論水質(zhì)重金屬分析檢測技術(shù)研究與應(yīng)用

劉樹函

（廣州市環(huán)境技術(shù)中心，廣東 廣州 510380）

在對水質(zhì)中所含有的重金屬污染物進(jìn)行檢測時，借助于先進(jìn)的分析檢測技術(shù)，可實現(xiàn)重金屬污染物種類及其含量的科學(xué)檢測，這對于重金屬污染物的治理和水環(huán)境修復(fù)都具有非常好的指導(dǎo)意義。因此，在具體的水質(zhì)檢測過程中，相關(guān)單位一定要對重金屬分析檢測技術(shù)加以深入研究，并根據(jù)實際來加以合理應(yīng)用[1]。通過這樣的方式，可以實現(xiàn)水質(zhì)中重金屬及其含量的科學(xué)、準(zhǔn)確檢測，為后續(xù)的水環(huán)境治理工作提供足具科學(xué)性的參考依據(jù)。

1 水質(zhì)重金屬及其相關(guān)概述

1.1 水質(zhì)重金屬主要分類

在整個自然界中，水是最為常見的一種溶劑。其中，重金屬物質(zhì)就很容易在水中溶解，并形成比較嚴(yán)重的水質(zhì)污染。就目前來看，水質(zhì)中的重金屬污染物大多來自于工業(yè)廢水，其中的重金屬主要包括銅、汞、鉛、鉻、鎘、鋅等。如果這些重金屬元素在水中的含量超標(biāo)，便會造成嚴(yán)重的水質(zhì)污染。基于此，相關(guān)單位一定要通過科學(xué)合理的技術(shù)來對其進(jìn)行分析和檢測，以此來確定水質(zhì)中重金屬污染物的成分及其占比情況。

1.2 水質(zhì)重金屬超標(biāo)的危害

在水質(zhì)污染中，重金屬污染具有很大的危害性，一旦重金屬污染物超標(biāo)，不僅會對自然環(huán)境和生態(tài)造成嚴(yán)重破壞，同時也會對人體健康產(chǎn)生嚴(yán)重的不利影響。以下是幾種常見的水質(zhì)重金屬元素超標(biāo)對人體的危害情況：

表1 幾種常見的水質(zhì)重金屬元素超標(biāo)對人體的危害情況

2 水質(zhì)重金屬檢測分析技術(shù)的應(yīng)用

2.1 高效液相色譜技術(shù)

高效液相色譜技術(shù)是將液體用作流動相的一種色譜技術(shù)。該技術(shù)主要將經(jīng)典的液相色譜作為基礎(chǔ)，將氣相色譜的相關(guān)理論引入，借助于靈敏度極高的檢測器、高效固定相和高壓輸液泵來達(dá)到快速分離效果。

在高效液相色譜技術(shù)的具體應(yīng)用中，其檢測儀器主要由六個部分組成，分別是輸液泵、洗液槽、分離柱、進(jìn)樣器、檢測器以及信號記錄裝置。下圖1是高效液相色譜技術(shù)的主要工作原理示意圖。

圖1 高效液相色譜技術(shù)的主要工作原理示意圖

在通過該技術(shù)進(jìn)行水質(zhì)重金屬的分析檢測過程中，高壓輸液泵會按照相應(yīng)的速度讓流動相流過柱子，再從進(jìn)樣器中通過，以此來實現(xiàn)待測混合物樣品的注入。因為混合物中具有不同的組分，它們在柱內(nèi)的移動速度也會有所不同，這樣便會達(dá)到有效的分離效果，然后再采用檢測器來進(jìn)行檢測，同時對或得到的各個組分電信號做放大處理，最后再借助于信號記錄儀以圖形的形式將放大之后的電信號記錄下來。

在通過該技術(shù)進(jìn)行水質(zhì)重金屬檢測的過程中，需要將相應(yīng)的試劑加入到待測樣品中，使其和重金屬離子形成穩(wěn)定且有色的絡(luò)合物，然后再通過高效液相色譜技術(shù)進(jìn)行分離，再借助于紫外、可見光度檢測器來進(jìn)行重金屬測定。通過這樣的方式，不僅可以讓普通光度分析檢測過程中的選擇性差問題得以良好解決，同時對多種元素進(jìn)行測定；同時也具有更大的便捷性和更快的檢測速度，可實現(xiàn)傳統(tǒng)檢測中選擇性與靈敏度不能統(tǒng)一問題的有效解決[2]。比如，在將4-2-吡啶偶氮氨間苯二酚用作柱前衍生螯合試劑，通過高效液相色譜技術(shù)進(jìn)行鎳、鐵和鈷這三種重金屬離子的檢測過程中，其檢測情況如下：

表2 鎳、鐵和鈷高效液相色譜技術(shù)檢測情況

但是該技術(shù)也具有一定的局限性，具體應(yīng)用中，一定要對洗脫液槽中的流動相PH加以嚴(yán)格控制，使其一直處在2-8之間，這樣才可以有效確保檢測效果。同時，因為流動相中有游離態(tài)的硅羥基存在，所以其分離效果也會受到一定程度的不良影響，進(jìn)而使測試精度存在誤差。

2.2 原子吸收光譜技術(shù)

原子吸收光譜技術(shù)主要是將氣態(tài)原子外層電子可吸收可見光以及紫外光的特征作為基礎(chǔ)來進(jìn)行分析的一種方法，正因為如此，其樣品需要做原子化處理，也就是借助于原子系統(tǒng)將相應(yīng)的能量提供給樣品，使其中被測的重金屬元素霧化，然后轉(zhuǎn)變成基態(tài)原子。

在通過該技術(shù)進(jìn)行水質(zhì)重金屬的分析與檢測過程中，其主要原理是在待測的重金屬原子被霧化之后，最外層電子吸收了頻率特定的光輻射時，便會由原來的基態(tài)向激發(fā)態(tài)躍遷，這樣便會有相應(yīng)的共振線（吸收譜線）產(chǎn)生；因為不同重金屬元素會具有不同的原子結(jié)構(gòu)，且其最外層電子的具體排布也存在差異，所以在由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)的過程中，不同重金屬元素所吸收的能量也存在不同，這就使其共振線具備了不同的特點。而在具體的檢測中，只需要對共振線特征進(jìn)行分析，便可使各種重金屬元素實現(xiàn)定性分辨[3]。除此之外，該技術(shù)也可以對檢測出的重金屬元素進(jìn)行定量分析，當(dāng)一束和待測重金屬原子吸收線頻率相重合的發(fā)射線從原子蒸汽中通過時，在整個的線性范圍中，吸收光所具有的輻射強(qiáng)度和待測重金屬濃度之間具有正比關(guān)系。根據(jù)這一關(guān)系，便可對水質(zhì)中所含有的重金屬元素進(jìn)行定量分析。

通常情況下，在原子吸收光譜技術(shù)的具體應(yīng)用中，其儀器的主要組成部分有五個，第一是光源，第二是原子化系統(tǒng)，第三是分光系統(tǒng)，第四是檢測系統(tǒng)，第五是顯示系統(tǒng)。

通常情況下，原子系數(shù)光譜技術(shù)中的光源主要為銳線光源，空心陰極燈是最常用的一種光源形式。借助于原子化系統(tǒng)，可以讓樣品中的重金屬元素轉(zhuǎn)化成氣態(tài)形式的基態(tài)原子，針對不同的樣品以及重金屬元素狀態(tài)，其原子化方法也不同，就目前來看，主要的原子化方法包括火焰原子化法、冷原子化法、石墨爐原子化法以及電子原子化法。分光系統(tǒng)的主要作用是借助于光柵以及窄縫來分離待測重金屬元素中的特征譜線以及周圍的其他譜線，以此來為后續(xù)的檢測提供足夠便利。檢測系統(tǒng)以及顯示系統(tǒng)的主要作用就是進(jìn)行光信號的分析與處理，使其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栃问剑賹⒆罱K獲得的吸光度值顯示出來。

該技術(shù)在當(dāng)今已經(jīng)比較成熟，通過該技術(shù)，可對幾乎所有的元素進(jìn)行分析。但是在具體應(yīng)用中，一定要通過相應(yīng)的光源來激發(fā)各種元素的原子。由于水質(zhì)中所含有的離子種類和數(shù)量都非常多，相比較其他離子而言，待測的重金屬元素含量就相對較低，所以在通過該技術(shù)進(jìn)行水質(zhì)重金屬的具體檢測與分析中，為實現(xiàn)檢測靈敏度與檢測精度的進(jìn)一步提升，相關(guān)單位與檢測人員一定要通過相應(yīng)的富集方法對水質(zhì)樣品做好預(yù)處理工作，比如膜過濾、協(xié)同沉淀、電沉積、固相萃取、濁點萃取、溶劑萃取等。另外，因不同的富集方法也會對水質(zhì)中的重金屬檢測靈敏度產(chǎn)生很大影響，所以具體檢測中，一定要根據(jù)實際情況來進(jìn)行富集方法的合理選用。

2.3 原子熒光光譜技術(shù)

原子熒光光譜技術(shù)就是定量分析輻射能激發(fā)作用下原子所發(fā)射出的熒光強(qiáng)度，它屬于發(fā)射光譜分析技術(shù)中的一種。該技術(shù)的主要應(yīng)用原理是在消化液中對固態(tài)和液態(tài)的樣品進(jìn)行高溫加熱處理，使其發(fā)生分解和氧化還原等的反應(yīng)，這些樣品在反應(yīng)之后都將會轉(zhuǎn)變?yōu)榍辶恋囊簯B(tài)；然后借助于預(yù)還原劑將酸性溶液中所含有的待分析重金屬元素轉(zhuǎn)化為特定價態(tài)，并使其和KBH4硼氫鉀還原劑發(fā)生反應(yīng)，生成氫化物與氫氣；再借助于氬氣將生成的氫化物與氫氣推動并引入到原子氧化器中對其進(jìn)行原子化處理。在此過程中，特定的基態(tài)原子通常會以蒸汽的形式存在，并對與之頻率相適合的輻射吸收，其中的一些受激發(fā)態(tài)原子將會在去激發(fā)時通過光輻射的方式將波長特定的熒光發(fā)射出來。檢測過程中，只需要借助于檢測器對這些原子所發(fā)出的熒光進(jìn)行檢測，便可實現(xiàn)重金屬元素的科學(xué)檢測與分析。

在通過該技術(shù)進(jìn)行水質(zhì)重金屬的分析與檢測過程中，應(yīng)用到的儀器設(shè)備和原子吸收光譜技術(shù)所應(yīng)用的儀器設(shè)備具有相似的結(jié)構(gòu)，但是其光源卻并不和檢測器處在同一直線上，而是呈直角。通過這樣的方式，便可有效防止激發(fā)光源中發(fā)射出的輻射影響到原子熒光檢測信號，盡最大限度確保熒光檢測質(zhì)量。

在水質(zhì)重金屬分析檢測中，該技術(shù)具有非常高的靈敏度和選擇性，需要的試樣量很少，且檢出限會比原子吸收光譜技術(shù)低。因為原子熒光的發(fā)射方向可以是空間中的任何一個方向，所以該技術(shù)可達(dá)到多通道檢測效果，可同時對水質(zhì)中的多種重金屬元素進(jìn)行分析與檢測。但是該方法的應(yīng)用范圍比較局限，因為很多重金屬本身并不會有熒光產(chǎn)生，所以在具體的檢測分析中，需要將相應(yīng)的熒光物質(zhì)加入樣品中才可以進(jìn)行熒光分析，且熒光物質(zhì)也只能夠在特定的幾種重金屬離子中產(chǎn)生響應(yīng)，包括Co2+、Ag+、Hg2+、Cu2+、Pb2+等，對于其他的重金屬離子則并不會產(chǎn)生響應(yīng)，所以也就很難對其他重金屬離子做出科學(xué)準(zhǔn)確的檢測與分析[4]。正因為如此，這種分析檢測技術(shù)在具體應(yīng)用中會受到一定程度的限制。

2.4 電化學(xué)分析技術(shù)

電化學(xué)分析技術(shù)主要是將被分析物質(zhì)所具有的電化學(xué)特性作為依據(jù)來進(jìn)行其組成與含量測定的一種分析檢測技術(shù)。具體應(yīng)用中，一般會將待測溶液用作化學(xué)電池中的一部分，然后將化學(xué)電池中的電壓、電流曲線、電導(dǎo)、電阻、電位以及電流等的這些電參數(shù)和待測物質(zhì)具體濃度的函數(shù)關(guān)系來進(jìn)行組成元素及其含量的測定。電化學(xué)分析技術(shù)的一個基礎(chǔ)就是化學(xué)電池中所產(chǎn)生的電化學(xué)反應(yīng)，該技術(shù)在當(dāng)今的水質(zhì)重金屬檢測與分析中是一種十分關(guān)鍵的技術(shù)形式。

就目前的水質(zhì)重金屬檢測與分析來看，溶出伏安技術(shù)以及離子選擇性電極技術(shù)是最為常用的兩種電化學(xué)分析技術(shù)。在通過溶出伏安技術(shù)對水質(zhì)重金屬進(jìn)行檢測的過程中，其主要原理是讓待測的重金屬在一定電位條件下電解，并使其在工作電極表面上富集，然后通過反向掃描的方式讓工作電極自身的電位發(fā)生改變，并讓富集在其上的重金屬離子重新在電解溶液中溶解；在通過溶出過程中的伏安曲線分析來實現(xiàn)水質(zhì)重金屬檢測。因此在通過該方法進(jìn)行檢測的過程中，其主要的過程有兩個，第一是電解富集，第二是電解溶出。其中，電解富集主要是在特定的恒定電位條件下進(jìn)行待測溶液的電解，并按照一定的速度對其進(jìn)行攪拌，讓相應(yīng)的重金屬離子在電極上還原，并讓重金屬元素直接沉積到惰性汞電極表面上，這樣便可實現(xiàn)富集電流與電位曲線的形成。以下是其富集過程式：

在此過程中，可采取溶液攪拌或者是電極旋轉(zhuǎn)的方法來實現(xiàn)富集效果的進(jìn)一步提升。溶出主要是在重金屬元素完成了富集并靜止60s之后再對其電位做反向改變，在電極電位稍正于平衡電位時，電極上原來沉積的重金屬元素便會再一次變?yōu)殡x子，并在溶液中溶解，通過該方法產(chǎn)生的溶出電流與電位曲線叫做伏安曲線。因溶出電流峰值、電極類別與被測物濃度之間具有一定的關(guān)系，所以可根據(jù)該關(guān)系來對重金屬離子進(jìn)行定性分析。

借助于溶出伏安技術(shù)，可通過提升水質(zhì)中的重金屬濃度來提升檢測靈敏度與檢測精度，可對多種重金屬同時進(jìn)行檢測分析，且不需要預(yù)先做分離處理，儀器設(shè)備也具有微型且簡單的結(jié)構(gòu)。但是具體應(yīng)用中，富集電位和富集時間將會對其檢測結(jié)果造成不良影響，且對于試驗條件與操作技術(shù)都具有較高要求。

3 結(jié)語

綜上所述，在對水質(zhì)中的重金屬污染物進(jìn)行檢測與分析的過程中，高效液相色譜技術(shù)、原子吸收光譜技術(shù)、原子熒光光譜技術(shù)、電感耦合等離子體技術(shù)以及電化學(xué)分析技術(shù)等都是十分先進(jìn)且有效的檢測技術(shù)。但是因為不同檢測技術(shù)的適用范圍與條件有所不同，所以在具體檢測中，相關(guān)單位與檢測人員應(yīng)根據(jù)實際情況、結(jié)合實際需求，選擇合理的技術(shù)來進(jìn)行檢測。這樣才可以有效確保水質(zhì)重金屬元素的檢測與分析效果，為其后續(xù)的治理工作奠定良好的技術(shù)基礎(chǔ)。