ICP-AES 在測定化工廢水中銅、鐵等元素的應用

蔣春林

（長安大學 化學工程與工藝學院，陜西 西安71000）

化工廢水主要包括工業生產時隨水體流失的用料、中間產物以及生產時產生的污染物等[1,2]，據報道，我國每年污水排放總量在750 億t 以上[3]，而環境中銅、鋅、鐵、汞、鉛等重金屬主要來源于工業廢水，這些廢水中重金屬毒性較高、容易污染地下水、且難以生物降解、容易在生物體內積累。廢水中重金屬含量直接影響著水體的質量，因此，這些樣品中重金屬含量的準確測定顯得尤為重要，目前，廢水中銅、鐵元素的分析測定方法較多，傳統的方法主要有原子吸收光譜法、分光光度法、化學法、電感耦合等離子體質譜法、X 射線熒光光譜法等[4-8]，這些分析方法普遍存在著分析流程復雜、使用藥品多等特點，對于大批量樣品的分析操作較為繁瑣。

電感耦合等離子體原子發射光譜法（ICP-AES）是以ICP 為發射光源的一種分析方法，主要由光譜儀、計算機系統、ICP 矩管、進樣系統以及高頻發射器等組成[9]，該法具有檢出限低、穩定性及精密性好、干擾少、準確度高、可供選擇的測量波長高、可多種元素一起測量等優點[10]，在國外、ICP 法發展迅速，被廣泛應用于各行業共70 余種元素的測定。

1 實驗部分

1.1 試劑及儀器

銅和鐵標準儲備液（AR 中科院化學研究所分析測試中心）；H2O2溶液（AR 國藥集團化學試劑北京分公司）；HNO3（AR 西安泰康生物科技有限公司）；濃HCl（AR 大連越秀化學試劑有限公司）；NH3·H2O（AR 南京畢特博生物技術有限公司）；高純Ar（誠泰化工股份有限公司）；自制超純水。

BS124S 型分析天平（賽多利斯科學儀器（北京）有限公司）；YYQ04 型移液器（南京博泰科技創業服務有限公司）；ZUPW 型 超純水機（成都優普儀器設備有限公司）；X-02 型電感耦合等離子質譜儀（賽默飛世爾科技（中國）有限公司）；iCAP 3600 型電感耦合等離子發射光譜（賽默飛世爾科技（中國）有限公司）；KQ306 型超聲清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）；ZH-PFA 型溶樣罐（南京瑞尼克科技有限公司）；TANK 微波消解儀（上海新儀微波化學科技有限公司）。

1.2 水樣來源及預處理

試驗用水取自西安某工業園區污水處理廠入口處廢水，該園區廢水主要由醫療、染料、冶煉廠、電鍍廠、硫鐵礦等企業所排廢水綜合而成，水樣收集于玻璃容器后滴加適量的（1+1）HNO3保證水體中重金屬物質不被容器吸附，分析前水樣采用微波消解[11]，消解步驟為：水樣采集后先搖勻、隨后量取3 份平行樣（編號依次為S1、S2、S3）、每份100mL 并置于消解罐中，接著在每份樣品中分別加入50mL 濃HNO3和50mL H2O2溶液，待裝置內反應穩定后蓋緊容器，設置消解罐中消解溫度為160℃、消解時間為30min、升溫時間為15min，裝置運行完畢自動冷卻后移出消解液，在容量瓶中分別定容至500mL，處理好的水樣與銅、鐵標準使用液一起測定。購買的銅、鐵混合標準儲備液濃度均為1000μg·mL-1，試驗前先取一定量標準儲備液稀釋至100μg·mL-1制成銅、鐵混合標準使用液。

1.3 標準曲線的繪制

取7 個容積為100mL 的容量瓶、依次加入0、0.5、1、2、3、5、10mL 混合標準使用液、經HNO3定容至適當刻度、分別制得濃度為0、0.5、1、2、3、5、10mg·L-1的標準溶液，將所配置的銅和鐵標準溶液在ICP-AES 下測定強度，并繪得銅、鐵的標準曲線見圖1、2。

圖1 鐵標準曲線Fig.1 Iron standard curve

圖2 銅標準曲線Fig.2 Copper standard curve

2 結果與討論

2.1 分析線選擇

在選擇測定的譜線時，應考慮到兩個測定元素之間有相互干擾的可能性，故試驗時每個元素應選擇4 條及以上譜線進行試驗，將存在相互干擾的曲線剔除、保留信號強度適中、干擾小的曲線。試驗對銅元素的測定時共選取了波長分別為274.36、228.54、235.17、258.75nm 共4 條譜線、對鐵元素的測定時選取了波長分別為338.56、332.41、235.47、252.16nm 4 條譜線，結果表明：對比其他波長的譜線時，分別選取274.36、332.41nm 作為銅和鐵的分析譜線時信號穩定、強度高、信噪比好。

2.2 激發功率對靈敏度影響分析

進行激發功率選擇時，先選取銅和鐵混合標準溶液濃度為5mg·L-1、設定固定霧化器壓力為25kPa，試驗表明，激發功率在700～1400W 范圍內變化，銅和鐵混合標準溶液凈信號值與激發功率關系曲線分別見圖3。

由圖3 可見，隨激發功率增大，銅標準溶液凈信號值逐漸增大、鐵標準溶液凈信號值先增大后略有減小，綜合考慮兩種元素的凈信號值，選擇1245W 為工作功率。

圖3 激發功率與銅、鐵標準溶液凈信號強度關系曲線Fig.3 Relation curve of excitation power and net signal intensity of copper and iron standard solutions

2.3 霧化器壓力對靈敏度分析

根據上述實驗確定最佳激發功率為1245W，為選定霧化器的壓力、保持銅、鐵混合標準溶液濃度為10mg·L-1以及激發功率1245W 不變，改變霧化器壓力，結果見圖4。

圖4 霧化器壓力與銅、鐵標準溶液凈信號強度關系曲線Fig.4 Relationship between the pressure of the atomizer and the net signal intensity of copper and iron standard solutions

由圖4 可知，隨霧化器壓力逐漸增大，銅的凈信號強度值逐漸增大，鐵的凈信號強度值先增大后減小，當霧化器壓力為25psi 時，信號值達到最大值。因此，綜合考慮銅和鐵元素的凈信號值，選擇試驗霧化器壓力為25psi。

2.4 樣品分析

為保證實驗的組數、對每個樣品的水樣又分3次測定、則共測得9 組數據，結果見表1。

表1 樣品分析試驗結果Tab.1 Sample analysis test results

由表1 可知，9 次實驗中Cu 元素濃度均在6.4mg·L-1左右，Fe 元素濃度在0.7mg·L-1左右，且兩種元素的標準偏差以及相對標準偏差均較小，相對標準偏差小于5%，說明結果較為集中，且該法測定銅和鐵元素含量精密度較好。

2.5 加標回收試驗

選取上述每組試驗中3 次測定結果的平均值作為該組樣品平均濃度，則S1、S2、S33 組水樣中Cu 元素含量分別為：6.36、6.39、6.40mg·L-1；Fe 元素含量分別為：0.72、0.73、0.71mg·L-1，在這3 組分別量取100mL水樣，隨后分別添加100mL 濃度為5mg·L-1銅和1mg·L-1的鐵標準溶液加標，測定混合后水樣中銅和鐵元素含量，并計算出回收率以及相對標準偏差，結果見表2。

表2 加標回收試驗結果Tab.2 Standard recovery test results

由表2 可知，加標5mg·L-1銅標準溶液時，3 組試驗中目標分析物銅的回收率分別為101.4%、99.4%、100.1%，加標1mg·L-1鐵標準溶液時，3 組試驗中目標分析物鐵的回收率分別為97.0%、98.0%、102.0%。一般而言，加標回收實驗中回收率在90%～110%范圍內，說明試驗方法的準確度較好[12]，本實驗中回收率均在此范圍內，且接近100%，說明該方法測銅和鐵元素含量準確度較高，結果可信賴度較高。

3 結論

本文采用ICP-AES 法測定化工廢水中銅和鐵元素含量、通過對分析線、激發功率、霧化器壓力選擇試驗，確定了試驗時最佳的譜線波長、激發功率以及霧化器壓力，對水樣的多次平行試驗以及加標回收試驗。結果表明，該法測定水樣中銅和鐵元素準確度好、精密度高、結果準確，兩種元素回收率在97%～102%范圍內。