微波消解測定土壤金屬預處理的優化研究

摘要：隨著科學技術的發展，以及其在各行業領域中的廣泛應用，使得我國相關行業工作的科技水平也在不斷提高，利用微波消解，對土壤金屬元素進行測定，就是其中之一。在微波消解測定法出現并應用之前，電熱板消解法，是以往對土壤金屬元素進行測定和預處理的有效手段。對此，本文以微波消解法為出發點，通過對微波和電熱板消解法，在測定和預處理土壤金屬方面效果的對比分析，從而就微波消解法預處理的優化性展開研究，以期可以為相關行業工作的展開，提供一定參考。

關鍵詞：微波消解；土壤金屬；預處理；優化

中圖分類號：X830.2 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2018）03-0079-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.03.044

Abstract： With the development of science and technology and its wide application in various industries， the technological level of related industries in China is also improving. It is one of the determination of soil metal elements by microwave digestion. Before the microwave digestion method appeared and applied， the electrothermal plate digestion method was an effective means to determine and pretreat the soil metal elements in the past. In this regard， the microwave digestion method as the starting point， through the microwave and electric heating plate method， and analysis in the determination of the effect of pretreatment of soil metals compared to studies the optimization of pretreatment by microwave digestion method， in order to work for the related industries， to provide a reference.

Key words： Microwave digestion； Soil metal； Pretreatment； Optimization

土壤是人類賴以生存的重要資源，是農業生產過程中，最基本生產資料之一，同人類的生產生活具有非常密切的聯系。但在經濟建設速度和水平不斷提升的今天，大量未經過有效處理，且含有重金屬等物質的廢棄物，也逐漸進入到土壤中，降低了土壤生產力，并借助食物鏈的作用，威脅人類生命健康。傳統土壤金屬元素預處理耗時長，在消解的過程中，會出現交叉污染，影響分析人員身體健康。而微波消解法帶有用量少、高效快速、污染小等優勢，受到業內大多數分析人員的青睞。

1 試驗方法

1.1 儀器

本次試驗研究，主要應用儀器如下：

（1）電感耦合等離子體發射光譜儀；（2）微波消解儀；（3）超純水系統。

1.2 試劑

本次研究中選用的試驗試劑：

實驗用水：新制備的蒸餾水和去離子水；

實驗試劑：鹽酸1.19g/mL、硝酸1.42g/mL、高氯酸1.67g/mL、氫氟酸1.16g/mL、雙氧水；

10%氯化銨水溶液：稱取10g氯化銨，用少量實驗用水將其溶解之后，全部轉移到100mL的容量瓶中，用水將其定容到標準線，搖勻。

1.3 樣品制備

按照相關標準分析方法，采集土壤樣品，在對樣品進行風干研磨等處理之后，按照四分法，拿取大約1000g經過研磨處理的樣品。同時過100目的尼龍篩，并保存大約500g研磨后的土壤樣品，放入到廣口瓶中，方便之后復測。

1.4 方法

1.4.1 微波消解法

稱取風干、過篩的樣品0.2500～0.5000g（精確到0.0001g）置于消解罐中，用少量實驗用水潤濕。在防酸通風櫥中，依次加入6mL硝酸、3mL鹽酸、2mL氫氟酸，混勻使樣品與消解液充分接觸。若有劇烈化學反應，待反應結束后再加蓋擰緊。將消解罐裝入支架后放入微波消解儀的爐腔中，確認溫度傳感器和壓力傳感器工作正常。按照表1升溫程序進行微波消解，結束后放冷，緩慢泄壓放氣，打開消解罐蓋。

將消解罐中的溶液轉移至聚四氟乙烯坩堝中，用少量實驗用水洗滌消解罐和蓋子一并倒入坩堝。加熱至微沸進行趕酸。待液體成粘稠狀，取下稍冷，轉入25mL 容量瓶，用1﹪硝酸定容至標線，混勻，靜置60min取上清液，使用電感耦合等離子體發生光譜儀進行測定，每一批土壤樣品，都需要做2份全程空白。

1.4.2 電熱板全消解法

準確稱取0.1000～0.5000g（精確到0.0001g）土壤樣品，放入到容量為50mL中的聚四氟乙烯坩堝之中，在用水將其潤濕后放入10mL鹽酸，放在通風櫥內部的電熱板上，進行低溫加熱，讓樣品能夠初步分解。當樣品蒸發量達到大約3mL時，將樣品取下稍冷，然后加入5mL硝酸、5mL氫氟酸、3mL高氯酸，加蓋之后，放于電熱板上，用中溫加熱1h，之后開蓋，將電熱板溫度控制在150℃，繼續加熱，去除土壤中的硅，為了使飛硅效果更佳，應經常搖動坩堝。當加熱至冒濃厚高氯酸白煙時，加蓋，使黑色有機碳化物分解。待黑色有機物去除后，開蓋，驅趕白煙并蒸至呈粘稠狀（視消解情況可重復加酸及消解過程）。取下坩堝放冷，加入3mL鹽酸，全量轉移至50mL容量瓶中，加入10﹪氯化銨溶液，冷卻定容至標線，搖勻備測。

1.4.3 消解方法和體系的優化試驗

本次試驗工設置了4種處理方法，詳細見下表2：

2 結果分析與預處理優化

2.1 結果分析

在上述試驗研究的過程中，對于每一種等待測定的元素，都應該選擇2～3條譜線進行測定，對待測元素的干擾情況、強度、穩定性等展開綜合性的分析研究，從中選擇譜線干擾較少、強度和精密度偏高的分析譜線，將其作為最佳的分析譜線，展開相應的背景扣除。其次，在試驗期間，應當選擇干擾因子校正法，對不同金屬元素間包含的干擾因素進行校正。在進行背景校正的過程中，需要根據標準樣品光譜、樣品光譜、空白光譜的波長掃描圖等，展開目視檢查，盡量選擇測量背景包場位置，對背景強度進行測量，以此來校正分析線的信號。在通過多次試驗研究后發現：對于性質存在差異的樣品，需要選擇相應的分析譜線；并且在分析期間，還需要以計算機操作軟件為依據，自動完成背景扣除工作。再次，使用微波消除法對土壤中各類元素的標準溶液展開系列測試時，需要將溶液濃度設為橫坐標，將發射光譜的強度變為縱坐標，展開現行回歸分析，獲得各個元素線性范圍、方程，以及相關系數。最后，試驗人員應當根據EPA2007MDL，對相關定義進行計算，在符合測定條件要求的基礎上，對于空白試劑，添加2～3倍測試溶液，利用估計儀器，對檢出限濃度進行測定，重復進行7次測定，并將最終測定的濃度標準偏差，乘3.143，確定方法檢出限。此外，還需要對標準偏差與加標回收率展開計算，分別連續進行6次的分析測定，計算最終的平均值，保證測定結果的準確度[1]。

2.2 預處理優化

2.2.1 消解體系優化

本次試驗，分別利用4種消解法，對土壤標準樣品進行消解處理。因為土壤中包含的基本成分屬于硅酸鹽，在樣品中加入HF，其目的是讓硅酸鹽溶解、揮發；加入HCl和HNO3的目的，是溶解樣品中包含的金屬氧化物[2]。在電熱板消除法中，使用HClO4的目的，是為了去除掉土壤樣品中包含的有機物質，趕盡HF；而微波消解期間，之所以不使用HClO4，是因為在高溫環境下，該物質會產生大量氣體，導致試驗壓力急劇增加、超過臨界值，容易引發爆炸[3]。因此，同HClO4相比，帶有弱酸性和強氧化性的H2O2更適合微波消解試驗。

與此同時，通過上述試驗研究后發現，對于測定Hg、As、Cr等金屬元素，電熱板消除法的有效性偏低。由于在使用電熱板消除時，Cr可能會同HClO4結合，生成氯化鉻酰這種易揮發的物質，致使試驗最終的測定結果，懂標示值范圍相比偏低。而Hg和As，一個常溫下便會揮發，一個揮發溫度相對較低，在利用電熱板加熱過程中，為了清除掉樣品中各類酸成分，其最高溫度可能會達到145℃，從而導致二者最終測定值偏低。與此同時，上述4中消解法中，第1種和第2種之所以不合格測定Hg和As，主要是因為這兩種消解法中，都包含HF，當消解處理之后，都需要利用電熱板，進行加熱趕酸，不僅導致二者測定值較低，還會增加預處理時間。此外，從處理的精密度上來看，電熱板消解法同微波消解法相比，明顯偏低。究其根本，主要是因為電熱板消解法耗時長，且開放式的消解模式，也會受到外界因素的干擾。在以上4種消解法種，第3種消解法最終獲得的測定結果，同標示值相似度最高，可以作為最理想的微波消解法使用。

2.2.2 稱樣量優化

根據上述消解優化體系的試驗方法了解，在土壤樣品的稱樣量在（0.2000±0.0002）g時，Ni、Cd、Mn、Pb、Hg、As、Cr、Cu這8種元素，其含量測定結果符合標示值測定范圍[4]。由此可以證明，微波消解法的應用，能夠有效減少土壤中上述元素的含量。

2.2.3 消解法優化對比

在鹽酸+高氯酸+氫氟酸+硝酸的全消解法下，標準土壤樣本總體回收率，可以達到86%～89%；電熱板消解法下，標準土壤樣本，總體回收率為88%～92%；微波消解法下，標準土壤樣品，總回收率為94%～100%。微波消解法對土壤中金屬元素預處理水平最高。

3 總結

總而言之，在利用微波消解法，將土壤中包含的金屬元素探測出來并消解掉，不僅可以提高土壤金屬元素的消解效果，還能夠避免傳統消解法中，造成的交叉污染問題等。因此，對于土壤中包含的金屬元素，利用微波消解法對預處理手段進行優化，應當受到我國政府部門和相關行業企業的重視，并將其廣泛應用到相關的實際工作中，從而有效解決我國土壤資源存在的重金屬污染問題，保護土壤資源。

參考文獻

[1]江敏孜，張晶晶.微波消解測定土壤重金屬體系的研究[J].化學世界，2015，56（1）：8-10.

[2]劉思春，呂家瓏，梁圈社等.微波消解技術在土壤重金屬元素分析中的應用[J].生物技術世界，2016，（1）：25-26.

[3]張旭.混合正交試驗優化微波消解測定沉積物中重金屬Pb[J].安徽農業科學，2017，45（22）：9-12.

[4]林敬河.微波消解在測定土壤中砷含量的應用研究[J].海峽科學，2016，（6）：69-70.

收稿日期：2018-01-10

作者簡介：邱永堅（1984-），男，大學本科，環境監測工程師，研究方向環境監測。