電感耦合等離子體質(zhì)譜法在固體廢棄物半定量分析中的研究

連旭 韓鳳云 劉中賢 吳恩凱 馬宏朕 劉崇書

關(guān)鍵詞：電感耦合等離子體質(zhì)譜法，固體廢棄物，半定量分析，突發(fā)環(huán)境事件

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各種人為活動(dòng)帶來(lái)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)不斷加劇，突發(fā)重金屬環(huán)境污染事件呈高發(fā)態(tài)勢(shì)，社會(huì)危害嚴(yán)重[1]。電鍍污泥是電鍍工業(yè)產(chǎn)生的主要固體廢棄物，含有Cu、Ni、Zn、Cr等重金屬[2]，目前電鍍污泥已被列為HW17類危險(xiǎn)廢棄物，包含20多類有害物質(zhì)[3]。鋁灰渣自2021年1月1日起，《國(guó)家危險(xiǎn)廢物名錄（2021年版）》施行后，鋁材加工產(chǎn)生的一次鋁灰、二次鋁灰、除塵灰全部被納入危險(xiǎn)廢物（HW48）進(jìn)行管理[4]。在聚苯硫醚（PPS）、水合肼、烷基烯酮二聚物（AKD）等化合物的生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的無(wú)機(jī)廢鹽，其主要成分為氯化鈉，對(duì)環(huán)境存在一定的危害[5]。如何快速、準(zhǔn)確地開展應(yīng)急監(jiān)測(cè)工作，是各類突發(fā)環(huán)境事件應(yīng)對(duì)處置的決策基礎(chǔ)和重要保障[6]。

固廢研究最為常見(jiàn)的是關(guān)于樣品的全定量分析，常規(guī)定量分析需對(duì)進(jìn)行分析測(cè)量的每一種元素都必須提供標(biāo)準(zhǔn)溶液，在完成標(biāo)準(zhǔn)曲線后才能進(jìn)行分析測(cè)定[7]，然而半定量分析作為ICP-MS所特有的一項(xiàng)功能，卻少有相關(guān)報(bào)道，它不需要外部標(biāo)準(zhǔn)，既可對(duì)未知樣品進(jìn)行定性分析和半定量分析，獲得未知樣品中存在的元素及元素濃度的信息。半定量分析不需要對(duì)所進(jìn)行分析測(cè)試的每—個(gè)元素都提供標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，它只需以一種或幾種已知濃度的元素作為標(biāo)準(zhǔn)溶液，以此為基礎(chǔ)對(duì)所能分析的所有元素或被選定測(cè)量的元素進(jìn)行測(cè)量，從而獲得樣品中有何種元素及元素濃度的相關(guān)信息。ICP-MS具有檢出限低、動(dòng)態(tài)線性范圍寬、精密度和準(zhǔn)確度高的特點(diǎn)，并能實(shí)現(xiàn)多元素同時(shí)快速測(cè)定[8-11]。ICP—MS通過(guò)高速順序掃描分離所有離子，掃描質(zhì)量范圍為6～260，濃度動(dòng)態(tài)線性范圍達(dá)9個(gè)數(shù)量級(jí)[12]。

本研究通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)及典型行業(yè)中產(chǎn)生的固體廢棄物進(jìn)行對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在半定量模式下ICP-MS也具有較高的準(zhǔn)確度，建立了一種微波消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定固體廢棄物中金屬元素的半定量分析方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

儀器：iCAP RQ型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS，美國(guó)Thermo Scientific公司），BSA224S型電子天平（德國(guó)賽多利斯），UF E50 0型電熱鼓風(fēng)干燥箱（德國(guó)Memmert公司），Mars6微波消解儀（美國(guó)CEM公司），Milli-Q超純水儀（美國(guó)Millipore公司）。

試劑：優(yōu)級(jí)純鹽酸、優(yōu)級(jí)純硝酸、優(yōu)級(jí)純過(guò)氧化氫（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司），BV-Ⅲ氫氟酸（北京化學(xué)試劑研究所），GNM-M255359-2013（25種元素）多元素標(biāo)準(zhǔn)溶液100 mg/L及Rh、Re、Bi單元素標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液1000 mg/L（國(guó)家有色金屬及電子材料分析測(cè)試中心），氬氣（純度>99.99%），實(shí)驗(yàn)用水為去離子水（電阻率為18. 2 MΩ·cm），含有Ba、Bi、Ce、Co、In、Li、U的質(zhì)譜調(diào)諧液（美國(guó)ThermoScientific公司）。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

ICP-MS主要工作參數(shù)見(jiàn)表1。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 樣品處理

準(zhǔn)確稱取0.2 g（精確至0.0001 g）固廢試樣于微波消解罐中，加入5 mL硝酸，2 mL鹽酸，2 mL氫氟酸和2 mL過(guò)氧化氫，將消解罐放入微波消解儀按設(shè)定程序（詳見(jiàn)表3）微波消解，消解后冷卻至室溫，將消解罐放在趕酸儀中于150℃敞口趕酸，至溶液近干成黏稠狀，取下冷卻至室溫后，用去離子水定容至50 mL。取上清液進(jìn)行測(cè)定。隨同試樣做空白實(shí)驗(yàn)。

1.3.2 工作曲線

用2%硝酸溶液進(jìn)行稀釋多元素標(biāo)準(zhǔn)使用液，配制成金屬元素濃度分別為0 μg/L、5 μg/L、10 μg/L、50 μg/L、100 μg/L、500 μg/L、1000 μg/L的校準(zhǔn)系列。定量分析時(shí)內(nèi)標(biāo)溶液在霧化之前通過(guò)蠕動(dòng)泵在線加入。以各元素的濃度為橫坐標(biāo)，以響應(yīng)值和內(nèi)標(biāo)響應(yīng)值的比值為縱坐標(biāo)，建立標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.3.3 儀器調(diào)諧

點(diǎn)燃等離子體后，儀器預(yù)熱穩(wěn)定30分鐘。用質(zhì)譜儀調(diào)諧液對(duì)儀器的靈敏度、氧化物和雙電荷進(jìn)行調(diào)諧，在儀器的靈敏度、氧化物、雙電荷滿足要求的條件下，調(diào)諧溶液中所含元素信號(hào)強(qiáng)度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差≤5%。然后在涵蓋待測(cè)元素的質(zhì)量范圍內(nèi)進(jìn)行質(zhì)量校正和分辨率校驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)對(duì)市售的標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行半定量分析，根據(jù)表4可以發(fā)現(xiàn)，半定量分析非常適用于標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)等基質(zhì)單一、均勻的樣品，具有相當(dāng)高的準(zhǔn)確度，各元素的相對(duì)誤差均在±10%以內(nèi)。在某種程度上，該半定量分析方法可為水質(zhì)應(yīng)急監(jiān)測(cè)提供一定的技術(shù)支持。

為了更好地判斷半定量分析結(jié)果與全定量分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，本研究選取了4種不同行業(yè)產(chǎn)生的固體廢棄物為研究對(duì)象進(jìn)行對(duì)比分析，分析結(jié)果如表4所示。根據(jù)表5可以看出，元素的相對(duì)誤偏差均在30%以內(nèi)，V、Ni、As、Sr、Ba的相對(duì)偏差甚至控制在10%以內(nèi)。這說(shuō)明對(duì)于不同基質(zhì)的固體廢棄物樣品，該半定量方法對(duì)于μg/L～mg/L級(jí)濃度水平分析具有較好的定量能力。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）從本研究中的固體廢棄物及標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)半定量分析結(jié)果中可以看出，該方法快速簡(jiǎn)便，可同時(shí)測(cè)定多種常規(guī)元素，且具有較高的準(zhǔn)確度。為固體廢棄物污染事件中快速確定污染物的種類和濃度提供了科學(xué)依據(jù)，為開展固體廢棄物危險(xiǎn)特性鑒別工作提供技術(shù)支持。

（2）對(duì)于突發(fā)環(huán)境事故應(yīng)急監(jiān)測(cè)，金屬元素污染占較大比例。ICP-MS半定量分析能快速確定樣品中存在的元素及濃度范圍，可以為后期做全定量分析時(shí)標(biāo)準(zhǔn)溶液的配置及樣品稀釋提供合理參考。