用于環(huán)境水質(zhì)分析的重金屬監(jiān)測技術(shù)探究

馬珊 呂冬梅

摘要：水體污染是環(huán)境污染的常見類型之一，若重金屬含量超標(biāo)的污水被人、牲畜飲用后，將會對其生命健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。為保證人畜飲水的安全，應(yīng)嚴(yán)格依照相關(guān)規(guī)范做好水質(zhì)重金屬成分及含量的監(jiān)測工作，使人們可以獲得水質(zhì)達標(biāo)的水源。本文主要探究當(dāng)下環(huán)境水質(zhì)分析領(lǐng)域中常用于監(jiān)測重金屬的技術(shù)手段，以供同行參考。

關(guān)鍵詞：環(huán)境水質(zhì);重金屬;水質(zhì)污染;檢測技術(shù)

中圖分類號：X832 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）05-0-01

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.05.064

Heavy metal monitoring technology for environmental water quality analysis

Ma Shan， Lü Dongmei

（Shandong Zibo Ecological Environment Monitoring Center，Zibo Shandong 255000，China）

Abstract：Water pollution is one of the common types of environmental pollution.If the sewage with excessive heavy metal content is drunk by people and livestock，it will pose a serious threat to their life and health. In order to ensure the safety of human and animal drinking water，it is necessary to monitor the heavy metal composition and content of the water in strict accordance with the relevant specifications，so that people can obtain the water source with the water quality up to the standard.This paper mainly explores the current environmental water quality analysis field is often used to monitor heavy metal technical means for peer reference.

Key words：Environmental water quality;Heavy metal;Water pollution;Detection technology

1 原子吸收光譜檢測技術(shù)

20世紀(jì)中葉原子吸收光譜法被開發(fā)出來，其在定量分析無機元素含量領(lǐng)域中有廣泛應(yīng)用[1]。其可用于定量監(jiān)測水質(zhì)重金屬的原理為：試樣中的金屬元素經(jīng)原子化后轉(zhuǎn)化為氣態(tài)基態(tài)原子，并吸收同種元素空心陰極燈發(fā)射出的能量，能量降低的程度與試樣中金屬元素的濃度成正比[2]。

該項技術(shù)在選擇性、靈敏度、精密性、分析速度及適用性等多種方面均具有一定優(yōu)勢，在地表水、廢水、污水重金屬含量分析領(lǐng)域有較廣泛應(yīng)用[3-4]。但該技術(shù)應(yīng)用中也暴露出一定不足：因為選用單元素空心陰極燈作為銳線光源，每次僅分析一種元素，在多元素混合物同步分析中適用性偏低;不能靈敏地分析高熔點、易形成碳化物的重金屬元素。依據(jù)原子化的差異性，可以將該種水質(zhì)監(jiān)測分析技術(shù)分為如下類別：

（1）火焰原子吸收光譜法（FAAS）：原子化原理是應(yīng)用火焰原子化器對試樣中金屬元素進行原子化處理，使其轉(zhuǎn)化為氣態(tài)基態(tài)原子。技術(shù)優(yōu)勢主要包括原子化條件相對較穩(wěn)定、再現(xiàn)性良好、相對標(biāo)準(zhǔn)偏差可達0.2%;分析過程快速;適用范圍廣，可監(jiān)測的重金屬元素較多。現(xiàn)如今，國家相關(guān)部門已頒發(fā)了諸多FAAS的標(biāo)準(zhǔn)方法，在數(shù)十年的發(fā)展歷程中，F(xiàn)AAS技術(shù)成熟度不斷提升，但依然存在一些不足，比如采用氣動霧化器時工效偏低（10%～15%），多數(shù)樣品會變?yōu)閺U液，檢測靈敏度偏低;檢測硅、稀土金屬元素等易形成難溶性氧化物，原子化效率有不同程度的降低。

（2）石墨爐原子吸收光譜法（CFAAS）：使用石墨爐原子化器，在石墨爐的高溫作用下，促進樣品蒸發(fā)以及原子化過程。靈敏度高、進樣體積小是石墨爐法的典型特征，其能確保大量“游離型”原子滯留在光路上，檢測階段需要的樣品量極少（一般是2～50μg/L）;因為該技術(shù)原子化效率高，與FAAS相比靈敏度有3個數(shù)量級的提升，該技術(shù)可用于檢測水質(zhì)鋁、釩、鉛、鎘、鈹?shù)榷喾N重金屬元素[2]。但該方法也存在缺點，存在背景吸收干擾，精密度遜色于FAAS，在樣品測試中需添加合適的改進劑以減少或解除干擾。

2 原子熒光分析法

原子熒光法在重金屬元素分析中具有重要的地位，其原理為：氣態(tài)基態(tài)原子（汞、砷、硒等）受到相應(yīng)元素?zé)艄舱褫椛浜?，吸收一定的能量由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，在短時間內(nèi)會回到基態(tài)，在此過程中發(fā)射出共振熒光，熒光強度與待測元素原子蒸汽的濃度成正比。

該方法具有譜線簡單、干擾少、靈敏度高、檢出限低，且儀器簡單價格低廉，在測定低溫元素汞、硒、砷等方面具有較大優(yōu)勢。但是該方法具有一定的局限性：其只能測定低溫元素汞、砷、硒、銻等，測定范圍較窄;每次僅能分析一種元素，無法實現(xiàn)多元素同時測定;由于原子熒光是微量、痕量檢測儀器，可以檢測到μg/L或ng/L級別，所以如果檢測樣品中待測元素含量太高，需要稀釋檢測，會帶來誤差。

3 電化學(xué)溶出伏安法

該項檢測技術(shù)的應(yīng)用原理可以做出如下闡述：在一定的電位下，把部分被檢金屬離子還原處理成為金屬，同時將溶到微電極，而后將反向電壓施加給電極，促進微電極上金屬氧化規(guī)程，進而形成氧化電流，結(jié)合以上過程勾畫出的電流—電壓曲線進行相關(guān)分析的一種方法。電化學(xué)溶出伏安法是將電化學(xué)富集與測定方法有機地結(jié)合一種方法，包含電解富集和電解溶出兩個過程。

電化學(xué)富集是一個控制陰極電位的電解過程。用于電解富集的電極有懸汞電極、汞膜電極和固體電極。懸汞電極的面積不能過大，大的懸汞易于脫落。用懸汞電極測定的靈敏度并不太高，但再現(xiàn)性好。汞膜電極面積大，同樣的汞量做成厚度為20～10 000的汞膜，其電極表面積比懸汞大得多，電解效率高。而且攪拌速度可以加快。因此，溶出峰尖銳，分辨能力高、靈敏度比懸汞電極高出1～2個數(shù)量級。汞膜電極的缺點，是再現(xiàn)性不如懸汞電極。

4 電感耦合等離子體發(fā)射光譜法

電感耦合等離子發(fā)射光譜法（ICP-AES）以等離子體為激發(fā)光源的原子發(fā)射光譜分析法。

該方法由于高頻感應(yīng)電流的趨膚效應(yīng)產(chǎn)生的電屏蔽大大地減緩了原子和離子的擴散，因而是非常靈敏的分析方法，檢出限低（10-8g/mL）;激發(fā)溫度高，可達8 000～10 000K，能激發(fā)一些在一般火焰中難以激發(fā)的元素，且不易生成難熔金屬氧化物;放電十分穩(wěn)定，分析精密度高，偏差系數(shù)可小至0.3%;可以進行多元素同時測定，解決了原子吸收光譜法、原子熒光法等每次僅能測定一種元素的缺點。

5 電感耦合等離子體質(zhì)譜法

電感耦合等離子體質(zhì)譜儀主要用于檢測超痕量元素與同位素比值，構(gòu)成以等離子體發(fā)生器、霧化室、炬管、質(zhì)譜檢測器等為主。該項檢測技術(shù)的工作原理為：霧化器使樣品溶液形成氣溶膠并被氬氣帶入等離子體光源內(nèi)，于等離子體高溫條件下完成氣化，分解、電離出離子化氣體，于真空度低于133.322Pa條件下形成分子束，而后經(jīng)內(nèi)徑1～2mm截取錐進入質(zhì)量分析器進行分離，最后抵達離子檢測器，通過待測元素質(zhì)荷比進行定性分析，依據(jù)檢測器計數(shù)和試樣濃度之間的相關(guān)性，計算元素含量或同位素比。該技術(shù)有檢出限低（可達到ng/mL或更低）、基體效應(yīng)小、譜線簡潔、能同步檢測多種元素及動態(tài)線性范圍較寬等諸多優(yōu)勢。目前研究表明通過串聯(lián)高效液相色譜對不同價態(tài)的金屬元素進行分離，可實現(xiàn)元素的價態(tài)分析。目前其在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域中應(yīng)用范疇有不斷拓展的趨勢。

6 流動注射分析法

流動注射分析法是一種流動注射與監(jiān)測分析方法相結(jié)合的快速測定方法。它可將分離、濃縮、稀釋、加標(biāo)等操作均能實現(xiàn)在線完成。流動注射聯(lián)用的分析儀器往往包括上述原子吸收，電感耦合等離子體發(fā)射光譜、質(zhì)譜儀，還包括分光光度計、化學(xué)發(fā)光儀等，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)挕＿@一方法投用于水質(zhì)監(jiān)測范疇，預(yù)示著監(jiān)測技術(shù)有智能化的發(fā)展趨向，一方面較明顯地提升了監(jiān)測工作效率，另一方面科學(xué)處理了效率低、成本高、復(fù)雜前處理等諸多環(huán)境監(jiān)測局限。

7 結(jié)束語

21世紀(jì)以來，我國社會經(jīng)濟獲得前所未有的發(fā)展，城市垃圾、污水及工業(yè)廢水等排放量均有不斷增加趨勢，對環(huán)境水質(zhì)構(gòu)成較大的不良影響，促進了生態(tài)環(huán)境惡化、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)降低過程，也對人類身體健康構(gòu)成一定威脅。加大水質(zhì)重金屬監(jiān)測技術(shù)的開發(fā)力度，并在實踐中加以應(yīng)用及完善，力爭從源頭上減少水體污染，實現(xiàn)對生態(tài)環(huán)境的有效保護。

參考文獻

[1]馮傳玲，謝倩，葛鑫，等.原子吸收分光光度法測定水中的重金屬鉛含量[J].食品安全導(dǎo)刊，2016（30）：119.

[2]李曉靜，王曉杰，王爽，等.光譜分析在水質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用進展[J].鹽科學(xué)與化工，2019，48（09）：12-16.

[3]蒙明姜，李麗，俞蘭.原子吸收分光光度法測定水溶液中鎘含量[J].中國藥業(yè)，2018，27（16）：17-20.

[4]王露，王芹，宋鑫，等.磁固相萃取-石墨爐原子吸收光譜法測定水中鉛[J].分析科學(xué)學(xué)報，2019，35（03）：367-371.

收稿日期：2020-03-19

作者簡介：馬珊（1988-），女，漢族，碩士研究生，工程師，研究方向為環(huán)境監(jiān)測。