土壤樣品中重金屬消解方法的實踐思考

張曉敏

關鍵詞：土壤;重金屬;微波消解

土壤是地球陸地表面能生長綠色植物的疏松表層，其主要功能是生長綠色植物[1]，是一種重要的資源。近年來，由于工業活動增多、固體廢物處理和農業生產力提高，增加了重金屬對環境的污染，而土壤中重金屬污染會導致農業產量下降，同時因重金屬進入食物鏈而危害人類健康。本文通過國際、國內現有重金屬的消解方法的基礎上進行修改、整合，制定出一系列適用于土壤重金屬快速分析的方案，從而提高監測數據的準確度與分析效率，為土壤環境保護和宏觀決策提供科學依據。

1 土壤樣品的制備

將采集的土壤樣品（不少于500g）混勻后用四分法縮分至100g左右。縮分后樣品經自然風干或冷凍干燥后過2mm尼龍篩子，取出植物根系、石砬等異物后用瑪瑙棒研磨將所有土壤通過2mm尼龍篩子。過篩后土壤繼續通過研磨過0.15mm尼龍篩子，混勻樣品備用。

2 不同元素消解方法介紹

2.1 汞的消解處理與測定

汞在自然界普遍存在，它具有生物富集性的特點，進入生物體內很難被排出，會對肝腎等器官造成傷害。過量的汞會抑制和破壞土壤中微生物的生命活動，使土壤理化性質變差，肥力降低，導致農作物產量和質量下降。傳統的冷原子吸收法和氫化物原子熒光光譜法是國內外普遍測定汞元素的方法。該方法樣品消解通過硫酸--硝酸--高錳酸鉀混合液10mL，于低溫電熱板消解，加熱1-2h。該方法的優點是生產成本相對較低，適于大批量樣品消解。缺點消解時間長，對人員能力要求高且易受到環境條件、試劑等因素污染。另外，由于儀器進樣系統采用膠管連接，容易發生汞蒸氣泄漏，影響測量結果的準確性與精密性。

近幾年隨著科技的發展，出現了一種催化熱解--冷原子吸收法測量汞的方法[2]。該方法樣品通過直接灼燒經催化爐、歧化管、解析爐后汞蒸氣進入冷原子吸收分光光度計，根據樣品含量進行分流，分別進入對應濃度檢測池測定。相對于傳統方法，催化熱解--冷原子吸收法測定汞其優點是減少了樣品加酸預處理的過程，高低濃度進行分流檢測，從而避免了樣品預處理過程中汞的相互污染和儀器測定中汞的記憶效應。同時該方法操作簡單，自動化程度高，可實現快速、準確、高精度的汞檢測，且相對過去常用方法大大提高測量范圍，為不同汞含量類型土壤提供了便捷的方法。

2.2 砷的消解處理

砷是一種具較強毒性和致癌作用的元素，是土壤環境質量重要指標之一。土壤砷污染會使農產品砷含量升高，進而危害人畜健康。其對人體胃腸道系統、呼吸系統、皮膚和神經系統有較強毒性。常見砷消解體系為采用王水（鹽酸：硝酸=3：1）分別于水浴消解、微波消解等手段進行處理。采用水浴消解[3]，稱取樣品于比色管中，加入10mL王水后于沸水浴鍋中加熱2h，中間搖動幾次。該方式優點成本較低，缺點測試結果精密度相對較差，部分高海拔地區水浴達不到100℃影響分析結果，同時分析人員操作時由于需要在水浴過程中搖動，容易有觸電危險。采用微波消解方式，只需要加入2mL王水，進行程序升溫，密閉消解30min。

相對于水浴消解而言，微波消解首先減低了酸量從而節約了分析成本，同時大大降低了分析實驗對生態環境的污染，加強保護了生態環境。其次微波消解采用密閉溶樣，使消解更完全，提高了分析精密度與準確度。其操作簡單便捷，分析速度更快，安全性也有所提升。

2.3 銅、鉛、鋅、鎳、鎘、鉻的消解處理

鉛、鎳、鉻、鎘對動植物是毒性元素，通過生物圈循環，經食物鏈使人體中毒，對人體神經、造血、消化、呼吸、肝臟、腎臟、內分泌等產生危害。銅、鋅是動物和人體必需的微量元素但過量也會對動植物和人體造成危害，所以它們同樣也是土壤監測的重要指標。對于上述元素常見采取電熱板濕法消解、石墨消解、熔融消解，KI-MIBK萃取、微波消解、干法消解。下面針對不同消解體系做詳細介紹。

①電熱板濕法消解[4]，稱取樣品后依次加入鹽酸10mL、硝酸5mL、氫氟酸5mL、高氯酸3mL，進行電熱板開放式溶樣。此方法為分析最常見方法，其優點生產成本低，適合大批量樣品消解，缺點容易樣品間相互污染，樣品重現性較差，加入酸量大，消解時間長，對環境污染嚴重，且在高溫開放環境下采用高氯酸體系溶樣，實驗存在一定安全隱患;

②石墨密閉消解[5]，稱取樣品后依次加入硝酸6mL預消解、鹽酸6mL、硝酸2mL、氫氟酸5mL、高氯酸3mL，進行密閉式溶樣，按照程序升溫4h。此種方式相對電熱板濕法而言，加熱溫度更穩定精確，待測元素提取損失少，測定結果精密度更加穩定。但其缺點也顯而易見，加酸量增大，成本增高。由于消解管外壁為合金，所以在實際應用中，鉻、鎳等元素會出現污染等情況。每次使用石墨消解前必須保證消解管外部潔凈無水，否則加熱會致使消解管變形，增加了操作流程減低了分析效率。而且消解是在高溫高壓下進行，實驗易出現燙傷、爆炸的安全隱患;

③熔融消解，土壤樣品的全分解方法之一，一般采用堿熔劑和樣品混合后高溫下分解樣品，加入熱水后在電熱板上煮沸提取。它的優點在于可以徹底破壞土壤晶格，溶樣速度快對環境污染小。其缺點溶樣會引入大量鹽分，增加了消解液中溶解性總固體（TDS）含量，會對儀器帶來干擾，而且當土壤樣品中有機質含量較高時，還需要對樣品進行灰化的預處理，增加了操作難度;

④KI-MIBK萃取，稱取樣品后采用鹽酸10mL、硝酸5mL、氫氟酸5mL、高氯酸3mL消解體系，將土壤晶格全部打開，利用液液萃取提取待測元素，分離雜質，降低對測定儀器的干擾。這種方式是2000年較常見消解方法，后因ICP-OES、ICP-MS測定技術的發展和市場推廣，KI-MIBK萃取這種操作復雜，重現性低、對生態環境污染大的方法漸漸退出了歷史舞臺;

⑤微波消解，稱取樣品后加入王水6mL后，按照程序升溫，利用微波加熱技術消解55min提取待測元素。其優點為消解速度快，分析結果更精密、準確，大大減低了樣品交叉污染，同時微波消解使用酸量較少，降低對生態環境的影響，消解體系去除了高氯酸，減低了實驗安全隱患。

⑥干法消解[6]，稱取樣品于瓷坩堝中置于馬弗爐內于500攝氏度加熱灰化8h，取出冷卻后用10mL稀硝酸溶解灰狀物。此方法雖然相對傳統的濕法消解減低了強氧化性酸的使用，但其分析效率低下，馬弗爐加熱有一定燙傷的安全隱患。

3 結果與討論：

綜上所述，針對土壤中8種常見重金屬，Hg元素采取直接加熱催化--歧化，As元素采用王水體系微波消解、銅鉛鋅鎳鉻鎘采用硝酸--雙氧水體系微波消解更符合當下監測大環境下的需求。該方案分析精密度高，待測物提取完全，不易受環境污染，對生態環境破壞小。綜上所述對土壤重金屬檢測消解技術進行研究，可以為土壤污染防治提供科學依據，進而改善目前生態環境，同時也為未來的土壤重金屬檢測技術的研究提供一定的參考價值。

參考文獻：

[1]張麗莉.土壤形成和成土原因[M].北京：中國環境出版社，2019.

[2] HJ923-2017.土壤和沉積物總汞的測定催化熱解-冷原子吸收分光光度法[S].環境保護部，2017.

[3]彭浩，尹冬勇，周艷紅.水浴消解-原子熒光光譜法同時測定土壤中的砷和汞[J].湖南人文科技學院學報，2010，27 （2）：10-13.

[4]劉傳娟，劉鳳枝，蔡彥明，等.不同處理方法-ICP-MS測定土壤中的重金屬[J].分析實驗室，2009，28（S1）：91-94.

[5]耿勇超.智能石墨消解在土壤重金屬測定前處理中的應用[J].環境科技，2013，26（3）：57-59.

[6]陳建欣，武趙晟，孫林慧，陳艷.江蘇省內土壤中重金屬鉛，銅，鎘測定研究[J].廣州化工，2017，45（12）：119-122.