Cómo medir metales pesados de la forma más sencilla
1. Principios básicos
El equipo de detección de químicos consta de tres partes. La solución electrolítica es el objeto de análisis de la química electroanalítica. Los sensores electroquímicos también se denominan electrodos. Según sus diferentes formas de aplicación, se dividen en sistemas de dos, tres y cuatro electrodos. Los electrodos están conectados al instrumento de detección a través de un circuito. Durante la detección, la corriente fluye de un electrodo a otro a través del circuito externo que conecta los electrodos y, al mismo tiempo, se produce una reacción electroquímica en la interfaz electrodo/solución. A medida que avanza la reacción, los iones positivos y negativos en la solución electrolítica. se mueven entre los electrodos en la dirección del campo eléctrico. Se produce un movimiento que permite que la carga se transfiera entre la solución y el electrodo.
2． Métodos de detección de metales pesados
Según el método de clasificación de la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada, el análisis electroquímico generalmente se puede dividir en tres categorías principales. La primera categoría son los métodos que no implican la doble capa eléctrica y la reacción del electrodo, como el análisis de conductividad, el análisis de titulación de alta frecuencia, etc.; la segunda categoría son los métodos que implican la doble capa eléctrica pero no implican reacciones del electrodo, como por ejemplo; como algunos métodos de medición no faradaicos. La tercera categoría son los métodos que involucran reacciones eléctricas de doble capa y de electrodos, como polarografía, voltamperometría, análisis potenciométrico, análisis de Coulomb y la mayoría de los demás métodos de análisis electroquímicos. Existen principalmente los siguientes métodos que se pueden utilizar para analizar elementos metálicos pesados en análisis electroquímicos.
2.1 Método potenciométrico
El método potenciométrico consiste en medir los cambios de potencial o fuerza electromotriz entre los electrodos sin mantener corriente entre los electrodos. Un método de análisis electroquímico que mide la composición y el contenido de. sustancias en una solución. Los electrodos selectivos de iones se utilizan ampliamente en análisis potenciométricos. El electrodo selectivo de iones es un tipo de sensor electroquímico que utiliza el potencial de membrana para medir la actividad o concentración de iones en una solución. Cuando el electrodo entra en contacto con los iones a medir, se generará un electrodo selectivo de iones en el heterogéneo. interfaz entre la membrana sensible y la solución. El potencial de membrana está relacionado con la actividad del ion medido, y la actividad se puede convertir en concentración de iones bajo ciertas condiciones. Los electrodos selectivos de iones tienen las ventajas de un uso fácil, una velocidad de detección rápida, una estructura de instrumento simple, un bajo consumo de energía y una operación sencilla. Song Wencuo y otros utilizaron electrodos de iones selectivos para medir plomo, cadmio y cobre en agua de mar. Los experimentos demostraron que los resultados de la detección del sensor son precisos, confiables y de bajo costo, y son adecuados para un monitoreo rápido de metales pesados en el sitio. Liu Xinlu et al. utilizaron una membrana de PVC dopada con ionóforos para producir un electrodo selectivo de iones de zinc de metal pesado y lo aplicaron para la detección de zinc en aguas residuales industriales y alimentos. Los resultados mostraron que el electrodo tiene las ventajas de un tiempo de respuesta corto y bueno. estabilidad. La principal desventaja de los electrodos selectivos de iones actuales es que la sensibilidad y precisión de la detección son relativamente bajas, lo que dificulta el análisis de trazas. Debido a que su membrana sensible se ve fácilmente afectada por otros iones en la solución, a menudo se producen múltiples cruces de iones cuando se miden datos reales. Además, la corta vida útil de la sensible membrana también es un problema importante que restringe la aplicación de electrodos selectivos de iones.
2.2 Análisis Conductométrico
Método de Análisis Conductométrico es un método para el análisis cualitativo y cuantitativo de la sustancia medida midiendo la conductividad de la solución. Actualmente, el análisis de conductividad directa y el análisis de titulación conductimétrica se utilizan ampliamente. El análisis de conductividad tiene las ventajas de una velocidad de detección rápida, una estructura de instrumento simple y una operación sencilla. Sin embargo, el análisis de conductividad generalmente solo puede medir la conductividad general de todos los iones en la solución. Para sistemas de solución complejos, es difícil distinguir las especies de iones en la solución y la selectividad del método es deficiente.
2.3 Polarografía
La polarografía es un método que detecta la relación corriente-potencial (o potencial-tiempo) de electrodos polarizados producidos durante reacciones electroquímicas. Un método para analizar la composición y concentración de. la sustancia a medir en la solución. La polarografía generalmente utiliza un electrodo de haz de gotas líquidas capaz de renovar la superficie como electrodo de trabajo. Según el principio de detección, la polarografía se puede dividir en dos categorías: polarografía de control de potencial y polarografía de control de corriente. Según el método de escaneo del electrodo de trabajo, la polarografía se puede dividir en polarografía de CC, polarografía de CA, polarografía de escaneo único, polarografía de onda cuadrada, polarografía de pulso, polarografía semidiferencial, etc. La polarografía se puede utilizar para determinar plomo, cadmio, disolvente, estaño, cadmio y otros iones de metales pesados. Su sensibilidad puede alcanzar 1 (-9 mol/L. Tiene las ventajas de una alta sensibilidad de detección y una gran resolución, por lo que se utiliza ampliamente en. metalurgia, alimentación, análisis medioambiental y muchos otros campos.
2.4 Voltametría de redistribución
Con la aplicación generalizada de la polarografía, el electrodo de gotas se ha convertido en el electrodo de trabajo más utilizado en análisis electroquímicos en el último siglo. La principal ventaja del electrodo de gota es que la superficie del electrodo se puede actualizar periódicamente y su superficie de trabajo es más fácil de controlar. Sin embargo, no es altamente tóxico ni volátil, y es problemático eliminar los desechos después de su uso. Además, cuando se agita la solución de detección, el electrodo de gota se deforma fácilmente, lo que afecta su precisión analítica. Con el desarrollo de la tecnología de la química electroanalítica, la aplicación de electrodos de estado sólido se está generalizando cada vez más. Kolthaff, Laitinen y otros aplicaron por primera vez la tecnología de análisis de corriente-potencial de la polarografía a electrodos de estado sólido y propusieron así el método de análisis voltamétrico. En comparación con la polarografía, la voltamperometría tiene una mayor sensibilidad de detección y un límite de detección más bajo. Al mismo tiempo, debido al uso de electrodos sólidos, la voltamperometría es más adecuada para el análisis en línea in situ. De manera similar a la polarografía, la voltametría se puede dividir en voltametría lineal, voltametría de onda escalonada, voltametría de onda de pulso, voltametría de onda sinusoidal, etc., según diferentes métodos de escaneo de potencial. Cuando se analizan metales pesados, la tecnología de enriquecimiento electrolítico se utiliza a menudo para concentrar y enriquecer primero los iones medidos desde una solución relativamente diluida a la superficie del electrodo de trabajo, y luego utilizar el análisis voltamétrico para hacer que los metales enriquecidos en la superficie del electrodo desaparezcan en una forma muy rápida. Redisolución en poco tiempo, obteniendo así una corriente faradaica más fuerte que la voltamperometría ordinaria; este método se denomina voltamperometría de stripping. La voltamperometría de decapado se puede dividir en voltamperometría de decapado anódico, voltamperometría de decapado catódico, voltamperometría de decapado por adsorción, etc., según diferentes principios de enriquecimiento electrolítico.
(1) Voltametría de stripping catódico
La voltamperometría de stripping catódico (Voltamperometría de stripping catódico) requiere tres procesos: electrodeposición, reposo y disolución. Los aniones a medir en la solución primero sufren una reacción de oxidación con un potencial positivo y se combinan con el material del electrodo para formar una película insoluble. Luego, después de que la solución ha reposado durante un período de tiempo, la exploración de potencial pasa del potencial positivo al potencial negativo, lo que hace que los aniones se disuelvan nuevamente y genere un pico de corriente de disolución del cátodo. Dado que las sales insolubles tienen sus propios potenciales de reducción, los tipos de aniones en la solución se pueden conocer analizando el diagrama de relación de corriente máxima-potencial, y la información de la concentración de aniones se puede obtener midiendo la intensidad de corriente máxima. Long et al. utilizaron voltamperometría de extracción de cátodos de onda cuadrada combinada con un electrodo de grafito pirolítico modificado con película de bismuto para medir trazas en agua, y el límite de detección alcanzó 0,7 ng/L. Sophie et al. utilizaron voltamperometría de extracción de cátodos de onda cuadrada, combinada con electrodos de cobre modificados con película de bismuto, para detectar Ni2+ en aguas residuales industriales, aguas superficiales y agua del grifo. Los resultados mostraron que este método tiene una alta sensibilidad y selectividad de detección.
(2) Voltametría de extracción por adsorción
La voltametría de extracción por adsorción no utiliza el método de deposición potencial para enriquecer la sustancia medida, sino que se deposita en la superficie del electrodo y modifica algunos agentes complejantes de iones o agentes complejantes. de modo que los iones medidos se combinen con ellos para formar complejos, siendo así adsorbidos y enriquecidos en la superficie del electrodo. Luego se utiliza el método de escaneo de potencial para disolver los iones medidos de la superficie del electrodo y se analiza el potencial obtenido. La información de la sustancia que se está midiendo se puede obtener de la curva An. La voltametría de separación por adsorción se desarrolló gradualmente con el desarrollo de electrodos modificados químicamente. Sus principales ventajas son la alta sensibilidad de detección, buena precisión, estructura simple del instrumento y fácil operación. Di Xiaowei et al. utilizaron derivados de Calixan para modificar el electrodo de carbono vítreo y luego utilizaron voltamperometría de adsorción para medir trazas de plomo en muestras de agua mezcladas. El límite de detección del método alcanzó el límite de detección del método. Lo modificó con quercetina. Se utilizó un electrodo de pasta de carbón combinado con voltamperometría de adsorción para determinar el plomo en el suero humano. La principal desventaja es de 8,0 molI/L. La voltamperometría de separación por adsorción es que se ve afectada por Las sustancias adsorbidas existentes tienen una mayor interferencia y son propensas a una adsorción competitiva en el electrodo, lo que afecta su sensibilidad de detección. Además, dado que el proceso de enriquecimiento por adsorción es más lento que el proceso de electrodeposición, el tiempo de detección de la voltamperometría de adsorción es generalmente más largo.
(3) Voltametría de extracción anódica
La voltamperometría de extracción anódica (análisis de extracción anódica, ASV) es el método más utilizado para la detección electroquímica de metales pesados. De manera similar a la voltametría de extracción catódica, la voltamperometría de extracción anódica también incluye tres etapas: electrodeposición, reposo y disolución. Su diagrama de funcionamiento se muestra en la Figura 1-2.
Durante el análisis, primero se aplica un potencial negativo constante al electrodo de trabajo, lo que provoca que varios cationes metálicos en la solución experimenten reacciones de reducción en la superficie del electrodo y se depositen en la superficie del electrodo de trabajo. Después de un período de enriquecimiento, la concentración de la sustancia medida en la superficie del electrodo aumentó significativamente. Después de un período de reposo de la solución, el instrumento controla el potencial en el electrodo de trabajo para escanear de potencial negativo a potencial positivo. Cuando el potencial alcanza el potencial de oxidación de un determinado metal, el metal se oxida y se disuelve rápidamente para formar una sustancia fuerte. pico de corriente de disolución, y se registra la corriente -curva potencial para obtener el voltamograma de extracción anódica. Dado que diferentes metales pesados tienen diferentes potenciales de disolución, el tipo de iones de metales pesados contenidos en la solución se puede conocer analizando la posición del pico de la corriente de disolución en el voltamograma, y el tamaño del pico de la corriente de disolución es proporcional a la concentración del En consecuencia, se puede obtener información sobre la concentración de iones de metales pesados.
La reacción electroquímica que se produce en el electrodo durante el análisis de voltametría de extracción anódica se puede expresar como:
La voltametría de extracción anódica tiene una alta sensibilidad de detección y un límite de detección bajo (el límite de detección de metales pesados). Puede alcanzar 10-12 mol/L), velocidad de análisis rápida y puede detectar múltiples elementos metálicos pesados (4-6 tipos) al mismo tiempo. Al mismo tiempo, su instrumento de detección tiene una estructura simple y es fácil de operar. y es fácil de automatizar, por lo que se utiliza ampliamente en el medio ambiente, la alimentación, la industria, la monitorización médica y otros campos. Christos et al. utilizaron voltamperometría de pulso de onda cuadrada utilizando una película metálica secreta como electrodo de trabajo para analizar elementos de plomo y cadmio en fertilizantes fosfatados. Los resultados mostraron que la sensibilidad de detección de este método era buena y el límite de detección alcanzó plomo: 0,5 ng. /L, cadmio: 1 Mg/Lo Meucci et al. utilizaron ácido fuerte y peróxido de hidrógeno para digerir la carne de pescado comestible, utilizaron tampón de acetato como electrolito y utilizaron voltamperometría de extracción de ánodos de onda cuadrada para detectar iones de plomo, pinzas, litio y cobre. en la muestra. Los resultados mostraron que el método tiene una alta precisión de detección y se puede aplicar prácticamente al análisis de elementos metálicos pesados en sustancias orgánicas. El doméstico Wang Yazhen utilizó un electrodo de carbón vítreo modificado con negro de acetileno/quitosano como electrodo de trabajo y utilizó voltamperometría de extracción anódica para detectar trazas de plomo en el agua del lago. Los resultados mostraron que el método de extracción anódica tiene una buena sensibilidad de detección y el límite de detección del. El método alcanzó mol/L. Ping Jianfeng et al. utilizaron electrodos de carbono de película gruesa combinados con voltametría de extracción de ánodos de pulso de onda cuadrada para detectar iones de plomo y cadmio en soluciones acuosas, y analizaron los parámetros de trabajo de la voltamperometría de extracción de ánodos. La detección del método tiene alta sensibilidad y buena precisión. En aplicaciones prácticas, el oxígeno disuelto y los iones existentes en la solución no tienen un impacto obvio en la detección.