離子色譜技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

王宏

(內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測總站通遼分站，內(nèi)蒙古 通遼 028000)

0 引言

離子色譜技術(shù)是能夠在環(huán)保、生化、化學(xué)和其他科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的一項重要技術(shù)，其主要原理是陽離子、陰離子的交換，而離子交換是以離子分離為目的，使用容量低的離子交換樹脂。在監(jiān)測過程中，需要對環(huán)境中的有機物進行化學(xué)分離和分析，也需要對環(huán)境中的無機物進行檢測。因此，離子色譜技術(shù)被廣泛應(yīng)用于土壤、水質(zhì)、大氣等，特別是污染源、降水的環(huán)境監(jiān)測。加強環(huán)境監(jiān)測，管理污水排放，對城市、國家發(fā)展乃至人類生存都有重大意義。在這種情況下，離子色譜技術(shù)是環(huán)境監(jiān)測非常重要的手段，儀器的定期維護和操作對環(huán)境監(jiān)測的結(jié)果有一定的影響。

1 離子色譜技術(shù)的概述

離子色譜技術(shù)是一種新型高效液相色譜技術(shù)，能夠分離檢測水質(zhì)、大氣、土壤中有機、無機離子。與傳統(tǒng)離子交換色譜技術(shù)的主要區(qū)別在于所用樹脂的交聯(lián)度高，導(dǎo)致的交換容量非常低，能夠滿足少量樣品的檢查。柱塞用于輸送樣品，并使用連續(xù)電導(dǎo)率法測試樣品中包含的離子物質(zhì)。同時，樹脂材料作為固定材料，可以有效地分析樣品中相應(yīng)的游離離子，也可以使用相應(yīng)的溶液溶解樹脂。這樣，通過將溶液中的離子與樹脂上的離子交換而采取可逆交換技術(shù)。在離子交換色譜法中添加試樣后，用適當(dāng)?shù)娜芤喝艹鰰r，得到離子的最佳平衡狀態(tài)，能夠更加準(zhǔn)確地檢測試樣中的離子含量。同時通過強酸性陽離子樹脂時，形成高導(dǎo)電性酸。洗脫液組可探測其他物質(zhì)，即低導(dǎo)電性，由相應(yīng)的裝置檢測，然后轉(zhuǎn)化為酸陰離子。與傳統(tǒng)的離子交換技術(shù)相比，可以根據(jù)剩余時間、峰值和面積來確定，最終達(dá)到吸附平衡，其靈活性、選擇性、靈敏度等非常高。離子色譜技術(shù)成為環(huán)境分析不可缺少的一部分，廣泛用于環(huán)境監(jiān)測[1]。離子色譜儀器必須能夠承受高溫，耐腐蝕性好，并且可以持續(xù)運作，檢測到有害物質(zhì)的過程也非常簡單。同時結(jié)合工作流程，離子色譜儀器需要具有處理數(shù)據(jù)的能力，才能調(diào)整、控制并通過智能化手段幫助用戶優(yōu)化色譜，如圖1所示。目前，與電化學(xué)分析和原子吸收分析相比，離子色譜技術(shù)簡單、快速、準(zhǔn)確，被廣泛用于化工、醫(yī)藥品、農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、食品制造、紡織業(yè)等行業(yè)。

圖1 離子色譜儀的工作流程

離子色譜儀器作為環(huán)境監(jiān)測中的重要設(shè)備，一般主要由傳送系統(tǒng)、檢測器、分離柱以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)所組成：(1)流動相的傳送系統(tǒng)在環(huán)境監(jiān)測作業(yè)中，存在離子色譜流動相傳送、頸托閥體、管道以及連接件，所以所有環(huán)境必須具備耐高溫的特點，還要具備良好的抗腐蝕性：(2)分離柱在離子色譜監(jiān)測中是一個重要環(huán)節(jié)，必須明確惰性材料特征，使用過程中要求控制在室溫條件下，使得離子色譜儀表現(xiàn)出較大的抑制作用，不但能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)運作，還可以精準(zhǔn)檢測毒害物質(zhì)，整個過程運行便利：(3)檢測器可以分成光學(xué)檢測和化學(xué)檢測設(shè)備：(4)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)直接影響環(huán)境監(jiān)測成果，如果人員素質(zhì)較低，對數(shù)據(jù)處理的結(jié)果也會產(chǎn)生一定影響。

2 環(huán)境監(jiān)測中離子色譜技術(shù)的應(yīng)用

2.1 在水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中的運用

作為中國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要一部分，水質(zhì)監(jiān)測的效果將對中國環(huán)境產(chǎn)生重要影響。污水處理是我國環(huán)境監(jiān)測的焦點，監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實性和有效性對城市意義重大，同時污水處理需要符合國家標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)的城市污水監(jiān)測具有針對不同監(jiān)測指標(biāo)的不同方法。以硫酸鹽為例，傳統(tǒng)的硫酸鹽定量法為GB/T 11899—1989重量法，操作困難且花費時間長。作為一種新的分析技術(shù)，離子色譜被廣泛用于監(jiān)測水質(zhì)，操作簡單且節(jié)省時間，同時能夠使分離柱填料作為色譜柱，色譜選擇條件與洗脫體系不可分割，如表1所示。并且，在工廠的開發(fā)過程中，存在大量由于污水危險排放引起的水質(zhì)問題。這些廢水中常常含有很多氰化物、重金屬離子和多磷酸。在離子色譜預(yù)處理系統(tǒng)的幫助下，可以有效地去除重金屬、有機物和雜質(zhì)，確保試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。另外，離子色譜技術(shù)被廣泛用于地下水、表面水、工業(yè)廢水和家庭用水的分析中。與舊化學(xué)方法相比，離子色譜技術(shù)僅需要簡單的稀釋和過濾，不使用有害試劑就可以確定大量陰離子或陽離子。在水質(zhì)環(huán)境中，氟化物、氯化物、硝酸態(tài)氮等試驗所需的項目很多，通過開發(fā)項目應(yīng)用多種混合用途解決，15 min左右可以定量分析很多離子。

表1 色譜選擇條件與洗脫體系

另外，正式監(jiān)測過程中，選擇兩個試樣，一個是甲醇水溶液，另一個是甲醇磷酸水溶液(磷酸濃度0.05%)。分析可以得出當(dāng)使用甲醇水溶液樣品時，色譜峰相當(dāng)寬，但其柱效率相對較低。對甲醇磷酸水溶液進行分析，組分色譜峰的圖像非常清晰，柱效率非常高，分離效果也很好。此外，通過準(zhǔn)備解決方案，選擇合適的濃度，準(zhǔn)備多個項目的混合解決方案，定量分析水質(zhì)樣品，其精度能夠滿足環(huán)境監(jiān)測研究所質(zhì)量管理指標(biāo)的要求。離子色譜技術(shù)用于水質(zhì)監(jiān)測可以大大提高工作效率，對實時環(huán)境檢測非常有效。在監(jiān)測來自污染源的水樣期間，由于離子色譜分離柱的特性，樣品必須分析處理，以保護分離柱免受損傷。此外，該技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測中的監(jiān)測精度得到了保證，與傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)相比具有很大優(yōu)點[2]。

2.2 在大氣環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用分析

中國的空氣污染越來越嚴(yán)重，雖然大氣中氯化氫的含量非常低，但某些地區(qū)由于垃圾場等引起的塑料廢棄物的自然燃燒，會導(dǎo)致氯化氫濃度較高。高濃度的氯化氫長期存在會引起周圍環(huán)境的環(huán)境變化，對人們產(chǎn)生不良影響。傳統(tǒng)的檢測技術(shù)難以監(jiān)測，但使用離子色譜技術(shù)，大氣中氯化氫的含量可以得到簡單、快速、靈敏、準(zhǔn)確的確定。通過分析K+、Na+、H+、F－、Cl－、HCO3－、乙酸、甲酸等的含量，進行有效監(jiān)測。具體的測試方法是：首先取樣品，參照空氣和排氣的監(jiān)視和分析方法，取兩個大的氣泡吸收管，滿足吸收溶液的10 mL(碳酸氫鈉2 mmol 、碳酸鈉1.3 mmol )，將硅膠管串聯(lián)連接到大氣取樣器上。接著，應(yīng)用多孔膜過濾器(開口0.30 μm)，使用硅膠管將套管放入吸收管的空氣入口，取樣后，使氣體流量為1 L/min，將吸收溶液轉(zhuǎn)移到60 mL聚乙烯瓶中，用離子色譜技術(shù)分析。在檢測中，優(yōu)先選擇化學(xué)抑制柱、高靈敏度、低檢測極限的離子色譜，提高檢測精度，不需要其他試劑，對環(huán)境基本無污染。當(dāng)使用這種方法確定樣品時，結(jié)果具有良好的重現(xiàn)性。用陽離子交換柱墊片、陰離子交換柱樹脂柱等離子色譜技術(shù)監(jiān)測大氣中的氯化氫等有毒有害物質(zhì)簡便、迅速，為改善大氣環(huán)境奠定基礎(chǔ)。

2.3 在土壤環(huán)境監(jiān)測工作中的應(yīng)用

目前土壤污染問題越來越突出，中國在監(jiān)測土壤環(huán)境時主要提取土壤樣品，不能保證其精度，很難有效分析更復(fù)雜的土壤問題。對此，可以將離子色譜技術(shù)應(yīng)用于土壤監(jiān)測，分析無機陰離子和有機酸等。另外，進行土壤樣品等固體樣品的檢測時，在溶液中提取離子(NO3－、PO33－、SO42－、Na+、K+、NH4+、Ca2+、Mg2+)處理后進行分析，監(jiān)測過程大大簡化、監(jiān)測時間大大縮短。在檢測過程中，要確認(rèn)土壤樣品中不含大顆粒的雜質(zhì)，而土壤提取物滿足反應(yīng)條件。接下來，通過穩(wěn)態(tài)相分析確定土壤中各離子的含量，方法與水質(zhì)監(jiān)測相同。同時，環(huán)境檢測樣品基體復(fù)雜多樣，可以利用超臨界流體萃取，如表2所示。離子色譜技術(shù)的使用大大提高了土壤監(jiān)測的準(zhǔn)確性和科學(xué)性，實現(xiàn)了在我國土壤檢測領(lǐng)域的復(fù)雜問題監(jiān)測。

表2 超臨界流體萃取在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

3 離子色譜技術(shù)設(shè)備的維護

離子色譜技術(shù)的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的監(jiān)測方法，提高了監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。通常，廣泛使用離子色譜技術(shù)，在測試結(jié)果出現(xiàn)重疊峰的情況下，說明分離柱被污染，必須清洗分離柱，具體的清洗方法應(yīng)按照指示操作。此外，還要按照各種品牌及型號的色譜指示定期維護裝置，通過維護人員的定期維護保證儀器的監(jiān)控精度。離子色譜技術(shù)適用于比較精確的儀器，維護工作直接關(guān)系到離子色譜儀器的使用和測量，因此進行維護非常重要。當(dāng)啟動時間短時，離子色譜儀器不能達(dá)到穩(wěn)定的工作狀態(tài)，基線漂移，背景電值增加，這表明抑制模塊部分存在問題[3]。此時，技術(shù)人員首先檢測離子抑制裝置的狀況，為了確保運行中設(shè)備的穩(wěn)定性，需要進行接地線工作。由于離子色譜是精密儀器，為了防止分離柱堵塞和流路中氣泡產(chǎn)生，應(yīng)當(dāng)經(jīng)常用清洗液清洗色譜儀。為了維持色譜系統(tǒng)并激活柱效率，必須在分析或沖洗柱過程中頻繁地注入空白樣品。此外，確保樣品已清洗并在分析前處理，以確保儀器的安全性。在離子色譜儀器的維護過程中，為了清潔儀器的泵，需要注意使用去離子液體，避免損壞儀器或泵的內(nèi)部密封環(huán)，在使用過強的酸性物質(zhì)和強堿性物質(zhì)后，需要清洗裝置。另外，在使用離子光譜裝置的通常工序中，為了防止泵液的流出，需要在一定時間內(nèi)加入清洗液進行裝置的空泵送。當(dāng)泡沫出現(xiàn)在泵中時，應(yīng)首先去除泡沫并盡量使用脫氣洗脫液在泵中減少泡沫。在日常環(huán)境檢測的物質(zhì)分析過程中，需要定期注入空白樣品。小樣本在使用離子色譜分析儀之前必須清洗和稀釋，具有從低濃度到高濃度的分析傾向，可以確保離子色譜在日常環(huán)境監(jiān)測中應(yīng)用的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，實現(xiàn)科學(xué)的環(huán)境監(jiān)測。

4 環(huán)境監(jiān)測中離子色譜技術(shù)的應(yīng)用存在的問題和解決方法

4.1 分離度降低對保留時間的影響

當(dāng)離子色譜儀處于長期環(huán)境監(jiān)測中，色譜柱也會隨著時間推移發(fā)生一定改變。持續(xù)時間越長，色譜柱的峰值與峰面積等參數(shù)變化越大，對監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性帶來一定影響。所以，當(dāng)長期使用離子色譜技術(shù)進行環(huán)境監(jiān)測時，相關(guān)人員必須定期關(guān)注色譜柱變化情況，做好色譜柱的清洗，維持色譜柱具有的良好特性，提高檢測結(jié)果的可靠性。

4.2 抑制器運行情況對監(jiān)測結(jié)果的影響

離子色譜技術(shù)主要是利用電導(dǎo)抑制器來實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測，因此抑制器的運行狀態(tài)對環(huán)境監(jiān)測結(jié)果具有重要影響。倘若抑制器長期未啟動，容易引發(fā)抑制器薄膜破裂或漏水，最終出現(xiàn)抑制器漏液問題，對環(huán)境監(jiān)測結(jié)果的可靠性產(chǎn)生一定影響。在離子色譜技術(shù)的應(yīng)用中，如果抑制器發(fā)生嚴(yán)重的運行問題，會直接影響監(jiān)測峰值與峰面積。此外，抑制器也容易受到重金屬或大分子污染被限制正常運行。為了有效解決這一問題，要盡可能選取濃度進階的取值進行曲線校準(zhǔn)，有效保證檢測結(jié)果的真實性與可靠性。

4.3 水中氟離子測定問題

水中氟離子在水環(huán)境監(jiān)測中發(fā)揮著重要作用，直接關(guān)系水環(huán)境的評定。但是盡管使用離子色譜技術(shù)也無法有效測定負(fù)離子的含量，原因是水環(huán)境中的負(fù)離子容易受到甲酸或乙酸的影響，導(dǎo)致水環(huán)境監(jiān)測成果準(zhǔn)確度下降。此外，還由于水存在導(dǎo)電性，對負(fù)離子穩(wěn)定性具有較大的影響。為了有效解決這一問題，要重視水環(huán)境中電導(dǎo)性和離子的有效控制，并去除水中的離子，對需要監(jiān)測的水資源小樣進行去離子處理。此外，還要科學(xué)運用現(xiàn)代化技術(shù)和工具，減小所需要測定的水資源電導(dǎo)性，降低水資源性質(zhì)對環(huán)境監(jiān)測結(jié)果產(chǎn)生的影響。另外，在開展水環(huán)境的檢測過程中，還要重視氯氟離子峰面積，認(rèn)真進行計算工作，盡量保證氯氟離子的測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠，避免由于氟離子測定問題影響水環(huán)境的最終檢測成果。保證離子色譜技術(shù)在環(huán)境檢測中的有效發(fā)揮，才能為后續(xù)環(huán)境治理工作奠定堅實的基礎(chǔ)，實現(xiàn)社會可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

5 結(jié)語

面對環(huán)境污染的嚴(yán)重問題，需要開發(fā)離子色譜技術(shù)為其應(yīng)用創(chuàng)造更廣闊的空間，特別是對環(huán)境監(jiān)測起重要作用的快速檢測的能力。目前，離子色譜技術(shù)已廣泛用于水質(zhì)、地質(zhì)、空氣、藥品、食品等領(lǐng)域的數(shù)百種離子的分析。離子色譜技術(shù)具有環(huán)境污染低、成本低、應(yīng)用范圍廣泛的特點，而且能夠有效進行樣品處理和環(huán)境分析，應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測可以有效提高監(jiān)測精度。在環(huán)境監(jiān)測中具體適用于土壤監(jiān)測、大氣監(jiān)測、水質(zhì)監(jiān)測。在實際應(yīng)用過程中，還應(yīng)注意離子色譜儀器的維護以確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。從今后的發(fā)展趨勢來看，離子色譜技術(shù)將在環(huán)境監(jiān)測得到廣泛應(yīng)用。