PM2.5中鉑族元素及微量元素采樣濾膜的選擇*

鄭燦利 李小成 張夢(mèng)君 董 嫻，2 陳 卓,2#

(1.貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550001；2.貴陽(yáng)市大氣細(xì)粒子和大氣污染化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550001)

近年來(lái)，隨著汽車(chē)保有量的增加，汽車(chē)尾氣催化轉(zhuǎn)化器中的Rh、Pd和Pt等鉑族元素隨尾氣排放，導(dǎo)致大氣PM2.5中鉑族元素濃度不斷增加[1]。空氣中鉑族元素與PM2.5結(jié)合，在慢性亞臨床水平對(duì)人體健康構(gòu)成較大風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)PM2.5中的微量元素如Cr、Cd、Pb和As等也會(huì)致癌和致畸[2-3]，因此對(duì)PM2.5中鉑族元素和微量元素的分析尤為重要。但PM2.5中鉑族元素和微量元素含量極低[4]，采樣濾膜的空白值會(huì)直接影響測(cè)定結(jié)果，此外還要考慮濾膜的風(fēng)阻、化學(xué)穩(wěn)定性、捕集效率等問(wèn)題[5]。因此，要準(zhǔn)確采集分析PM2.5中鉑族元素和微量元素的含量，首先要對(duì)采樣濾膜進(jìn)行篩選和預(yù)處理[6]。

玻璃纖維濾膜具有良好的機(jī)械延展性及低流阻率，孔徑和密度分布廣泛，較適合大流量采樣，但對(duì)于粒徑小于0.3 μm的顆粒物捕集效率較差，并且它還含有痕量元素雜質(zhì)，如Fe、Mn、Pb和Zn等[7]；聚四氟乙烯濾膜具有雜質(zhì)含量低、機(jī)械延展性差、流阻率高的特點(diǎn)，僅適用于低流量采樣[8]119；石英濾膜雜質(zhì)含量低、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、捕集效率高，適用于顆粒物大流量采樣及其中微量元素的檢測(cè)[9]。鉑族元素及微量元素在PM2.5中的量較少，分析時(shí)需長(zhǎng)時(shí)間、大流量及低空白采集樣品，因此石英濾膜是合適的采樣濾膜。但是，不同品牌的石英濾膜中鉑族元素和微量元素的含量差異較大，對(duì)檢測(cè)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生直接影響。

本研究采用電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)法，測(cè)定3個(gè)品牌石英濾膜的鉑族元素和微量元素含量，對(duì)它們的空白值進(jìn)行對(duì)比分析，并對(duì)空白值較高的石英濾膜進(jìn)行預(yù)處理，以期解決石英濾膜空白值高的問(wèn)題，為PM2.5中鉑族元素及微量元素采樣濾膜的選擇提供參考。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

主要儀器：PlasmaQuant MS型ICP-MS儀，A-10型Milli-Q超純水裝置，TH-150ⅡA型中流量空氣采樣器。3種石英濾膜(Φ=90 mm)分別為：英國(guó)Whatman 公司生產(chǎn)的石英濾膜(記為WH)，美國(guó)Pall公司生產(chǎn)的石英濾膜(記為PA)，國(guó)產(chǎn)石英濾膜(記為CC)。

Ru、Pt、Pd、Rh、Ir、Au 單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液和微量元素標(biāo)準(zhǔn)溶液：1 000 mg/L(國(guó)家有色金屬及電子材料分析測(cè)試中心)。硝酸和鹽酸經(jīng)過(guò)兩次亞沸蒸餾提純。實(shí)驗(yàn)采用Dowex 50W X8陽(yáng)離子交換樹(shù)脂(200～400目)和P507萃淋樹(shù)脂(60～80目)混合交換柱。

1.2 儀器參數(shù)

ICP-MS儀器工作參數(shù)為：射頻功率1.5 kW，等離子流10.5 L/min，輔助流量1.65 L/min，霧化器流量1.03 L/min，采樣深度5.5 mm，泵速24 r/min，穩(wěn)定延遲5 s。

1.3 PM2.5樣品采集

采用中流量空氣采樣器及石英濾膜采集PM2.5，流量為100 L/min，每個(gè)樣品采樣時(shí)長(zhǎng)72 h，采樣點(diǎn)設(shè)置在貴州師范大學(xué)某學(xué)院(市中心)樓頂(距地面約25 m)，采樣時(shí)間為2018年秋季。

1.4 石英濾膜預(yù)處理

濾膜采樣前在500 ℃馬弗爐煅燒5 h，采樣前后分別經(jīng)濕度為50.0%±0.5%、溫度為(25±1) ℃的恒溫恒濕箱恒重48 h，電子分析天平稱(chēng)量。

王水處理WH(記為WH’)：WH在40～60 ℃王水中浸泡2 h，超純水中浸泡30 min，取出后用超純水淋洗至中性[10]，50 ℃烘干至恒重，放入溫度為(25±1) ℃、濕度為50.0%±0.5%的恒溫恒濕箱48 h，取出后稱(chēng)量，處理效率(E，%)計(jì)算方式見(jiàn)式(1)。

E=(MWH-MWH’)/MWH×100%

(1)

式中：MWH、MWH’分別為WH和WH’中各元素的質(zhì)量，ng。

1.5 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)在空氣潔凈等級(jí)為100級(jí)(參照《潔凈廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50073—2001))的潔凈實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。用陶瓷剪刀將石英濾膜裁剪成小塊，置于50 mL 聚四氟乙烯消解罐內(nèi)，依次加入6 mL蒸餾后的硝酸、2 mL蒸餾后的鹽酸，在165 ℃的電熱板上消解30 min，取出，將溶液蒸發(fā)至近干，加入1 mL 5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的鹽酸后過(guò)Dowex 50W X8陽(yáng)離子交換樹(shù)脂和P507萃淋樹(shù)脂混合交換柱，即可去除大部分基體元素和干擾元素[11]，鉑族元素同位素和潛在的質(zhì)譜干擾[12-13]見(jiàn)表1。濾液用原來(lái)的燒杯承接，最后用超純水沖洗混合離子交換柱的殘?jiān)D(zhuǎn)移至2 mL離心管中，檢測(cè)分析鉑族元素和微量元素含量。

表1 鉑族元素同位素和潛在的質(zhì)譜干擾

2 結(jié)果與討論

2.1 石英濾膜的空白值

對(duì)PA、WH和CC中32種元素進(jìn)行空白值檢測(cè)分析，結(jié)果見(jiàn)圖1。32種元素分別為鉑族元素(Ru、Rh、Pd、Ir、Pt和Au)和微量元素，微量元素又可分為過(guò)渡金屬元素(Sc、Ti、V、Co和Ni)、高場(chǎng)強(qiáng)元素(Th、U、Zr、Nb、Hf、Y和Pb)、低場(chǎng)強(qiáng)元素(Cs、Ba、Rb和Sr)及其他微量元素(Ga、Ge、As、Mo、Ag、Cd、In、Sb、W和Bi)。

圖1 石英濾膜的元素質(zhì)量Fig.1 Element mass in quartz filters

由圖1可知，3種石英濾膜中元素總質(zhì)量大小體現(xiàn)為PA

2.2 王水處理石英濾膜的效率

WH中鉑族元素含量最高，本研究利用鉑族元素只溶于王水的性質(zhì)對(duì)WH進(jìn)行處理，檢驗(yàn)處理后的WH’是否可以達(dá)到采集分析鉑族元素的要求，同時(shí)考察王水處理濾膜中微量元素的效率。WH’、WH和PA中32種元素的質(zhì)量見(jiàn)表2。

表2 WH’、WH和PA中的元素質(zhì)量

由表3可知，WH中鉑族元素、過(guò)渡金屬元素、高場(chǎng)強(qiáng)元素、低場(chǎng)強(qiáng)元素和其他微量元素的空白值都得到了有效降低，其處理效率分別為92%、62%、46%、44%和63%，其中鉑族元素處理效果最好，WH’的空白值有效降低為(0.362±0.059) ng，低于PA；此外，WH’中過(guò)渡金屬元素、低場(chǎng)強(qiáng)元素均低于PA的空白值，但是WH’中高場(chǎng)強(qiáng)元素和其他微量元素含量仍高于PA。

Pd、Ir、Pt、Au、Co、Ni、Th、Ga、Ge、As、Mo、W、Bi等13種元素處理效率均在60%以上，這是由于它們?cè)赪H中空白值含量相對(duì)較高，并且都極易溶于王水；而Ru、Rh、Ti、Zr、Nb、Hf、Ba、Sr、Ag和Sb等10種元素處理效率為30%～60%，處理效率相對(duì)較低；Sc、V、U、Y、Pb、Cs、Rb、Cd和In等9種元素處理效率低于30%。經(jīng)王水處理后得到的WH’中Ti、V、Zr、Y、Rb、Sr、Mo、Sb等元素含量雖高于PA，但遠(yuǎn)低于實(shí)際樣品[16]，可達(dá)到采集和分析PM2.5中微量元素的要求。可見(jiàn)，用王水處理石英濾膜中鉑族元素和高空白值的微量元素是可行的，可解決石英濾膜空白值過(guò)高而影響樣品采集和檢測(cè)的問(wèn)題。

2.3 方法檢出限

5份全流程空白處理的測(cè)定結(jié)果(平均值)及儀器檢出限見(jiàn)表3。由表3可知，鉑族元素和微量元素的全流程空白遠(yuǎn)低于PA的空白值。

表3 全流程空白值及檢出限

2.4 貴陽(yáng)市秋季PM2.5中鉑族元素及微量元素濃度

用PA作為采樣濾膜，對(duì)貴陽(yáng)市秋季PM2.5中鉑族元素及微量元素進(jìn)行檢測(cè)分析，同時(shí)驗(yàn)證PA用于采樣及檢測(cè)分析的可靠性。PM2.5中鉑族元素和微量元素濃度見(jiàn)圖2。

由圖2可知，PM2.5中鉑族元素濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于PA的空白值及檢出限，PA可用于PM2.5樣品的檢測(cè)分析。

圖2 貴陽(yáng)市秋季PM2.5中鉑族元素及微量元素質(zhì)量濃度Fig.2 Concentrations of platinum group and trace elements in PM2.5 in Guiyang in autumn

貴陽(yáng)市秋季PM2.5中各類(lèi)元素的濃度總體表現(xiàn)為其他微量元素>過(guò)渡金屬元素>高場(chǎng)強(qiáng)元素>低場(chǎng)強(qiáng)元素>鉑族元素，鉑族元素濃度與文獻(xiàn)[17]報(bào)道結(jié)果相近，微量元素分析結(jié)果與文獻(xiàn)[16]報(bào)道結(jié)果相近。

3 結(jié) 語(yǔ)

PA空白值低、通透性好，更適合用于PM2.5的采樣及鉑族元素、微量元素的分析；CC中鉑族元素含量較低，但微量元素含量較高，只適用于PM2.5中鉑族元素的采集和分析；WH空白值高，但經(jīng)王水處理后可有效降低鉑族元素及微量元素空白值，也可用于采集及分析鉑族元素和微量元素。