環(huán)境化學(xué)分析中微波消解技術(shù)的應(yīng)用

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摘要：本文首先對(duì)環(huán)境化學(xué)的概念進(jìn)行分析，然后分別從原理、優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)三個(gè)方面對(duì)微波消解技術(shù)進(jìn)行概述，再對(duì)微波消解技術(shù)在環(huán)境化學(xué)分析中的應(yīng)用必要性進(jìn)行分析，最后分別從化學(xué)需氧量的測(cè)定、金屬元素的測(cè)定、土壤樣品的測(cè)定、含水率的測(cè)定、大氣中硒的測(cè)定五個(gè)方面詳細(xì)闡述微波消解技術(shù)在環(huán)境化學(xué)分析中的應(yīng)用，為環(huán)境化學(xué)行業(yè)的工作人員提供參考。

關(guān)鍵詞：微波消解技術(shù)；環(huán)境化學(xué)；應(yīng)用

在環(huán)境化學(xué)中，人們需要分析各種介質(zhì)，然后根據(jù)環(huán)境介質(zhì)的不同分析其化學(xué)特征存在的差異，最后分析這種環(huán)境介質(zhì)所產(chǎn)生的效應(yīng)。而微波消解技術(shù)利用其穿透能力在短時(shí)間內(nèi)即可對(duì)所測(cè)環(huán)境介質(zhì)的含量完成測(cè)量，相比傳統(tǒng)的測(cè)量方法更具有優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的環(huán)境介質(zhì)測(cè)量方法有燒結(jié)法、熔融法以及溶解法等，其中，有些會(huì)在測(cè)量過程中造成對(duì)環(huán)境的污染，有些測(cè)量時(shí)間過長，導(dǎo)致?lián)]發(fā)性元素的測(cè)定不夠精準(zhǔn)。所以，環(huán)境化學(xué)中對(duì)不同元素的測(cè)定可以采用微波消解技術(shù)，其既能保證元素測(cè)定的精度，又可以防止消解過程中產(chǎn)生污染。

1環(huán)境化學(xué)分析

治理環(huán)境污染時(shí)，首先要了解是哪些化學(xué)元素或者物質(zhì)導(dǎo)致的污染，然后才能根據(jù)環(huán)境化學(xué)分析的結(jié)果選擇合適的污染治理方式，最后才能保證環(huán)境中的有害化學(xué)物質(zhì)不斷減少，從而提高生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量。環(huán)境化學(xué)分析的結(jié)果越精準(zhǔn)，環(huán)境污染治理及保護(hù)工作就越簡單。環(huán)境化學(xué)需要對(duì)環(huán)境樣品中的化學(xué)成分進(jìn)行詳細(xì)分析，而分析所有的化學(xué)成分及其含量的目的是對(duì)化學(xué)元素及物質(zhì)含量超標(biāo)的環(huán)境進(jìn)行治理。環(huán)境化學(xué)分析一般以試驗(yàn)的形式對(duì)需要測(cè)定的元素或者物質(zhì)進(jìn)行分析，一般來說，環(huán)境中的取樣樣品為固態(tài)形式，而固態(tài)樣品并不利于環(huán)境化學(xué)分析人員對(duì)其進(jìn)行消解，又不利于試驗(yàn)人員測(cè)定其中的化學(xué)物質(zhì)含量，因此在環(huán)境化學(xué)中必須對(duì)樣品進(jìn)行溶解[1]。當(dāng)前，環(huán)境化學(xué)分析一般采用微波消解技術(shù)對(duì)其中的化學(xué)成分進(jìn)行分解或者對(duì)其含量進(jìn)行測(cè)定。微波消解技術(shù)不同于其他物理溶解方法，它憑借自身的頻率令測(cè)定環(huán)境樣品中能夠吸收微波的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，從而直接得到該種化學(xué)物質(zhì)的含量信息，消解該種化學(xué)物質(zhì)。微波消解技術(shù)在環(huán)境化學(xué)分析中既符合環(huán)保要求，又可以保證試驗(yàn)測(cè)定化學(xué)物質(zhì)的精度，可以說微波消解技術(shù)提高了環(huán)境化學(xué)分析的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[2]。

2微波消解技術(shù)概述

2.1微波消解技術(shù)原理

微波消解技術(shù)的原理為依靠300～300000MHz頻率的波穿透玻璃和塑料等化學(xué)物質(zhì)，然后穿透的微波被水、含水物質(zhì)及脂肪等溶劑吸收或者被金屬反射，最后令吸波的化學(xué)物質(zhì)內(nèi)部加熱消解。微波頻率介于無線光波和紅外輻射之間，該頻率波段的微波會(huì)形成高頻磁場(chǎng)，而吸波的化學(xué)物質(zhì)的極性分子會(huì)在磁場(chǎng)中快速進(jìn)行排列和轉(zhuǎn)向，分子間的運(yùn)動(dòng)不斷加快，最終產(chǎn)生摩擦，使化學(xué)物質(zhì)中的熱能增加，而化學(xué)物質(zhì)的性質(zhì)在這種高溫高壓環(huán)境下會(huì)快速激活，其氧化能力不斷增加，最終使含有吸波化學(xué)物質(zhì)的樣品消解。傳統(tǒng)的消解方法利用傳導(dǎo)式加熱的方式提高化學(xué)物質(zhì)樣品的溫度，最終達(dá)到消解該樣品的目的，微波消解技術(shù)直接利用其化學(xué)性質(zhì)在內(nèi)部產(chǎn)生熱量，這兩種類別的消解方式原理不同[3]。

2.2微波消解技術(shù)優(yōu)勢(shì)

微波消解技術(shù)一般可以應(yīng)用在消解化學(xué)元素銥（Ir）、銠（Rh）、鉑（Pt）、鋨（Os）、鈀（Pd）的試驗(yàn)中，而其他消解技術(shù)也有各自擅長的方向，例如，烘箱消解技術(shù)可以應(yīng)用在消解化學(xué)元素鉑（Pt）、鈀（Pd）和銠（Rh）的試驗(yàn)中。本研究對(duì)微波消解法和其他消解法的消解時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，所得結(jié)果如表1所示。由表1可知，微波消解法使用試劑鹽酸+硝酸以及鹽酸+過氧化氫消解化學(xué)元素Ir時(shí)，所用時(shí)間分別為1.64h和2.14h，而其他消解法使用試劑鹽酸+硝酸以及鹽酸+過氧化氫消解化學(xué)元素Ir，所用時(shí)間分別為144h和144h，兩者所需時(shí)間相差近幾十倍；微波消解法使用試劑鹽酸+硝酸以及鹽酸+過氧化氫消解化學(xué)元素Rh，所用時(shí)間分別為2.00h和1.48h，而其他消解法使用試劑鹽酸+硝酸以及鹽酸+過氧化氫消解化學(xué)元素Rh，所用時(shí)間分別為144h和144h，二者所需時(shí)間仍然相差幾十倍；微波消解法使用試劑鹽酸+硝酸分別消解化學(xué)元素Pt和Os，所用時(shí)間分別為1h和1h，而其他消解法使用試劑鹽酸+硝酸分別消解化學(xué)元素Pt和Os，所用時(shí)間分別為2h和2h，二者所需時(shí)間仍然相差1倍；微波消解法使用試劑鹽酸+硝酸以及鹽酸+過氧化氫分別消解催化劑和Pt/Pd/Rh，所用時(shí)間分別為1.66h和1.66h，而烘箱消解法使用試劑鹽酸+硝酸以及鹽酸+過氧化氫分別消解催化劑和Pt/Pd/Rh，所用時(shí)間分別為16h和24h，二者之間相差最小仍然有十?dāng)?shù)倍。因此，微波消解法相比烘箱消解法及其他消解法來說在消解化學(xué)元素Ir、Rh、Pt、Os、Pd的試驗(yàn)中所使用的時(shí)間更少[4]。

3微波消解技術(shù)在環(huán)境化學(xué)分析中應(yīng)用的必要性

微波消解技術(shù)在環(huán)境化學(xué)分析中的應(yīng)用可以迅速完成對(duì)消解目標(biāo)的加熱，最終完成消解的同時(shí)只產(chǎn)生二氧化碳物質(zhì)，對(duì)周圍環(huán)境中的有害物質(zhì)消解凈化的同時(shí)不會(huì)造成二次污染，所以微波消解技術(shù)在環(huán)境化學(xué)分析中的應(yīng)用是必需的。微波消解技術(shù)的效率更高、效果更加顯著，該技術(shù)應(yīng)該廣泛應(yīng)用于環(huán)境化學(xué)分析中。同時(shí)，環(huán)境化學(xué)分析可以利用微波消解技術(shù)的時(shí)效性、整體性、選擇性、高效性、安全性等特點(diǎn)，對(duì)環(huán)境中的化學(xué)元素和物質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，進(jìn)一步拓展微波消解技術(shù)在環(huán)境化學(xué)分析中的應(yīng)用范圍[5]。

4微波消解技術(shù)在環(huán)境化學(xué)分析中的具體應(yīng)用

4.1化學(xué)需氧量的測(cè)定

重鉻酸鉀法可以用于測(cè)定化學(xué)需氧量，但是該方法需要使用大量樣品才能得到準(zhǔn)確的測(cè)定數(shù)據(jù)，而且測(cè)定過程中低聲和樣品回流都需要一定的時(shí)間，測(cè)定化學(xué)需氧量的總體時(shí)間過長，所以重鉻酸鉀法不夠?qū)嵱?。高壓蒸汽消化法測(cè)定化學(xué)需氧量的時(shí)間比重鉻酸鉀法短，但是測(cè)定過程中容易產(chǎn)生二次污染，消解過程中產(chǎn)生大量氣體導(dǎo)致壓強(qiáng)超負(fù)荷，最終導(dǎo)致管路爆炸現(xiàn)象頻發(fā)，所以高壓蒸汽消化法也不夠?qū)嵱谩Ｎ⒉ㄏ饧夹g(shù)直接在短時(shí)間內(nèi)對(duì)水體樣品的化學(xué)需氧量進(jìn)行多次測(cè)定，最后取其平均值即可快速得到試驗(yàn)結(jié)果，整個(gè)過程既不需要使用大量水體樣品，也不會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染，所以微波消解法可以廣泛應(yīng)用于化學(xué)需氧量測(cè)定中。但是，微波消解技術(shù)同樣存在一定缺點(diǎn)，該方法在化學(xué)需氧量測(cè)定中的應(yīng)用需要投入較高研究成本，若水體樣品較小，則同樣會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)誤差，因?yàn)樵囼?yàn)水體樣品體積小會(huì)造成微波吸收量降低。

4.2金屬元素的測(cè)定

金屬元素的測(cè)定同樣是微波消解技術(shù)在環(huán)境化學(xué)分析中的重要應(yīng)用，環(huán)境污染中有很大一部分都是重金屬污染類型，重金屬污染是由工業(yè)生產(chǎn)或者生活中排放的銅、汞、鉻等重元素超標(biāo)導(dǎo)致的，而微波消解技術(shù)則可以對(duì)重元素含量進(jìn)行測(cè)定，從而判斷環(huán)境污染等級(jí)，最終為選擇合適的污染處理方法提供數(shù)據(jù)參考。除此之外，微波消解技術(shù)還可以測(cè)定稀有金屬元素和氧化鈣等物質(zhì)的含量。測(cè)定試驗(yàn)中，首先要對(duì)樣品進(jìn)行脫水，然后將樣品的脫水泥餅放入六連體微波爐消解罐，同時(shí)往消解罐中加入一定量的水，最后向樣品中添加適量的硝酸和氫氟酸試劑，待微波加熱冷卻后進(jìn)行蒸餾處理，再定容即可得到所測(cè)金屬元素的含量。

4.3土壤樣品的測(cè)定

土壤樣品測(cè)定與金屬元素的測(cè)定相對(duì)，金屬元素測(cè)定的是金屬含量，而土壤樣品測(cè)定的是非金屬含量，所以土壤樣品測(cè)定也是微波消解技術(shù)在環(huán)境化學(xué)分析中的重要應(yīng)用。土壤樣品使用微波消解技術(shù)對(duì)碳元素進(jìn)行測(cè)定，首先對(duì)土壤進(jìn)行取樣，如果土壤樣品的質(zhì)量取0.25g，則需要使用反應(yīng)容器保存樣品，先加入10mL硝酸，再加入3mL氫氟酸，然后使用微波消解技術(shù)加熱樣品液體3min，使樣品液體溫度升高到150℃，保持恒溫狀態(tài)3min后再次加熱液體使其溫度達(dá)到155℃并持續(xù)恒溫狀態(tài)20min，最后使用0.5mL高氯酸苷酸進(jìn)行定容即可得到土壤樣品中的有機(jī)碳元素含量。除了有機(jī)碳元素之外，微波消解技術(shù)還可以對(duì)土壤樣品中硫、氮和磷等非金屬元素的含量進(jìn)行測(cè)定。

4.4含水率的測(cè)定

很多試驗(yàn)需要進(jìn)行含水率的測(cè)定，微波消解技術(shù)測(cè)定試驗(yàn)樣品含水率的效率非常高，而且測(cè)定結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確，因此該技術(shù)被廣泛使用在很多行業(yè)的含水率測(cè)定試驗(yàn)中。除了含水率測(cè)定之外，濕度檢測(cè)試驗(yàn)也是微波消解技術(shù)經(jīng)常使用的試驗(yàn)之一，因?yàn)闈穸葯z測(cè)試驗(yàn)與含水率測(cè)定試驗(yàn)類似，都是通過微波消解技術(shù)將試驗(yàn)樣品中的水分迅速烘干，最后對(duì)樣品進(jìn)行稱重，將前后質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比即可得到試驗(yàn)樣品的含水量或濕度。糧食、水果、蔬菜等食品行業(yè)經(jīng)常需要對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的含水率進(jìn)行測(cè)定，其他方法測(cè)定比較復(fù)雜，而且對(duì)試驗(yàn)樣品的破壞程度比較大，各種因素導(dǎo)致最終含水率測(cè)定結(jié)果出現(xiàn)較大誤差，所以最佳的含水率測(cè)定方式是微波消解技術(shù)。

4.5大氣中硒的測(cè)定

大氣中硒元素含量的測(cè)定是非常重要的，人體需要攝取一定量的硒元素維持正常的生命。一旦人體攝取的硒元素不足，就會(huì)產(chǎn)生各種疾?。幌喾?，人體攝入過量的硒元素，同樣會(huì)導(dǎo)致身體出現(xiàn)疾病。所以，如何保證人們攝取適量的硒元素是重要問題。大氣中的硒元素會(huì)被植物吸收，這部分硒元素屬于植物活性硒，農(nóng)作物同樣如此，糧食作物是人類攝取硒元素的主要方式，因此大氣中硒元素的測(cè)定關(guān)乎人的生命健康。測(cè)定硒元素時(shí)，首先需要對(duì)大氣顆粒物樣品進(jìn)行潤濕，然后分別加入硝酸、鹽酸以及雙氧水溶解，再使用微波消解技術(shù)進(jìn)行加熱，消解完成后進(jìn)行稀釋定容，最后即可得到大氣中硒元素的含量。

5結(jié)論

微波消解技術(shù)在環(huán)境化學(xué)分析中可以起到重要作用，隨著環(huán)境保護(hù)和污染治理的深入推進(jìn)，微波消解技術(shù)的使用越來越廣泛，越來越多的化學(xué)元素及物質(zhì)含量測(cè)定都可以選擇使用微波消解技術(shù)。

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作者：李媛媛 紀(jì)軼 單位：山東省淄博生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心