環境化學分析中微波消解技術的應用

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摘要：本文首先對環境化學的概念進行分析，然后分別從原理、優勢和特點三個方面對微波消解技術進行概述，再對微波消解技術在環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在環境化學分析中的應用，為環境化學行業的工作人員提供參考。

關鍵詞：微波消解技術；環境化學；應用

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

1環境化學分析

治理環境污染時，首先要了解是哪些化學元素或者物質導致的污染，然后才能根據環境化學分析的結果選擇合適的污染治理方式，最后才能保證環境中的有害化學物質不斷減少，從而提高生態環境的質量。環境化學分析的結果越精準，環境污染治理及保護工作就越簡單。環境化學需要對環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含量超標的環境進行治理。環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進行分析，一般來說，環境中的取樣樣品為固態形式，而固態樣品并不利于環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含量，因此在環境化學中必須對樣品進行溶解[1]。當前，環境化學分析一般采用微波消解技術對其中的化學成分進行分解或者對其含量進行測定。微波消解技術不同于其他物理溶解方法，它憑借自身的頻率令測定環境樣品中能夠吸收微波的物質發生反應，從而直接得到該種化學物質的含量信息，消解該種化學物質。微波消解技術在環境化學分析中既符合環保要求，又可以保證試驗測定化學物質的精度，可以說微波消解技術提高了環境化學分析的實際應用價值[2]。

2微波消解技術概述

2.1微波消解技術原理

微波消解技術的原理為依靠300～300000MHz頻率的波穿透玻璃和塑料等化學物質，然后穿透的微波被水、含水物質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內部加熱消解。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，而吸波的化學物質的極性分子會在磁場中快速進行排列和轉向，分子間的運動不斷加快，最終產生摩擦，使化學物質中的熱能增加，而化學物質的性質在這種高溫高壓環境下會快速激活，其氧化能力不斷增加，最終使含有吸波化學物質的樣品消解。傳統的消解方法利用傳導式加熱的方式提高化學物質樣品的溫度，最終達到消解該樣品的目的，微波消解技術直接利用其化學性質在內部產生熱量，這兩種類別的消解方式原理不同[3]。

2.2微波消解技術優勢

微波消解技術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，而其他消解技術也有各自擅長的方向，例如，烘箱消解技術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微波消解技術在環境化學分析中應用的必要性

微波消解技術在環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生二氧化碳物質，對周圍環境中的有害物質消解凈化的同時不會造成二次污染，所以微波消解技術在環境化學分析中的應用是必需的。微波消解技術的效率更高、效果更加顯著，該技術應該廣泛應用于環境化學分析中。同時，環境化學分析可以利用微波消解技術的時效性、整體性、選擇性、高效性、安全性等特點，對環境中的化學元素和物質進行測定，進一步拓展微波消解技術在環境化學分析中的應用范圍[5]。

4微波消解技術在環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據，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實用。高壓蒸汽消化法測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生二次污染，消解過程中產生大量氣體導致壓強超負荷，最終導致管路爆炸現象頻發，所以高壓蒸汽消化法也不夠實用。微波消解技術直接在短時間內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果，整個過程既不需要使用大量水體樣品，也不會對環境造成二次污染，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果出現誤差，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在環境化學分析中的重要應用，環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生產或者生活中排放的銅、汞、鉻等重元素超標導致的，而微波消解技術則可以對重元素含量進行測定，從而判斷環境污染等級，最終為選擇合適的污染處理方法提供數據參考。除此之外，微波消解技術還可以測定稀有金屬元素和氧化鈣等物質的含量。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在環境化學分析中的重要應用。土壤樣品使用微波消解技術對碳元素進行測定，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加熱樣品液體3min，使樣品液體溫度升高到150℃，保持恒溫狀態3min后再次加熱液體使其溫度達到155℃并持續恒溫狀態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，微波消解技術測定試驗樣品含水率的效率非常高，而且測定結果相對準確，因此該技術被廣泛使用在很多行業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經常使用的試驗之一，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、蔬菜等食品行業經常需要對農產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果出現較大誤差，所以最佳的含水率測定方式是微波消解技術。

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，就會產生各種疾病；相反，人體攝入過量的硒元素，同樣會導致身體出現疾病。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結論

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

參考文獻

1李嬌麗，趙斌.微波消解溶樣技術在冶金化學分析中的應用探究[J].冶金與材料，2019，39（4）：38.

2周欣，李萍，史曉云.微波消解技術在環境化學分析中的應用分析[J].環境與發展，2019，31（5）：75-76.

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

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

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

作者：李媛媛 紀軼 單位：山東省淄博生態環境監測中心