質(zhì)量法測定植物營養(yǎng)液中電導(dǎo)率可行性

收稿日期：20231230

通信作者：廖曉斌（1984），女，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事水環(huán)境和水安全的研究。Email：liaoxb@hqu.edu.cn。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51878301）；青年科技創(chuàng)新資助項(xiàng)目（23YYST06QCB29）

摘要：通過與測定電導(dǎo)率的傳統(tǒng)電極法對比，探討運(yùn)用質(zhì)量法測定植物營養(yǎng)液電導(dǎo)率的可行性。結(jié)果表明：采用質(zhì)量法測定植物營養(yǎng)液中的電導(dǎo)率，測定值與采用高精度電導(dǎo)率/總?cè)芙庑怨腆w水質(zhì)測試筆測定結(jié)果極為接近，分別為19.85，19.30mS·cm-1；溶液中的顆粒物僅貢獻(xiàn)2.4%的電導(dǎo)率，懸浮物和膠體對電導(dǎo)率貢獻(xiàn)更低（0.5%），絡(luò)合態(tài)的有機(jī)物對電導(dǎo)率貢獻(xiàn)也有限；解絡(luò)后，植物營養(yǎng)液的電導(dǎo)率由19.30mS·cm-1急劇增至66.68mS·cm-1。

關(guān)鍵詞：電導(dǎo)率；質(zhì)量法；電極法；總?cè)芙庑怨腆w

中圖分類號：X824文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：10005013（2022）02027105

液體電導(dǎo)率的測量在地球物理、水處理、食品加工及海洋工程等領(lǐng)域具有重要意義［15］。電導(dǎo)率表示溶液傳導(dǎo)電流的能力，它經(jīng)常用來表示水的純度。當(dāng)水中含有無機(jī)酸、堿、鹽或有機(jī)帶電膠體時(shí)，電導(dǎo)率就增加［6］。水溶液的電導(dǎo)率取決于帶電荷物質(zhì)的性質(zhì)和質(zhì)量濃度、溶液的溫度和粘度等［7］。

液體中電導(dǎo)率一般采用電極法來進(jìn)行測量，而傳統(tǒng)的電導(dǎo)率儀采用四電極電導(dǎo)率測量探頭［8］，其與液體接觸的電極會(huì)因腐蝕和污染而變質(zhì)，從而影響測量的準(zhǔn)確性［9］。因此，目前對電導(dǎo)率測量方法的研

究主要集中在如何解決電極因多次接觸液體而遭到腐蝕的問題，有研究提出一種采用非接觸式電極取代接觸式電極，也稱為電磁感應(yīng)式電導(dǎo)率傳感器［1011］。非接觸式電極不存在電極腐蝕或污染的問題，也不存在極化效應(yīng)［12］。然而，此類電極存在測量誤差較大的問題［13］。此外，電容耦合式非接觸電導(dǎo)的測量方法也經(jīng)常被用于液體的電導(dǎo)率測量中［14］。然而，此類方法無法應(yīng)用于需要將電導(dǎo)探針浸沒在液體中的場合［15］。因此，對于測量電導(dǎo)率方法的探索仍沒有解決可以防止電極污染的同時(shí)，又能適用于各種場合的電導(dǎo)率測量?；诖?，本文對質(zhì)量法測定植物營養(yǎng)液中電導(dǎo)率可行性進(jìn)行研究。

1研究方法

1.1實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

高精度電導(dǎo)率（EC）/總?cè)芙庑怨腆w（TDS）水質(zhì)測試筆（天津市諾華清源科技有限公司）；DHG9030A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海市圣欣科學(xué)儀器有限公司）；SXL1008型程控箱式馬弗爐（上海市精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）；微孔濾膜（孔徑為0.45，0.22μm）及配套濾器；AR224C型電子分析天平（美國奧豪斯儀器有限公司）；200mL瓷坩堝；250mL量筒；1L燒杯；1mL移液槍；AdvantageA10型超純水機(jī)（美國密理博有限公司）；植物營養(yǎng)液（1mol·L-1濃硫酸，超純水（電阻率為18.2MΩ·cm-1））。

1.2實(shí)驗(yàn)步驟

通過高精度EC/TDS水質(zhì)測試筆測定樣品的電導(dǎo)率和總?cè)芙庑怨腆w，確定電極法測量樣品的數(shù)據(jù)。將5個(gè)坩堝在（105±3）℃的烘箱中烘30min，冷卻30min后稱質(zhì)量，直至恒質(zhì)量（兩次稱質(zhì)量相差不超過0.5mg），從而確定坩堝的質(zhì)量。移取5次振蕩均勻的水樣200mL，置于5個(gè)不同的坩堝內(nèi)，稱其質(zhì)量，隨后移入（105±3）℃的烘箱中，每次烘6h，冷卻30min后稱質(zhì)量，直至恒質(zhì)量，從而確定可溶性固體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。將烘干至恒質(zhì)量的坩堝和樣品繼續(xù)移入馬弗爐中，分別在500，900℃下進(jìn)行煅燒，每次煅燒結(jié)束后稱質(zhì)量，再次進(jìn)行下一個(gè)溫度的煅燒，從而分別確定有機(jī)物和溶液中離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。將900℃馬弗爐煅燒過的坩堝分別用200mL超純水潤洗后，用高精度EC/TDS水質(zhì)測試筆測定其電導(dǎo)率和總?cè)芙庑怨腆w，從而確定樣品中電導(dǎo)率的起主要貢獻(xiàn)的物質(zhì)類別。移取振蕩均勻的水樣1L，置于1L燒杯內(nèi)，測量其電導(dǎo)率和總?cè)芙庑怨腆w，隨后將1mol·L-1濃硫酸用1mL移液槍逐滴加入到溶液中，直到溶液pHlt;2，再次測量其電導(dǎo)率和總?cè)芙庑怨腆w，從而確定樣品中絡(luò)合態(tài)離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)?？偣策M(jìn)行了3次平行實(shí)驗(yàn)。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1電極法測量植物營養(yǎng)液中的電導(dǎo)率

溶液中電導(dǎo)率的大小可以間接反應(yīng)溶液中離子的質(zhì)量濃度［16］。宋晨等［17］用兩電極法測試PVS2聚合物凝膠

電解質(zhì)的電導(dǎo)率，從而證實(shí)了PVS2凝膠有更多的帶正負(fù)電荷的基團(tuán)。因此，用高精度EC/TDS水質(zhì)測試筆測得營養(yǎng)液的電導(dǎo)率，從而找出營養(yǎng)液中各種物質(zhì)對電導(dǎo)率（σE）貢獻(xiàn)。營養(yǎng)液電導(dǎo)率，如圖1所示。

由圖1可知：原液電導(dǎo)率為19.30mS·cm-1，稀釋1倍后的營養(yǎng)液電導(dǎo)率為10.40mS·cm-1，稀釋5倍后的營養(yǎng)液電導(dǎo)率為5.03mS·cm-1，表明稀釋后營養(yǎng)液的電導(dǎo)率并非完全成倍數(shù)降低。這是由于營養(yǎng)液中的部分絡(luò)合物水解成可導(dǎo)電離子，從而使?fàn)I養(yǎng)液的電導(dǎo)率升高，該結(jié)論與先前的研究一致。在以鋰離子傳輸?shù)木植扛邼舛入娊赓|(zhì)中，當(dāng)溶液電解質(zhì)進(jìn)行稀釋之后，離子的電導(dǎo)率反而會(huì)略有增加，可能是因?yàn)殡娊赓|(zhì)粘度的降低，離子擴(kuò)散率隨著非配位氫氟醚（HFE）質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加［18］。

聚醚砜膜可根據(jù)孔徑的大小過濾不同類型的固體物質(zhì)［19］，0.45μm的膜能過濾掉細(xì)小顆粒物，但不能去除營養(yǎng)液中的懸浮物、膠體等［20］；0.22μm的膜能過濾掉營養(yǎng)液中的懸浮物、膠體等［21］。由圖1還可知：營養(yǎng)液通過0.45μm的膜進(jìn)行過濾，電導(dǎo)率為18.86mS·cm-1，僅降低0.47mS·cm-1，顆粒物對溶液電導(dǎo)率的貢獻(xiàn)率為2.4%，說明在營養(yǎng)液中決定電導(dǎo)率的物質(zhì)并不是顆粒物，而在土壤中，顆粒物對電導(dǎo)率貢獻(xiàn)最大［22］；營養(yǎng)液繼續(xù)通過0.22μm聚醚砜膜進(jìn)行過濾，兩次電導(dǎo)率差值（0.10mS·cm-1）就是懸浮物和膠體對電導(dǎo)率的貢獻(xiàn)，因此，懸浮物和膠體對植物營養(yǎng)液的電導(dǎo)率貢獻(xiàn)也不大，僅為0.5%。

2.2質(zhì)量法測離子質(zhì)量濃度

電導(dǎo)率表示溶液傳導(dǎo)電流的能力［23］，而傳導(dǎo)電流的能力又是由溶液中離子質(zhì)量濃度決定［2324］。據(jù)此，從準(zhǔn)確測量溶液中離子質(zhì)量濃度的角度，提出運(yùn)用質(zhì)量法測定營養(yǎng)液的質(zhì)量濃度（ρ），如圖2所示。

由圖2可知：1L營養(yǎng)液的固體質(zhì)量為1018.9g，在105℃下烘干后，質(zhì)量為50.3g，說明固體質(zhì)量濃度為50.3g·L-1；500～700℃煅燒后，剩余營養(yǎng)液的固體質(zhì)量濃度為14.1g·L-1，由于此溫度可去除大多數(shù)有機(jī)物［2526］，說明有機(jī)物質(zhì)量濃度為36.2g·L-1；繼續(xù)升高煅燒溫度至900℃，固體的質(zhì)量濃度變化甚微；經(jīng)過900℃煅燒后，不可揮發(fā)的總?cè)芙庑怨腆w的質(zhì)量濃度為13.3g·L-1［27］；105和900℃煅燒后的營養(yǎng)液的質(zhì)量之差為可揮發(fā)性有機(jī)物，因此，可揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)量濃度為37g·L-1，這表明該營養(yǎng)液含有豐富的有機(jī)物。

總?cè)芙庑怨腆w代表水中不可揮發(fā)的總?cè)芙庑怨腆w，可在一定程度反映水質(zhì)［28］。通?？?cè)芙庑怨腆w質(zhì)量越低，表明水中的重金屬離子等可溶性鹽類越少，離子質(zhì)量濃度越少，水質(zhì)越純［29］。電導(dǎo)率和鹽質(zhì)量濃度之間存在一定的比例關(guān)系，電導(dǎo)率和不同水的關(guān)系，如表1所示［30］。表1中：K為比例常數(shù)。

ρTDS=K×σE，當(dāng)原液的電導(dǎo)率為19.3mS·cm-1，則根據(jù)表1，系數(shù)K=0.67，根據(jù)有機(jī)物質(zhì)量濃度計(jì)算出營養(yǎng)液的電導(dǎo)率為19.85mS·cm-1，該值與用高精度EC/TDS水質(zhì)測試筆測得的19.30mS·cm-1接近，表明兩種方法殊途同歸。用1L超純水潤洗900℃馬弗爐煅燒過的坩堝，測定電導(dǎo)率和總?cè)芙庑怨腆w質(zhì)量濃度。營養(yǎng)液煅燒前、后的參數(shù)的比較，如圖3所示。

（a）電導(dǎo)率（b）總?cè)芙庑怨腆w質(zhì)量濃度

由圖3（a）可知：煅燒前、后的營養(yǎng)液電導(dǎo)率僅從19.3mS·cm-1降低至17.2mS·cm-1，這表明營養(yǎng)液的電導(dǎo)率主要由不可揮發(fā)的溶解性固體貢獻(xiàn)，而可揮發(fā)的有機(jī)物對電導(dǎo)率得貢獻(xiàn)有限，這與上述電極法測定的結(jié)果相同。由圖3（b）可知：營養(yǎng)液營養(yǎng)豐富，總?cè)芙庑怨腆w質(zhì)量濃度高達(dá)22000mg·L-1，而經(jīng)過煅燒后，幾乎沒有殘留。

2.3營養(yǎng)液解絡(luò)前后電導(dǎo)率

營養(yǎng)液含有大量的有機(jī)物（圖2），這些有機(jī)物大多數(shù)以絡(luò)合態(tài)的形式存在，可絡(luò)合其中大部分的無機(jī)離子，使游離的離子質(zhì)量濃度大大減少。為證實(shí)這一猜想，將營養(yǎng)液用濃硫酸酸化（pHlt;2），使絡(luò)合態(tài)的有機(jī)物全部解絡(luò)合，釋放出無機(jī)離子［31］，再測定其電導(dǎo)率，營養(yǎng)液解絡(luò)前、后的電導(dǎo)率，如圖4所示。

由圖4可知：解絡(luò)前的營養(yǎng)液的電導(dǎo)率為20.10mS·cm-1，酸解絡(luò)后的營養(yǎng)液的電導(dǎo)率急劇增加，高達(dá)66.68mS·cm-1。這表明營養(yǎng)液中，被絡(luò)合的離子是游離態(tài)離子的3倍多，這與之前的研究結(jié)果相似，植物營養(yǎng)液中含有充足的鐵絡(luò)合物［32］。因此，營養(yǎng)液可為植物提供充足的營養(yǎng)，且具有巨大的緩沖能力，可適應(yīng)不同的土壤環(huán)境。同時(shí)，也再次驗(yàn)證了質(zhì)量法對營養(yǎng)液中電導(dǎo)率測量是可行的。

3結(jié)束語

運(yùn)用質(zhì)量法測量植物營養(yǎng)液中的電導(dǎo)率是可行的，該法測得的電導(dǎo)率（19.85mS·cm-1）與電極法（19.30mS·cm-1）相近；溶液中的電導(dǎo)率是由溶解性的游離無機(jī)離子貢獻(xiàn)的，顆粒物、懸浮物、膠體、有機(jī)物對電導(dǎo)率貢獻(xiàn)有限。在實(shí)驗(yàn)室無儀器時(shí)，可采用質(zhì)量法測試溶液中的電導(dǎo)率。質(zhì)量法解決了電極法測量下由于電極與液體接觸而造成的腐蝕和污染問題，可測試腐蝕性的液體，應(yīng)用更為廣泛。此外，與傳統(tǒng)的電極法相比，采用質(zhì)量法測定液體中電導(dǎo)率法具有誤差更小的優(yōu)點(diǎn)。

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（責(zé)任編輯：陳志賢英文審校：方德平）