淺析環(huán)境化學(xué)分析中的微波消解技術(shù)

黃頌強(qiáng)

摘 要：環(huán)境化學(xué)分析中的樣品常含有有毒有害成分，采用傳統(tǒng)消解方法不僅耗時(shí)長(zhǎng)、污染大，而且空白值高。利用微波消解快速、準(zhǔn)確、重復(fù)性好等特點(diǎn)可以很好地解決這一問(wèn)題?，F(xiàn)對(duì)微波消解的原理、基本操作方法進(jìn)行了闡述，并對(duì)其在環(huán)境化學(xué)分析中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：環(huán)境化學(xué)；環(huán)境監(jiān)測(cè)分析；微波消解

環(huán)境化學(xué)，是以環(huán)境中的有害化學(xué)物質(zhì)作為研究對(duì)象，研究其在環(huán)境介質(zhì)中的存在、化學(xué)特性、行為、效應(yīng)以及對(duì)其進(jìn)行控制的學(xué)科。環(huán)境化學(xué)中又可再分為多門(mén)分支，環(huán)境分析化學(xué)就是其中研究鑒別和測(cè)定環(huán)境介質(zhì)中化學(xué)物質(zhì)種類(lèi)、成分、含量及化學(xué)形態(tài)的分支學(xué)科。環(huán)境監(jiān)測(cè)分析是利用環(huán)境分析化學(xué)的原理和方法對(duì)環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析的技術(shù)。環(huán)境樣品的分析和測(cè)定，必須經(jīng)過(guò)預(yù)處理或前處理，因?yàn)槎糠治黾夹g(shù)中的大多數(shù)樣品是在液體狀態(tài)下進(jìn)樣的。樣品預(yù)處理方法，簡(jiǎn)言之就是通過(guò)分解和溶解試樣，使試樣成為可溶性物質(zhì)，一般是指溶于水的物質(zhì)。分解試樣，傳統(tǒng)的方法有溶解法、熔融法和燒結(jié)法（半熔融法），有機(jī)樣品一般采用灰化和溶解的方法處理。這些方法常常使用酸堿、高溫處理樣品，處理過(guò)程難以避免污染大、耗時(shí)長(zhǎng)、揮發(fā)性元素?fù)p失等問(wèn)題，為了改變這種狀況，人們開(kāi)始投向微波技術(shù)的研究，這樣就產(chǎn)生了微波消解技術(shù)。與傳統(tǒng)消解技術(shù)相比，微波消解技術(shù)因?yàn)榫哂蟹磻?yīng)快、試劑消耗少、空白值較低、污染較輕、節(jié)能、易于控制并可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)而在許多行業(yè)中得到應(yīng)用[1]。環(huán)境監(jiān)測(cè)中的許多樣品含有有毒有害成分，采用微波消解技術(shù)更可突出其長(zhǎng)處，因而近些年來(lái)在環(huán)境監(jiān)測(cè)分析中應(yīng)用漸廣。故而，本文對(duì)微波消解技術(shù)的原理、基本方法及在環(huán)境監(jiān)測(cè)分析中的應(yīng)用進(jìn)行了分析和探討。

1 微波消解的原理與基本方法

1.1 微波消解的原理

微波是頻率在300MHz-300GHz之間，波長(zhǎng)在1米（不含1米）到1毫米之間，是分米波、厘米波、毫米波和亞毫米波的統(tǒng)稱(chēng)。為了避免對(duì)通訊、廣播、電視、雷達(dá)等造成干擾，民用微波的頻率被定為2450±50MHz。

微波對(duì)不同的材料表現(xiàn)出不同的特性：⑴金屬材料不吸收微波，但能反射微波，因此一種專(zhuān)用不銹鋼板被用作爐膛，以便來(lái)回反射微波并作用在試樣上。因金屬容器反射回的微波會(huì)損害微波源器件--磁控管，故微波爐內(nèi)不能使用金屬容器。⑵絕緣材料，如塑料、陶瓷、玻璃等可透過(guò)微波，幾乎不吸收微波，所以可用于微波加熱的容器。微波消解樣品常使用聚四氟乙烯、工程塑料等容器。⑶極性分子物質(zhì)，如水、酸等可以吸收微波的能量。微波消解正是利用極性分子的電偶極隨微波頻率快速變換，分子之間相互摩擦作用而產(chǎn)生高熱的原理來(lái)處理樣品的。

微波加熱與傳統(tǒng)加熱有顯著的差別：⑴傳統(tǒng)加熱是通過(guò)熱的輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)來(lái)加熱，加熱時(shí)先加熱容器壁，再加熱溶劑，最后加熱樣品，因而加熱不均勻且熱損失較大。微波加熱是微波透過(guò)溶劑內(nèi)部，所經(jīng)之處產(chǎn)生熱效應(yīng)，因此加熱快且均勻，熱效率高。⑵微波加熱在密閉容器內(nèi)可產(chǎn)生“過(guò)熱”，有利于樣品的消化。⑶極性分子在微波電場(chǎng)中快速變換取向的效果，相當(dāng)于極高速的攪拌器（攪拌頻率達(dá)2.45×109次/秒），因此有助于加快化學(xué)反應(yīng)，提高消化速度。通常使用4kW高溫爐加熱至1000℃，需1～1.5h；而1.1kW的微波爐輸出功率0.7kW僅需10～15min。

1.2 微波消解的基本方法

目前，國(guó)內(nèi)已能生產(chǎn)壓力10MPa，溫度300℃的可控壓、控溫的微波消解設(shè)備，從而擴(kuò)大了消解方法的選擇性。采用微波消解，應(yīng)根據(jù)樣品特點(diǎn)以及后續(xù)檢測(cè)方法重點(diǎn)考慮三個(gè)方面：樣品的取樣量、試劑選擇及微波功率、時(shí)間、壓力和溫度的設(shè)置。

樣品的取樣量應(yīng)結(jié)合后續(xù)檢測(cè)方法、儀器靈敏度和試樣待測(cè)元素的含量確定。試樣消解定容后的濃度應(yīng)比檢出限高出5～10倍，幾十倍更好。從消化效果、安全性方面考慮，試樣數(shù)量不宜過(guò)多，以避免壓力過(guò)大。通常無(wú)機(jī)樣品的取樣量在0.2～2g，有機(jī)樣品0.1～1g。試樣情況不清楚時(shí)，應(yīng)取0.1～0.2g試樣進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)消解反應(yīng)再選擇合適的取樣量。待測(cè)元素含量很低的元素，不應(yīng)盲目加大取樣量，應(yīng)通過(guò)改進(jìn)分析方法，提高檢測(cè)方法的靈敏度來(lái)實(shí)現(xiàn)。

消解試劑常采用HNO3、HCI、H2O2、HF、HCIO4等，為了獲得更好的消解效果，多采用兩種或兩種以上的試劑，如王水（HNO3-HCI）、HNO3-H2O2、HNO3-HCI-HF等。由于HCIO4直接與有機(jī)物接觸會(huì)引起爆炸，因此HCIO4不能單獨(dú)使用，而應(yīng)與HNO3組合使用，并且一般不用密閉消解。H2SO4也較少用，因濃H2SO4沸騰時(shí)會(huì)損壞聚四氟乙烯內(nèi)罐。試樣消解還應(yīng)注意幾點(diǎn)：⑴試樣加酸后，應(yīng)待其反應(yīng)一段時(shí)間后再送入微波爐，以免反應(yīng)過(guò)于激烈而爆炸；⑵對(duì)于反應(yīng)激烈的試樣，應(yīng)分幾次加酸，加完酸后隔日再在微波爐中消解；⑶固體試樣應(yīng)磨成粉狀，并且完全浸沒(méi)在溶劑中；⑷試樣和溶劑的總體積不應(yīng)超過(guò)消解罐容積的30%。

微波功率、時(shí)間、壓力和溫度的設(shè)置。試樣消解所需要的能量主要是由幾個(gè)因素決定：樣品數(shù)量、成分；試劑的種類(lèi)、用量；消解罐耐壓、耐溫能力；消解罐數(shù)量。消解罐個(gè)數(shù)多，需要的微波功率大、時(shí)間長(zhǎng)。情況不明時(shí)，應(yīng)先選用較小的功率、溫度及較短的時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)，觀(guān)察壓力、溫度上升快慢并進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)過(guò)幾次了解了樣品的加熱特性后，再來(lái)確定合適的壓力、溫度和加熱時(shí)間。

2 微波消解技術(shù)在環(huán)境化學(xué)分析中的應(yīng)用

2.1 微波消解在檢測(cè)污水重金屬含量中的應(yīng)用

污水中重金屬的檢測(cè)傳統(tǒng)上采用HNO3-HCIO4電熱板法檢測(cè)，操作繁瑣、耗時(shí)（預(yù)處理占用60%～70%的時(shí)間）。張愛(ài)星等人[2]利用微波消解技術(shù)對(duì)污水樣品進(jìn)行預(yù)處理。方法是：25m水樣+HNO33ml，去離子水稀釋至50ml，進(jìn)行微波消解。消解參數(shù)為：600W，345kpa，5min；600W，1241kpa，10min。冷卻稀釋定容后采用直接吸入火焰原子吸收法檢測(cè)重金屬。相同條件下進(jìn)行回收試驗(yàn)，各元素的加標(biāo)回收率達(dá)到了99%～101%。

2.2 微波消解在測(cè)定大氣顆粒物中硒的應(yīng)用

李曉燕等人[3]利用微波消解-石墨爐原子吸收光譜法測(cè)定大氣顆粒物中的硒。微波消解程序?yàn)椋哼m量大氣顆粒物樣品濾膜，置于消解罐中，少量水潤(rùn)濕，加入5mlHNO3+3mlHCI+0.3mlH2O2后進(jìn)行消解。參數(shù)為：T=130℃，ta=2min，t=8min；T=150℃，ta=1min，t=20min；T=100℃，ta=2min，t=5min。消解完畢，冷卻稀釋定容后進(jìn)行分析。相同條件下做回收試驗(yàn)，加標(biāo)回收率為92%～97%。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著國(guó)家不斷加大環(huán)境污染治理和控制的力度，環(huán)境化學(xué)監(jiān)測(cè)分析的任務(wù)量也在不斷增加。傳統(tǒng)樣品預(yù)處理方法費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、污染大，已不能適應(yīng)這種形勢(shì)的要求，微波消解技術(shù)快速、高效、重復(fù)性好，必將在環(huán)境監(jiān)測(cè)分析中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

參考文獻(xiàn)

[1]張文清.分離分析化學(xué)[M].上海：華東理工大學(xué)出版社，2007：14-25.

[2]張愛(ài)星，蘆巖，景華蕊.微波消解-直接吸入火焰原子吸收法檢測(cè)污水中的重金屬[J].天津建設(shè)科技，2012（05）：51-52.

[3]李曉燕，呂述萍.微波消解-石墨爐原子吸收光譜法測(cè)定大氣顆粒物中的硒[J].內(nèi)蒙古石油化工，2012（01）：21-22.