水和废水中溶解性固体检测技术详解

溶解性固体（Total Dissolved Solids, TDS）指水中通过0.45 μm滤膜或中速定量滤纸过滤后，在特定温度（通常为105±2℃或180±2℃）下烘干至恒重所保留的固体物质总量。其主要成分为可溶性无机盐（如钙、镁、钠、钾的碳酸盐、重碳酸盐、氯化物、硫酸盐）及少量可溶性有机物。

1. 检测项目分类及技术要点

溶解性固体检测主要分为两大类：重量法（标准方法）和电导率间接推算法（快速筛查法）。技术要点对比如下：

1.1 重量法

• 方法原理：将过滤后的水样在规定温度下蒸发至干，称量残留固体的质量。根据烘干温度分为：

  • 105℃烘干法（标准方法，GB/T 5750.4-2023， EPA 160.1， ISO 2194）：将过滤后水样在105±2℃下烘干至恒重。此温度下，结晶水大部分得以保留，部分吸着水可能无法完全去除，且部分有机物可能挥发损失。结果主要代表无机盐分。

  • 180℃烘干法（常用方法，SM 2540 C）：将过滤后水样在180±2℃下烘干至恒重。此温度下，大部分吸着水和部分结晶水被去除，有机物被碳化或分解。结果更接近水中溶解性盐类的总量，但可能损失部分挥发性有机物和铵盐。

• 技术要点：

  • 样品前处理：必须使用0.45 μm微孔滤膜或等效滤纸进行有效过滤，以分离悬浮性固体。滤膜需预先用蒸馏水洗涤并干燥恒重。

  • 蒸发容器选择：通常使用已恒重的蒸发皿（玻璃、陶瓷或铂金材质）。需注意材质惰性，避免与样品发生反应。

  • 水样体积控制：预估残留物质量应在2.5-200 mg之间，以保证称量精度。一般取50-100 mL清澈水样。

  • 干燥与冷却过程：严格控温，冷却应在干燥器中进行，防止吸潮。恒重定义为连续两次称量之差不超过指定值（通常为0.4 mg）。

  • 结果计算：TDS (mg/L) = [(A-B) × 10⁶] / V，其中A为蒸发皿加残渣质量(g)，B为蒸发皿质量(g)，V为水样体积(mL)。

1.2 电导率间接推算法

• 方法原理：基于水中溶解性离子（主要成分）的导电能力与水样TDS之间存在一定的相关关系（比例系数通常为0.55-0.9，与离子组成有关）。通过测量水样的电导率（EC），乘以经验系数估算TDS值。

• 技术要点：

  • 应用局限：此为估算方法，不能替代重量法作为法定报告依据。适用于工艺过程控制、水质快速筛查或洁净水体（如饮用水、地下水）的近似评估。

  • 系数校准：比例系数（TDS = k × EC）需针对特定水体的离子组成通过实验确定。对于多数天然淡水，常用系数为0.64-0.70。

  • 温度补偿：电导率受温度影响显著，仪器必须具有自动温度补偿功能（通常补偿至25℃）。

  • 仪器校准：电导率仪需使用标准氯化钾溶液定期校准。

2. 各行业检测范围的具体要求

不同行业水质标准对TDS有明确限值或指导值，检测范围与要求各异。

• 生活饮用水：

  • 检测范围：通常低于1000 mg/L，优质饮用水常低于500 mg/L。

  • 标准要求：中国《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2022）规定TDS限值为 1000 mg/L（指导值）。美国EPA二级饮用水标准建议值为 500 mg/L。

  • 检测要点：要求高精度，通常采用105℃重量法。

• 工业锅炉用水：

  • 检测范围：根据锅炉压力等级差异极大。低压锅炉可能要求<3000 mg/L，中高压锅炉则要求极低（<0.1 mg/L，常以电导率监控）。

  • 标准要求：依据《工业锅炉水质》（GB/T 1576-2018）等标准，严格控制以防结垢和腐蚀。

  • 检测要点：补给水采用在线电导率监测；炉水、凝结水等可能结合重量法与电导率法。

• 农业灌溉用水：

  • 检测范围：跨度大，从淡水（<500 mg/L）到微咸水（500-3000 mg/L）乃至咸水（>3000 mg/L）。

  • 标准要求：依据《农田灌溉水质标准》（GB 5084-2021），不同作物耐盐性不同，TDS限值在1000 mg/L（旱作）至2000 mg/L（水田）之间。

  • 检测要点：电导率推算法应用广泛，便于田间快速评估盐分危害。

• 废水排放与回用：

  • 检测范围：极为广泛，从城市污水处理厂出水的数百mg/L到工业废水（如采矿、化工、脱硫废水）的数万mg/L。

  • 标准要求：综合排放标准（GB 8978-1996）未设统一TDS限值，但地方标准或行业标准（如《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB 18918-2002）可能根据受纳水体功能设定限值。污水回用标准（如《城市污水再生利用》系列GB/T 18919-2002）根据用途（景观、工业、地下水回灌）有严格规定，例如工业冷却用水建议TDS ≤1000 mg/L。

  • 检测要点：高浓度水样需减少取样体积，防止残留物过多；含大量有机物的废水，180℃法可能更合适。在线TDS/电导率监测常用于工艺控制。

• 电子、制药等超纯水：

  • 检测范围：要求极高，TDS接近0 mg/L，常以电阻率（电导率的倒数）表示，要求达到18.2 MΩ·cm（25℃）。

  • 检测要点：不适用重量法，完全依赖高精度在线电导/电阻率仪进行超痕量离子监测。

3. 检测仪器的原理和应用

3.1 重量法主要仪器与设备

• 分析天平：精度至少为0.1 mg（万分之一天平），是保证数据准确的核心。

• 恒温干燥箱：温度均匀性需达到±2℃，用于样品烘干。

• 干燥器：内置有效干燥剂（如变色硅胶），用于冷却和保存恒重后的蒸发皿。

• 过滤装置：真空抽滤泵、滤膜过滤器及0.45 μm微孔滤膜。

• 蒸发皿：材质稳定，耐高温，可恒重。

• 水浴锅或红外蒸发器：用于初步蒸发浓缩水样，避免直接加热导致沸腾溅失。

3.2 电导率/TDS测定仪

• 测量原理：基于欧姆定律，仪器向置于溶液中的两个电极施加交流电压，测量产生的电流以计算电导率。内置算法将电导率值乘以预设系数直接显示为TDS估算值。

• 电极（电导池）类型：

  • 双电极式：常用，成本较低，适合常规测量。

  • 四电极式（或多电极式）：可消除电极极化效应影响，测量范围更宽，精度更高，适用于高浓度或低浓度水样。

  • 电磁感应式（无电极式）：传感器不直接接触液体，适用于高腐蚀性、高污染或需要卫生设计的场合。

• 应用：

  • 便携式仪表：用于现场快速检测、巡检。

  • 实验室台式仪表：精度更高，用于批量样品分析。

  • 在线监测仪：连续监测管道或水池中的TDS/电导率，输出4-20 mA信号或数字信号至控制系统，用于工艺自动化控制（如反渗透系统、冷却水循环系统、废水排放口）。

3.3 高级联用技术

• 总有机碳（TOC）分析仪：用于区分溶解性固体中的有机与无机成分。通过高温催化氧化或紫外-过硫酸盐氧化将有机碳转化为二氧化碳进行检测。

• 离子色谱（IC）与电感耦合等离子体发射光谱/质谱（ICP-OES/MS）：用于精确测定TDS中具体阴阳离子的种类和浓度，可用于验证电导率-TDS系数或进行深入的盐分组成分析。

综上所述，水和废水中溶解性固体的检测需根据水体性质、数据用途及行业标准要求，科学选择重量法或电导率法，并严格遵循相应的技术规范与质量控制程序。