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

李 楠，張延輝

（1.吉林省長春生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，吉林 長春 130021；2.中國電力工程顧問集團東北電力設(shè)計院有限公司，吉林 長春 130022）

環(huán)境化學(xué)分析是指利用檢測技術(shù)對環(huán)境介質(zhì)特點、元素、類型等進行分析的過程。應(yīng)用傳統(tǒng)的熔融法、燒結(jié)法等雖然可以達到化學(xué)分析的目標，但其成本較高、耗時較長，不符合可持續(xù)發(fā)展理念，甚至可能導(dǎo)致環(huán)境污染。微波消解技術(shù)是一種新型的介質(zhì)測量技術(shù)，利用磁場的分子組合功能，實現(xiàn)環(huán)境化學(xué)分析，不會在檢測過程中產(chǎn)生污染物質(zhì)，投入成本也比較低，效率較高。

1 微波消解技術(shù)原理

微波消解技術(shù)與傳統(tǒng)的熔融法、燒結(jié)法不同。通過檢測設(shè)備產(chǎn)生一定頻率范圍的微波輻射，促使樣品內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，測定化學(xué)物質(zhì)中的元素成分以及含量，對化學(xué)物質(zhì)進行消解。微波消解技術(shù)是可持續(xù)發(fā)展理念提出的新的要求，其在檢測精度、檢測效率上具有明顯的優(yōu)勢。對其技術(shù)原理進行分析，具體內(nèi)容如下。

微波消解技術(shù)可以產(chǎn)生頻率在300 MHz至30 000 MHz的微波輻射，從而實現(xiàn)對大量化學(xué)物質(zhì)的穿透，包括塑料、玻璃等。微波輻射在穿透檢測樣品時，可能被樣品中的水、脂肪等物質(zhì)吸收，也可能被金屬物質(zhì)反射，但無論何種形式，均可將化學(xué)物質(zhì)進行加熱分解，從而使其消解。微波消解技術(shù)主要應(yīng)用微波輻射進行穿透消解，微波輻射形成高頻磁場，改變了化學(xué)物質(zhì)原本的分子運動，分子在重新排列過程中加大摩擦，產(chǎn)生熱能。在高溫環(huán)境下，化學(xué)物質(zhì)會不斷分解，從而消解。利用微波磁場推動化學(xué)物質(zhì)的分子運動，通過摩擦所產(chǎn)生的熱能進行分子消解，是微波消解技術(shù)的基本原理[1]。

2 微波消解技術(shù)特點

1）時效性。時效性是指微波消解技術(shù)的應(yīng)用時間以及消解時間比較短。從應(yīng)用時間上看，其通過階段性的操作，將微波輻射與材料快速融合，達到加熱分解的效果。當(dāng)反應(yīng)結(jié)束之后，設(shè)備不會繼續(xù)產(chǎn)生微波輻射，具有一定的時效性。從消解時間上看，微波消解技術(shù)耗時比較短，節(jié)省了大量的消解時間。例如，對比燒結(jié)法和微波消解技術(shù)對化學(xué)物質(zhì)的消解能力，選用鹽酸和硝酸的混合物試劑作為試驗對象，對比兩種技術(shù)的消解時間以及消解能力。當(dāng)試驗對象完全消解之后，試驗完成，采用微波消解技術(shù)的消解時間為1.68 h，采用燒結(jié)法的消解時間為102 h，兩者相差近100 h。因此，通過實驗對比微波消解技術(shù)和其他消解技術(shù)的消解時間可知，微波消解技術(shù)具有明顯的時效性優(yōu)勢。

2）穿透性。穿透性是指微波本身具備穿透能力，依靠其強大的分子穿透能力，可以實現(xiàn)對多種化學(xué)物質(zhì)的分解。與傳統(tǒng)的熔融法和燒結(jié)法相比，微波消解技術(shù)可以穿透很多固態(tài)的化學(xué)物品，包括玻璃、塑料等，而熔融法和燒結(jié)法在使用過程中，需要對樣品進行局部加熱，先對外側(cè)進行消解，再逐漸向內(nèi)進行消解。微波消解技術(shù)具有強大的穿透能力，可以使微波輻射進入固體樣品的內(nèi)部，從內(nèi)部改變化學(xué)物質(zhì)的分子運動，實現(xiàn)從內(nèi)部到外部的均勻加熱，使其達到全面消解的效果。因此，強大的穿透性是微波消解技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)勢，也是微波消解技術(shù)的特點之一。

3）選擇性。選擇性是指根據(jù)不同試驗對象的性質(zhì)、特點，可以科學(xué)地設(shè)置不同的微波頻率，使其可以滿足大多數(shù)化學(xué)物質(zhì)消解的實際需要。傳統(tǒng)的消解技術(shù)對試驗對象的要求比較高，需要在熔點范圍內(nèi)進行加熱消解；遇到一些比較復(fù)雜的化學(xué)物質(zhì)，需要提高熔點，耗時較長。微波消解技術(shù)則可以依據(jù)不同材料的性質(zhì)，設(shè)置不同的微波頻率，對加熱區(qū)域、加熱范圍、加熱內(nèi)容進行準確劃分，使其可以滿足實際消解需求[2]。

4）環(huán)保性。利用微波消解技術(shù)實現(xiàn)對化學(xué)物質(zhì)的分解，不需要使用其他材料進行加熱、燒結(jié)，利用分子運動實現(xiàn)對化學(xué)物質(zhì)加熱，釋放的能量均被化學(xué)物質(zhì)自行利用，消解過程不會產(chǎn)生污染物、垃圾等。對比傳統(tǒng)的消解技術(shù)而言，微波消解技術(shù)應(yīng)用具有環(huán)保性特征，因此符合生態(tài)發(fā)展理念的客觀需要。

3 微波消解技術(shù)在環(huán)境化學(xué)分析中的實踐應(yīng)用

1）水體化學(xué)需氧量測量應(yīng)用。環(huán)境化學(xué)分析中的水質(zhì)檢測工作可以利用微波消解技術(shù)實現(xiàn)。對水體環(huán)境進行檢測以及評估的工作，需要了解水體環(huán)境中的化學(xué)需氧量，判斷水質(zhì)中的化學(xué)物質(zhì)成分、化學(xué)元素等是否滿足國家對水體環(huán)境的要求。部分水質(zhì)中含有大量的重鉻酸鉀等化學(xué)物質(zhì)，采用傳統(tǒng)的技術(shù)方法對其進行測定，需要使用大量的化學(xué)物質(zhì)以及化學(xué)元素，耗時比較長、成本投入比較高，且會對生態(tài)環(huán)境造成一定程度的污染。嘗試應(yīng)用高壓蒸汽法對水體化學(xué)需氧量進行測量，雖然該方法耗時比較短，但在得出測試結(jié)果的同時，水體環(huán)境也會遭到一定程度的破壞。比較其他方法，在水體化學(xué)需氧量測量中應(yīng)用微波消解技術(shù)是比較科學(xué)的方法，由于其耗時較短、無污染殘留，因此在水體化學(xué)需氧量分析中被廣泛應(yīng)用。微波消解技術(shù)通過產(chǎn)生一定頻率范圍的微波輻射的方式實現(xiàn)對水體內(nèi)化學(xué)元素的反復(fù)檢測，最終使用平均值計算方式可以實現(xiàn)水體化學(xué)需氧量的最終測定。在水體化學(xué)需氧量測定中應(yīng)用微波消解技術(shù)，可以使用部分水體樣品進行檢測，在檢測過程中不會產(chǎn)生污染物；但該技術(shù)應(yīng)用受水體樣品體積的影響較大，需要合理控制水體樣品的體積，不宜過大，也不宜過小，否則可能會導(dǎo)致水體對微波輻射的吸收程度降低，使得最終的測試結(jié)果出現(xiàn)誤差。

2）土壤樣品測量應(yīng)用。微波消解技術(shù)在土壤樣品檢測中的實踐應(yīng)用，主要是測量土壤中的非金屬化學(xué)元素含量，該技術(shù)應(yīng)用同樣需要進行取樣調(diào)查。目前，該技術(shù)在土壤樣品測量中的應(yīng)用較為廣泛，可以對土壤中的非金屬化學(xué)元素進行測定。例如，該技術(shù)可以在土壤中的碳元素含量測定分析中應(yīng)用，可以準確計算出土壤中的碳元素含量。具體應(yīng)用需要取土壤樣品5 g，將樣品保存至容器之內(nèi)，在容器中添加10 mL的硝酸、4 mL的氫氟酸。在微波環(huán)境下儲存3 min左右，觀察反應(yīng)容器內(nèi)的溫度，當(dāng)溫度達到150℃后停止反應(yīng)，使其在恒溫狀態(tài)下保存3 min；隨后繼續(xù)微波加溫，使其溫度達到160℃后停止反應(yīng)，保持恒溫狀態(tài)30 min以上；最后添加0.5 mL的高氯酸甘酸溶液即可，最終實現(xiàn)對碳元素含量的測定。該技術(shù)在土壤非金屬元素含量測定中的應(yīng)用比較廣泛，除碳元素含量的測定外，也可以進行硫元素含量、磷元素含量的檢測，是檢驗土壤中化學(xué)元素的重要措施。在具體應(yīng)用過程中，需要考慮到待測定的化學(xué)元素性質(zhì)，不同的化學(xué)元素需要使用不同的溶液，輔助應(yīng)用微波消解技術(shù)對溫度進行合理的控制，保障最終測定結(jié)果的準確性，減少測定數(shù)據(jù)的誤差[3]。

3）大氣顆粒物測量應(yīng)用。大氣中含有大量的顆粒物，顆粒物由不同化學(xué)元素構(gòu)成，其中比較常見的是由含有硒元素的化學(xué)物質(zhì)組成的顆粒物。應(yīng)用微波消解技術(shù)對其進行微波頻率測定，輔助應(yīng)用光譜吸收技術(shù)，可以準確測定大氣顆粒物中含有硒元素的物質(zhì)成分以及含量。應(yīng)用微波消解技術(shù)需要進行取樣，將大氣中的顆粒物儲存在微波消解裝置中，在裝置中添加適當(dāng)?shù)乃?，使得樣品充分濕潤，繼而在裝置中添加相應(yīng)的溶液，包括6 mL的硝酸溶液、4 mL的鹽酸溶液以及0.4 mL的雙氧水溶液。當(dāng)裝置中的樣品與溶液充分混合之后，啟動微波消解裝置，使其保持合理的溫度，實現(xiàn)對溫度的科學(xué)調(diào)控，確保整個過程可以完成。在微波消解完畢之后，需要對其進行冷卻，并添加一定量的蒸餾水，對消解后的樣品進行稀釋；經(jīng)過定容處理之后，對其進行檢測分析。該技術(shù)在大氣顆粒物測量中應(yīng)用，會產(chǎn)生一定量的廢棄物，可能會對環(huán)境造成一定程度的污染，需要對實驗后產(chǎn)生的廢棄物進行回收處理。微波消解技術(shù)在大氣顆粒物中的硒元素含量測定中應(yīng)用具有科學(xué)性，可以優(yōu)化操作流程、節(jié)省操作時間，最終所得的測量結(jié)果也比較準確。

4）金屬元素測量應(yīng)用。重金屬元素對環(huán)境造成的污染危害是無法估量的，通過對環(huán)境中重金屬元素類型、含量等因素進行測量判斷，可以實現(xiàn)對重金屬元素的控制。尤其是在工業(yè)生產(chǎn)以及工業(yè)制作過程中，可能會使得廢水中含有大量的重金屬元素。微波消解技術(shù)可以測定樣品中的金屬元素含量、金屬元素性質(zhì)，以及含有金屬元素的化學(xué)物質(zhì)（如氧化鈣）含量。在測定分析過程中，需要提取相應(yīng)的樣品，對其進行脫水處理之后，開展微波消解試驗。將其以泥餅的形態(tài)放置在微波消解裝置中，在消解的過程中添加一定量的蒸餾水，經(jīng)過微波消解之后靜置，當(dāng)其冷卻之后進行蒸餾，最終進行定容，測量樣品中的含有金屬元素的化學(xué)物質(zhì)成分以及金屬元素含量。微波消解技術(shù)在金屬元素測定中的實踐應(yīng)用可以有效判斷污染物中含有重金屬元素的化學(xué)物質(zhì)成分、含量，根據(jù)測定的結(jié)果制定污染等級，促進污染治理的針對性與科學(xué)性。

5）樣品含水率測量應(yīng)用。樣品含水率測定也可應(yīng)用微波消解技術(shù)，在大多數(shù)試驗中，為測量樣品含水率，將樣品放置在特定的密封容器內(nèi)進行干燥，提取樣品中的水分。這種方式測量結(jié)果缺乏準確性，操作也比較復(fù)雜。應(yīng)用微波消解技術(shù)可以有效地測定污染物樣品含水率，測定結(jié)果更加精確。含水率測定是濕度測定的方式之一，將試驗樣品放置到微波消解裝置之中，依靠微波的分子振動效果產(chǎn)生熱能，將樣品中的水分烘干，最終對比試驗前與試驗后的樣品種類，計算出樣品含水率。除污染物樣品含水率測量外，在糧食、水果、蔬菜等含水量比較大的產(chǎn)品中進行含水率測定同樣具有科學(xué)性。與其他方式相比，微波消解技術(shù)應(yīng)用不會對原本的樣品造成太大的破壞，最終計算的結(jié)果誤差較小，是比較科學(xué)、有效的含水率測定技術(shù)。應(yīng)用微波消解技術(shù)測定果蔬含水率的步驟及其條件設(shè)置見表1，其中，樣品質(zhì)量為0.5g；溶液配置中，硝酸為7mL、雙氧水為1mL。

表1 應(yīng)用微波消解技術(shù)測定果蔬含水率的步驟及其條件設(shè)置

6）其他領(lǐng)域測量應(yīng)用。微波消解技術(shù)主要應(yīng)用微波使得樣品的分子產(chǎn)生振動、摩擦，從而產(chǎn)生熱能對物質(zhì)進行消解。在具體的實際應(yīng)用中，很多樣品需要借助微波消解技術(shù)的致熱效應(yīng)實現(xiàn)，也有很多樣品需要以非致熱效應(yīng)作為基礎(chǔ)。在其他很多領(lǐng)域中的應(yīng)用，并不是基于微波消解技術(shù)的致熱效應(yīng)實現(xiàn)，而是利用其非致熱效應(yīng)達到測定的目的。例如，在環(huán)境病毒測量中，應(yīng)用微波消解技術(shù)可以測定是否存在抗體，輔助應(yīng)用免疫單向擴散技術(shù)可以測定樣品中的免疫球蛋白。微波消解技術(shù)在加快抗原抗體分子運動過程中也具有一定的作用，可以有效減少分子的反應(yīng)時間，提高研究對象的反應(yīng)效率。

4 結(jié)論

微波消解技術(shù)有效解決了傳統(tǒng)環(huán)境化學(xué)分析中的污染問題以及效率問題，符合生態(tài)發(fā)展理念與可持續(xù)發(fā)展理念，對其進行推廣應(yīng)用具有科學(xué)性、可行性。目前，微波消解技術(shù)實踐應(yīng)用仍存在一系列的問題，技術(shù)尚不完全成熟，需要對其進行進一步的優(yōu)化設(shè)計，增強微波溫度控制效果，提高檢測準確性，拓展其在環(huán)境化學(xué)分析中的應(yīng)用范圍以及應(yīng)用效果。