微波消解法-电感耦合等离子发射光谱仪法在测定土壤中重金属元素含量的应用研究
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根据我国国土资源部统计数据表明,目前我国耕地土地面积的10%以上已受重金属污染。国内多个省份产出的稻米被查出重金属超标,土壤污染已成为我国众多地方的“公害”,给我们敲响了土壤污染的警钟。准确分析土壤中的重金属含量,对控制土壤污染有着十分重要的意义。土壤样品前处理方法和检测方法是保证准确测定土壤重金属含量的关键环节。目前,土壤重金属消解的方法主要有电热板湿法消解法、密闭容器高压消解法、干灰化法、熔融法、微波消解法等。土壤重金属检测的方法主要有原子吸收光谱法、原子荧光光谱法、X射线荧光光谱法、电感耦合等离子体质谱法、电感耦合等离子体原子发射光谱法等。
1 国内外现状、水平和发展趋势
1.1 土壤重金属测定前处理方法的研究
土壤样品的前处理方法是准确测定土壤样品中重金属含量的关键环节。对于土壤全量的预处理方法,国内常采用微波消解法、碱熔融法、电热板加热湿法消解法。
1.1.1 微波消解法
其属于相对较快速的预处理方法,具体消解过程为:称取一定量的风干、研磨、过筛后的土壤样品,置于微波消解罐中,加入一定体积的硝酸、氢氟酸、过氧化氢。加盖密封,于微波消解器中按微波工作条件或参照消解仪说明书微波消解。取出冷却至室温,转入聚四氟乙烯烧杯中,用少量水洗涤消解罐数次,并入聚四氟乙烯烧杯,滴数滴高氯酸,置于电热板上加热至近干,加硝酸溶液,温热溶解,用硝酸溶液定容。立即移入干燥洁净的聚乙烯瓶中,待测。这种消解方式不仅速度很快,消解也非常完全。
1.1.2 碱熔融法
其属于指选定的助溶剂与土壤样品混在一起,放在高温中加热,使样品在助溶剂的帮助下发生分解。这种分解方式一般使用于许多电热板一起工作都无法一次性溶解的土壤。在酸性助溶剂、碱性助溶剂和氧化还原助溶剂中,碱性助溶剂操作方式最简便,其在高温中溶解的过程不需要有人在一旁照看,且溶解的速度很快,对土壤样品一次性溶解的数量没有限制,溶解的过程中不会排出污染环境的气体。但是这种溶解方法使用的碱性溶剂的剂量很大,这样会造成许多可溶性盐被稀释出来,进而使得许多污染物质参杂在分解后的溶液中,严重影响溶液的纯度,从而影响检测的结果。此外,该种处理方法需要使用铂金坩埚做溶解容器,是一种成本非常高的前处理方法。同事要想达到大批量的前处理样品,还需要准备配套数量的高温加热箱,如马弗炉等。实际操作过程也非常麻烦。
1.1.3 电热板加热湿法消解法
其属于现在比较常用的预处理方法,它通常会运用在不易挥发的土壤中重金属的消解上。它和微波消解法一样需要使用到酸,但是它使用的酸是混合酸,通常有三种酸的组合来进行消解,如硝酸、盐酸、氢氟酸三者的组合。为加快溶解的速度,通过会加入高锰酸钾等氧化剂或者还原剂,这种消解方式操作过程也相对简便,且不受样品重量限制,最主要的是成本比其他消解方式低得多。但是这种消解方式也存在着速度相对较慢,容易产生其他杂质,同时会排出一些酸性有毒气体,造成大气污染和影响实验人员的身体健康。有的时候没有把握好混合酸的用量和消解时间,土壤样品就可能被空气中的污染物侵蚀,或者消解不完全,有些金属可能会被空气中的污染物侵蚀。同时,使用高氯酸处理一些高有机质的土壤样品还可能产生爆炸等危险。
1.2 土壤中重金属元素含量的检测方法研究
随着社会经济的快速发展,土壤重金属的污染问题日趋严重,给人们的身体健康带来了严重的危害。综合近些年国内应用在土壤重金属方面的检测方法主要有原子吸收光谱法、原子荧光光谱法、X射线荧光光谱法、电感耦合等离子体质谱法、电感耦合等离子体原子发射光谱法等。
2 项目研究的目的、意义
根据目前国家已经实施的《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB36600—2018)表1中金属基本项目7项(砷、镉、铜、铅、镍、六价铬)和表2 金属其他项目 4项(锑、铍、钴、钒),及《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)表1中金属基本项目 8项(砷、镉、铬、铜、铅、汞、镍、锌)是日常土壤调查和管控要求检测的金属参数,目前已有的国家标准基本可以满足以上金属参数的检测要求。但是目前人们对土壤重金属指标的检测要求越来越高,要求检测的金属参数也越来越丰富。目前还在征求意见稿的《在产企业土壤及地下水自行监测技术指南》附录B中要求检测的A1类重金属8种指标(砷、镉、铬、铜、铅、汞、镍、锌)和附录B中要求检测的 A2类重金属元素8种指标(锑、铍、钴、锰、钼、硒、铊、钒),现有的国家标准不能完全满足检测指标的要求,或者因为现有的检测方法中规定使用的仪器设备过于昂贵而限制了检测方法在实际生产和研究工作的应用。本文结合了国外检测方法标准,参考了《土壤质量用电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)测定土壤中提取的微量元素》( ISO 22036-2008),拟采用微波消解法(酸溶法)作为前处理方法,结合电感耦合等离子体原子发射光谱法作为检测分析方法,实现多参数快速检测的目的,并解决部分重金属检测参数目前国内没有检测方法的局限性。
本项目拟通过方法验证试验,获取前处理过程中试剂加入量、消解过程等优化条件,达到将土壤中重金属物质充分提取出来的目的。
微波消解前处理过程:称取一定量的风干、研磨、过筛后的土壤样品,置于微波消解罐中,加2ml盐酸,6ml硝酸,2ml氢氟酸,放入微波消解仪内,仪器内部2min升温至120℃,加热3min,继续升温1min至150℃,加热3min,再升温1min至180℃,加热3min,最后升温1min至200℃,加热25min,结束后放到赶酸仪在180℃赶酸一小时,用硝酸溶液定容至25ml。
实验所用仪器有:
微波消解仪:上海屹尧仪器科技发展有限公司WX-8000
电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-OES):安捷伦5110
表1 实际样品测定(精密度测试)
| 样品来源 | 现场采样 | 样品类型 | 土壤 | 测定日期 | 2019年1月5日 | |||||
| 参数名称 | 重复测试结果(mg/kg) | 平均值 | 标准偏差S | 相对标准偏差(Cv) | ||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | (mg/kg) | (mg/kg) | (%) | |
| 锌 | 81.0 | 79.0 | 79.0 | 78.0 | 79.0 | 80.0 | 79.0 | 79.3 | 0.951 | 1.200 |
| 铅 | 435 | 425 | 428 | 423 | 425 | 424 | 426 | 427 | 4.04 | 0.946 |
| 砷 | 17.00 | 17.00 | 15.00 | 16.00 | 16.00 | 18.00 | 17.00 | 16.6 | 0.976 | 5.89 |
| 镉 | 6.35 | 6.35 | 6.14 | 6.35 | 6.35 | 6.35 | 6.35 | 6.32 | 0.079 | 0.013 |
| 铬 | 82.3 | 79.4 | 79.6 | 79.8 | 79.6 | 79.8 | 79.4 | 80.0 | 1.03 | 0.013 |
| 铜 | 30.9 | 29.9 | 29.9 | 30.3 | 29.9 | 29.5 | 29.9 | 30.0 | 0.443 | 0.015 |
| 镍 | 33.0 | 32.0 | 32.0 | 33.0 | 32.0 | 32.0 | 33.0 | 32.4 | 0.535 | 0.016 |
3 结束语
综上所述,随着我国土壤中重金属含量不断随污染增加,为人们的身体健康带来严重危害,因此,我国利用多种方法对土壤中重金属元素的含量进行测定,并对微波消解法-电感耦合等离子发射光谱法的测定工作目标与重要性进行了分析,希望为人类控制生存环境的污染,推动我国社会经济的可持续发展。
