 标准系列各点的定容体积 50 mL 的不确定 度包括容量允差、 估读误差 即重复性 和环境温 度变化引入的不确定度 3 部分。 按 JJG 1961990[ 13 ]规定, 50 mL 容量瓶 A 级 示值允差 0.05 mL, 假设其为三角分布, 则 u V1 0. 05 槡 6 0. 020 mL 50 mL 容量瓶 A 级 重复性标准不确定度 u V2 0. 008 mL。 温度误差引入的不确定度 △V 2. 1 10 -4 50 5 0. 0525 mL 按矩形分布计算 u V3 0. 0525 槡 3 0. 0303 mL 因此, 标准系列各点的定容体积不确定度为 u V 0.02020.00820.0303 槡 2 0.0372 mL 其相对不确定度为 urel V 0. 0372 50 0. 00074 1 5.00 μg/mL SiO2标准溶液的相对不确定度 5 mL 刻度移液管移取 2. 50 mL 标准储备溶 液, 按 JJG 1961990[13 ]规定, 5 mL 刻度移液管的 示值允差为 0. 025 mL, 假设其为三角分布, 则 u V11 0. 025 槡 6 0. 010 mL 据经验, 重复性不确定度 u V12 0. 012 mL 温度误差引入的不确定度 △V 2. 1 10 -4 2. 5 5 0. 0026 mL, 按矩形分布计算 u V13 0. 0026 槡 3 0. 0015 mL 因此, u V1 0.01020.01220.0015 槡 2 0.0157 mL urel V1 0. 0157 2. 5 0. 0063 5.00 μg/mL 的SiO2标准溶液的相对不确定度为 urel ρ 1 u2 rel ρ 0 u 2 rel V1 u 2 rel V 槡 0. 001420. 006320. 00074 槡 2 0. 0065 u ρ 0. 0065 5. 00 0. 032 μg/mL 2 10. 00 μg/mL SiO2标准溶液的不确定度 5 mL 刻度移液管移取 5. 00 mL 标准储备溶 液, 按 JJG 1961990[13 ]规定, 5 mL 刻度移液管的 示值允差为 0. 025 mL, 假设其为三角分布, 则 u V21 0. 025 槡 6 0. 010 mL。据经验, 重复性不确 306 第 5 期王亚平等 硅钼黄分光光度法测定地下水中偏硅酸的不确定度评定第 29 卷 ChaoXing 定度 u V22 0. 012 mL。 温度误差引入的不确定度 △V 2. 1 10 -4 5 5 0. 0053 mL 按矩形分布计算 u V23 0. 0053 槡 3 0. 0031 mL 因此 u V2 0.01020.01220.0031 槡 2 0.0159 mL urel V2 0. 0159 5 0. 0032 10.00 μg/mL SiO2标准溶液的相对不确定度为 urel ρ 2 u2 rel ρ 0 u 2 rel V2 u 2 rel V 槡 0.001420.003220.00074 槡 2 0.0036 u ρ2 0. 0036 10. 00 0. 036 μg/mL 3 15.00 μg/mL SiO2标准溶液的相对不确定度 10 mL 刻度移液管移取 7. 50 mL 标准储备溶 液, 按 JJG 1961990[13 ]规定, 10 mL 刻度移液管的 示值允差为 0. 05 mL, 假设其为三角分布, 则 u V31 0. 05 槡 6 0. 020 mL 据经验, 重复性不确定度 u V32 0. 025 mL。 温度误差引入的不确定度 △V 2. 1 10 -4 7. 5 5 0. 0079 mL 按矩形分布计算 u V33 0. 0079 槡 3 0. 0046 mL 因此, u V3 0.02020.02520.0046 槡 2 0.0323 mL urel V3 0. 0323 7. 5 0. 0043 15.00 μg/mL 的SiO2标准溶液的相对不确定度为 urel ρ 3 u2 rel ρ 0 u 2 rel V3 u 2 rel V 槡 0. 001420. 004320. 00074 槡 2 0. 0046 u ρ3 0. 0046 15. 00 0. 069 μg/mL 4 20. 00 μg/mL SiO2标准溶液的不确定度 10 mL 刻度移液管移取 10. 00 mL 标准储备溶 液, 按 JJG 1961990[13 ]规定, 10 mL 刻度移液管的 示值允差为 0. 05 mL, 假设其为三角分布, 则 u V41 0. 05 槡 6 0. 020 mL 据经验, 重复性不确定度 u V42 0. 025 mL。 温度误差引入的不确定度 △V 2. 1 10 -4 10 5 0. 0105 mL 按矩形分布计算 u V43 0. 0105 槡 3 0. 0061 mL 因此, u V4 0.02020.02520.0061 槡 2 0.0326 mL urel V4 0. 0326 10 0. 0033 20.00 μg/mL 的 SiO2标准溶液的不确定度为 urel ρ 4 u2 rel ρ 0 u 2 rel V4 u 2 rel V 槡 0. 001420. 003320. 00074 槡 2 0. 0037 u ρ4 0. 0037 20. 00 0. 074 μg/mL 5 25.00 μg/mL 的 SiO2标准溶液的不确定度 25 mL 刻度移液管移取 12. 50 mL 标准储备溶 液, 按 JJG 1961990[13 ]规定, 25 mL 刻度移液管的 示值允差为 0. 10 mL, 假设其为三角分布, 则 u V51 0. 10 槡 6 0. 041 mL 据经验, 重复性不确定度 u V52 0. 05 mL。 温度误差引入的不确定度 △V 2. 1 10 -4 12. 5 5 0. 0131 mL 按矩形分布计算 u V53 0. 0131 槡 3 0. 0076 mL 因此, u V5 0.04120.0520.0076 槡 2 0.0651 mL urel V5 0. 0651 12. 5 0. 0052 25.00 μg/mL 的 SiO2标准溶液的不确定度为 urel ρ 5 u2 rel ρ 0 u 2 rel V5 u 2 rel V 槡 0. 001420. 005220. 00074 槡 2 0. 0054 u ρ5 0. 0054 25. 00 0. 135 μg/mL SiO2标 准 系 列 溶 液 的 浓 度 分 别 为 单 位 μg/mL 5. 00 0. 032, 10. 00 0. 036, 15. 00 0. 069, 20. 00 0. 074, 25. 00 0. 135。 2. 3吸光度产生的不确定度 向 SiO2标准溶液系列中分别加入 1. 0 mL 50的 HCl 和 2. 0 mL 钼酸铵溶液 100 g/L , 摇 匀。放置 30 min, 于 440 nm 波长处, 用 3 cm 比色 406 第 5 期 岩矿测试 http ∥www. ykcs. ac. cn 2010 年 ChaoXing 皿, 以试剂空白作参比, 测量其吸光度。对各标准 点重复测定 5 次, 测定数据及统计结果见表 1。 表 1标准系列的吸光度数据及统计① Table 1Absorbency of standard solutions and their statistical results 测量次数 标准系列溶液的吸光度 0.00 μg/mL 5.00 μg/mL 10.00 μg/mL 15.00 μg/mL 20.00 μg/mL 25.00 μg/mL 10.0030.1230.2400.3540.4720.592 20.0040.1240.2400.3550.4730.589 30.0050.1230.2380.3530.4710.584 40.0030.1230.2410.3560.4720.587 50.0030.1220.2370.3520.4700.583 平均值 y0.0036 0.1230.2390.3540.4720.587 标准偏差 s0.000890.00071 0.001640.001580.001140.00367 dy0.000400.000320.000740.000710.000510.00164 ① dy 为平均值的标准偏差 dy s/槡n, 其中 s 为标准偏差, n 为测量次数。 2. 4标准曲线的拟合回归 由 x、 dx、 y、 dy 数据, 根据 x、 y 相对差广义双误 差回归 [11 ]得到回归曲线方程为 y 0. 006 3 0. 0233x, a 0. 006 3 0. 001 3, b 0. 023 3 0. 0001, 相关系数 r 1。通过回归曲线方程, 可以 得到调整值 xc和相应的不确定度 dxc。数据见表 2 其中标准曲线范围内的任意点 x 的误差计算参见 文献[ 14] 。 表 2标准曲线拟合的数据 Table 2Results of standard curve fitting x/ μgmL -1 dxydy xc/ μgmL -1 dxc 5.000.0320.1230.000325.0170.079 10.000.0360.2390.0007410.000.076 15.000.0690.3540.0007114.950.051 20.000.0740.4720.0005120.020.038 25.000.1350.5870.0016424.960.071 2. 5合成标准不确定度 对于一次实际测量, 其 SiO2浓度的标准不确 定度的估计值可由下式计算 dx dxi x i 2 dyi y i 2 dxc x c 槡 2 xc 有关此公式的详细注释参见文献[ 14] 。 由1.2 节偏硅酸和 SiO2浓度的换算公式可知 ρH2SiO31. 3 ρSiO2 MH2SiO3 MSiO2 ρ SiO2 根据 IUPAC 2005 年发布的各元素相对原子质 量, 假设按均匀分布, 计算得到 SiO2、 H2SiO3分子 中 H、 Si、 O 的标准不确定度见表 3。 表 3H、 Si、 O 的相对原子质量和标准不确定度 Table 3Relative atomic mass and uncertainty of H,Si,O 元素相对原子质量不确定度标准不确定度 H1.00794 70.000070.000040 Si28.0855 30.00030.00017 O15.9994 30.00030.00017 SiO2的摩尔质量的标准不确定度 u MSiO2 0.0001722 0.00017 槡 2 0.00038 所以, urel MSiO2 0. 00038 60. 0843 6. 32 10 -6 同上, 偏硅酸的摩尔质量的标准不确定度 u MH2SiO3 20.000040 2 0.00017230.00017 槡 2 0. 00054 所以, urel MH2SiO3 0. 00054 78. 09958 6. 91 10 -6 因此, 偏硅酸含量的相对不确定度为 u2 rel ρ H2SiO3 u 2 rel MSiO2 u 2 rel MH2SiO3 u 2 rel ρ SiO2 因为 urel MSiO2 、 urel MH 2SiO3 与 urel ρ SiO2 相差 至少 3 个数量级, 所以可以忽略不计。因而 u ρ H2SiO3 dxi xi 2 dyi yi 2 dxc xc 槡 2 ρ H2SiO3 2. 6样品测定及不确定度评定 取待测水样1 和水样2 各50 mL 于容量瓶中, 分别加入 1. 0 mL 50 的 HCl 和 2. 0 mL 钼酸铵溶 液 100 g/L , 摇匀。放置 30 min 后, 测量其吸光 度。测定结果见表 4。 表 4水样分析 Table 4Analytical results of water samples 测量次数 吸光度 水样1 水样2 10.23950.4681 20.24210.4697 30.23860.4679 40.24070.4683 50.23980.4679 水样 1 测定结果的平均值 y 0. 2401, 通过拟 合回归方程可以得到水样 1 中 SiO2浓度 xc 10. 05, 利用公式计算得出拟合的标准不确定度 dxc 506 第 5 期王亚平等 硅钼黄分光光度法测定地下水中偏硅酸的不确定度评定第 29 卷 ChaoXing 0. 075 12。用插值法计算得出 dx 0. 036 33, dy 0. 00074。此时水样 1 中偏硅酸浓度为 10. 05 1. 3 13. 065 μg/mL。合成标准不确定为 u 0.03633 10.05 2 0.00074 0.2401 2 0.07512 10.05 槡 2 13.065 0. 116 μg/mL 若取扩展因子 K 2, 则水样 1 偏硅酸的浓度为 13.07 0.24 μg/mL。其中标准溶液配制引入的 不确定度占总不确定度的16.64, 样品测试引入的 不确定度占总不确定度的12.11, 拟合及计算过程 所引入的不确定度占总不确定度的71.25。 水样 2 测定结果的平均值为 y 0. 4684, 通过 拟合回归方程可以得到水样 2 中 SiO2浓度 xc 19. 86, 利用公式计算得出拟合的标准不确定度 dxc 0. 035 09。用插值法计算得出 dx 0. 073 86, dy 0. 00052。此时水样 2 中偏硅酸浓度为 19. 86 1. 3 25. 818 μg/mL。合成标准不确定度为 u 0.07386 19.86 2 0.00052 0.4684 2 0.03509 19.86 槡 2 25. 818 0. 110 μg/mL 若取扩展因子 K 2, 则水样 2 偏硅酸的浓度为 25.82 0.23 μg/mL。其中标准溶液配制引入的 不确定度占总不确定度的76.06, 样品测试引入的 不确定度占总不确定度的 6. 78, 拟合及计算过程 所引入的不确定度占总不确定度的17.16。 3结语 本文依据地下水检验方法 DZ/T 0064. 6293 硅钼黄比色法测定硅酸 对水样中的偏硅酸含量 进行测定, 并采用不确定度连续传递模型对测试过 程中产生的不确定度进行了评定。从不确定度的 评定过程可以得到以下结论。 1 硅钼黄比色法测定硅酸的不确定度主要 来源于二氧化硅标准系列配制、 样品测试和标准曲 线拟合过程 3 部分。而二氧化硅和偏硅酸摩尔质 量的不确定度均较小, 可以忽略不计。 2 样品中偏硅酸的浓度不同, 各不确定度分 量的贡献率也不同。当样品的含量较低时, 标准曲 线的拟合过程引入的不确定度对总不确定度有较 大的贡献率, 成为主导因素。 3 在日常工作中, 使用精度高的量器、 纯度 高的标准试剂, 在测定过程中将仪器调试到最佳状 态等方法, 可大大降低样品的测量误差, 获得较小 的不确定度。 4参考文献 [ 1]地质矿产部水文地质工程地质研究所. 水的分析 [ M] . 北京 地质出版社, 1990 60 -61. 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