高英華

（廉江市環(huán)境監(jiān)測(cè)站 廣東廉江 524400）

微波消解技術(shù)在環(huán)境化學(xué)分析中的應(yīng)用

高英華

（廉江市環(huán)境監(jiān)測(cè)站 廣東廉江 524400）

微波消解技術(shù)在環(huán)境中應(yīng)用廣泛得益于我國(guó)微波消解技術(shù)的迅速發(fā)展。在環(huán)境化學(xué)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(zhǔn)確、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)可以解決傳統(tǒng)消解方法耗時(shí)長(zhǎng)和污染大這一問(wèn)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(shù)的概況應(yīng)用，其主要分為COD、金屬元素，非金屬元素與有機(jī)物測(cè)定的預(yù)處理還有含水率的測(cè)定，在此基礎(chǔ)上對(duì)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)作出了全新的規(guī)劃與展望。

微波消解技術(shù) 環(huán)境化學(xué) 測(cè)定分析

1　引言

微波是一種波長(zhǎng)為1-1*103mm的電磁波，，其頻率為3*102-3*105MHz。一般來(lái)說(shuō)，微波對(duì)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(jìn)行物化反應(yīng)。微波產(chǎn)生熱效應(yīng)的來(lái)源是極性分子迅速旋轉(zhuǎn)來(lái)滿足系統(tǒng)的熱力學(xué)函數(shù)?？萍嫉娘w速發(fā)展使得微波設(shè)備在安全與控制技術(shù)上有很大進(jìn)步，并且在環(huán)境領(lǐng)域中也出現(xiàn)了微波技術(shù)的身影。微波消解技術(shù)是第一次運(yùn)用在濕法樣品中是在1975年。起初運(yùn)用此項(xiàng)技術(shù)并不成功，敞口的加熱方式使得樣品的測(cè)試十分不準(zhǔn)確。隨后有研究者完善了微波消解技術(shù)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(shù)得到了長(zhǎng)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(xué)研究領(lǐng)域中，微波消解廣泛運(yùn)用于樣品處理領(lǐng)域，這對(duì)易揮發(fā)的樣品元素的測(cè)定提高了精度要求。

2　微波的加熱原理與特點(diǎn)

2.1微波加熱原理

我們按照加熱的方式不同把對(duì)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(guò)傳導(dǎo)，對(duì)流及輻射的形式來(lái)加熱固體周邊或者固體表面，讓固體受熱。再通過(guò)傳導(dǎo)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(shí)間較長(zhǎng)。另一種是微波加熱。原理為處在微波電磁場(chǎng)的有極分子和無(wú)極分子電解質(zhì)會(huì)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(chǎng)快速擺動(dòng)，分子要隨高頻電場(chǎng)重新排列，就會(huì)克服原有的熱運(yùn)動(dòng)與分子相互作用的干擾，與摩擦的作用相似，并且會(huì)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(diǎn)

2.2.1時(shí)效性

對(duì)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(huì)很快得到加熱。如果微波輻射消失則加就會(huì)迅速停止，會(huì)使物料在瞬間得到或失去熱量，這體現(xiàn)出了對(duì)物料加熱的時(shí)效性要求。德拜研究發(fā)現(xiàn)弛豫時(shí)間與極性角頻率的變化有關(guān)，研究還聲稱這是在微波段常有的表現(xiàn)。我國(guó)微波工作頻率常為915MHz和2450MHz，通過(guò)計(jì)算可得10-11-10-10s。在轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，微波能量具有良好的時(shí)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(qiáng)的電磁波。不僅會(huì)穿透物體的表面向物體內(nèi)部發(fā)射電磁能，還會(huì)使水分子快速分解。所以說(shuō)在加熱過(guò)程中，整個(gè)物體內(nèi)是同時(shí)受熱進(jìn)行且升溫迅速，不僅是一種體熱源，還縮短了期間熱傳導(dǎo)的時(shí)間。由于物體里外受熱均勻，足以達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)和自動(dòng)化控制要求。

2.2.3選擇性

因?yàn)椴牧媳旧淼慕殡娞匦?，并不是所有材料都可以采用微波加熱。?duì)微波的反饋信息也具有差異。根據(jù)材料對(duì)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(yù)熱設(shè)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(shí)，材料吸收微波轉(zhuǎn)化成熱能，設(shè)備外殼金屬會(huì)直接反射微波，所以說(shuō)加熱設(shè)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(lái)進(jìn)行熱傳導(dǎo)，大多數(shù)微波能量被吸收后，就會(huì)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(lái)提供能源。其燃燒的產(chǎn)物是溫室效應(yīng)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(yīng)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(yíng)養(yǎng)破壞少等優(yōu)點(diǎn)。

3　微波技術(shù)在環(huán)境分析中的應(yīng)用

把微波技術(shù)用于環(huán)境樣品領(lǐng)域上是因?yàn)槲⒉夹g(shù)具有許多的優(yōu)點(diǎn)。

3.1微波消解技術(shù)

微波消解法就是在微波爐內(nèi)采用密閉或開口容器進(jìn)行樣品濕式分解制備試液的方法。采用微波消解的優(yōu)點(diǎn)：消化快速且近100倍。不僅會(huì)導(dǎo)致分子運(yùn)動(dòng)，但不會(huì)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(huì)因成分改變而失去自身價(jià)值。樣品消解的更加精確和徹底。采取密閉微波消解技術(shù)可以通過(guò)提高溫度與壓力，使反應(yīng)物縮減反應(yīng)時(shí)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(lái)的樣品污染。通過(guò)溫度壓力調(diào)節(jié)保證消解的品質(zhì)，保證反應(yīng)重復(fù)性。用微波消解法對(duì)化學(xué)需氧量，金屬元素和非金屬元素進(jìn)行測(cè)定。

3.1.1化學(xué)需氧量的測(cè)定

化學(xué)需氧量是水質(zhì)監(jiān)測(cè)的主要指標(biāo)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(shí)長(zhǎng)等弊端，回流一個(gè)樣品至少要2小時(shí)，還沒包括滴定時(shí)間。高壓蒸汽消化法方法需1個(gè)小時(shí)左右的消化時(shí)間；密閉消解法雖然具有縮短時(shí)間的優(yōu)勢(shì)，但仍存在汞鹽污染、消解管易出現(xiàn)破裂爆炸等問(wèn)題。我們有3年時(shí)間用過(guò)密封消解法，曾出現(xiàn)過(guò)兩次樣品消解完并冷卻30分鐘后在取出的過(guò)程中消解管爆炸，分析原因可能是樣品成份復(fù)雜在加熱過(guò)程中產(chǎn)生大量氣體致消解管不受負(fù)荷出現(xiàn)爆炸或是消解管質(zhì)量有問(wèn)題。后來(lái)我們才申請(qǐng)改用微波消解法，微波消化比酸消化所用時(shí)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(cè)定。我站的陳聲燕曾用微波消解—滴定法測(cè)定標(biāo)樣是17. 5mg/L的樣品，3次測(cè)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(shuō)明用微波消解法測(cè)定COD準(zhǔn)確定高，重復(fù)性好。有實(shí)驗(yàn)室用鉍的堿類物質(zhì)作為吸附劑來(lái)達(dá)到消除氯進(jìn)行微波消解的目的。這樣的話我們用近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于用微波消解測(cè)定污水CODcr的研究中測(cè)定成本較高。有些實(shí)驗(yàn)研究人員用微波技術(shù)快速進(jìn)行測(cè)定水體中的高錳酸鹽指數(shù)。采用微波快速測(cè)定COD的缺點(diǎn)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(cè)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(cè)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(zhǔn)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(rùn)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(yàn)。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(cè)定

我們運(yùn)用微波技術(shù)迅速測(cè)定有機(jī)碳樣品。有的學(xué)者將重鉻酸鉀氧化法、微波消化法與分析儀結(jié)合測(cè)定土壤樣品中有機(jī)碳含量，測(cè)量結(jié)果顯示微波消化不是最好的測(cè)定方法?？梢?，微波快速測(cè)定法在所有方面不都具有優(yōu)越性。國(guó)外做得較好的是對(duì)硒元素的測(cè)定，是將液相色譜與微波消解技術(shù)聯(lián)用，并采用氫化物發(fā)生ICP-MS進(jìn)行檢測(cè)，可測(cè)定硒的7種形態(tài)。準(zhǔn)確稱取0.2g 樣品， 用重鉻酸鉀氧化法測(cè)定有機(jī)碳。稱取0.2樣品置于微波消解罐的內(nèi)襯杯中， 加入5ml標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)。每批樣品中用灼燒過(guò)的土壤進(jìn)行兩個(gè)空白試驗(yàn)測(cè)定。

3.2含水率測(cè)定

含水率的測(cè)定有微波加熱烘干法和介電常數(shù)測(cè)量法。微波加熱干燥法最大的優(yōu)點(diǎn)是快速測(cè)試。此法不僅廣泛應(yīng)用于糧食、果蔬以及化學(xué)試劑中濕度測(cè)定，還能測(cè)定樣品總濕度，還會(huì)通過(guò)微波測(cè)量材料的介電常數(shù)和測(cè)得水分含量。

3.3其他指標(biāo)的測(cè)定

有致熱效應(yīng)與非致熱效應(yīng)是常見微波對(duì)樣品作用。利用微波的非致熱效應(yīng)可以使得微波在環(huán)境毒理學(xué)中可快速測(cè)定SS-DNA抗體，其與免疫單向擴(kuò)散法聯(lián)用能夠快速測(cè)定免疫球蛋白。將抗原抗體分子放在微波場(chǎng)時(shí)，會(huì)快速移動(dòng)，在很短的時(shí)間內(nèi)與之結(jié)合，進(jìn)而縮短反應(yīng)時(shí)間。

4　結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)在工業(yè)產(chǎn)品的分析及食品安全的檢測(cè)上乃至在環(huán)境質(zhì)量檢測(cè)上有了更高的要求，一定要更具備更高的準(zhǔn)確性與高效性。所以說(shuō)來(lái)，作為新技術(shù)的微波消解技術(shù)在最近幾年發(fā)展迅猛并且在多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。但是微波檢測(cè)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(shù)在環(huán)境分析的研究中與應(yīng)用中越來(lái)越廣泛，但是仍舊存在許多待解決的問(wèn)題，微波加熱中溫度的控制就是一個(gè)關(guān)鍵。

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