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心理学研究报告书
研究報告書
專題作品名稱：
利用伏安剝除法分析土壤重金屬之研究
指導老師：
章日行教授
參賽學生：
1.梁世旻
2.魏忠鵬
3.林馨怡
所屬系所別：
環境工程與管理系
中國民國94年 11 月 8 日
摘要
重金屬污染存在土壤中造成環境衝擊，並對居民健康造成威脅，而欲量測土壤中重金屬含量，傳統上常利用王水消化法（AquaRegiaDigestion）萃取其重金屬濃度，再以AAS（AtomicAbsorptionSpectrometry）、ICP（InductivelyCoupledPlasmaAtomicEmissionSpectrometry）儀器來檢測萃取液重金屬含量，但這些儀器昂貴且無法於污染現場直接使用，若能發展一簡單、便宜、且於現場使用的量測方法，可大幅降低成本，提昇環境工程公司競爭力。
本研究即利用陽極剝除伏安法（AnodicStrippingVoltammetry）量測土壤中重金屬濃度，其原理主要是利用水樣中的重金屬離子還原聚積在電極表面，再氧化回水樣中，可得該重金屬離子之電位與電流（伏特安培圖），藉以電流與濃度繪製檢量線。
試驗結果包括：
本研究已建立ASV分析溶液中銅濃度的操作方法，其適用範圍由100ppb至8ppm，並且本研究建立ASV分析溶液中銅濃度所得R-squared高達0.9989，相當接近環保署所訂立的分析方法標準。
此研究成果確實有助環境工程公司降低分析成本。
關鍵字：
重金屬、王水消化法、陽極剝除伏安法
Keywords：
HeavyMetal,AquaRegiaDigestion,AnodicStrippingVoltammetry
目錄
第ㄧ章緒論………………………………………………………6
1-1研究源起……………………………………………………6
1-2研究目的……………………………………………………7
第二章文獻回顧…………………………………………………8
2-1土壤組成特性………………………………………………8
2-1-1重金屬來源……………………………………………8
2-3AAS與ICP的原理…………………………………………9
2-3-1AAS原理………………………………………………9
2-3-2ICP原理………………………………………………10
2-4陽極剝除伏安法原理……………………………………11
2-5前人研究…………………………………………………13
第三章實驗材料與方法…………………………………………14
3-1研究架構…………………………………………………15
3-2實驗設備與材料…………………………………………16
3-2-1電化學分析設備………………………………………16
3-3實驗流程與步驟…………………………………………18
3-3-1實驗流程………………………………………………18
3-3-2實驗步驟………………………………………………18
3-3-2-1實驗前處理………………………………………18
3-3-2-2預濃縮步驟………………………………………19
3-3-2-3靜止階段…………………………………………19
3-3-2-4剝除階段…………………………………………19
3-3-2-5清潔步驟…………………………………………20
第四章實驗結果與討論………………………………………21
4-1銅濃度實驗
（1）……………………………………………21
4-2銅濃度實驗
（2）……………………………………………24
4-3銅濃度實驗（3）……………………………………………27
4-4銅濃度實驗（4）……………………………………………29
4-5銅濃度實驗（5）……………………………………………32
第五章結論與建議……………………………………………34
第六章參考文獻………………………………………………35
表目錄
表2-1、土讓中之重金屬含有量（μg/g）………………………9
表4-1實驗數據表………………………………………………21
表4-2實驗數據表………………………………………………24
表4-3：
實驗數據表……………………………………………28
表4-4：
實驗數據表……………………………………………30
表4-5：
實驗數據表……………………………………………32
圖目錄
圖2-1陽極剝除伏安法原理示意圖…………………………12
圖2-2陽極剝除法分析各金屬離子示意圖……………………12
圖3-1研究架構圖………………………………………………15
圖3-2電化學分析儀設備圖……………………………………16
圖3-3輔助、工作與參考電極示意圖…………………………17
圖3-4Potentiostatic分析法視窗示意圖………………………19
圖3-5Potentiodynamic分析法視窗示意圖…………………20
圖4-1伏安圖……………………………………………………23
圖4-2銅濃度檢量線分析圖……………………………………23
圖4-3伏安圖……………………………………………………25
圖4-4銅濃度檢量線分析圖……………………………………26
圖4-5銅濃度標準偏差檢量線…………………………………29
圖4-6銅濃度標準偏差檢量線…………………………………31
圖4-7銅濃度標準偏差檢量線…………………………………33
第ㄧ章緒論
1-1研究源起
土壤環境在整個自然環境中佔有相當重要的地位，其涵蓋了水、空氣以及土壤顆粒三個環境。
土壤組成因素包含形成時代、構成物質、酸度、母質等，各因素交錯影響，為一複雜的環境。
重金屬在一般土壤中的含量，依重金屬種類以及地區而不同，有些重金屬為生物生長必需元素，如銅、鎳、鉛等。
有些重金屬則為不必要元素，如鎘、汞等。
重金屬在土壤中移動性小，殘留性高，常成為各污染的最終接受者。
若由植物所吸收，則會經食物鏈影響人體健康【1】。
傳統上檢測土壤樣品中重金屬濃度為利用王水消化法萃取（AquaRegiaDigestion）【2】，消化液經定量後，以適用的原子光譜分析儀分析其濃度。
其分析原理為利用高溫將重金屬激發成原子態，由於不同重金屬具有不同的激發光波長，再使用吸光度量測樣品中重金屬濃度，常用之分析儀如原子吸收光譜儀（AtomicAbsorptionSpectrometry；AAS）及感應耦合電漿原子發射光譜儀（InductivelyCoupledPlasmaAtomicEmissionSpectrometry；ICP）。
這些高精密儀器雖然具有快速、精確、靈敏等優點，但不利於污染現場即時操作。
例如AAS每分析一種重金屬即必須更換燈管，費時費力，若燃燒不完全則可能產生粉狀碳粒結晶造成干擾等。
而ICP售價更非一般實驗室所能負擔。
近年也有利用X-ray光束照射以激發元素，當原子自激發態（ExcitedState）回到基態（GroundState）所釋放出的螢光經由分光儀分析其能量與強度後，鑑別各元素的種類與含量。
用X-ray光束分析樣品中重金屬含量，雖具有高靈敏度，且分析迅速不必做前處理等優點，但儀器成本與分析所用耗材昂貴，亦不利於一般實驗室進行分析。
反觀電化學分析法在環境上應用相當普遍，如分析海水、動物血液等。
基本上是藉由樣品溶液中電訊號的形式來定性與定量。
其中剝除伏安法（StrippingVoltammetry）具有高靈敏度，濃度線性範圍廣，儀器價廉，可進行多元素分析及物種鑑定等優點，在儀器分析領域為一項重要的技術【3】。
而在污染土壤整治過程中，若能以電化學方法於現場直接測量土壤重金屬含量，不僅有助整治工作迅速進行，同時可大幅降低成本，提昇環境工程公司競爭力。
1-2研究目的
本研究即企圖利用陽極剝除伏安法（AnodicStrippingVoltammetry）發展一種檢測土壤經王水消化後重金屬含量的分析方法。
計畫內容主要為研究不同控制因子（如pH、重金屬濃度、攪拌速度、電壓掃描速率、電極清洗方式等）對陽極剝除伏安法分析之靈敏度及穩定度的影響，進而具體建立重金屬分析方法的標準步驟。
第二章文獻回顧
2-1土壤組成特性
地球表層的岩石經過風化作用，逐漸破壞成疏鬆、大小不等的礦物顆粒（稱為母質）。
而土壤是在母質、氣候、生物、地形、時間等多種成土原素綜合作用下形成和演變而成的。
土壤組成複雜，總體來說是由礦物質、動植物殘體腐解及產生之有機質及水分和空氣等組成的。
2-1-1重金屬來源【1】
重金屬是比重較大之金屬（4.0-5.0以上）例如金、銀、銅、鉛、汞等等。
在一般土壤中之含量，依重金屬種類以及地區而不同，幾種重金屬在土壤中之含有量及通常所見之範圍如表2-1所示，生長在土壤上之植物，會吸收土壤中之重金屬，有些重金屬為植物之必要元素，有些則為不必要元素。
在土壤中原存在之重金屬由於土壤酸鹼度，氧化還原狀態之變化而使不溶性變為溶解性隨流水移動。
但一般污染土壤中之重金屬常因工業排放的廢水所導致，由於台灣地區灌溉水渠有時亦為工廠放流管道，因此，長久以來因未重視此問題，台灣農地受重金屬污染面積廣達300餘公頃。
目前正積極整治中。
表2-1、土讓中之重金屬含有量（μg/g）
重金屬
含有量範圍
通常範圍
鉻（Cr）
0.5-104
5-3.000
銅（Cu）
0.2-5.000
2-100
汞（Hg）
0.03
鉛（Pb）
0.2-5.000
2-200
鋅（Zn）
2-104
10-300
資料來源【1】
2-3AAS與ICP的原理
2-3-1AAS原理【8】
原子光譜（AtomicSpectometry）適用於檢測溶液中微量金屬的一種定性或定量的有效方法，依其原理概可分成原子吸收（AtomicAbsorption）、原子放射（AtomicEmission）、原子螢光光譜（AtomicFluorescence）等三種。
原子是由原子核及核外圍繞的電子所組成及各元素皆有其特定的電子數，個別分佈在不相同的軌道上。
若電子處於最穩定的狀態，我們稱為基態（GroundState）；若此時電子接受到外界的適當能量時，這能量可能是加熱或照光，原子便會吸收能量，原子內的電子便由基態躍升至較高能量狀態，稱之為受激發態（ExcitedState）在受激發態的電子較不穩定，會很快地衰解回到基態，此過程中便會放出能量。
在放射的過程中，可收集一些特定的波長。
因為每一種原子皆有一特定波長的最大吸收，故可作為特定元素分析之用；例如：
鉛元素（波長：
217.0mm）、鎘元素（波長：
228.8mm）、銅元素（波長：
324.8mm）及鎳元素（波長：
232.0mm）具有最大的原子吸收感度。
2-3-2ICP原理【8】
感應耦合電漿原子發射光譜法（InductivelyCoupledPlasmaAtomicEmissionSpectrometry,ICP-AES）對水樣中多元素的分析，係利用高頻電磁感應產生的高溫氬氣電漿，使導入電漿中的樣品受熱而起一系列的去溶劑、分解、原子化/離子化及激發等反應。
其分析的依據，係利用被激發的待分析元素之原子/離子所發射出的光譜線，經由光譜儀的分光及偵測，即可進行元素之定性及定量。
2-4陽極剝除伏安法原理
陽極剝除法所紀錄的電流訊號對掃描電位變化稱做伏安圖（Voltammogram）如圖2-1所示，（a）在攪拌的溶液中以重金屬還原電位進行濃縮；剝除伏安法本身具有預先濃縮分析物的特性，因此其靈敏度特別高。
預濃縮通常是固定溶質傳輸條件〈如：
定速攪拌溶液或旋轉電極〉下對工作電極施加一適當電壓使分析物聚積於電極表面。
由於所使用的工作電極體積相對於溶液體積非常小，分析物在電極上濃度遠高於在溶液中濃度，因而產生濃縮作用；（b）停止溶液攪拌，為了使濃縮階段聚積的金屬能均勻分佈於汞電極上，通常在濃縮結束後進行剝除前有一段10-60秒的靜止時間，停止溶液的攪拌或電極的旋轉，使原先動態的溶液趨於靜態。
由於對流傳輸作用消失，濃縮電幾乎降至零，聚積的金屬汞齊在電極中迅速完成均勻的分佈。
靜止階段也可確保接下來的剝除反應是在靜態溶液中進行；（c）在靜止的溶液中掃描電極電位進行剝除；在固定電位條件下將金屬離子還原濃縮至工作電極後，待溶液完全靜止，將可開始進行剝除。
剝除步驟通常是將工作電極的電位往正方向連續改變，同時記錄電極上產生的氧化電流變化。
電位改變方式可以是線性〈即電位隨時間變化為定值〉或是脈衝形式。
圖2-1陽極剝除伏安法原理示意圖
在伏安圖中，剝除電流信號峰強度正比於電極上聚積的金屬量，而電極上的金屬量又正比於溶液中的離子濃度，因此由剝除電流大小可定量水樣中金屬離子濃度。
由於不同金屬離子的E0不同，在電位掃描過程中會在不同時間自電極表面氧化剝除，利用伏安圖上電流信號峰所對應電位可定性鑑定所分析的金屬離子，如圖2-2。
圖2-2陽極剝除法分析各金屬離子示意圖
第三章實驗材料與方法
3-1研究架構
本研究架構如圖3-1所示。
先收集彙整文獻了解陽極剝除伏安法的原理，並安裝儀器與熟悉操作。
此外研究設計各項參數並進行測試，以了解參數變化對陽極剝除伏安法分析的影響性：
1.不同濃度：
配製不同濃度的水樣試測出其偵測極限。
2.不同濃縮時間：
濃縮時間越久，金屬聚積的量越多，剝除時電流峰線會較為明顯，在判斷上也會較為清晰。
3.不同掃描電位：
不同的重金屬有不同之反應電位，故選擇適當的掃描電位可節省分析時間。
4.不同掃描速率：
一般而言，掃描速率越快，分析時間越短，但解析可能較差，故選擇一適當的掃描速率是必要的。
5.不同攪拌速率：
攪拌通常與聚積量有關，若分析的水樣為低濃度，需提高攪拌速率，增加金屬的聚積量。
6.不同pH值：
各金屬物種在不同的pH值的型態，可能影響反應時的電位及電流大小。
7.基質干擾：
當水中含有其他的陰離子或錯合劑時，將使反應電位改變，並造成干擾。
接著儀器帶至現場做分析，測試陽極剝除伏安法，在現場分析重金屬的準確性。
經由一系列實驗，整合各項參數，分析並探討實驗數據變化，並以最佳操作條件分析水樣重金屬，接者將實際以王水消化法萃取土壤中重金屬，並分別用陽極剝除伏安法（AnodicStrippingVoltammetry,ASV）與火焰式光譜吸收儀（AtomicAbsorptionSpectrometry,AAS）進行分析比較，了解以陽極剝除伏安法（AnodicStrippingVoltammetry,ASV）分析土壤中重金屬濃度的可行性。
圖3-1研究架構圖
3-2實驗設備與材料
3-2-1電化學分析設備
本研究使用的主要儀器為電化學分析儀，如圖3-2所示，由捷翰科技公司製造，儀器型號為Jiehan5000，主要電極為：
輔助電極為白金絲電極（CHI115Ptwirecountrtelectrode），工作電極白金電極（CHI101workingelectrode），參考電極為銀/氯化銀電極（CHI111referenceelectrode），如圖3-3。
圖3-2電化學分析儀設備圖
圖3-3輔助、工作與參考電極示意圖
3-3實驗流程與步驟
3-3-1實驗流程
3-3-2實驗步驟
分析濃度範圍：
100ppb至8ppm
分析溶液pH控制=3（H2SO4調配）
3-3-2-1實驗前處理：
1.使用去離子水沖洗Cell槽與磁石後用拭鏡紙擦拭乾淨。
2.使用磨布磨除工作電極表面之雜質，再以去離子水沖洗工作電極表面，以避免對實驗造成干擾。
3.將工作電極裝入白金絲含蓋使用去離子水沖洗工作電極（白金電極）、輔助電極（白金絲電極）、參考電極（銀/氯化銀電極），再使用拭鏡紙將三種電極擦拭乾淨。
4.水樣倒入Cell槽至10mL。
5.使用與待測溶液同pH值之去離子水沖洗所有電極後，將白金絲含蓋裝到Cell槽上並接上儀器。
3-3-2-2預濃縮步驟：
使用電化學分析儀的Potentiostatic法將金屬離子沉積於工作電極，應用電壓（AppliedPotential）為-1伏特，聚積時間（TotalTime）為8分鐘，敏感度（Pts/Sec）為每秒偵測10點，採樣方式為快速，磁石的攪拌速率為400rpm，如圖3-4。
圖3-4Potentiostatic分析法視窗示意圖
3-3-2-3靜止階段：
停止磁石攪拌，使水樣成靜止狀態90秒，為防止水樣擾動，影響剝除波峰。
3-3-2-4剝除階段：
接者以Potentiodynamic法將工作電極上的金屬離子剝除，電壓由-1伏特（InitialPotential）往1伏特（FinalPotential）掃描，掃描速率（ScanRate）為100mA/sec，靈敏度（Pts/Sec）為每秒偵測5點，採樣方式為快速，如圖3-5。
圖3-5Potentiodynamic分析法視窗示意圖
3-3-2-5清潔步驟：
再剝除（剝除2）：
重覆剝除1.步驟，進一步清潔電極上未完全剝除的金屬。
+0.6V定電位：
針對銅進行剝除，為確保實驗的準確性，以+0.6V進行清潔。
第四章結果與討論
進行各項分析條件測試並進行三重複試驗，目的在於尋求適當的操作條件，進而建立各種濃度的於ASV的偵測極限及檢量線，並試驗ASV對實際廢水樣品的分析精確度與穩定度。
4-1第一階段銅濃度實驗結果
（1）
Ø預濃縮階段：
預濃縮電位為-1V，濃縮時間3分鐘，靈敏度每秒取5點，攪拌速率每分鐘300轉。
Ø靜止階段：
靜止時間為1分鐘。
Ø剝除階段：
剝除電位為-1到1V，掃描速率100mv/sec，靈敏度每秒取5點。
表4-1為本實驗所得的數據表，因為以銅為目標分析物，所以剝除電位出現在0接近0.3V的範圍，電流則依濃度越高而升高。
在此表中偵測極限為0.5mgL-1其中有3個濃度是偵測不到峰值，推測原因為濃縮時間不夠，根據文獻【8】濃縮時間與金屬聚積量成正比，濃縮時間長金屬聚積量越多，剝除時波峰也越為明顯，故本組將在下個實驗只改濃縮時間不更改其餘參數，測試是否能偵測更低濃度的水樣。
表4-1實驗數據表
CopperConcentration
Potential（V）
Current（A）
0.001mgL-1
N.D
N.D
0.005mgL-1
N.D
N.D
0.01mgL-1
N.D
N.D
0.5mgL-1
0.358
6.305E-6
1mgL-1
0.374
1.3231E-5
5mgL-1
0.358
5.033E-5
10mgL-1
0.367
1.4926E-4
N.D：
未找到峰值
圖4-1為不同銅濃度實驗的伏安圖，縱軸為電流，橫軸為電位，分析時依據各金屬離子的不同反應電位，可用來判別樣本所含的金屬離子之種類；而藉由電流的大小可分析金屬離子的聚積量。
由圖可得知分析樣本濃度為10mgL-1的峰值最高，其次依序為5、1、0.5mgL-1波峰越高電流也越高，根據濃度電流與波峰的關係可以得知，濃度與電流成正比，濃度越高電流也越高。
圖4-2為電流與重金屬銅濃度的檢量線，檢量線之線性相關係數越接近1表示實驗的精確性越高。
由圖4-2可知，本次實驗所得線性相關係數僅為0.9687，仍需改進，同時最低偵測極限亦有加強的空間。
Current（A）
圖4-1伏安圖
Current（A）
圖4-2銅濃度檢量線分析圖
4-2第二階段銅濃度實驗結果
（2）
本實驗主要目的在於增加預濃縮時間，試驗是否可加強低濃度水樣的偵測。
ASV分析控制條件如下。
Ø預濃縮階段：
預濃縮電位為-1V，濃縮時間5分鐘，靈敏度每秒偵測5點，攪拌速率每分鐘300轉。
Ø靜止階段：
靜止時間為1分鐘。
Ø剝除階段：
剝除電位為-1到1V，掃描電位100mv/sec，靈敏度每秒取5點。
表4-2為本次實驗所得的數據表，由於本次實驗將預濃縮時間由3分鐘增加至5分鐘，且不改變任何參數。
由表中發現，偵測極限由500ppb提升至100ppb，與文獻【8】中的濃縮時間越長，重金屬聚積量越多，剝除波峰也就越明顯的理論相同，但本表仍有2個濃度偵測不到，與原先設定目標仍有差距，推測濃縮時間應仍有加長的空間。
表4-2：
實驗數據表
CopperConcentration
Potential（V）
Current（A）
1µgL-1
N.D
N.D
50µgL-1
N.D
N.D
100µgL-1
0.459
1.9049E-6
200µgL-1
0.382
2.6439E-6
300µgL-1
0.398
2.7703E-6
400µgL-1
0.308
4.3236E-6
800µgL-1
0.380
4.9358E-6
1000µgL-1
0.370
1.07E-5
N.D：
未找到峰值
圖4-3為不同銅濃度實驗的伏安圖，由圖可得知分析樣本濃度為1000µgL-1的峰值最高，其次依序為400、300、200、100µgL-1波峰越高電流也越高，根據濃度電流與波峰的關係可以得知，濃度與電流成正比，濃度越高電流也越高，換句話說金屬聚積量也越多。
Current（A）
圖4-3伏安圖
Current（A）
圖4-4銅濃度檢量線分析圖
4-3第三階段銅濃度實驗結果（3）
本次實驗大幅的更換參數設定。
濃縮時間增加至8分鐘（因時間大於8分鐘，濃縮的量沒有明顯的增加）。
攪拌速率也由每分鐘300轉增加至每分鐘400轉，加速待測溶液的對流，以提升重金屬離子於溶液中移動的速率，應可增強濃縮步驟的效果。
靜止階段由60秒增至90秒，使得溶液重金屬離子重新分布，時間增長可以避免待測溶液未靜止時，重金屬就開始剝除。
此外，不同pH水溶液亦經測試，pH值控制於4。
預濃縮階段：
預濃縮電位為-1V，濃縮時間8分鐘，靈敏度每秒取10點，攪拌速率每分鐘400轉。
Ø靜止階段：
靜止時間為90秒。
Ø剝除階段：
剝除電位為-1到1V，掃描電位100mv/sec，靈敏度每秒取5點。
使用H2SO4將pH控制在4
表4-3為本次實驗三重複所得的數據，由於本次實驗將預濃縮時間由5分鐘增加至8分鐘。
由表中發現，電流值較為延長預濃縮者有增強的趨勢。
圖4-5為不同銅濃度實驗的檢量線圖，由圖可得知分析樣本濃度於數百個ppb範圍大致呈線性，但其穩定度差異甚巨，可見pH為4並不利分析，可能因重金屬與氫氧離子形成氫氧化物所導致。
故分析方法中的參數仍需調整。
表4-3：
實驗數據表
Cu1ppm
Potential（V）
Current（μA）
第一重複
0.4502
27.205
第二重複
0.45265
2
升级会员 