环境空气颗粒物中重金属测定前处理方法探究
2020-08-16刘琳娜
刘琳娜
摘 要:釆用了硝酸、硝酸/盐酸的混合溶液消解体系,采用多种重金属元素消解前处理方式,利用icp-ms方法准确地测定了颗粒物中7种重金属元素的提取物含量,探究不同的前处理方式对于石墨炉消解的颗粒物中7种重金属元素的提取物含量的直接影响。结果表明,硝酸/盐酸消解的混合溶液消解体系中重金属元素提取的微波消解效果普遍明显高于其他的体系,各种前处理的方法中采用硝酸/盐酸消解的颗粒物和微波消解的颗粒物中重金属元素提取效果最好。
关键词:颗粒物;重金属;前处理
一、引言
近年来,空气污染的防治状况逐渐的开始受到各方的重视和关注,越来越多的政策和相关企业开始采取措施用以有效的监测和控制促进我国环境和空气质量的进一步得到改善。只有对于我国重金属颗粒物监测进行准确的对空气污染的监测,才能精准的分析环境和空气污染的主要成因,找出有效的方法采取根治环境和空气污染的有效措施和解决办法,因此对于我国重金属和颗粒物空气污染监测的前期和处理的工作就因此显得尤为重要。
二、实验部分
(一)实验原理。滤膜颗粒物中电感耦合提取后的滤膜颗粒样品经不同酸体系统后利用不同的前处理技术设备(例如水浴超声、多孔石墨炉、微波消解),对提取后的滤膜颗粒物进行了电感离子耦合气溶胶提取。通过质谱仪将电感耦合提取后的滤膜颗粒样品作为待测液直接注入目标的电感耦合气溶胶的等离子体中,并通过质谱仪(icp-ms)方式进行分析和检测,目标的离子耦合元素以类似气溶胶的等离子体形式直接地进入目标,在高温和其他条件下具有一定惰性的离子在气体中被直接蒸发、解离、原子化、电离,转化而来成为一个带正离子电荷的元素,进入目标的质谱仪。质谱仪随后可以根据惰性离子的质荷比和水溶胶的浓度响应值进行分离,继而由目标的质谱仪进行对滤膜离子的浓度稳定性和定量分析。在一定的电感离子耦合气溶胶浓度的质荷比范围内,其质荷比所浓度对应的响应值与直接进入目标离子元素的质荷比和电感耦合气溶胶的浓度响应值成正比[1]。
微波化学加热反应消解是利用化学微波超强热穿透性和超强激活性,对来加热存在密闭化学容器内的各种新型化学样品试剂和反应样品,使得密闭容器内的加热压力显著增加,反应器和试剂内的温度显著提高,反应的加热速率大大加快,缩短了化学样品反应制备的主要过程和制备时间[2]。
(二)主要仪器和试剂。电感电磁耦合便携式智能数控自动等离子体测量颗粒混合物质谱仪,配备157位自动测量进样器,具备粒子质量标准、碰撞、反应三种自动化的测量综合分析计算模式,四极杆质量分析进样器配备温度控制的范围1~285amu;中流量数控微波颗粒物消解仪釆样器,配备pm2.5、pm10、tsp切割头;恒温数控微波颗粒物转子消解仪,配备41位恒温数控微波颗粒物转子,恒温数控41位超声波颗粒物转子清洗器;多孔温控石墨炉,温度控制的范围可直接设定为室温-180℃。
(三)样品前处理。1.多孔石墨炉消解。将pm2.5滤膜样品的1/4置于离心机中,加入10.0ml浓硝酸-盐酸混合物完全将水浸没并覆盖样品的滤膜,在多孔石墨炉中于100°c的温度下进行快速加热加热回流2.0小时并迅速除去多余的上清液并进行冷却。用超纯水快速冲洗样品离心管的内壁,加入约10ml的超纯水,静置30分钟以进行提取,将上清液的体积大小设置为50.0ml。离心后,取上清液再次进行离心或继续使用0.45gm的过滤器。2.电磁分解。1/4 PM2.5滤膜分解阻塞将样品从离心管中的微波消解罐中阻塞,加入10.0 ml硝酸-盐酸混合物精确地浸泡,覆盖并放入微波消解罐中。拧紧内部组件,然后将其放入微波炉拆卸的转盘架中。温度设置微波分解过程的温度通常为200°C,分解过程的持续时间通常为15分钟。在微波消解过程结束时,取出微波消解罐的内部组件并冷却,然后用超纯水冲洗消解罐的内壁,添加约10 ml超纯水,放置30分钟以进行提取,并将体积设置为50.0 ml。分离后,将上清液离心或用0.45μl过滤器过滤以进行测试。。
(四)仪器调整。设备会自动预热点火,通过预热20min设备来预热启动操作,根据测量立即测试并报告设备的相关性能,并调节设备以及仪器的振动灵敏度,氧化物,分辨率和其他相关性能指标,确保完全满足测量与仪器相关的性能指标要求。
(五)样品测量。编辑测试方法,干扰方程等及其他相关的程序,首先得到空白的溶液,然后对标准溶液和测试元素内标空白溶液的计数值进行了测试。以优化的仪器为参考,把标准样品按照浓度依次导入仪器进行分析,以各元素的质量浓度为横坐标,得出的响应结果为纵坐标,拟合数据得到标准曲线。
三、结果和讨论
(一)标准曲线。基于2%浓硝酸溶液的雾化介质,依次添加制备了一定量内标反应元素的溶液和雾化待测元素的标准溶液,并通过雾化蠕动泵依次对添加了一定量内标反应元素的溶液和待测标准使用的溶液进行了在线雾化喷涂。进一步优化的仪器质量标准和规定的雾化使用条件,从低雾化待测元素的浓度到高元素浓度分别制备了适用于一系列标准雾化用途的液体,并将其成功地带到在线雾化器中进行在线雾化分析。以雾化待测内标为横坐标,相应響应值的雾化百分比和响应值的百分比转换为被雾化的纵坐标,并成功地建立了标准的雾化曲线。
(二)结果比较。将测试样品分别应用于硝酸/盐酸混合物,使用多孔石墨炉分解,硝酸/盐酸混合液微波分解以及5%硝酸溶液-石墨炉消解和5%硝酸微波浴液热处理方法,同队对这四种前处理方法进行研究,每种方法做三次平行试验并取均值,得到结果,进行比较。
根据实验结果,如果两个酸性的体系溶液是相同的5%硝酸酸性化合物的水解体系溶液,则7种主要的类型重金属含量基本不变,无论是通过使用高温的石墨进行石墨的超声热热分解还是通过使用超声加热和高温萃取。重金属硝酸盐体系溶液和其他化学元素的化合物含量随着酸度体系波动不大,石墨炉的酸度体系加热消解快,时间短,在硝酸高温化合物消解的整个过程中始终占据一个绝对值[3]。
当整个酸性体系都是硝酸和盐酸的混合溶液时,对于金属铬和金属锌,采用微波消解的效果明显要好于其他消解方法,但对于另外五种重金属元素来说,无论是采用微波消解还是石墨炉消解,得到的结果并没有明显的差别。
当消解的仪器都为石墨炉时,盐酸和硝酸的混合溶液,对于重金属元素的提取效果更好,实验数据表明,七种重金属元素的提取效果皆好于纯硝酸溶液。
综合所有方法进行比较,使用盐酸硝酸混合溶液,之后进行微波消解,对于七种重金属元素整体提取效果最好。
结 论
本文通过对大气环境中七种不同重金属的前处理方法进行研究,发现了使用硝酸盐酸混合溶液效果普遍好于纯硝酸体系,接着在采用微波消解时对于七种重金属元素的提取量最好。在使用硝酸体系的过程中,如果采用水浴超声的方法,那么实验操作时间将过长,整体水域升温时间也会增加,通常要持续五个小时或以上,这样导致了处理效率慢,误差增大。因此可以采用石墨炉来代替水浴超声法,用石墨炉来进行操作,可以节约重金属提取物的前处理时间,提高大气中重金属污染物的整体检验工作效率。总地来说,使用盐酸和硝酸混合体系,之后采用微波消解法进行消解,整体效率高,分解较为充分,并且在实验过程中误差较小,不容易挥发损失,是综合来讲最实用的分析方法。
参考文献
[1] 符招萍,晏立衡.环境空气颗粒物中重金属测定前处理方法探究[J].广东化工,2019,46(10):166-167+173.
[2] 顾晓明,秦宏兵,朱君,蔡晔.微波消解电感耦合等离子体发射光谱法测定空气和废气颗粒物中的铬、铜、镍[J].安徽农学通报,2018,24(13):91-93.
[3] 蒋冰艳,何龙,李少艾,何伟彪,汪曼洁.环境空气中重金属采样滤膜的筛选及处理方法探究[J].绿色科技,2015(09):210-213.