浅析环境化学分析中的微波消解技术

黄颂强

摘 要：环境化学分析中的样品常含有有毒有害成分，采用传统消解方法不仅耗时长、污染大，而且空白值高。利用微波消解快速、准确、重复性好等特点可以很好地解决这一问题。现对微波消解的原理、基本操作方法进行了阐述，并对其在环境化学分析中的应用进行了探讨。

关键词：环境化学；环境监测分析；微波消解

环境化学，是以环境中的有害化学物质作为研究对象，研究其在环境介质中的存在、化学特性、行为、效应以及对其进行控制的学科。环境化学中又可再分为多门分支，环境分析化学就是其中研究鉴别和测定环境介质中化学物质种类、成分、含量及化学形态的分支学科。环境监测分析是利用环境分析化学的原理和方法对环境中的化学物质进行监测和分析的技术。环境样品的分析和测定，必须经过预处理或前处理，因为定量分析技术中的大多数样品是在液体状态下进样的。样品预处理方法，简言之就是通过分解和溶解试样，使试样成为可溶性物质，一般是指溶于水的物质。分解试样，传统的方法有溶解法、熔融法和烧结法（半熔融法），有机样品一般采用灰化和溶解的方法处理。这些方法常常使用酸碱、高温处理样品，处理过程难以避免污染大、耗时长、挥发性元素损失等问题，为了改变这种状况，人们开始投向微波技术的研究，这样就产生了微波消解技术。与传统消解技术相比，微波消解技术因为具有反应快、试剂消耗少、空白值较低、污染较轻、节能、易于控制并可实现自动化等优点而在许多行业中得到应用[1]。环境监测中的许多样品含有有毒有害成分，采用微波消解技术更可突出其长处，因而近些年来在环境监测分析中应用渐广。故而，本文对微波消解技术的原理、基本方法及在环境监测分析中的应用进行了分析和探讨。

1 微波消解的原理与基本方法

1.1 微波消解的原理

微波是频率在300MHz-300GHz之间，波长在1米（不含1米）到1毫米之间，是分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波的统称。为了避免对通讯、广播、电视、雷达等造成干扰，民用微波的频率被定为2450±50MHz。

微波对不同的材料表现出不同的特性：⑴金属材料不吸收微波，但能反射微波，因此一种专用不锈钢板被用作炉膛，以便来回反射微波并作用在试样上。因金属容器反射回的微波会损害微波源器件--磁控管，故微波炉内不能使用金属容器。⑵绝缘材料，如塑料、陶瓷、玻璃等可透过微波，几乎不吸收微波，所以可用于微波加热的容器。微波消解样品常使用聚四氟乙烯、工程塑料等容器。⑶极性分子物质，如水、酸等可以吸收微波的能量。微波消解正是利用极性分子的电偶极随微波频率快速变换，分子之间相互摩擦作用而产生高热的原理来处理样品的。

微波加热与传统加热有显著的差别：⑴传统加热是通过热的辐射、对流和传导来加热，加热时先加热容器壁，再加热溶剂，最后加热样品，因而加热不均匀且热损失较大。微波加热是微波透过溶剂内部，所经之处产生热效应，因此加热快且均匀，热效率高。⑵微波加热在密闭容器内可产生“过热”，有利于样品的消化。⑶极性分子在微波电场中快速变换取向的效果，相当于极高速的搅拌器（搅拌频率达2.45×109次/秒），因此有助于加快化学反应，提高消化速度。通常使用4kW高温炉加热至1000℃，需1～1.5h；而1.1kW的微波炉输出功率0.7kW仅需10～15min。

1.2 微波消解的基本方法

目前，国内已能生产压力10MPa，温度300℃的可控压、控温的微波消解设备，从而扩大了消解方法的选择性。采用微波消解，应根据样品特点以及后续检测方法重点考虑三个方面：样品的取样量、试剂选择及微波功率、时间、压力和温度的设置。

样品的取样量应结合后续检测方法、仪器灵敏度和试样待测元素的含量确定。试样消解定容后的浓度应比检出限高出5～10倍，几十倍更好。从消化效果、安全性方面考虑，试样数量不宜过多，以避免压力过大。通常无机样品的取样量在0.2～2g，有机样品0.1～1g。试样情况不清楚时，应取0.1～0.2g试样进行试验，根据消解反应再选择合适的取样量。待测元素含量很低的元素，不应盲目加大取样量，应通过改进分析方法，提高检测方法的灵敏度来实现。

消解试剂常采用HNO3、HCI、H2O2、HF、HCIO4等，为了获得更好的消解效果，多采用两种或两种以上的试剂，如王水（HNO3-HCI）、HNO3-H2O2、HNO3-HCI-HF等。由于HCIO4直接与有机物接触会引起爆炸，因此HCIO4不能单独使用，而应与HNO3组合使用，并且一般不用密闭消解。H2SO4也较少用，因浓H2SO4沸腾时会损坏聚四氟乙烯内罐。试样消解还应注意几点：⑴试样加酸后，应待其反应一段时间后再送入微波炉，以免反应过于激烈而爆炸；⑵对于反应激烈的试样，应分几次加酸，加完酸后隔日再在微波炉中消解；⑶固体试样应磨成粉状，并且完全浸没在溶剂中；⑷试样和溶剂的总体积不应超过消解罐容积的30%。

微波功率、时间、压力和温度的设置。试样消解所需要的能量主要是由几个因素决定：样品数量、成分；试剂的种类、用量；消解罐耐压、耐温能力；消解罐数量。消解罐个数多，需要的微波功率大、时间长。情况不明时，应先选用较小的功率、温度及较短的时间进行试验，观察压力、温度上升快慢并进行调整，经过几次了解了样品的加热特性后，再来确定合适的压力、温度和加热时间。

2 微波消解技术在环境化学分析中的应用

2.1 微波消解在检测污水重金属含量中的应用

污水中重金属的检测传统上采用HNO3-HCIO4电热板法检测，操作繁琐、耗时（预处理占用60%～70%的时间）。张爱星等人[2]利用微波消解技术对污水样品进行预处理。方法是：25m水样+HNO33ml，去离子水稀释至50ml，进行微波消解。消解参数为：600W，345kpa，5min；600W，1241kpa，10min。冷却稀释定容后采用直接吸入火焰原子吸收法检测重金属。相同条件下进行回收试验，各元素的加标回收率达到了99%～101%。

2.2 微波消解在测定大气颗粒物中硒的应用

李晓燕等人[3]利用微波消解-石墨炉原子吸收光谱法测定大气颗粒物中的硒。微波消解程序为：适量大气颗粒物样品滤膜，置于消解罐中，少量水润湿，加入5mlHNO3+3mlHCI+0.3mlH2O2后进行消解。参数为：T=130℃，ta=2min，t=8min；T=150℃，ta=1min，t=20min；T=100℃，ta=2min，t=5min。消解完毕，冷却稀释定容后进行分析。相同条件下做回收试验，加标回收率为92%～97%。

3 结束语

随着国家不断加大环境污染治理和控制的力度，环境化学监测分析的任务量也在不断增加。传统样品预处理方法费时、费力、污染大，已不能适应这种形势的要求，微波消解技术快速、高效、重复性好，必将在环境监测分析中应用越来越广泛。

参考文献

[1]张文清.分离分析化学[M].上海：华东理工大学出版社，2007：14-25.

[2]张爱星，芦岩，景华蕊.微波消解-直接吸入火焰原子吸收法检测污水中的重金属[J].天津建设科技，2012（05）：51-52.

[3]李晓燕，吕述萍.微波消解-石墨炉原子吸收光谱法测定大气颗粒物中的硒[J].内蒙古石油化工，2012（01）：21-22.