不同酸體系微波消解對水系沉積物中微量元素Pb和Cd含量的影響

曹艷曉， 仇珍珍， 左臻梓

(中南財經政法大學信息與安全工程學院，湖北武漢 430073)

不同酸體系微波消解對水系沉積物中微量元素Pb和Cd含量的影響

曹艷曉， 仇珍珍， 左臻梓

(中南財經政法大學信息與安全工程學院，湖北武漢 430073)

[目的]探索不同酸體系微波消解對水系沉積物重金屬Pb和Cd測定結果的有效性。[方法]選取8種不同混合酸體系對水系沉積物樣品進行微波消解，采用石墨爐原子吸收光譜法(GFAAS)測定標準樣品中Pb和Cd含量。[結果]采用6HNO3+2HCl+2HF混合酸體系-微波消解法對水系沉積物和土壤樣品進行預處理，樣品中Pb和Cd的測定結果基本在標準物質參考值范圍內。[結論]該體系可用于含Pb、Cd的水系沉積物及土樣的微波消解預處理，具有消解完全、污染少、效率高和準確度高等優點，多次測定獲得較好的結果，值得進一步推廣應用。

酸體系；微波消解；水系沉積物；Pb；Cd

近年來，重金屬污染事件呈多發態勢，對生態環境和人們健康構成了嚴重威脅[1]。2010年6月環境保護部會同多部門編制了《重金屬污染綜合防治“十二五”規劃》，明確了重金屬污染防治的目標，并首次提出重金屬總量控制的目標。對于固體樣品重金屬的總量檢測，尤其是性質復雜的底泥沉積物和土壤樣品，前處理是獲得準確分析結果的基本前提。不同的前處理方法對測定結果的影響較大。鄧秀霞[2]研究表明，樣品前處理造成的試驗誤差占試驗誤差的60%以上。目前，我國常用的固體樣品消解方法主要有電熱板消解法、微波消解法和石墨爐消解法，其中微波消解法受到越來越多的關注。

龍加洪等[3]采用不同消解方法測定土壤重金屬含量，結果表明微波消解法的準確性和精密度最好；黃智偉等[4]和蘇補拽等[5]研究表明微波消解法的相對標準偏差較高，但由于采用的混合酸體系不同，所以可比性較差。為了進一步驗證微波消解法不同酸體系的適用性和方法的可靠性，筆者選取了8個不同的混合酸消解液，以水系沉積物中Pb和Cd為研究對象，在同一微波消解環境下考察不同酸體系下微波消解的效果，并使用石墨爐原子分光光度計對Pb和Cd的含量進行測定，篩選出最適的酸體系。

1 材料與方法

1.1 主要儀器 TOPWave微波消解儀，為德國耶拿公司產品；ZEEnit-700P原子吸收光譜儀，為德國耶拿公司產品；電熱板；聚四氟乙烯坩堝。

1.2 試劑 國家標準物質水系沉積物成分分析標準物質GBW07310，購自國家質量監督檢驗檢疫總局；土壤成分分析標準物質黃紅壤GBW07405(GSS-5)；國家二級標準物質Cd、Pb儲備液(1 000 mg/L，購自北京市計量測試技術中心)；硝酸(優級純)；氫氟酸(分析純)；過氧化氫(分析純)；高氯酸(分析純)；鹽酸(優級純)；磷酸二氫銨(優級純)。試驗用水均為超純水(18.2 MΩ·cm)。

1.3 標準曲線的繪制 分別將Pb、Cd標準儲備液用0.2%硝酸溶液稀釋成濃度為50 μg/L和5 μg/L的標準母液，用石墨爐將Pb濃度自動稀釋為0、5、10、20、40、50 μg/L，將Cd濃度分別稀釋為0、0.5、1.0、2.0、4.0、5.0 μg/L，測定后繪制標準曲線。

1.4 試驗方法

1.4.1 混合酸消解液的初選。通過查閱參考文獻[6-10]，確定HNO3-HCl-HF、HNO3-H2O2-HF、HNO3-HCl、HNO3-HClO4-HF 4種消解體系的8種混合酸消解液。分別稱取0.1 g左右干燥的水系沉積物標準物質置于微波消解管中，依次加入不同的消解液，使消解液和標準物質充分混合均勻；將裝有樣品的消解管放進干凈的高壓消解罐中，擰上罐蓋，按照表1中升溫程序進行微波消解；消解結束后待消解罐冷卻，取出消解管，將消解液轉移到聚四氟乙烯坩堝中，置于電熱板上170 ℃趕酸至近干，用0.2%HNO3溶液將消解液轉移至100 mL容量瓶中定容至標線，消解過程中對每組混合酸進行平行消解。

1.4.2 標準樣品的測定。基于混合酸消解液的篩選結果，按照上述消解方法對樣品進行分批預處理，進樣時加入5 μL基體改進劑磷酸二氫銨(質量濃度為1%)，并使用原子吸收分光光度計測定消解后樣品中Pb、Cd元素的總量。水系沉積物中微量Pb、Cd元素測定的儀器工作條件分別見表2和表3。試驗所用升溫程序均為儀器添加基體改進劑的情況下自動優化的條件。為了消除試驗誤差，在不同的時間段對樣品進行了3次測定，每次做2個平行樣，取平均值。在測定過程中，每測定5個樣品，用液體標準樣品作為質控樣進行儀器校正，同時測定標準系列一個適當的濃度點，以檢測儀器的重現性和穩定性。

表1 微波消解升溫程序

Table 1 The temperature-raising procedure of microwave digestion

步驟Steps升溫時間Temperature-raisingtime∥min溫度Temperature℃保持時間Holdingtimemin17120325160335180254—冷卻結束15

表2 石墨爐原子吸收光譜法測定Pb元素的儀器工作條件

表3 石墨爐原子吸收光譜法測定Cd元素的儀器工作條件

2 結果與分析

2.1 微波消解液初篩試驗 對于同一種水系沉積物，加入不同混合酸微波消解后顏色有明顯區別：HNO3-HCl-HF、HNO3-HCl和HNO3-HClO4-HF體系微波消解后顏色呈淡黃色，而HNO3-H2O2-HF體系消解后溶液呈無色(表4)。此外，通過觀察消解后的狀態，發現HNO3-HCl-HF消解體系雖然添加酸的比例不同，但是對樣品的消解比較完全，其中HNO3∶HCl∶HF為6∶2∶2的消解效果最好；HNO3-HClO4-HF體系的消解效果也較好，消解比較完全；HNO3-H2O2-HF體系消解后都有少量殘渣，消解不完全。其中，7#消解樣本在該試驗中表現不佳，可能是由于水系沉積物中存在大量的硅，一部分重金屬存在于土壤的礦物晶格中，且晶格比較穩定，只有用HF才能破壞這類晶格[11]，所以不添加HF很難達到完全消解的目的[12]。

綜上所述，從消解后消解液的顏色和剩余殘渣的情況來看，消解效果較好的消解液體系是HNO3-HCl-HF體系和HNO3-HClO4-HF體系。試驗將采用這2種酸體系對水系沉積物和土壤樣品進行預處理，進一步驗證體系對樣品消解的有效性。

2.2 標準樣品的測定 試驗選用6HNO3+2HCl+2HF、8HNO3+4HCl+4HF、5HNO3+2HClO4+8HF 3組消解液，對水系沉積物標樣GBW07310進行預處理，另外選用6HNO3+2HCl+2HF、5HNO3+2HClO4+8HF消解液對土壤標準物質GSS-5進行預處理。

從圖1可以看出，采用6HNO3+2HCl+2HF酸體系消解底泥沉積物，Pb和Cd的多次測試結果均落在標準物質限值內；8HNO3+4HCl+4HF酸體系僅有部分結果在標準物質限制內，推測與酸過量有關；5HNO3+2HClO4+8HF酸體系對Pb的測定值明顯低于限值，Cd的測定則出現異常波動。究其原因，可能是因為高氯酸的揮發溫度較高，趕酸不徹底，導致進樣酸度較大，最終影響到石墨爐測定結果，但也可能是因為選用的石墨爐升溫程序與該酸體系不匹配。從圖2可以看出，土壤樣品的測定結果與底泥沉積物的表現情況較為一致，說明6HNO3+2HCl+2HF酸體系適于土樣中Pb和Cd的消解。

表4 不同酸體系的微波消解效果評價

圖1 不同酸體系下GBW07405樣品中Pb和Cd的測定結果Fig.1 The determination results of Pb and Cd in GBW07405 sample under different acid systems

圖2 不同酸體系下GSS-5樣品中Pb和Cd的測定結果Fig.2 The determination results of Pb and Cd in GSS-5 sample in different acid systems

進一步考察了3種消解方法對2種標準樣品中Pb和Cd含量的平均值(AVG)、相對標準偏差(RSD)與標準物質參考值的相對誤差。樣品GBW07310標準物質參考值Pb為27.00 mg/kg，Cd為1.12 mg/kg，樣品GSS-5標準物質參考值Pb為552.00 mg/kg，Cd為0.45 mg/kg。從表5可以看出，從平均值和相對誤差來看，采用6HNO3+2HCl+2HF消解體系，底泥沉積物和土壤樣品的測定結果均最優。但是，水系沉積物中6HNO3+2HCl+2HF消解體系對應的Pb含量的RSD偏差較大，其可能原因包括：①為了保證消解徹底，試驗所用樣品量僅有0.1 g左右，較低的樣品量可能導致不同消解批次的相對標準偏差較大；②由于水系沉積物中鉛濃度較低，而樣品前處理酸度可能過大，趕酸不徹底，最終影響到測定結果。當采用8HNO3+4HCl+4HF或5HNO3+2HClO4+8HF消解體系時，無論是對水系沉積物還是土壤，檢測結果都不穩定，相對誤差較大；5HNO3+2HClO4+8HF消解體系對應的Pb濃度遠遠低于標準值。

表5 不同消解方法測定結果的對比

綜上所述，通過比較8種不同混合酸微波消解水系沉積物的檢測結果，同時用GBW07310和GSS-5標準物質進一步驗證，發現采用6HNO3+2HCl+2HF處理水系沉積物或土壤樣品較為理想，經該酸體系微波預處理后，水系沉積物和土壤標樣中的Pb和Cd含量在標準物質參考值范圍內。

在6HNO3+2HCl+2HF酸解體系中，HNO3主要分解樣品中的有機質，與HF和HCl配合使用能有效提高其消解效果[13]；HF與其他酸一起用于分解含硅及硅酸鹽的樣品，使金屬元素從礦物晶格中溶出；同時，添加的基體改進劑磷酸二氫銨在石墨爐原子吸收測定Pb和Cd含量時，提高了Pb和Cd元素的灰化溫度，減少了基體的干擾，提高了檢測結果的準確性。

3 結論

筆者選取8種不同的混合酸體系消解液對水系沉積物和土壤樣品進行預處理，并進一步采用石墨爐原子吸收法測定Pb和Cd含量，得出以下結論：

(1)從消解的外觀效果來看，HNO3-HCl-HF和HNO3-HClO4-HF 2種混酸體系的消解都比較徹底；

(2)從混合酸對水系沉積物和土壤樣品消解后Pb和Cd的含量來看，6HNO3+2HCl+2HF混合酸體系最佳。該混合酸高壓、高溫密閉微波消解處理水系沉積物樣品時酸用量較少，條件易于控制，能避免消解過程中的污染問題，具有推廣價值。參考文獻

[1] 環境保護部環境規劃院環境保護部污染防治司.全國污染防治“十二五”規劃匯編[M].北京：中國環境科學出版社，2013.

[2] 鄧秀霞.綠色分析化學前處理技術[J].廣東化工,2004(8):1-4，7.

[3] 龍加洪,譚菊,吳銀菊,等.土壤重金屬含量測定不同消解方法比較研究[J].中國環境監測,2013,29(1):123-126.

[4] 黃智偉,王憲,邱海源,等.土壤重金屬含量的微波法與電熱板消解法測定的應用比較[J].廈門大學學報(自然科學版),2007,46(S1):103-106.

[5] 蘇補拽,馬建疆.常規消解與微波消解前處理方法測定土壤中重金屬比較分析[J].內蒙古石油化工,2015(5):43-44.

[6] 宋偉，張志，鄭平，等.土壤中砷·汞·鉛·鎘·鉻測定方法的研究[J].安徽農業科學，2011,39(34)：21001-21002,21054.

[7] 胡珊珊，錢秀芳.微波消解技術在土壤重金屬元素測定中的應用[J].安徽師范大學學報(自然科學版)，2010,33(4)：363-366.

[8] 藺凱，劉建利，王舒婷，等.土壤中重金屬消解方法的比較[J].安徽農業科學，2013,41(22)：9259-9260.

[9] 姜秋俚，孫鐵珩，張見昕，等.微波消解石墨爐原子吸收法測定土壤中的鉛和鎘[J].環境保護科學，2010，36(6)：28-30，63.

[10] 劉錕,周曉雪.土壤不同酸體系微波消解與電熱板消解測試結果對比[J].化學工程師,2015(8):27-30.

[11] 中國環境監測總站.土壤元素的近代分析方法[M].北京：中國環境科學出版社，1992.

[12] CHEN Z Q,FANG C,AI Y W.Determination of heavy metals in artificial soil on railway rock-cut slopes by microwave digestion-AAS[J].Spectroscopy and spectral analysis，2013,33(8):2215-2218.

[13] 魏向利,雷用東,馬小寧,等.微波消解-AAS法測定土壤中鉛鉻鎘元素的研究[J].安徽農業科學,2014,42(11):3243-3244，3247.

The Effects of Different Acid Systems on the Content of Pb and Cd in Stream Sediment Using Microwave Digestion Method

CAO Yan-xiao, QIU Zhen-zhen, ZUO Zhen-zi

(School of Information and Safety Engineering, Zhongnan University of Economics and Law, Wuhan, Hubei 430073)

[Objective] To discuss the effectiveness of the determination results of heavy metals Pb and Cd in stream sediments by microwave digestion with different acid systems. [Method] Eight mixed acid systems were selected to pre-treat the samples of stream sediments, and Pb and Cd contents in standard samples were determined by using graphite furnace atomic absorption spectrometry (GFAAS). [Result] The samples of stream sediments and soil were pre-treated by using 6HNO3+2HCl+2HF and microwave digestion method. The determination results of Pb and Cd in samples were basically in the range of reference values of standard substances. [Conclusion] This system can be used in the microwave digestion pretreatment of stream sediments containing Pb, Cd and soil samples, and it has complete digestion, less pollution, high efficiency, high accuracy and other advantages. This system should be popularized and applied because better results can be obtained from many times of determination.

Acid system; Microwave digestion; Stream sediment; Pb; Cd

中央高校基本科研業務費專項(2722013JC095)。

曹艷曉(1981- )，女，河南魯山人，講師，博士，從事污染控制理論與技術研究。

2016-10-14

S 181

A

0517-6611(2016)35-0084-03