淺析環境化學分析中的微波消解技術

黃頌強

摘 要：環境化學分析中的樣品常含有有毒有害成分，采用傳統消解方法不僅耗時長、污染大，而且空白值高。利用微波消解快速、準確、重復性好等特點可以很好地解決這一問題。現對微波消解的原理、基本操作方法進行了闡述，并對其在環境化學分析中的應用進行了探討。

關鍵詞：環境化學；環境監測分析；微波消解

環境化學，是以環境中的有害化學物質作為研究對象，研究其在環境介質中的存在、化學特性、行為、效應以及對其進行控制的學科。環境化學中又可再分為多門分支，環境分析化學就是其中研究鑒別和測定環境介質中化學物質種類、成分、含量及化學形態的分支學科。環境監測分析是利用環境分析化學的原理和方法對環境中的化學物質進行監測和分析的技術。環境樣品的分析和測定，必須經過預處理或前處理，因為定量分析技術中的大多數樣品是在液體狀態下進樣的。樣品預處理方法，簡言之就是通過分解和溶解試樣，使試樣成為可溶性物質，一般是指溶于水的物質。分解試樣，傳統的方法有溶解法、熔融法和燒結法（半熔融法），有機樣品一般采用灰化和溶解的方法處理。這些方法常常使用酸堿、高溫處理樣品，處理過程難以避免污染大、耗時長、揮發性元素損失等問題，為了改變這種狀況，人們開始投向微波技術的研究，這樣就產生了微波消解技術。與傳統消解技術相比，微波消解技術因為具有反應快、試劑消耗少、空白值較低、污染較輕、節能、易于控制并可實現自動化等優點而在許多行業中得到應用[1]。環境監測中的許多樣品含有有毒有害成分，采用微波消解技術更可突出其長處，因而近些年來在環境監測分析中應用漸廣。故而，本文對微波消解技術的原理、基本方法及在環境監測分析中的應用進行了分析和探討。

1 微波消解的原理與基本方法

1.1 微波消解的原理

微波是頻率在300MHz-300GHz之間，波長在1米（不含1米）到1毫米之間，是分米波、厘米波、毫米波和亞毫米波的統稱。為了避免對通訊、廣播、電視、雷達等造成干擾，民用微波的頻率被定為2450±50MHz。

微波對不同的材料表現出不同的特性：⑴金屬材料不吸收微波，但能反射微波，因此一種專用不銹鋼板被用作爐膛，以便來回反射微波并作用在試樣上。因金屬容器反射回的微波會損害微波源器件--磁控管，故微波爐內不能使用金屬容器。⑵絕緣材料，如塑料、陶瓷、玻璃等可透過微波，幾乎不吸收微波，所以可用于微波加熱的容器。微波消解樣品常使用聚四氟乙烯、工程塑料等容器。⑶極性分子物質，如水、酸等可以吸收微波的能量。微波消解正是利用極性分子的電偶極隨微波頻率快速變換，分子之間相互摩擦作用而產生高熱的原理來處理樣品的。

微波加熱與傳統加熱有顯著的差別：⑴傳統加熱是通過熱的輻射、對流和傳導來加熱，加熱時先加熱容器壁，再加熱溶劑，最后加熱樣品，因而加熱不均勻且熱損失較大。微波加熱是微波透過溶劑內部，所經之處產生熱效應，因此加熱快且均勻，熱效率高。⑵微波加熱在密閉容器內可產生“過熱”，有利于樣品的消化。⑶極性分子在微波電場中快速變換取向的效果，相當于極高速的攪拌器（攪拌頻率達2.45×109次/秒），因此有助于加快化學反應，提高消化速度。通常使用4kW高溫爐加熱至1000℃，需1～1.5h；而1.1kW的微波爐輸出功率0.7kW僅需10～15min。

1.2 微波消解的基本方法

目前，國內已能生產壓力10MPa，溫度300℃的可控壓、控溫的微波消解設備，從而擴大了消解方法的選擇性。采用微波消解，應根據樣品特點以及后續檢測方法重點考慮三個方面：樣品的取樣量、試劑選擇及微波功率、時間、壓力和溫度的設置。

樣品的取樣量應結合后續檢測方法、儀器靈敏度和試樣待測元素的含量確定。試樣消解定容后的濃度應比檢出限高出5～10倍，幾十倍更好。從消化效果、安全性方面考慮，試樣數量不宜過多，以避免壓力過大。通常無機樣品的取樣量在0.2～2g，有機樣品0.1～1g。試樣情況不清楚時，應取0.1～0.2g試樣進行試驗，根據消解反應再選擇合適的取樣量。待測元素含量很低的元素，不應盲目加大取樣量，應通過改進分析方法，提高檢測方法的靈敏度來實現。

消解試劑常采用HNO3、HCI、H2O2、HF、HCIO4等，為了獲得更好的消解效果，多采用兩種或兩種以上的試劑，如王水（HNO3-HCI）、HNO3-H2O2、HNO3-HCI-HF等。由于HCIO4直接與有機物接觸會引起爆炸，因此HCIO4不能單獨使用，而應與HNO3組合使用，并且一般不用密閉消解。H2SO4也較少用，因濃H2SO4沸騰時會損壞聚四氟乙烯內罐。試樣消解還應注意幾點：⑴試樣加酸后，應待其反應一段時間后再送入微波爐，以免反應過于激烈而爆炸；⑵對于反應激烈的試樣，應分幾次加酸，加完酸后隔日再在微波爐中消解；⑶固體試樣應磨成粉狀，并且完全浸沒在溶劑中；⑷試樣和溶劑的總體積不應超過消解罐容積的30%。

微波功率、時間、壓力和溫度的設置。試樣消解所需要的能量主要是由幾個因素決定：樣品數量、成分；試劑的種類、用量；消解罐耐壓、耐溫能力；消解罐數量。消解罐個數多，需要的微波功率大、時間長。情況不明時，應先選用較小的功率、溫度及較短的時間進行試驗，觀察壓力、溫度上升快慢并進行調整，經過幾次了解了樣品的加熱特性后，再來確定合適的壓力、溫度和加熱時間。

2 微波消解技術在環境化學分析中的應用

2.1 微波消解在檢測污水重金屬含量中的應用

污水中重金屬的檢測傳統上采用HNO3-HCIO4電熱板法檢測，操作繁瑣、耗時（預處理占用60%～70%的時間）。張愛星等人[2]利用微波消解技術對污水樣品進行預處理。方法是：25m水樣+HNO33ml，去離子水稀釋至50ml，進行微波消解。消解參數為：600W，345kpa，5min；600W，1241kpa，10min。冷卻稀釋定容后采用直接吸入火焰原子吸收法檢測重金屬。相同條件下進行回收試驗，各元素的加標回收率達到了99%～101%。

2.2 微波消解在測定大氣顆粒物中硒的應用

李曉燕等人[3]利用微波消解-石墨爐原子吸收光譜法測定大氣顆粒物中的硒。微波消解程序為：適量大氣顆粒物樣品濾膜，置于消解罐中，少量水潤濕，加入5mlHNO3+3mlHCI+0.3mlH2O2后進行消解。參數為：T=130℃，ta=2min，t=8min；T=150℃，ta=1min，t=20min；T=100℃，ta=2min，t=5min。消解完畢，冷卻稀釋定容后進行分析。相同條件下做回收試驗，加標回收率為92%～97%。

3 結束語

隨著國家不斷加大環境污染治理和控制的力度，環境化學監測分析的任務量也在不斷增加。傳統樣品預處理方法費時、費力、污染大，已不能適應這種形勢的要求，微波消解技術快速、高效、重復性好，必將在環境監測分析中應用越來越廣泛。

參考文獻

[1]張文清.分離分析化學[M].上海：華東理工大學出版社，2007：14-25.

[2]張愛星，蘆巖，景華蕊.微波消解-直接吸入火焰原子吸收法檢測污水中的重金屬[J].天津建設科技，2012（05）：51-52.

[3]李曉燕，呂述萍.微波消解-石墨爐原子吸收光譜法測定大氣顆粒物中的硒[J].內蒙古石油化工，2012（01）：21-22.