環(huán)境檢測中化學(xué)分析方法的運(yùn)用

張春雷

（略陽縣環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站，陜西 漢中 724300）

引言

在環(huán)境檢測工作中，化學(xué)分析方法具有見效快、結(jié)果明顯、方法較為成熟等優(yōu)點(diǎn)[1]。深入分析環(huán)境檢測中化學(xué)分析方法的運(yùn)用，應(yīng)該從化學(xué)分析方法的分類及基本原理入手，結(jié)合不同的環(huán)境檢測工作進(jìn)行綜合研判。本文首先進(jìn)行了環(huán)境檢測中化學(xué)分析方法概述分析，在此基礎(chǔ)上對各種化學(xué)分析方法進(jìn)行了原理分析，然后根據(jù)不同污染類型的環(huán)境檢測進(jìn)行了分析，最后闡述了注意事項(xiàng)及新技術(shù)的應(yīng)用，希望能夠起到拋磚引玉的作用。

1 化學(xué)分析方法概述

利用物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)的分析，稱為化學(xué)分析。化學(xué)分析歷史悠久，是分析化學(xué)的基礎(chǔ)，又稱為經(jīng)典分析。化學(xué)分析是絕對定量的，根據(jù)樣品的量、反應(yīng)產(chǎn)物的量或所消耗試劑的量及反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量關(guān)系，通過計(jì)算得待測組分的量。而另一重要的分析方法儀器分析法是相對定量的，是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)工作曲線估計(jì)出來的。化學(xué)分析根據(jù)其操作方法的不同，可將其分為滴定分析和重量分析。而近年來國內(nèi)已形成了另一種分析概念，國內(nèi)稱為“微譜分析”技術(shù)[2]。分析包括：主成分分析和全成分分析等。

2 環(huán)境檢測中化學(xué)分析方法的種類

在環(huán)境檢測實(shí)際工作中，經(jīng)常使用的化學(xué)分析方法主要有以下幾種。

2.1 滴定分析方法

該方法又稱容量分析方法，是指使用滴定過的溶液與未滴定過的溶液進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的容積進(jìn)行比較的方式。滴定分析方法的原理無外乎以下四個(gè)平衡。

第一個(gè)是酸堿度的平衡，也叫電離平衡，是指溶液中酸性物質(zhì)和堿性物質(zhì)剛好中和，或者正離子與負(fù)離子數(shù)量相同達(dá)到的平衡。第二個(gè)是氧化還原平衡，是指氧化還原兩種反應(yīng)基本達(dá)到同樣的程度，從而實(shí)現(xiàn)平衡。第三個(gè)是絡(luò)合平衡，也稱配位平衡。第四個(gè)是沉淀溶解平衡[3]。

2.2 重量分析方法

重量分析方法是指通過物理或化學(xué)反應(yīng)，通過計(jì)算反應(yīng)前后不同物質(zhì)重量的方法，是精確分析環(huán)境檢測質(zhì)量效果的一種重要方法。重量分析方法中使用的化學(xué)反應(yīng)一般包括氧化、還原、烘干、中和等，稱量重量之前必須根據(jù)環(huán)境檢測的目的及當(dāng)前所使用的主要儀器的精確程度，要確定好待測精度，通俗講就是測量數(shù)據(jù)要精確到小數(shù)點(diǎn)之后第幾位數(shù)。

2.3 光譜分析方法

與原子光譜的鑒定方法相同，被測成分是分子的則稱為分子光譜。原來提供能量的光經(jīng)分光后譜線中缺少了一些特征光譜線，因而產(chǎn)生原子吸收光譜。

2.4 質(zhì)譜分析方法

質(zhì)譜：每個(gè)物質(zhì)都是由分子組成，每個(gè)分子又是由不同的原子組成，原子核與電子是原子的主要組成部分，根據(jù)原子核的不同質(zhì)量區(qū)分的物質(zhì)性質(zhì)的方法稱為質(zhì)譜法[5]。其基本程序?yàn)椋赫婵障到y(tǒng)→進(jìn)樣系統(tǒng)→離子源→質(zhì)量分析器→檢測器→記錄系統(tǒng)。

2.5 色譜分析方法

色譜分析方法又稱層析法，實(shí)踐中色譜分析方法經(jīng)常與質(zhì)譜分析方法一同使用，實(shí)踐中經(jīng)常使用的色譜分析方法一般為氣相色譜法，具有許多區(qū)別于傳統(tǒng)液相分析儀的不同特點(diǎn)。

3 環(huán)境檢測中化學(xué)分析方法應(yīng)用內(nèi)容分析

環(huán)境檢測中的化學(xué)分析技術(shù)可以用來監(jiān)測環(huán)境中的污染物，如大氣、水體、土壤、植物等，了解污染物的來源、分布和變化，從而制定有效的環(huán)境保護(hù)計(jì)劃。

3.1 儀器儀表分析

環(huán)境污染檢測中化學(xué)分析方法使用的儀器儀表名稱、生產(chǎn)廠家、國別、型號等如表1所示。部分儀器規(guī)格、型號等已無從考證且對于實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒有影響，因此在表中未予以體現(xiàn)。

表1 化學(xué)分析使用的儀器一覽表

3.2 大氣污染檢測中化學(xué)分析方法的應(yīng)用內(nèi)容

大氣污染檢測對大氣中的懸浮顆粒、二氧化硫、一氧化碳、汞等一次污染物和光化學(xué)煙霧等二次污染物進(jìn)行定性和定量測定，其他沒有提及的氣體成分與此類似。檢測的內(nèi)容包括特定氣體的占有率、流動速率等。

3.3 固體廢棄物污染檢測中化學(xué)分析方法的應(yīng)用內(nèi)容

分析化學(xué)技術(shù)可以用來檢測固體廢棄物中的有害物質(zhì)含量，如重金屬、有機(jī)物、放射性物質(zhì)等，從而評估固體廢棄物的危險(xiǎn)程度，制定妥善的處理方案。固體廢棄物污染檢測中化學(xué)分析方法主要包括稱量重量、計(jì)算體積、計(jì)算含有率等。

3.4 水污染檢測中化學(xué)分析方法的應(yīng)用內(nèi)容

分析化學(xué)技術(shù)可以用來檢測水中有害物質(zhì)的濃度，如重金屬、有機(jī)污染物等，從而評估水的質(zhì)量，保護(hù)水資源和人類健康。化學(xué)分析方法應(yīng)用于水污染檢測的關(guān)鍵在于待測樣本的選取，一定要具有普遍性和代表性，此外還必須包括特定的誤差分析方法，確保誤差保持在合理的數(shù)值范圍內(nèi)。

3.5 環(huán)境修復(fù)中化學(xué)分析方法的應(yīng)用內(nèi)容

分析化學(xué)技術(shù)可以用來評估受污染環(huán)境的治理效果，如監(jiān)測污染物的濃度變化、植物和動物的恢復(fù)情況等，為環(huán)境修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。實(shí)踐中需要注意的是，環(huán)境修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)不同的行業(yè)及領(lǐng)域有不同的表現(xiàn)形式，突出表現(xiàn)在要符合質(zhì)量安全管理體系、職業(yè)健康安全管理體系和環(huán)境管理體系要求。

4 環(huán)境檢測中化學(xué)分析方法應(yīng)用注意事項(xiàng)分析

在實(shí)施環(huán)境檢測化學(xué)分析的過程中，應(yīng)該在首先保證人員安全的基礎(chǔ)上，盡量減少測量誤差，提升檢測精度。

4.1 避免化學(xué)污染物對人體造成傷害

檢測工作中應(yīng)注意：對人體有毒性的元素，如鍺、鉛、銻、碲、鎘、汞、鋁、鎵、銦、鉈、砷等。對人體有腐蝕性的試劑，如硫酸、硝酸、氫氯酸、氫溴酸、氫碘酸、氫氟酸、高氯酸等。在檢測過程中應(yīng)該避免這些有毒有害物質(zhì)接觸到人體皮膚表面，更不可進(jìn)入眼睛、口腔和鼻腔內(nèi)。

4.2 盡量提升檢測精度

設(shè)備精度要滿足足夠靈敏的要求，以便能夠檢測到大氣環(huán)境條件下的痕量氣體濃度。雖然大氣中某些痕量成分的濃度相當(dāng)?shù)停珔s對大氣中的化學(xué)過程有著非常重要的影響。實(shí)踐中受到各種因素的影響，不可能與實(shí)驗(yàn)室中的各項(xiàng)條件和結(jié)果完全一致，但應(yīng)盡可能地提升痕量氣體濃度檢測精度，并使其受到同時(shí)存在的其他痕量氣體的影響越小越好。在檢測方法及設(shè)備固定的情況下，通過維持監(jiān)測環(huán)境的穩(wěn)定性，也對檢測精度的提升具有正向促進(jìn)作用。

4.3 盡量減少測量誤差

實(shí)踐中減少測量誤差的方法主要有以下幾種。進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)，實(shí)施持證上崗，提升測量人員的專業(yè)化水平，減少因?yàn)槿藛T操作失誤或者讀取計(jì)算失敗造成的人為誤差；每次讀取的數(shù)據(jù)按照去掉一個(gè)最高值去掉一個(gè)最低值的方式進(jìn)行保存；設(shè)定一個(gè)閾值，當(dāng)某次讀取的數(shù)值與之前記錄的所有數(shù)值的平均值的差值大于該閾值時(shí)，則舍去該次讀取的數(shù)值，當(dāng)且僅當(dāng)讀取的數(shù)值與之前記錄的所有數(shù)值的平均值的差值小于該閾值時(shí)，才保留該次讀取的數(shù)值；增加實(shí)驗(yàn)次數(shù)，減少因?qū)嶒?yàn)次數(shù)不足造成的系統(tǒng)性誤差；進(jìn)行重復(fù)性、穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)和線性關(guān)系實(shí)驗(yàn)。

5 環(huán)境檢測中化學(xué)分析方法與新技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用

近30年來，隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，許多新技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境檢測化學(xué)分析之中，常用的有以下幾種。

5.1 差分吸收激光雷達(dá)技術(shù)（DIAL）

差分吸收激光雷達(dá)技術(shù)（DIAL）的基本概念由美國Schotland教授在激光雷達(dá)測量大氣中水汽分布時(shí)提出[4]，其最早用于測量大氣中的NO2。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，差分吸收激光雷達(dá)技術(shù)逐步得到了發(fā)展和應(yīng)用。激光雷達(dá)發(fā)射出波長相近的兩束短脈沖激光，其波長選擇在待測氣體的強(qiáng)吸收區(qū)和弱吸收區(qū)（或無吸收），來自大氣中分子或粒子的后向散射光被望遠(yuǎn)鏡匯聚接收，后向散射光信號攜帶著大氣散射體和吸收體的存在、距離以及濃度的信息。因此，這項(xiàng)技術(shù)可用于氣溶膠、煙羽、痕量氣體的測量，可實(shí)現(xiàn)很高的距離分辨率，測量光程可以達(dá)到幾十公里，具有大范圍、可實(shí)時(shí)測量的特點(diǎn)。

5.2 差分吸收光譜技術(shù)（DOAS）

差分吸收光譜技術(shù)（DOAS）是20世紀(jì)70年代末由德國Heidelberg大學(xué)環(huán)境物理研究所的U.Platt和D.Perner共同提出來的[5]。該技術(shù)是以大氣中的痕量污染氣體對紫外和可見波段的特征吸收光譜為基礎(chǔ)，通過特征吸收光譜來鑒別大氣中污染氣體的組分和濃度。如標(biāo)準(zhǔn)污染物NO2、SO2、NO、O3和芳香族有機(jī)物苯、甲苯、間二甲苯，鄰二甲苯，對-二甲苯和甲醛等。DOAS測量系統(tǒng)除了用于對城市區(qū)域大范圍的多種污染分子同時(shí)監(jiān)測外，也用于對污染源的監(jiān)測，如對發(fā)電廠、化工廠、水泥廠的生產(chǎn)過程和排放進(jìn)行監(jiān)測。DOAS測量技術(shù)的另一重要應(yīng)用領(lǐng)域是對大氣對流層和平流層的大氣痕量氣體進(jìn)行研究，采用的是地基、機(jī)載、星載被動DOAS測量技術(shù)。

5.3 可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)（TDLAS）

可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)（TDLAS）是利用二極管激光器的波長掃描和電流調(diào)諧特性來實(shí)現(xiàn)痕量氣體吸收曲線二次諧波檢測的一種新技術(shù)，具有高靈敏、高選擇性、高精度等特點(diǎn)。由于二極管激光器的高單色性，可以利用待測氣體分子的一條孤立的吸收譜線進(jìn)行測量，避免了不同分子光譜的交叉干擾，從而準(zhǔn)確鑒別出待測氣體。在大氣痕量氣體監(jiān)測中，采用多次反射吸收池或開放光路以增加測量光程，隨著光源功率和調(diào)制方式的不同，測量光程從幾米到幾千米。

5.4 傅里葉變換紅外光譜技術(shù)（FT-IR）

傅立葉變換紅外光譜技術(shù)（FT-IR）的基本數(shù)學(xué)物理原理是傅里葉變換，是以法國著名數(shù)學(xué)家傅里葉的名字命名的。實(shí)踐中傅里葉變換一般可以分為連續(xù)傅里葉變換（FFT）和離散傅里葉變換（DFT）。其中，紅外光譜技術(shù)采用的是離散傅里葉變換，具備結(jié)構(gòu)簡單、具有完全的可逆運(yùn)算、多種計(jì)算機(jī)編程語言中內(nèi)嵌程序中還有該變換及逆變換等特點(diǎn)。使用傅里葉變換紅外光譜技術(shù)進(jìn)行環(huán)境檢測的步驟主要如下。

首先是精確取樣，取樣過程既要滿足普遍性要求，又要滿足特定要求；其次是設(shè)置好關(guān)鍵儀器的技術(shù)參數(shù)，確保實(shí)際檢測效果能夠最大程度匹配理論推導(dǎo)數(shù)值；最后是使用光譜儀器進(jìn)行檢測，記錄并計(jì)算數(shù)據(jù)，得出最后結(jié)果。

6 結(jié)論

本文在簡要介紹環(huán)境檢測中化學(xué)分析方法概述的基礎(chǔ)上，對化學(xué)分析方法的種類進(jìn)行了詳細(xì)論述，區(qū)分不同的環(huán)境檢測項(xiàng)目進(jìn)行了化學(xué)分析方法內(nèi)容的分析，最后論述了相關(guān)注意事項(xiàng)和新技術(shù)的應(yīng)用。綜合來看，本文立意新穎，研究方法正確，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)合理，緊貼當(dāng)前最新科技發(fā)展，對于在工作中提升化學(xué)分析方法在環(huán)境檢測中的應(yīng)用效能，具有一定的理論和實(shí)踐意義。