土壤重金屬元素前處理和檢測技術研究

蔣沄泱

（江蘇綠泰檢測科技有限公司，江蘇 無錫 214000）

引言

隨著我國工業化和城市化進程的加速，土壤重金屬污染問題日益突出，大量汞、鉛、鎘、鉻等重金屬在土壤中不斷累積，不僅對生態環境造成嚴重影響，還會對人體健康產生潛在威脅。因此需要通過對土壤重金屬元素進行檢測和分析，確定重金屬元素的種類和含量，為做好土壤重金屬治理提供數據支撐。目前用于土壤重金屬檢測的方法有很多種，比如原子熒光光譜法（AFS）、原子吸收光譜法（AAS）以及電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS）等，但無論選擇哪種方法都需要對土壤樣品進行前處理，將土壤中的重金屬元素轉化為可測量狀態，為后續的分析與檢測創造條件。由此可看出，前處理技術是土壤重金屬元素檢測的重要環節，關系到檢測結果的準確性和可靠性。

1 土壤重金屬前處理方法

針對土壤試樣前處理可用的方法有很多種，應用較多的有微波消解法、高壓罐消解法、電熱板法以及王水水浴消解法等，這些方法都各具優點與缺點，檢測人員需要結合具體情況合理選擇。微波消解法具有快速、簡便、準確、安全等優點，可在高溫高壓下利用微波破壞樣品中目標組分的初始形態，使其以無機離子最高或較高價態的形式萃取出來，是目前較為常用的前處理方法之一；高壓罐消解法常用于一些難以消解的樣品，需要使用高壓設備，在高溫高壓環境下將樣品完全消解，操作相對復雜，管子內容易殘留；電熱板法儀器設備簡單，操作方便，不需要繁瑣的操作步驟，成本也較低，但處理過程中產生的酸霧較大，會對環境造成一定的危害；王水水浴消解法則適用于處理含有大量有機物的土壤樣品，試劑用量少、操作簡便，而且對環境的污染小。不同的前處理方法所獲得的結果也有一定差別，可通過相關試驗進行研究，對試驗結果做出統計與分析，對比不同前處理方法的操作難易程度、處理效果及安全性等，從而選擇最適合的土壤重金屬前處理方法[1]。

2 儀器與材料

2.1 儀器

原子熒光分光光度計、火焰原子吸收光譜儀、石墨爐原子吸收光譜儀、電子式分析天平（精度為0.000 1g）、微波消解儀、消解罐，可調溫電熱板、恒溫干燥箱、溫度檢測儀、電熱恒溫水浴鍋等。

2.2 材料

試劑：GBW07554（GSS-63）土壤成分分析標準物質（定值 單位：物化探所），硝酸、鹽酸、氫氟酸、高氯酸。所使用的試劑均為國家級優級純。

水：試驗中所需的水為新制備二次去離子水，室溫（25 ℃）狀態下電阻率≥18MΩ.cm。

試樣：試驗中所用到的土壤樣品是嚴格按照《土壤環境監測技術規范》（HJ/T 166-2004）中的相關要求完成采集、制備、過篩（100目）和保存，裝入樣品瓶備用[2]。

3 樣品前處理方法

3.1 微波消解法

（1）準確稱量已經風干、過篩的土壤樣試樣0.5 g（精確至0.000 1 g）置于消解罐內，用少量去離子水潤濕樣品；準確量取6 mL硝酸加入消解罐內，再準確量取1 mL氫氟酸加入消解罐內，將消解罐內溶液混合均勻；（2）蓋緊消解罐蓋子后置于微波消解儀中，按照HJ 832-2017中要求的升溫程序進行微波消解，升溫步驟見表1，消解完成后系統進入自動冷卻；（3）待溫度降至80 ℃以下用隔熱手套將消解罐支架及消解罐從微波消解儀中取出，拔出主罐溫控管，在防酸通風櫥內冷卻至室溫（25 ℃）后取出，緩慢泄壓放氣，打開消解罐的蓋子；（4）將消解罐內的液體倒入標記好的30 mL容量瓶中，取少量去離子水清洗消解罐及蓋子，清洗后的液體一并倒入容量瓶，然后加入去離子水至容量瓶刻度線，多次振搖使其均勻，靜置1 h后取上層澄清的透明液體進行檢測[3]。

表1 微波消解升溫程序

3.2 高壓罐消解法

（1）準確稱量已經風干、過篩的土壤樣試樣0.5 g（精確至0.000 1 g）置于清洗干凈的聚四氟乙烯消解罐內杯，用少量去離子水潤濕樣品；（2）準確量取8 mL硝酸加入杯內，再量取2 mL 30%的過氧化氫溶液，加蓋密封后置于恒溫干燥箱內，按照高壓罐消解法升溫程序進行消解，升溫步驟見表2，消解完成后冷卻；（3）取出消解罐內杯置于可調溫電熱板上進行趕酸，待呈濕鹽狀時轉入適當的容量瓶內；（4）在容量瓶內加入濃度為1%的稀硝酸定容至25 mL后上機待測。

表2 高壓罐消解升溫程序

需要注意的是，高壓罐消解法前處理實驗需要嚴格控制實驗條件和操作步驟，以確保實驗結果的準確性和可靠性。同時，實驗過程中需要注意安全問題，如穿戴防護服、使用安全設備等。

3.3 電熱板消解法

（1）準確稱量已經風干、過篩的土壤樣試樣0.5 g（精確至0.000 1 g），放置于50 mL聚四氟乙烯的坩堝中，用少量去離子水潤濕樣品，準確量取10 mL的鹽酸加入坩堝中；（2）將坩堝置于可調溫電熱板上，開啟低溫加熱模式，溫度控制在130 ℃，等到坩堝內液體剩余2～3 mL時停止加熱并取下冷卻，完成對土壤樣品的初步分解；（3）再向已經冷卻的坩堝中添加5 mL的硝酸、5 mL的氫氟酸和3 mL的高氯酸，再將坩堝置于電熱板上，開啟中溫加熱模式，溫度控制在150 ℃～180 ℃，持續加熱4～5 h，加熱過程中注意觀察坩堝內的消解狀況，必要時可再添加3 mL的硝酸與3 mL的氫氟酸，視消解情況，可重復兩次消解過程，直至坩鍋內的物質呈黏稠狀，等到坩堝黏稠狀內容物顏色變成黃色后取下冷卻；（4）再向坩堝中加入5 mL的硝酸，再次放到電熱板上繼續加熱消化，此過程重復兩次，對土壤樣品進行最后的消解，待坩堝內蒸汽冒盡后關閉電熱板，取下坩堝冷卻；（5）用5%的硝酸溶液將坩鍋中的消解物轉移至100 mL的容量瓶中，并用5%的硝酸溶液洗滌坩鍋兩次，將洗滌液一并轉移至100 mL的容量瓶中；（6）用5%的硝酸溶液定容至100 mL，搖勻后待測。

需要注意的是，電熱板消解過程必須在通風櫥內進行，操作時必須做好個人防護，佩戴必要的防護用具，以免酸液接觸皮膚和衣物。

3.4 王水水浴消解法

（1）準確稱量0.20 g±0.01 g的土壤樣品，放置于容量為50 mL的比色管中，用少量去離子水潤濕樣品，準確量取10 mL（1+1）王水加入并搖晃均勻，置于沸水浴中消解2 h，其間搖動2次；（2）從沸水浴中取出冷卻至室溫，加入去離子水定容至刻度并搖晃均勻待測。

王水消解法的特點是在高溫水浴中完成消解，所需試劑用量少、操作簡便、對環境污染小，也不需要趕酸，但缺點是很難完全消解。

4 結果與討論

4.1 實驗結果

采用四種處理方法后土壤重金屬成分標準物回收率見表3，四種處理方法所測得重金屬成分標準物質的相對標準偏差見表4。

表3 四種處理方法土壤重金屬標準物質回收率

表4 四種處理方法土壤重金屬標準物質標準偏差

4.2 討論

4.2.1 各種處理方法的優點分析

土壤重金屬元素的前處理技術主要是為了將土壤中的重金屬元素轉化為可測量的形態，為后續的分析和檢測做好準備[4]。本文采用了四種不同的前處理技術進行實驗，均達到了測試要求，每種前處理技術都有其自身的優點：（1）微波消解法。對Pb、Cd、Hg元素的回收率較高，其優點在于高溫高壓下反應快速、完全，提高了測量數據的準確性，大幅縮短了樣品處理的時間，減少元素的損失。微波消解法易操作，適合大批量樣品的處理，能夠有效地控制樣品的揮發和污染，技術也比較成熟。（2）高壓罐消解法。對Cr、As元素的回收率較高，其優點在于消解效率高，產生的污染物較少，操作過程簡單且密閉性好，也不會產生有毒有害氣體，能夠有效地保證操作人員的安全。高壓罐消解法能消解許多傳統方法難以消解的樣品，適應面廣，且投入成本較低。需要注意的是高壓罐消解法對操作條件、操作步驟的要求比較嚴格。（3）電熱板消解法。對Pb元素的回收率較高，其優點是儀器設備簡單、操作方便，不需要復雜的設備和繁瑣的操作步驟，使得實驗人員能夠更簡單方便地進行樣品處理。成本投入相對較低，應用廣泛，基本不受土壤樣品多少的限制，而且準確度較高。

4.2.2 土壤重金屬前處理技術未來發展趨勢

（1）智能化。目前市場上已經出現了車載檢測儀器，可以加大這方面的研發，將土壤重金屬檢測與人工智能、車載檢測儀器結合，實現自動化檢測，減少人為誤差，也可利用無線技術實現對檢測儀器的遠程操控，提高檢測效率。（2）便攜性。可利用納米材料輕質化的特點用于制作檢測儀器外殼，使檢測儀器輕量化，或者用于開發更精細的傳感器，提高儀器的便攜性。（3）提高檢測精度。優化操作系統，優化儀器的校準、運行環境等因素，提高儀器的檢測精度，減少其他因素的干擾。（4）統一檢測標準。應制定統一的檢測標準以規范土壤重金屬檢測，這有助于提高檢測結果的可靠性，可以實現不同地區、不同行業之間數據共享，統一的標準還有助于推動相關技術的標準化和產業化發展。

5 結論

在土壤重金屬元素檢測中，土壤樣品的前處理技術對檢測結果的影響非常大，同樣的土壤樣品采用不同的處理方式，其檢測結果也存在一定差異，因此在實踐中應綜合考慮各種因素合理選擇。近些年，我國已經充分認識到了重金屬元素對土壤環境的危害，土壤重金屬前處理及檢測技術得到了較快發展，未來將更加智能、便攜，檢測精度更高，土壤重金屬污染問題也將得到有效治理。