土壤重金属元素前处理和检测技术研究

蒋沄泱

（江苏绿泰检测科技有限公司，江苏 无锡 214000）

引言

随着我国工业化和城市化进程的加速，土壤重金属污染问题日益突出，大量汞、铅、镉、铬等重金属在土壤中不断累积，不仅对生态环境造成严重影响，还会对人体健康产生潜在威胁。因此需要通过对土壤重金属元素进行检测和分析，确定重金属元素的种类和含量，为做好土壤重金属治理提供数据支撑。目前用于土壤重金属检测的方法有很多种，比如原子荧光光谱法（AFS）、原子吸收光谱法（AAS）以及电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）等，但无论选择哪种方法都需要对土壤样品进行前处理，将土壤中的重金属元素转化为可测量状态，为后续的分析与检测创造条件。由此可看出，前处理技术是土壤重金属元素检测的重要环节，关系到检测结果的准确性和可靠性。

1 土壤重金属前处理方法

针对土壤试样前处理可用的方法有很多种，应用较多的有微波消解法、高压罐消解法、电热板法以及王水水浴消解法等，这些方法都各具优点与缺点，检测人员需要结合具体情况合理选择。微波消解法具有快速、简便、准确、安全等优点，可在高温高压下利用微波破坏样品中目标组分的初始形态，使其以无机离子最高或较高价态的形式萃取出来，是目前较为常用的前处理方法之一；高压罐消解法常用于一些难以消解的样品，需要使用高压设备，在高温高压环境下将样品完全消解，操作相对复杂，管子内容易残留；电热板法仪器设备简单，操作方便，不需要繁琐的操作步骤，成本也较低，但处理过程中产生的酸雾较大，会对环境造成一定的危害；王水水浴消解法则适用于处理含有大量有机物的土壤样品，试剂用量少、操作简便，而且对环境的污染小。不同的前处理方法所获得的结果也有一定差别，可通过相关试验进行研究，对试验结果做出统计与分析，对比不同前处理方法的操作难易程度、处理效果及安全性等，从而选择最适合的土壤重金属前处理方法[1]。

2 仪器与材料

2.1 仪器

原子荧光分光光度计、火焰原子吸收光谱仪、石墨炉原子吸收光谱仪、电子式分析天平（精度为0.000 1g）、微波消解仪、消解罐，可调温电热板、恒温干燥箱、温度检测仪、电热恒温水浴锅等。

2.2 材料

试剂：GBW07554（GSS-63）土壤成分分析标准物质（定值 单位：物化探所），硝酸、盐酸、氢氟酸、高氯酸。所使用的试剂均为国家级优级纯。

水：试验中所需的水为新制备二次去离子水，室温（25 ℃）状态下电阻率≥18MΩ.cm。

试样：试验中所用到的土壤样品是严格按照《土壤环境监测技术规范》（HJ/T 166-2004）中的相关要求完成采集、制备、过筛（100目）和保存，装入样品瓶备用[2]。

3 样品前处理方法

3.1 微波消解法

（1）准确称量已经风干、过筛的土壤样试样0.5 g（精确至0.000 1 g）置于消解罐内，用少量去离子水润湿样品；准确量取6 mL硝酸加入消解罐内，再准确量取1 mL氢氟酸加入消解罐内，将消解罐内溶液混合均匀；（2）盖紧消解罐盖子后置于微波消解仪中，按照HJ 832-2017中要求的升温程序进行微波消解，升温步骤见表1，消解完成后系统进入自动冷却；（3）待温度降至80 ℃以下用隔热手套将消解罐支架及消解罐从微波消解仪中取出，拔出主罐温控管，在防酸通风橱内冷却至室温（25 ℃）后取出，缓慢泄压放气，打开消解罐的盖子；（4）将消解罐内的液体倒入标记好的30 mL容量瓶中，取少量去离子水清洗消解罐及盖子，清洗后的液体一并倒入容量瓶，然后加入去离子水至容量瓶刻度线，多次振摇使其均匀，静置1 h后取上层澄清的透明液体进行检测[3]。

表1 微波消解升温程序

3.2 高压罐消解法

（1）准确称量已经风干、过筛的土壤样试样0.5 g（精确至0.000 1 g）置于清洗干净的聚四氟乙烯消解罐内杯，用少量去离子水润湿样品；（2）准确量取8 mL硝酸加入杯内，再量取2 mL 30%的过氧化氢溶液，加盖密封后置于恒温干燥箱内，按照高压罐消解法升温程序进行消解，升温步骤见表2，消解完成后冷却；（3）取出消解罐内杯置于可调温电热板上进行赶酸，待呈湿盐状时转入适当的容量瓶内；（4）在容量瓶内加入浓度为1%的稀硝酸定容至25 mL后上机待测。

表2 高压罐消解升温程序

需要注意的是，高压罐消解法前处理实验需要严格控制实验条件和操作步骤，以确保实验结果的准确性和可靠性。同时，实验过程中需要注意安全问题，如穿戴防护服、使用安全设备等。

3.3 电热板消解法

（1）准确称量已经风干、过筛的土壤样试样0.5 g（精确至0.000 1 g），放置于50 mL聚四氟乙烯的坩埚中，用少量去离子水润湿样品，准确量取10 mL的盐酸加入坩埚中；（2）将坩埚置于可调温电热板上，开启低温加热模式，温度控制在130 ℃，等到坩埚内液体剩余2～3 mL时停止加热并取下冷却，完成对土壤样品的初步分解；（3）再向已经冷却的坩埚中添加5 mL的硝酸、5 mL的氢氟酸和3 mL的高氯酸，再将坩埚置于电热板上，开启中温加热模式，温度控制在150 ℃～180 ℃，持续加热4～5 h，加热过程中注意观察坩埚内的消解状况，必要时可再添加3 mL的硝酸与3 mL的氢氟酸，视消解情况，可重复两次消解过程，直至坩锅内的物质呈黏稠状，等到坩埚黏稠状内容物颜色变成黄色后取下冷却；（4）再向坩埚中加入5 mL的硝酸，再次放到电热板上继续加热消化，此过程重复两次，对土壤样品进行最后的消解，待坩埚内蒸汽冒尽后关闭电热板，取下坩埚冷却；（5）用5%的硝酸溶液将坩锅中的消解物转移至100 mL的容量瓶中，并用5%的硝酸溶液洗涤坩锅两次，将洗涤液一并转移至100 mL的容量瓶中；（6）用5%的硝酸溶液定容至100 mL，摇匀后待测。

需要注意的是，电热板消解过程必须在通风橱内进行，操作时必须做好个人防护，佩戴必要的防护用具，以免酸液接触皮肤和衣物。

3.4 王水水浴消解法

（1）准确称量0.20 g±0.01 g的土壤样品，放置于容量为50 mL的比色管中，用少量去离子水润湿样品，准确量取10 mL（1+1）王水加入并摇晃均匀，置于沸水浴中消解2 h，其间摇动2次；（2）从沸水浴中取出冷却至室温，加入去离子水定容至刻度并摇晃均匀待测。

王水消解法的特点是在高温水浴中完成消解，所需试剂用量少、操作简便、对环境污染小，也不需要赶酸，但缺点是很难完全消解。

4 结果与讨论

4.1 实验结果

采用四种处理方法后土壤重金属成分标准物回收率见表3，四种处理方法所测得重金属成分标准物质的相对标准偏差见表4。

表3 四种处理方法土壤重金属标准物质回收率

表4 四种处理方法土壤重金属标准物质标准偏差

4.2 讨论

4.2.1 各种处理方法的优点分析

土壤重金属元素的前处理技术主要是为了将土壤中的重金属元素转化为可测量的形态，为后续的分析和检测做好准备[4]。本文采用了四种不同的前处理技术进行实验，均达到了测试要求，每种前处理技术都有其自身的优点：（1）微波消解法。对Pb、Cd、Hg元素的回收率较高，其优点在于高温高压下反应快速、完全，提高了测量数据的准确性，大幅缩短了样品处理的时间，减少元素的损失。微波消解法易操作，适合大批量样品的处理，能够有效地控制样品的挥发和污染，技术也比较成熟。（2）高压罐消解法。对Cr、As元素的回收率较高，其优点在于消解效率高，产生的污染物较少，操作过程简单且密闭性好，也不会产生有毒有害气体，能够有效地保证操作人员的安全。高压罐消解法能消解许多传统方法难以消解的样品，适应面广，且投入成本较低。需要注意的是高压罐消解法对操作条件、操作步骤的要求比较严格。（3）电热板消解法。对Pb元素的回收率较高，其优点是仪器设备简单、操作方便，不需要复杂的设备和繁琐的操作步骤，使得实验人员能够更简单方便地进行样品处理。成本投入相对较低，应用广泛，基本不受土壤样品多少的限制，而且准确度较高。

4.2.2 土壤重金属前处理技术未来发展趋势

（1）智能化。目前市场上已经出现了车载检测仪器，可以加大这方面的研发，将土壤重金属检测与人工智能、车载检测仪器结合，实现自动化检测，减少人为误差，也可利用无线技术实现对检测仪器的远程操控，提高检测效率。（2）便携性。可利用纳米材料轻质化的特点用于制作检测仪器外壳，使检测仪器轻量化，或者用于开发更精细的传感器，提高仪器的便携性。（3）提高检测精度。优化操作系统，优化仪器的校准、运行环境等因素，提高仪器的检测精度，减少其他因素的干扰。（4）统一检测标准。应制定统一的检测标准以规范土壤重金属检测，这有助于提高检测结果的可靠性，可以实现不同地区、不同行业之间数据共享，统一的标准还有助于推动相关技术的标准化和产业化发展。

5 结论

在土壤重金属元素检测中，土壤样品的前处理技术对检测结果的影响非常大，同样的土壤样品采用不同的处理方式，其检测结果也存在一定差异，因此在实践中应综合考虑各种因素合理选择。近些年，我国已经充分认识到了重金属元素对土壤环境的危害，土壤重金属前处理及检测技术得到了较快发展，未来将更加智能、便携，检测精度更高，土壤重金属污染问题也将得到有效治理。