微波消解測(cè)定土壤金屬預(yù)處理的優(yōu)化研究

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以及其在各行業(yè)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，使得我國相關(guān)行業(yè)工作的科技水平也在不斷提高，利用微波消解，對(duì)土壤金屬元素進(jìn)行測(cè)定，就是其中之一。在微波消解測(cè)定法出現(xiàn)并應(yīng)用之前，電熱板消解法，是以往對(duì)土壤金屬元素進(jìn)行測(cè)定和預(yù)處理的有效手段。對(duì)此，本文以微波消解法為出發(fā)點(diǎn)，通過對(duì)微波和電熱板消解法，在測(cè)定和預(yù)處理土壤金屬方面效果的對(duì)比分析，從而就微波消解法預(yù)處理的優(yōu)化性展開研究，以期可以為相關(guān)行業(yè)工作的展開，提供一定參考。

關(guān)鍵詞：微波消解；土壤金屬；預(yù)處理；優(yōu)化

中圖分類號(hào)：X830.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2018）03-0079-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.03.044

Abstract： With the development of science and technology and its wide application in various industries， the technological level of related industries in China is also improving. It is one of the determination of soil metal elements by microwave digestion. Before the microwave digestion method appeared and applied， the electrothermal plate digestion method was an effective means to determine and pretreat the soil metal elements in the past. In this regard， the microwave digestion method as the starting point， through the microwave and electric heating plate method， and analysis in the determination of the effect of pretreatment of soil metals compared to studies the optimization of pretreatment by microwave digestion method， in order to work for the related industries， to provide a reference.

Key words： Microwave digestion； Soil metal； Pretreatment； Optimization

土壤是人類賴以生存的重要資源，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，最基本生產(chǎn)資料之一，同人類的生產(chǎn)生活具有非常密切的聯(lián)系。但在經(jīng)濟(jì)建設(shè)速度和水平不斷提升的今天，大量未經(jīng)過有效處理，且含有重金屬等物質(zhì)的廢棄物，也逐漸進(jìn)入到土壤中，降低了土壤生產(chǎn)力，并借助食物鏈的作用，威脅人類生命健康。傳統(tǒng)土壤金屬元素預(yù)處理耗時(shí)長，在消解的過程中，會(huì)出現(xiàn)交叉污染，影響分析人員身體健康。而微波消解法帶有用量少、高效快速、污染小等優(yōu)勢(shì)，受到業(yè)內(nèi)大多數(shù)分析人員的青睞。

1 試驗(yàn)方法

1.1 儀器

本次試驗(yàn)研究，主要應(yīng)用儀器如下：

（1）電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀；（2）微波消解儀；（3）超純水系統(tǒng)。

1.2 試劑

本次研究中選用的試驗(yàn)試劑：

實(shí)驗(yàn)用水：新制備的蒸餾水和去離子水；

實(shí)驗(yàn)試劑：鹽酸1.19g/mL、硝酸1.42g/mL、高氯酸1.67g/mL、氫氟酸1.16g/mL、雙氧水；

10%氯化銨水溶液：稱取10g氯化銨，用少量實(shí)驗(yàn)用水將其溶解之后，全部轉(zhuǎn)移到100mL的容量瓶中，用水將其定容到標(biāo)準(zhǔn)線，搖勻。

1.3 樣品制備

按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析方法，采集土壤樣品，在對(duì)樣品進(jìn)行風(fēng)干研磨等處理之后，按照四分法，拿取大約1000g經(jīng)過研磨處理的樣品。同時(shí)過100目的尼龍篩，并保存大約500g研磨后的土壤樣品，放入到廣口瓶中，方便之后復(fù)測(cè)。

1.4 方法

1.4.1 微波消解法

稱取風(fēng)干、過篩的樣品0.2500～0.5000g（精確到0.0001g）置于消解罐中，用少量實(shí)驗(yàn)用水潤濕。在防酸通風(fēng)櫥中，依次加入6mL硝酸、3mL鹽酸、2mL氫氟酸，混勻使樣品與消解液充分接觸。若有劇烈化學(xué)反應(yīng)，待反應(yīng)結(jié)束后再加蓋擰緊。將消解罐裝入支架后放入微波消解儀的爐腔中，確認(rèn)溫度傳感器和壓力傳感器工作正常。按照表1升溫程序進(jìn)行微波消解，結(jié)束后放冷，緩慢泄壓放氣，打開消解罐蓋。

將消解罐中的溶液轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯坩堝中，用少量實(shí)驗(yàn)用水洗滌消解罐和蓋子一并倒入坩堝。加熱至微沸進(jìn)行趕酸。待液體成粘稠狀，取下稍冷，轉(zhuǎn)入25mL 容量瓶，用1﹪硝酸定容至標(biāo)線，混勻，靜置60min取上清液，使用電感耦合等離子體發(fā)生光譜儀進(jìn)行測(cè)定，每一批土壤樣品，都需要做2份全程空白。

1.4.2 電熱板全消解法

準(zhǔn)確稱取0.1000～0.5000g（精確到0.0001g）土壤樣品，放入到容量為50mL中的聚四氟乙烯坩堝之中，在用水將其潤濕后放入10mL鹽酸，放在通風(fēng)櫥內(nèi)部的電熱板上，進(jìn)行低溫加熱，讓樣品能夠初步分解。當(dāng)樣品蒸發(fā)量達(dá)到大約3mL時(shí)，將樣品取下稍冷，然后加入5mL硝酸、5mL氫氟酸、3mL高氯酸，加蓋之后，放于電熱板上，用中溫加熱1h，之后開蓋，將電熱板溫度控制在150℃，繼續(xù)加熱，去除土壤中的硅，為了使飛硅效果更佳，應(yīng)經(jīng)常搖動(dòng)坩堝。當(dāng)加熱至冒濃厚高氯酸白煙時(shí)，加蓋，使黑色有機(jī)碳化物分解。待黑色有機(jī)物去除后，開蓋，驅(qū)趕白煙并蒸至呈粘稠狀（視消解情況可重復(fù)加酸及消解過程）。取下坩堝放冷，加入3mL鹽酸，全量轉(zhuǎn)移至50mL容量瓶中，加入10﹪氯化銨溶液，冷卻定容至標(biāo)線，搖勻備測(cè)。

1.4.3 消解方法和體系的優(yōu)化試驗(yàn)

本次試驗(yàn)工設(shè)置了4種處理方法，詳細(xì)見下表2：

2 結(jié)果分析與預(yù)處理優(yōu)化

2.1 結(jié)果分析

在上述試驗(yàn)研究的過程中，對(duì)于每一種等待測(cè)定的元素，都應(yīng)該選擇2～3條譜線進(jìn)行測(cè)定，對(duì)待測(cè)元素的干擾情況、強(qiáng)度、穩(wěn)定性等展開綜合性的分析研究，從中選擇譜線干擾較少、強(qiáng)度和精密度偏高的分析譜線，將其作為最佳的分析譜線，展開相應(yīng)的背景扣除。其次，在試驗(yàn)期間，應(yīng)當(dāng)選擇干擾因子校正法，對(duì)不同金屬元素間包含的干擾因素進(jìn)行校正。在進(jìn)行背景校正的過程中，需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)樣品光譜、樣品光譜、空白光譜的波長掃描圖等，展開目視檢查，盡量選擇測(cè)量背景包場位置，對(duì)背景強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，以此來校正分析線的信號(hào)。在通過多次試驗(yàn)研究后發(fā)現(xiàn)：對(duì)于性質(zhì)存在差異的樣品，需要選擇相應(yīng)的分析譜線；并且在分析期間，還需要以計(jì)算機(jī)操作軟件為依據(jù)，自動(dòng)完成背景扣除工作。再次，使用微波消除法對(duì)土壤中各類元素的標(biāo)準(zhǔn)溶液展開系列測(cè)試時(shí)，需要將溶液濃度設(shè)為橫坐標(biāo)，將發(fā)射光譜的強(qiáng)度變?yōu)榭v坐標(biāo)，展開現(xiàn)行回歸分析，獲得各個(gè)元素線性范圍、方程，以及相關(guān)系數(shù)。最后，試驗(yàn)人員應(yīng)當(dāng)根據(jù)EPA2007MDL，對(duì)相關(guān)定義進(jìn)行計(jì)算，在符合測(cè)定條件要求的基礎(chǔ)上，對(duì)于空白試劑，添加2～3倍測(cè)試溶液，利用估計(jì)儀器，對(duì)檢出限濃度進(jìn)行測(cè)定，重復(fù)進(jìn)行7次測(cè)定，并將最終測(cè)定的濃度標(biāo)準(zhǔn)偏差，乘3.143，確定方法檢出限。此外，還需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差與加標(biāo)回收率展開計(jì)算，分別連續(xù)進(jìn)行6次的分析測(cè)定，計(jì)算最終的平均值，保證測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確度[1]。

2.2 預(yù)處理優(yōu)化

2.2.1 消解體系優(yōu)化

本次試驗(yàn)，分別利用4種消解法，對(duì)土壤標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行消解處理。因?yàn)橥寥乐邪幕境煞謱儆诠杷猁}，在樣品中加入HF，其目的是讓硅酸鹽溶解、揮發(fā)；加入HCl和HNO3的目的，是溶解樣品中包含的金屬氧化物[2]。在電熱板消除法中，使用HClO4的目的，是為了去除掉土壤樣品中包含的有機(jī)物質(zhì)，趕盡HF；而微波消解期間，之所以不使用HClO4，是因?yàn)樵诟邷丨h(huán)境下，該物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生大量氣體，導(dǎo)致試驗(yàn)壓力急劇增加、超過臨界值，容易引發(fā)爆炸[3]。因此，同HClO4相比，帶有弱酸性和強(qiáng)氧化性的H2O2更適合微波消解試驗(yàn)。

與此同時(shí)，通過上述試驗(yàn)研究后發(fā)現(xiàn)，對(duì)于測(cè)定Hg、As、Cr等金屬元素，電熱板消除法的有效性偏低。由于在使用電熱板消除時(shí)，Cr可能會(huì)同HClO4結(jié)合，生成氯化鉻酰這種易揮發(fā)的物質(zhì)，致使試驗(yàn)最終的測(cè)定結(jié)果，懂標(biāo)示值范圍相比偏低。而Hg和As，一個(gè)常溫下便會(huì)揮發(fā)，一個(gè)揮發(fā)溫度相對(duì)較低，在利用電熱板加熱過程中，為了清除掉樣品中各類酸成分，其最高溫度可能會(huì)達(dá)到145℃，從而導(dǎo)致二者最終測(cè)定值偏低。與此同時(shí)，上述4中消解法中，第1種和第2種之所以不合格測(cè)定Hg和As，主要是因?yàn)檫@兩種消解法中，都包含HF，當(dāng)消解處理之后，都需要利用電熱板，進(jìn)行加熱趕酸，不僅導(dǎo)致二者測(cè)定值較低，還會(huì)增加預(yù)處理時(shí)間。此外，從處理的精密度上來看，電熱板消解法同微波消解法相比，明顯偏低。究其根本，主要是因?yàn)殡姛岚逑夥ê臅r(shí)長，且開放式的消解模式，也會(huì)受到外界因素的干擾。在以上4種消解法種，第3種消解法最終獲得的測(cè)定結(jié)果，同標(biāo)示值相似度最高，可以作為最理想的微波消解法使用。

2.2.2 稱樣量優(yōu)化

根據(jù)上述消解優(yōu)化體系的試驗(yàn)方法了解，在土壤樣品的稱樣量在（0.2000±0.0002）g時(shí)，Ni、Cd、Mn、Pb、Hg、As、Cr、Cu這8種元素，其含量測(cè)定結(jié)果符合標(biāo)示值測(cè)定范圍[4]。由此可以證明，微波消解法的應(yīng)用，能夠有效減少土壤中上述元素的含量。

2.2.3 消解法優(yōu)化對(duì)比

在鹽酸+高氯酸+氫氟酸+硝酸的全消解法下，標(biāo)準(zhǔn)土壤樣本總體回收率，可以達(dá)到86%～89%；電熱板消解法下，標(biāo)準(zhǔn)土壤樣本，總體回收率為88%～92%；微波消解法下，標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品，總回收率為94%～100%。微波消解法對(duì)土壤中金屬元素預(yù)處理水平最高。

3 總結(jié)

總而言之，在利用微波消解法，將土壤中包含的金屬元素探測(cè)出來并消解掉，不僅可以提高土壤金屬元素的消解效果，還能夠避免傳統(tǒng)消解法中，造成的交叉污染問題等。因此，對(duì)于土壤中包含的金屬元素，利用微波消解法對(duì)預(yù)處理手段進(jìn)行優(yōu)化，應(yīng)當(dāng)受到我國政府部門和相關(guān)行業(yè)企業(yè)的重視，并將其廣泛應(yīng)用到相關(guān)的實(shí)際工作中，從而有效解決我國土壤資源存在的重金屬污染問題，保護(hù)土壤資源。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2018-01-10

作者簡介：邱永堅(jiān)（1984-），男，大學(xué)本科，環(huán)境監(jiān)測(cè)工程師，研究方向環(huán)境監(jiān)測(cè)。