環(huán)境化學分析中微波消解技術(shù)的應用

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摘要：本文首先對環(huán)境化學的概念進行分析，然后分別從原理、優(yōu)勢和特點三個方面對微波消解技術(shù)進行概述，再對微波消解技術(shù)在環(huán)境化學分析中的應用必要性進行分析，最后分別從化學需氧量的測定、金屬元素的測定、土壤樣品的測定、含水率的測定、大氣中硒的測定五個方面詳細闡述微波消解技術(shù)在環(huán)境化學分析中的應用，為環(huán)境化學行業(yè)的工作人員提供參考。

關(guān)鍵詞：微波消解技術(shù)；環(huán)境化學；應用

在環(huán)境化學中，人們需要分析各種介質(zhì)，然后根據(jù)環(huán)境介質(zhì)的不同分析其化學特征存在的差異，最后分析這種環(huán)境介質(zhì)所產(chǎn)生的效應。而微波消解技術(shù)利用其穿透能力在短時間內(nèi)即可對所測環(huán)境介質(zhì)的含量完成測量，相比傳統(tǒng)的測量方法更具有優(yōu)勢。傳統(tǒng)的環(huán)境介質(zhì)測量方法有燒結(jié)法、熔融法以及溶解法等，其中，有些會在測量過程中造成對環(huán)境的污染，有些測量時間過長，導致?lián)]發(fā)性元素的測定不夠精準。所以，環(huán)境化學中對不同元素的測定可以采用微波消解技術(shù)，其既能保證元素測定的精度，又可以防止消解過程中產(chǎn)生污染。

1環(huán)境化學分析

治理環(huán)境污染時，首先要了解是哪些化學元素或者物質(zhì)導致的污染，然后才能根據(jù)環(huán)境化學分析的結(jié)果選擇合適的污染治理方式，最后才能保證環(huán)境中的有害化學物質(zhì)不斷減少，從而提高生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量。環(huán)境化學分析的結(jié)果越精準，環(huán)境污染治理及保護工作就越簡單。環(huán)境化學需要對環(huán)境樣品中的化學成分進行詳細分析，而分析所有的化學成分及其含量的目的是對化學元素及物質(zhì)含量超標的環(huán)境進行治理。環(huán)境化學分析一般以試驗的形式對需要測定的元素或者物質(zhì)進行分析，一般來說，環(huán)境中的取樣樣品為固態(tài)形式，而固態(tài)樣品并不利于環(huán)境化學分析人員對其進行消解，又不利于試驗人員測定其中的化學物質(zhì)含量，因此在環(huán)境化學中必須對樣品進行溶解[1]。當前，環(huán)境化學分析一般采用微波消解技術(shù)對其中的化學成分進行分解或者對其含量進行測定。微波消解技術(shù)不同于其他物理溶解方法，它憑借自身的頻率令測定環(huán)境樣品中能夠吸收微波的物質(zhì)發(fā)生反應，從而直接得到該種化學物質(zhì)的含量信息，消解該種化學物質(zhì)。微波消解技術(shù)在環(huán)境化學分析中既符合環(huán)保要求，又可以保證試驗測定化學物質(zhì)的精度，可以說微波消解技術(shù)提高了環(huán)境化學分析的實際應用價值[2]。

2微波消解技術(shù)概述

2.1微波消解技術(shù)原理

微波消解技術(shù)的原理為依靠300～300000MHz頻率的波穿透玻璃和塑料等化學物質(zhì)，然后穿透的微波被水、含水物質(zhì)及脂肪等溶劑吸收或者被金屬反射，最后令吸波的化學物質(zhì)內(nèi)部加熱消解。微波頻率介于無線光波和紅外輻射之間，該頻率波段的微波會形成高頻磁場，而吸波的化學物質(zhì)的極性分子會在磁場中快速進行排列和轉(zhuǎn)向，分子間的運動不斷加快，最終產(chǎn)生摩擦，使化學物質(zhì)中的熱能增加，而化學物質(zhì)的性質(zhì)在這種高溫高壓環(huán)境下會快速激活，其氧化能力不斷增加，最終使含有吸波化學物質(zhì)的樣品消解。傳統(tǒng)的消解方法利用傳導式加熱的方式提高化學物質(zhì)樣品的溫度，最終達到消解該樣品的目的，微波消解技術(shù)直接利用其化學性質(zhì)在內(nèi)部產(chǎn)生熱量，這兩種類別的消解方式原理不同[3]。

2.2微波消解技術(shù)優(yōu)勢

微波消解技術(shù)一般可以應用在消解化學元素銥（Ir）、銠（Rh）、鉑（Pt）、鋨（Os）、鈀（Pd）的試驗中，而其他消解技術(shù)也有各自擅長的方向，例如，烘箱消解技術(shù)可以應用在消解化學元素鉑（Pt）、鈀（Pd）和銠（Rh）的試驗中。本研究對微波消解法和其他消解法的消解時間進行對比，所得結(jié)果如表1所示。由表1可知，微波消解法使用試劑鹽酸+硝酸以及鹽酸+過氧化氫消解化學元素Ir時，所用時間分別為1.64h和2.14h，而其他消解法使用試劑鹽酸+硝酸以及鹽酸+過氧化氫消解化學元素Ir，所用時間分別為144h和144h，兩者所需時間相差近幾十倍；微波消解法使用試劑鹽酸+硝酸以及鹽酸+過氧化氫消解化學元素Rh，所用時間分別為2.00h和1.48h，而其他消解法使用試劑鹽酸+硝酸以及鹽酸+過氧化氫消解化學元素Rh，所用時間分別為144h和144h，二者所需時間仍然相差幾十倍；微波消解法使用試劑鹽酸+硝酸分別消解化學元素Pt和Os，所用時間分別為1h和1h，而其他消解法使用試劑鹽酸+硝酸分別消解化學元素Pt和Os，所用時間分別為2h和2h，二者所需時間仍然相差1倍；微波消解法使用試劑鹽酸+硝酸以及鹽酸+過氧化氫分別消解催化劑和Pt/Pd/Rh，所用時間分別為1.66h和1.66h，而烘箱消解法使用試劑鹽酸+硝酸以及鹽酸+過氧化氫分別消解催化劑和Pt/Pd/Rh，所用時間分別為16h和24h，二者之間相差最小仍然有十數(shù)倍。因此，微波消解法相比烘箱消解法及其他消解法來說在消解化學元素Ir、Rh、Pt、Os、Pd的試驗中所使用的時間更少[4]。

3微波消解技術(shù)在環(huán)境化學分析中應用的必要性

微波消解技術(shù)在環(huán)境化學分析中的應用可以迅速完成對消解目標的加熱，最終完成消解的同時只產(chǎn)生二氧化碳物質(zhì)，對周圍環(huán)境中的有害物質(zhì)消解凈化的同時不會造成二次污染，所以微波消解技術(shù)在環(huán)境化學分析中的應用是必需的。微波消解技術(shù)的效率更高、效果更加顯著，該技術(shù)應該廣泛應用于環(huán)境化學分析中。同時，環(huán)境化學分析可以利用微波消解技術(shù)的時效性、整體性、選擇性、高效性、安全性等特點，對環(huán)境中的化學元素和物質(zhì)進行測定，進一步拓展微波消解技術(shù)在環(huán)境化學分析中的應用范圍[5]。

4微波消解技術(shù)在環(huán)境化學分析中的具體應用

4.1化學需氧量的測定

重鉻酸鉀法可以用于測定化學需氧量，但是該方法需要使用大量樣品才能得到準確的測定數(shù)據(jù)，而且測定過程中低聲和樣品回流都需要一定的時間，測定化學需氧量的總體時間過長，所以重鉻酸鉀法不夠?qū)嵱谩８邏赫羝y定化學需氧量的時間比重鉻酸鉀法短，但是測定過程中容易產(chǎn)生二次污染，消解過程中產(chǎn)生大量氣體導致壓強超負荷，最終導致管路爆炸現(xiàn)象頻發(fā)，所以高壓蒸汽消化法也不夠?qū)嵱谩Ｎ⒉ㄏ饧夹g(shù)直接在短時間內(nèi)對水體樣品的化學需氧量進行多次測定，最后取其平均值即可快速得到試驗結(jié)果，整個過程既不需要使用大量水體樣品，也不會對環(huán)境造成二次污染，所以微波消解法可以廣泛應用于化學需氧量測定中。但是，微波消解技術(shù)同樣存在一定缺點，該方法在化學需氧量測定中的應用需要投入較高研究成本，若水體樣品較小，則同樣會導致試驗結(jié)果出現(xiàn)誤差，因為試驗水體樣品體積小會造成微波吸收量降低。

4.2金屬元素的測定

金屬元素的測定同樣是微波消解技術(shù)在環(huán)境化學分析中的重要應用，環(huán)境污染中有很大一部分都是重金屬污染類型，重金屬污染是由工業(yè)生產(chǎn)或者生活中排放的銅、汞、鉻等重元素超標導致的，而微波消解技術(shù)則可以對重元素含量進行測定，從而判斷環(huán)境污染等級，最終為選擇合適的污染處理方法提供數(shù)據(jù)參考。除此之外，微波消解技術(shù)還可以測定稀有金屬元素和氧化鈣等物質(zhì)的含量。測定試驗中，首先要對樣品進行脫水，然后將樣品的脫水泥餅放入六連體微波爐消解罐，同時往消解罐中加入一定量的水，最后向樣品中添加適量的硝酸和氫氟酸試劑，待微波加熱冷卻后進行蒸餾處理，再定容即可得到所測金屬元素的含量。

4.3土壤樣品的測定

土壤樣品測定與金屬元素的測定相對，金屬元素測定的是金屬含量，而土壤樣品測定的是非金屬含量，所以土壤樣品測定也是微波消解技術(shù)在環(huán)境化學分析中的重要應用。土壤樣品使用微波消解技術(shù)對碳元素進行測定，首先對土壤進行取樣，如果土壤樣品的質(zhì)量取0.25g，則需要使用反應容器保存樣品，先加入10mL硝酸，再加入3mL氫氟酸，然后使用微波消解技術(shù)加熱樣品液體3min，使樣品液體溫度升高到150℃，保持恒溫狀態(tài)3min后再次加熱液體使其溫度達到155℃并持續(xù)恒溫狀態(tài)20min，最后使用0.5mL高氯酸苷酸進行定容即可得到土壤樣品中的有機碳元素含量。除了有機碳元素之外，微波消解技術(shù)還可以對土壤樣品中硫、氮和磷等非金屬元素的含量進行測定。

4.4含水率的測定

很多試驗需要進行含水率的測定，微波消解技術(shù)測定試驗樣品含水率的效率非常高，而且測定結(jié)果相對準確，因此該技術(shù)被廣泛使用在很多行業(yè)的含水率測定試驗中。除了含水率測定之外，濕度檢測試驗也是微波消解技術(shù)經(jīng)常使用的試驗之一，因為濕度檢測試驗與含水率測定試驗類似，都是通過微波消解技術(shù)將試驗樣品中的水分迅速烘干，最后對樣品進行稱重，將前后質(zhì)量進行對比即可得到試驗樣品的含水量或濕度。糧食、水果、蔬菜等食品行業(yè)經(jīng)常需要對農(nóng)產(chǎn)品的含水率進行測定，其他方法測定比較復雜，而且對試驗樣品的破壞程度比較大，各種因素導致最終含水率測定結(jié)果出現(xiàn)較大誤差，所以最佳的含水率測定方式是微波消解技術(shù)。

4.5大氣中硒的測定

大氣中硒元素含量的測定是非常重要的，人體需要攝取一定量的硒元素維持正常的生命。一旦人體攝取的硒元素不足，就會產(chǎn)生各種疾??；相反，人體攝入過量的硒元素，同樣會導致身體出現(xiàn)疾病。所以，如何保證人們攝取適量的硒元素是重要問題。大氣中的硒元素會被植物吸收，這部分硒元素屬于植物活性硒，農(nóng)作物同樣如此，糧食作物是人類攝取硒元素的主要方式，因此大氣中硒元素的測定關(guān)乎人的生命健康。測定硒元素時，首先需要對大氣顆粒物樣品進行潤濕，然后分別加入硝酸、鹽酸以及雙氧水溶解，再使用微波消解技術(shù)進行加熱，消解完成后進行稀釋定容，最后即可得到大氣中硒元素的含量。

5結(jié)論

微波消解技術(shù)在環(huán)境化學分析中可以起到重要作用，隨著環(huán)境保護和污染治理的深入推進，微波消解技術(shù)的使用越來越廣泛，越來越多的化學元素及物質(zhì)含量測定都可以選擇使用微波消解技術(shù)。

參考文獻

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3賀亮.淺談微波消解技術(shù)在環(huán)境化學分析中的應用[J].化工管理，2019，（9）：111-112.

4張書榮，雷鵬.微波消解技術(shù)在環(huán)境化學分析中的應用探究[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2019，（1）：94.

5任歡.微波消解技術(shù)在環(huán)境化學分析中的應用探究[J].中國石油和化工標準與質(zhì)量，2018，38（10）：191-192.

作者：李媛媛 紀軼 單位：山東省淄博生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心