城市污泥中硅的快速檢測方法

謝冬香 吳小鹿 張麟熹

(江西核工業(yè)地質(zhì)局測試研究中心，江西 南昌 330002)

1 前言

近年來，隨著人們環(huán)保意識(shí)的不斷提高，城市生活污水和工業(yè)廢水處理率也在不斷提高。污水處理過程中產(chǎn)生的二次污染物―污泥，污泥量不斷增加給環(huán)境保護(hù)帶來了新的問題[1]。目前圍繞污泥檢測與鑒別是環(huán)境檢測的重點(diǎn)，《城市污泥處理廠污泥檢驗(yàn)方法》 CJ/T 221-2005和《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定了污泥中有害成分鎘、汞、鉛、鉻、砷、銅、鋅等的檢測方法，但對污泥處理過程中的有用元素硅沒有具體的檢測方法。對于經(jīng)過鑒別后不屬于危險(xiǎn)廢物的污泥，利用污泥中硅、鋁、鐵、鈣等無機(jī)物可制成水泥、磚、陶瓷燈、納米材料等，對污泥進(jìn)行資源化處置[2]，如孟令友、呂遠(yuǎn)等人研究的以污泥中硅為原料制備納米復(fù)合材料[3]，且硅含量對污泥資源化后制備的陶粒性能有一定影響[4]，故對污泥中硅進(jìn)行檢測非常有意義。

目前，沒有污泥中硅的標(biāo)準(zhǔn)檢測方法，其他介質(zhì)中硅的測定方法主要是光度法、重量法、容量法[5-6]、X射線熒光光譜法[7-8]，這些方法前處理都比較復(fù)雜、步驟多，分析方法繁瑣，人為影響因素大，且勞動(dòng)強(qiáng)度大，分析周期長，越來越不能適應(yīng)現(xiàn)代化快速檢測的需求。近年來興起的X射線熒光光譜法，分為壓片法和熔片法，壓片法受限于沒有大量的相同基體污泥標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，結(jié)果受礦物效應(yīng)和顆粒效應(yīng)影響大，不能保證準(zhǔn)確性；熔片法測量需要測定燒失量，污泥因有機(jī)質(zhì)含量高，故燒失量較高，燒失量結(jié)果偏差大，影響結(jié)果準(zhǔn)確性。同時(shí)，熔片法前處理步驟多，熔片過程中試劑氣味刺鼻，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，很難滿足快速測定的要求。本文選擇相對比較簡單的堿熔法消解污泥，熔融后加酸提取過濾，殘?jiān)媒沽蛩徕洀?fù)熔，提取液合并采用靈敏度高、測量準(zhǔn)確的電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)測定消解液中硅的含量，通過實(shí)驗(yàn)條件和儀器條件的選擇探索出一種簡單快速、精確度較高的檢測方法。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

Optima 5300DV型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(美國PE公司)；無水碳酸鈉(分析純，西隴科學(xué)股份有限公司)，無水四硼酸鈉(分析純，西隴科學(xué)股份有限公司)，鹽酸(分析純，西隴科學(xué)股份有限公司)，焦硫酸鈉(分析純，阿拉丁試劑)，無水乙醇(分析純，西隴科學(xué)股份有限公司)，超純水(電導(dǎo)率18.25MΩ/cm)。

二氧化硅標(biāo)準(zhǔn)溶液：1000 μg/mL：稱取1.0000 g預(yù)先經(jīng)1000℃灼燒45 min，并于干燥器中冷卻至室溫的基準(zhǔn)試劑二氧化硅(質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.9%)，置于加有5 g無水碳酸鈉的鉑坩堝中，混勻，在1000℃的高溫爐中熔融15 min，用50 mL的溫水在聚四氟乙烯燒杯中加熱溶解熔融物，洗出鉑坩堝，待冷卻至室溫，移入1000 mL容量瓶中，用水稀釋至刻度，搖勻，儲(chǔ)于聚乙烯瓶中。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

預(yù)置0.8 g無水碳酸鈉于鉑坩堝中，稱取0.5 g左右試樣，用不銹鋼絲混勻，再稱取0.4 g 四硼酸鈉，再次混勻后，將鉑坩堝放入瓷坩堝中，放入已升溫至800℃的高溫爐中，升高溫度至1000℃，溫度達(dá)到1000℃后熔融10 min，取出搖勻一次，再放入熔融5min，取出冷卻，將鉑坩堝放入200 ml聚四氟乙烯燒杯中，加入40 ml(1+1)鹽酸溶液，放置在低溫電熱板上加熱溶解，洗出鉑坩堝，底部有少量沉淀，過濾，濾液接入250ml容量瓶中，用水沖洗聚四氟乙烯燒杯和濾紙各3-4次。

待濾紙濾干，將濾紙包裹后連同沉淀放入鉑坩堝中，放在電熱板上蒸干水分，然后加入5 ml無水乙醇點(diǎn)火炭化，再放入馬弗爐中650℃灰化，取出稍冷后，加入1 g-2 g焦硫酸鉀，在700℃熔融5min，取出稍冷后加入5 ml水和1 ml鹽酸，放在電熱板中160℃加熱溶解，待溶解清亮后并入收集濾液的250 ml容量瓶中，定容搖勻。分取10 ml 至100 ml容量瓶中，對ICP-OES進(jìn)行優(yōu)化后測量。

3 結(jié)果與討論

3.1 儀器條件的選擇

在測量前，對ICP-OES的射頻功率、等離子體流量、霧化氣流量、輔助氣流量等進(jìn)行優(yōu)化。射頻功率從1200 W逐漸升高到1450 W，各譜線的強(qiáng)度逐漸升高，在1300 W后譜線的強(qiáng)度增量變小，故選擇射頻功率1300W。等離子體流量范圍10-17 L/min，測量元素強(qiáng)度，結(jié)合元素強(qiáng)度、冷卻效果、樣品在炬管壁的殘留等因素，等離子體流量選擇15L/min。霧化氣流量大小直接影響霧化器提升量、霧化效率、霧滴粒烴、氣溶膠在通道中的停留時(shí)間等。霧化氣的流量一般在0.4-1.0L/min，在霧化氣流量為0.8L/min時(shí)，強(qiáng)度達(dá)到最大，所以本實(shí)驗(yàn)選擇最佳霧化氣流量為0.8L/min。輔助氣流量從0.1 L/min到0.6 L/min范圍內(nèi)對樣品進(jìn)行測量，在輔助氣流量為0.1L/min時(shí)，元素強(qiáng)度最大，但輔助氣流量太低，樣品停留時(shí)間長，造成中心管鹽分沉積；在輔助氣流量為0.2-0.6 L/min內(nèi)測量，元素強(qiáng)度在0.2 L/min時(shí)達(dá)到最大，故實(shí)驗(yàn)選擇0.2 L/min為最佳輔助氣流量。儀器射頻功率、等離子體流量、霧化氣流量、輔助氣流量與硅強(qiáng)度關(guān)系圖見圖3-1，選擇的儀器最佳條件見表3-1。

圖3-1 儀器射頻功率、等離子體氣流量、霧化氣流量、輔助氣流量與硅強(qiáng)度關(guān)系圖

表3-1 ICP-OES儀器工作參數(shù)

3.2 波長的選擇

硅的分析波長推薦的有：251.611、212.412、288.158、252.851、221.667，在儀器最佳工作條件下測定制備好的樣品溶液，對各波長進(jìn)行譜線重疊干擾和基體干擾分析，測量后檢查譜線發(fā)現(xiàn)硅的5條譜線干擾元素含量低，基本不影響測量，5條譜線樣品測量結(jié)果基本一致，故通過選擇信噪相對較高和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差較小的譜線為最佳波長，即選擇硅 251.611。

表3-2 波長選擇結(jié)果對比

3.3 精密度

在最佳條件下，用堿熔法消解底質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品GBW07365、GBW07407和實(shí)際污泥樣品各7份，用ICP-OES測量硅含量，測量結(jié)果見表3-3。結(jié)果表明，硅測量結(jié)果穩(wěn)定，測量結(jié)果相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均在3 %以內(nèi)，本方法測量污泥中硅樣品精密度高，穩(wěn)定性好。

表3-3 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)精密度測量結(jié)果

3.4 準(zhǔn)確度

選擇底質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品GBW07365、GBW07407，用本方法對樣品進(jìn)行消解處理，在最佳測量條件下測量結(jié)果如表3-4。對結(jié)果進(jìn)行分析可知，選取的底質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測量結(jié)果與推薦值相對誤差在±2%以內(nèi)，符合標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測量的質(zhì)量控制要求。

表3-4 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)準(zhǔn)確度測量結(jié)果

3.5 結(jié)論

本文建立了一種采用堿熔消解-等離子體發(fā)射光譜儀快速、準(zhǔn)確地測量污泥中硅的方法，對實(shí)驗(yàn)條件和儀器條件進(jìn)行最優(yōu)化選擇后，測量結(jié)果能夠滿足日常分析檢測質(zhì)量要求。采用底質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和實(shí)際污泥樣品進(jìn)行精密度和準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)，硅測量結(jié)果穩(wěn)定，測量結(jié)果相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均在3 %以內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測量結(jié)果與推薦值相對誤差在±2%以內(nèi)，滿足方法可行性評估要求。