余 洋,趙南京,王 寅,方 麗,孟德碩,胡 麗,馬明俊,劉建國
(中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所環(huán)境光學(xué)與技術(shù)重點實驗室,合肥230031)
隨著工業(yè)和經(jīng)濟社會的發(fā)展,重金屬污染日益嚴重,近年來重金屬污染事件頻發(fā),給生態(tài)環(huán)境帶來嚴重影響并造成巨大經(jīng)濟損失。重金屬鉛易被腸胃吸收,通過血液影響酶和細胞的新陳代謝。攝入過量的鉛將嚴重影響人體健康,會引起貧血、神經(jīng)機能失調(diào)和腎損傷[1]。含鉛污泥是鉛蓄電池生產(chǎn)過程中對污水處理后產(chǎn)生的一種固體廢棄物[2],其含鉛量較高,鉛蓄電池在生產(chǎn)和使用過程中產(chǎn)生的含鉛廢物被列入《國家危險廢物名錄》(1998-07-01實施),屬于危險廢物,如不進行適當處理,它會對大氣、水體和土壤造成嚴重污染,最終影響人類的身體健康。
目前,固體廢棄物的檢測仍以實驗室分析方法為主,如電感耦合等離子體質(zhì)譜法(inductively coupled plasma mass spectrometry,ICP-MS)、火焰式原子吸收光譜法(flame atomic absorption spectrometry,F(xiàn)LAA)等,這些方法在測量前需要對樣品進行復(fù)雜的前處理,而且分析時間長,無法實現(xiàn)對污染物中重金屬的快速檢測。而激光誘導(dǎo)擊穿光譜(laser induced breakdown spectroscopy,LIBS)[3]憑借其突出的優(yōu)點,經(jīng)過幾十年的發(fā)展,如今已經(jīng)在燃燒、冶金[4-5]、藝術(shù)品鑒定[6]、巖石[7]以及鋼材的多成分分析[8-9]、生物氣溶膠的探測和分類[10]、核反應(yīng)堆的物質(zhì)分析[11]、空間探索[12]以及土壤[13]、水體[14—16]、大氣污染物質(zhì)檢測[17]等許多方面開展研究,但目前并沒有在固體廢棄物方面展開研究。
本文中利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)對鉛蓄電池廠產(chǎn)生的含鉛污泥進行定量研究,由于含鉛污泥這類固體廢棄物沒有標準樣品且含鉛量較高,考慮到自吸收效應(yīng)[18],因而本文中嘗試采用物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的石墨粉來配制實驗所用樣品,以稀釋含鉛污泥中Pb的含量,避免自吸收效應(yīng)。通過實驗所得的定標曲線反演出含鉛污泥中Pb的含量,并與ICP-MS檢測結(jié)果進行比較,以ICP-MS的測量值作為含鉛污泥中Pb含量的實際值,利用此方法得到了較好的實驗結(jié)果。以上結(jié)果說明將激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)用于含鉛污泥的定量分析研究,能夠為含鉛污泥中Pb的快速檢測提供方法支持。
Fig.1 Schematic diagram of experimental setup
實驗系統(tǒng)原理圖如圖1所示,采用波長1064nm Nd∶YAG脈沖激光器作為激發(fā)光源,能量可以連續(xù)調(diào)節(jié),脈沖寬度10ns,脈沖重復(fù)頻率1Hz。探測器為ICCD(英國Andor公司i Star型),像素1024×1024,光譜儀發(fā)出1個信號給激光器,激光器隨即發(fā)出1個脈沖激光,光電探測器接收反射鏡片上的激光雜散光,將此信號傳給DG535(美國斯坦福SRS延遲/脈沖信號發(fā)生器),DG535則以此信號為時間起點控制ICCD采集光譜信號的延時和門寬。激光光束經(jīng)焦距為100mm的透鏡會聚后作用在樣品表面,產(chǎn)生的激光誘導(dǎo)等離子體信號經(jīng)焦距為20mm的石英透鏡耦合至光纖,并傳輸至光譜儀實現(xiàn)光譜的分光與探測。光譜儀(英國Andor公司 Mechell 5000型)可測量的波長范圍為200nm~850nm,分辨率0.1nm。樣品置于旋轉(zhuǎn)的工作平臺上,以避免樣品測量的重復(fù)打點。
實驗中所用的含鉛污泥取自某鉛蓄電池廠,經(jīng)自然風干、研磨、過篩(100目),利用ICP-MS檢測其含鉛量為0.0447。將含鉛污泥與石墨粉(100目)進行混合,配制出含鉛質(zhì)量分數(shù)分別為0.001118,0.002235,0.00447,0.006705,0.00894,0.011175,0.01341,0.015645,0.01788,0.020115的樣品。用電子天平稱3g樣品,并在10MPa下將其壓制成直徑為30mm、厚度為2.8mm的圓餅狀樣片。
實驗中記錄了樣品在240nm~850nm范圍內(nèi)的激光誘導(dǎo)等離子體光譜,含鉛污泥中主要含有Pb,Ca,F(xiàn)e,Al,Mg,Na,Cr,N,O,Si等元素。選取譜線發(fā)射強度較大,受基體元素影響較小的PbⅠ:405.78nm為分析線。圖2為樣品和空白石墨在404nm~410nm波段內(nèi)的光譜。圖2表明石墨粉中不含Pb,將含鉛污泥與石墨粉進行混合配制樣品不會對Pb元素的測量造成影響。
Fig.2 Plasma emission spectrum of sample and graphite within the wavelength range from 400nm to 410nm
激光能量是決定等離子體性質(zhì)的一個重要參量,它決定等離子體信號是否產(chǎn)生以及信號產(chǎn)生的好壞。在實驗中,選擇延遲時間為1μs,探測器門寬5μs,每個光譜數(shù)據(jù)由10次激光脈沖累加,在每個激光能量下對樣品測量10次,最終的結(jié)果由10次測量的光譜數(shù)據(jù)平均得出。實驗中激光能量分別設(shè)定為23.1mJ,24.4mJ,28.8mJ,34.8mJ,40mJ,45.5mJ,53.3mJ,59.4mJ,67.1mJ,75.3mJ,83.6mJ,103.3mJ,110.9mJ,128.5mJ,135.4mJ。圖3為PbⅠ:405.78nm譜線信號強度隨激光能量的變化關(guān)系。
Fig.3 Relationship of spetrum intensity of PbⅠ:405.78nm and laser energy
由圖3可見,激光能量在23.1mJ~135.4mJ范圍內(nèi),PbⅠ:405.78nm譜線強度隨激光能量線性增加。選取PbⅠ:405.78nm附近405.19nm~405.42nm范圍內(nèi)的光譜數(shù)據(jù)作為背景,圖4中給出了PbⅠ:405.78nm的信背比(S/B)隨激光能量的變化關(guān)系。
Fig.4 Relationship of S/B of PbⅠ:405.78nm and laser energy
圖4 說明激光能量在23.1mJ~53.3mJ范圍內(nèi),PbⅠ:405.78nm的信背比先增加后降低;在59.4mJ~135.4mJ之間,信背比穩(wěn)定在一個固定值附近上下波動。信背比先增加后降低的原因是由于當激光能量較小時,譜線的強度也較弱,隨著激光能量增加,譜線強度隨之顯著增加,信背比也就增加;當激光能量進一步增強時,使樣品電離出更多的自由電子,而連續(xù)背景的產(chǎn)生就是自由電子由自由態(tài)變?yōu)槭`態(tài)的過程中產(chǎn)生的,所以激光能量增強,自由電子數(shù)量增多,連續(xù)背景信號就會增強,因而信背比又降低,最終穩(wěn)定在某一水平。
Fig.5 Relationship of RSD of PbⅠ:405.78nm and laser energy
圖5 中給出了PbⅠ:405.78nm的譜線強度的相對標準偏差(relative standard deviation,RSD)隨激光能量的變化關(guān)系。圖5表明,激光能量在23.1mJ~53.3mJ范圍內(nèi),RSD整體上呈下降趨勢,這是由于當激光能量較低時,樣品中的Pb元素被激發(fā)的效率也較低,因而信號的穩(wěn)定性較差,RSD也就相對較高;隨著激光能量的增加,樣品中的Pb元素被激發(fā)的效率增加,信號的穩(wěn)定性增強,RSD隨之降低;當能量在59.4mJ~135.4 mJ范圍內(nèi),RSD穩(wěn)定在某一恒定值水平上下波動,樣品中的Pb元素在這一范圍內(nèi)均能被充分激發(fā)。
綜合考慮PbⅠ:405.78nm的譜線強度、信背比以及譜線信號的相對標準偏差,最終選取128.5mJ為最佳激光能量,此時特征譜線PbⅠ:405.78nm具有較高的光譜強度、較大的信背比以及較高的穩(wěn)定性。
當激光誘導(dǎo)等離子體滿足局部熱平衡和光學(xué)薄等離子體(發(fā)射光譜不存在自吸收現(xiàn)象)這兩個條件時,則原子譜線的強度與待測樣品中元素的含量近似成線性關(guān)系,即:
式中,I為譜線的強度,C是樣品中元素的含量,k為實驗常數(shù)。圖6為PbⅠ:405.78nm的定標曲線。
Fig.6 Calibration curve of PbⅠ:405.78nm
利用(1)式可根據(jù)樣品測量的實際譜線強度來反演其樣品中元素的含量:
反演的準確性則通過與實際樣品中元素含量相比較,得出相對誤差Δ,如下式:式中,Im為測量的譜線強度,Cm為測量的Pb元素含量,Cr為實際的Pb元素含量。
通過對含鉛污泥原片(含鉛量0.0447)進行100次測量平均,得到其光譜強度,利用(2)式反演出含鉛污泥原片中Pb的含量,則再根據(jù)(3)式得出Pb含量測量值與實際值的相對誤差為8.72%,盡管與實驗室標準方法相比,此相對誤差偏高,但已經(jīng)滿足快速檢測的要求,彌補了實驗室方法的不足,同時隨著研究的深入,此相對誤差會進一步減小,相應(yīng)結(jié)果如表1所示。
Table 1 Measurement results of lead slime
利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)對含鉛污泥中的Pb元素進行了實驗測量,從分析線的選取、最佳激光能量的選擇以及定量反演分析三方面開展研究,得到以下結(jié)論:(1)綜合考慮譜線強度、信背比(S/B)以及信號的相對標準偏差RSD三方面因素,確定了在此實驗條件下,最佳的激光能量為128.5mJ;(2)獲得了Pb元素的定標曲線,通過計算得到含鉛污泥中Pb元素含量的測量值與實際值之間的相對誤差為8.72%。
以上結(jié)果表明,LIBS對含鉛污泥進行定量反演分析是可行的,能夠為含鉛污泥的快速定量分析提供方法和技術(shù)支持。
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