高英華

（廉江市環(huán)境監(jiān)測站 廣東廉江 524400）

微波消解技術在環(huán)境化學分析中的應用

高英華

（廉江市環(huán)境監(jiān)測站 廣東廉江 524400）

微波消解技術在環(huán)境中應用廣泛得益于我國微波消解技術的迅速發(fā)展。在環(huán)境化學分析中的樣品存在有毒有害成分屢見不鮮，利用微波消解的快速、準確、重復性好等優(yōu)點可以解決傳統(tǒng)消解方法耗時長和污染大這一問題。分析微波消解原理及特性， 敘述了環(huán)境分析中微波消解技術的概況應用，其主要分為COD、金屬元素，非金屬元素與有機物測定的預處理還有含水率的測定，在此基礎上對未來的發(fā)展趨勢作出了全新的規(guī)劃與展望。

微波消解技術 環(huán)境化學 測定分析

1　引言

微波是一種波長為1-1*103mm的電磁波，，其頻率為3*102-3*105MHz。一般來說，微波對液體是具有穿透能力。不但如此，還可以催化液體中吸波物質(zhì)進行物化反應。微波產(chǎn)生熱效應的來源是極性分子迅速旋轉(zhuǎn)來滿足系統(tǒng)的熱力學函數(shù)。科技的飛速發(fā)展使得微波設備在安全與控制技術上有很大進步，并且在環(huán)境領域中也出現(xiàn)了微波技術的身影。微波消解技術是第一次運用在濕法樣品中是在1975年。起初運用此項技術并不成功，敞口的加熱方式使得樣品的測試十分不準確。隨后有研究者完善了微波消解技術采用了封閉式的手段，在這樣的封閉空間中避免了樣品的揮發(fā)，使微波消解技術得到了長足的發(fā)展。在硬件上有所不同之外，在試劑的使用上和傳統(tǒng)消解的方式幾乎一致。在目前的科學研究領域中，微波消解廣泛運用于樣品處理領域，這對易揮發(fā)的樣品元素的測定提高了精度要求。

2　微波的加熱原理與特點

2.1微波加熱原理

我們按照加熱的方式不同把對物料的加熱分為兩種形式，第一種是常規(guī)加熱，該法是通過傳導，對流及輻射的形式來加熱固體周邊或者固體表面，讓固體受熱。再通過傳導的形式將熱量傳到物質(zhì)的內(nèi)部，其中介質(zhì)是熱空氣或熱蒸汽，這種加熱方式的弊端就是不僅僅效率較低，而且所需時間較長。另一種是微波加熱。原理為處在微波電磁場的有極分子和無極分子電解質(zhì)會使得材料形成偶極子或使偶極子重新組合，且伴隨著高頻交變電磁場快速擺動，分子要隨高頻電場重新排列，就會克服原有的熱運動與分子相互作用的干擾，與摩擦的作用相似，并且會放出熱量。常規(guī)加熱與微波加熱是采取的兩種不同加熱形式。微波加熱是冷熱源加熱與以往的傳統(tǒng)加熱不同。

2.2微波加熱特點

2.2.1時效性

對于微波加熱介質(zhì)，加熱要快速。如果微波存在輻射，物料就會很快得到加熱。如果微波輻射消失則加就會迅速停止，會使物料在瞬間得到或失去熱量，這體現(xiàn)出了對物料加熱的時效性要求。德拜研究發(fā)現(xiàn)弛豫時間與極性角頻率的變化有關，研究還聲稱這是在微波段常有的表現(xiàn)。我國微波工作頻率常為915MHz和2450MHz，通過計算可得10-11-10-10s。在轉(zhuǎn)化的過程中，微波能量具有良好的時效性。

2.2.2整體性

微波是具有較高能量的一種穿透力極強的電磁波。不僅會穿透物體的表面向物體內(nèi)部發(fā)射電磁能，還會使水分子快速分解。所以說在加熱過程中，整個物體內(nèi)是同時受熱進行且升溫迅速，不僅是一種體熱源，還縮短了期間熱傳導的時間。由于物體里外受熱均勻，足以達到工業(yè)生產(chǎn)和自動化控制要求。

2.2.3選擇性

因為材料本身的介電特性，并不是所有材料都可以采用微波加熱。對微波的反饋信息也具有差異。根據(jù)材料對微波的反饋，我們可將材料分為微波反射型和微波透明型，微波吸收型和部分微波吸收型等四類。

2.2.4高效性

在常規(guī)加熱中，預熱設備，輻射造成的熱損和高溫介質(zhì)熱損所占比例很大。采用微波加熱時，材料吸收微波轉(zhuǎn)化成熱能，設備外殼金屬會直接反射微波，所以說加熱設備的熱損失占總能耗比例很小。微波能量高效性是由于微波加熱采用內(nèi)部熱源加熱的方式，不用高溫介質(zhì)來進行熱傳導，大多數(shù)微波能量被吸收后，就會轉(zhuǎn)化為熱量。與常規(guī)電加熱相比，其可節(jié)約用電一半左右。

2.2.5安全且具有殺菌能力

一般加熱礦物燃料來提供能源。其燃燒的產(chǎn)物是溫室效應的主要成分，但微波采用的能源是電能且環(huán)境污染系數(shù)小。微波非熱效應就是采用微波輻射物體的方式使得物體活性抑制或活化，微波加熱還具有加熱效果好與營養(yǎng)破壞少等優(yōu)點。

3　微波技術在環(huán)境分析中的應用

把微波技術用于環(huán)境樣品領域上是因為微波技術具有許多的優(yōu)點。

3.1微波消解技術

微波消解法就是在微波爐內(nèi)采用密閉或開口容器進行樣品濕式分解制備試液的方法。采用微波消解的優(yōu)點：消化快速且近100倍。不僅會導致分子運動，但不會引起分子結(jié)構(gòu)的改變。微波向樣品發(fā)射能量，不具有能量損耗。在微波消解中許多傳統(tǒng)試劑仍在使用，酸類物質(zhì)不會因成分改變而失去自身價值。樣品消解的更加精確和徹底。采取密閉微波消解技術可以通過提高溫度與壓力，使反應物縮減反應時間。微波消解所用到的試劑用量少且容器可密閉，能消除外界帶來的樣品污染。通過溫度壓力調(diào)節(jié)保證消解的品質(zhì)，保證反應重復性。用微波消解法對化學需氧量，金屬元素和非金屬元素進行測定。

3.1.1化學需氧量的測定

化學需氧量是水質(zhì)監(jiān)測的主要指標之一，是微波消解法主要體現(xiàn)。經(jīng)典的重鉻酸鉀法具有消耗樣品多和試劑多，耗時長等弊端，回流一個樣品至少要2小時，還沒包括滴定時間。高壓蒸汽消化法方法需1個小時左右的消化時間；密閉消解法雖然具有縮短時間的優(yōu)勢，但仍存在汞鹽污染、消解管易出現(xiàn)破裂爆炸等問題。我們有3年時間用過密封消解法，曾出現(xiàn)過兩次樣品消解完并冷卻30分鐘后在取出的過程中消解管爆炸，分析原因可能是樣品成份復雜在加熱過程中產(chǎn)生大量氣體致消解管不受負荷出現(xiàn)爆炸或是消解管質(zhì)量有問題。后來我們才申請改用微波消解法，微波消化比酸消化所用時間快而省，與其他方法結(jié)合，可用于工業(yè)廢水，生活廢水和地表水中CODcr快速的測定。我站的陳聲燕曾用微波消解—滴定法測定標樣是17. 5mg/L的樣品，3次測定值分別是17.1mg/L、17.2mg/L.17.7mg/ L，平均值是17.3mg/L結(jié)果均落在不確定度范圍之內(nèi)。說明用微波消解法測定COD準確定高，重復性好。有實驗室用鉍的堿類物質(zhì)作為吸附劑來達到消除氯進行微波消解的目的。這樣的話我們用近些年來，國內(nèi)外關于用微波消解測定污水CODcr的研究中測定成本較高。有些實驗研究人員用微波技術快速進行測定水體中的高錳酸鹽指數(shù)。采用微波快速測定COD的缺點是取樣體積小。其中，一方面有較大誤差，另一方面降低了樣品吸收微波的含量。

3.1.2金屬元素測定

在環(huán)境樣品中，研究金屬元素最多。因微波所具有的特性，用微波消解環(huán)境樣品能夠快速提高效率。微波與其他分析測試方法聯(lián)合使用，能很快表征Cu、Cr、Cd、Hg、稀土元素、氧化鈣等含量。準確稱取1g脫水后泥餅放到六聯(lián)體微波消解罐里（加入少許水潤濕）， 分別加入9ml硝酸和3ml氫氟酸。又做了幾組空白和回收率試驗。冷卻后取出溶樣杯，加熱， 蒸至剩余液為1ml。Cd、Zn、K可用0.2%硝酸在50ml容量瓶中定容。（其中Cd定容前需加入5 ml 0.1mg/L 的硝酸鈀作為基體改良劑。K需加入1ml，1%的硝酸銫作為消電離劑。Cr需加入2ml，10%的氯化銨和10ml，3mol/L的鹽酸。）

3.1.3非金屬元素的測定

我們運用微波技術迅速測定有機碳樣品。有的學者將重鉻酸鉀氧化法、微波消化法與分析儀結(jié)合測定土壤樣品中有機碳含量，測量結(jié)果顯示微波消化不是最好的測定方法?？梢?，微波快速測定法在所有方面不都具有優(yōu)越性。國外做得較好的是對硒元素的測定，是將液相色譜與微波消解技術聯(lián)用，并采用氫化物發(fā)生ICP-MS進行檢測，可測定硒的7種形態(tài)。準確稱取0.2g 樣品， 用重鉻酸鉀氧化法測定有機碳。稱取0.2樣品置于微波消解罐的內(nèi)襯杯中， 加入5ml標準溶液， 然后加入5ml濃硫酸，搖勻。超聲波震蕩2min，然后放入微波爐內(nèi)以單步消解的方式消解。（在微波功率320W、罐內(nèi)壓力200kPa 的條件下消解10min）待程序執(zhí)行完畢罐內(nèi)壓力消除后， 敞開消解罐，用蒸餾水洗消解液到250ml 錐形瓶中，加入4滴指示劑后，用0.2mol L-1 硫酸亞鐵溶液滴定至終點。每批樣品中用灼燒過的土壤進行兩個空白試驗測定。

3.2含水率測定

含水率的測定有微波加熱烘干法和介電常數(shù)測量法。微波加熱干燥法最大的優(yōu)點是快速測試。此法不僅廣泛應用于糧食、果蔬以及化學試劑中濕度測定，還能測定樣品總濕度，還會通過微波測量材料的介電常數(shù)和測得水分含量。

3.3其他指標的測定

有致熱效應與非致熱效應是常見微波對樣品作用。利用微波的非致熱效應可以使得微波在環(huán)境毒理學中可快速測定SS-DNA抗體，其與免疫單向擴散法聯(lián)用能夠快速測定免疫球蛋白。將抗原抗體分子放在微波場時，會快速移動，在很短的時間內(nèi)與之結(jié)合，進而縮短反應時間。

4　結(jié)束語

現(xiàn)在工業(yè)產(chǎn)品的分析及食品安全的檢測上乃至在環(huán)境質(zhì)量檢測上有了更高的要求，一定要更具備更高的準確性與高效性。所以說來，作為新技術的微波消解技術在最近幾年發(fā)展迅猛并且在多個領域應用廣泛。但是微波檢測儀器與手段要不斷的發(fā)展，要向著通用化，智能化發(fā)展看齊。微波消解技術在環(huán)境分析的研究中與應用中越來越廣泛，但是仍舊存在許多待解決的問題，微波加熱中溫度的控制就是一個關鍵。

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