吳東峰 戚春玲 宋艾林

(新疆維吾爾自治區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站 830011)

在經(jīng)濟(jì)建設(shè)與發(fā)展中，經(jīng)濟(jì)的急劇增長(zhǎng)必定會(huì)影響到自然生態(tài)環(huán)境，而重金屬污染就是其中的主要污染源。由于重金屬會(huì)給環(huán)境帶來(lái)極大的危害，對(duì)于重金屬的檢測(cè)就顯得非常關(guān)鍵。希望通過(guò)對(duì)水環(huán)境的重金屬檢測(cè)進(jìn)行分析，能對(duì)于今后重金屬污染起到良好的防范作用。

1 水環(huán)境重金屬污染特點(diǎn)

1.1 恢復(fù)難度大

一旦水環(huán)境受到重金屬元素的破壞，就很難恢復(fù)到原本最初的狀態(tài)，即便是經(jīng)過(guò)完善治理，水環(huán)境之中依舊會(huì)存在重金屬元素的殘留，難免會(huì)對(duì)水體之中生活的生物帶來(lái)一定的影響。就目前發(fā)現(xiàn)的重金屬污染物而言，進(jìn)入水體環(huán)境之后，會(huì)導(dǎo)致原本的水體生態(tài)環(huán)境遭受到破壞，影響水生生物的正常生長(zhǎng)，并且通過(guò)水生生物進(jìn)入人體，一旦人食用就會(huì)造成嚴(yán)重的影響，甚至對(duì)于生命安全、身體健康都會(huì)帶來(lái)極大的威脅。水環(huán)境重金屬污染還需要及時(shí)治理，但是其治理難度偏大。想要積極改善水環(huán)境，就需要做好水環(huán)境健康監(jiān)測(cè)工作，同時(shí)要進(jìn)一步提升治理技術(shù)[1]。

1.2 污染源眾多

水環(huán)境重金屬污染并非是因?yàn)閱我恍袨?，污染源頭較多。重金屬污染源除工業(yè)廢水，也囊括了生活污水和水產(chǎn)品，但是工業(yè)廢水是其主要的源頭，尤其是對(duì)于印染行業(yè)和冶金行業(yè)，在生產(chǎn)之中難免會(huì)產(chǎn)生含有重金屬的廢水。生活污水、水產(chǎn)品、工業(yè)廢水之中的重金屬元素是完全不同的，并且各有特色，所以，在進(jìn)行重金屬元素檢測(cè)中，需要對(duì)不同的重金屬元素類(lèi)型加以分析，做到具體問(wèn)題具體處理，最終采取差異化的手段來(lái)治理污染源。

2 水環(huán)境中重金屬檢測(cè)方法

2.1 AAS法

AAS法即原子吸收光譜法，主要是測(cè)定對(duì)應(yīng)的蒸汽的目標(biāo)元素基態(tài)，并且也需要了解實(shí)際的原子共振輻射吸收度，以此來(lái)對(duì)目標(biāo)元素的濃度進(jìn)行判定?；谠仡?lèi)別的差異性以及樣品的具體形態(tài)，可以將其劃分為石墨爐原子吸收光譜法、冷光源原子吸收光譜法等多種方式。基于水環(huán)境重金屬元素濃度，了解其實(shí)際的狀態(tài)，在開(kāi)展作業(yè)中，需要富集重金屬元素。如，利用分散液微萃取技術(shù)富集Pb、Ni、Cr 等痕量重金屬時(shí)，可以利用GFAAS進(jìn)行重金屬的測(cè)定。通過(guò)這樣的處理方式，不僅回收率高、操作便捷、精準(zhǔn)度佳，還能夠滿(mǎn)足各種金屬元素的同步富集，這樣可以節(jié)約檢測(cè)耗費(fèi)的時(shí)間，并且進(jìn)一步提高檢測(cè)效率[2]。

2.2 AFS法

AFS法即原子熒光光譜法，基于特定波長(zhǎng)光輻射吸收之后，蒸汽中特定原子被激發(fā)，并且在這一過(guò)程還有對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的光輻射發(fā)射出來(lái)?；趯?duì)應(yīng)的測(cè)試環(huán)境之下，這種輻射強(qiáng)度和原子本身的含量是呈現(xiàn)出正比關(guān)系的。AFS法靈活度佳、選擇性強(qiáng)、操作便捷，并且適用范圍有限。在具體分析中，還需要考慮到直接結(jié)合到冷蒸汽電解技術(shù)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)江流域金屬Hg濃度對(duì)應(yīng)的測(cè)定與分析處理，電解液選擇磷酸鹽溶液，這樣就可以避免過(guò)渡金屬離子對(duì)于精準(zhǔn)度帶來(lái)干擾。如圖1所示，陰極液選擇0.5 mol/L的磷酸鹽溶液，并且通過(guò)1.2 A電解電流，Hg檢出限為0.27 ng/L，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差只有2.6%，能夠?qū)崿F(xiàn)95%～109%的回收，使用這一方法可以合理規(guī)避Cu、Ni、Fe等過(guò)渡金屬元素的干擾[3]。

圖1 Hg信號(hào)強(qiáng)度對(duì)比分析圖

2.3 生物化學(xué)法

在生物化學(xué)法的使用中，可以考慮利用生物化學(xué)感應(yīng)裝置，通過(guò)檢測(cè)目標(biāo)與物質(zhì)之間的相互結(jié)合的需求，還能夠配合上信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置，從而實(shí)現(xiàn)各種訊號(hào)的輸出生成處理。一般會(huì)使用到微生物傳感裝置、免疫傳感裝置以及酶?jìng)鞲醒b置。其本身屬于較為高效的檢測(cè)技術(shù)，在最近幾年得到飛速發(fā)展，最終滿(mǎn)足精準(zhǔn)的、高效的重金屬離子檢測(cè)。在對(duì)應(yīng)的檢測(cè)中，還需要考慮到磷酸酶堿性電導(dǎo)感應(yīng)裝置對(duì)應(yīng)的使用，見(jiàn)圖2的操作演示。通過(guò)交叉點(diǎn)擊，利用10 mV 的對(duì)應(yīng)交替電壓，讓輸出信號(hào)選擇前置放大處理裝置，然后具體分析其放大裝置的情況。通過(guò)檢測(cè)，Ni為5 mg/L、Co為2 mg/L、Pb為40 mg/L、Zn為2 mg/L，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差不會(huì)超出4%[4]。

圖2 電傳導(dǎo)感應(yīng)裝置測(cè)定實(shí)驗(yàn)流程圖

2.4 氣相色譜聯(lián)用法

氣相色譜聯(lián)用法在實(shí)施操作環(huán)節(jié)，主要是考慮到氣體作為流動(dòng)相色層分離分析的一種方式。對(duì)于汽化試樣的處理，在帶入到色譜柱之中的載氣，其各個(gè)組分同柱中的固定相作用力有所差異，使得從色譜柱之中流出的時(shí)間存在不同，并且組份彼此分離。通過(guò)適當(dāng)?shù)蔫b別與記錄，制作出色譜柱時(shí)間和濃度色譜圖。針對(duì)這一分析方法，主要是考慮到氣路控制偏高，溫度控制，但是也是針對(duì)有機(jī)物進(jìn)行具體分析的一種手段。在檢測(cè)過(guò)程中，考慮到實(shí)際的污染度，這一檢測(cè)法具有較高的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3 水環(huán)境中的重金屬檢測(cè)的具體分析

為了更好地檢測(cè)水環(huán)境的重金屬，直接利用氣相色譜聯(lián)用法，針對(duì)其具體使用進(jìn)行分析，希望對(duì)今后的重金屬檢測(cè)有一定的借鑒作用。

3.1 氣相色譜聯(lián)用法的使用

第一，控制水環(huán)境樣品問(wèn)題。針對(duì)水環(huán)境之中被測(cè)樣品溫度控制要利用PID控制器的建立，其原理在于通過(guò)對(duì)偏差比例、積分以及微分等參數(shù)之間的線性組合模式，這樣就可以考慮到基于PID控制的控制量，從而滿(mǎn)足被控對(duì)象的自動(dòng)化控制處理。其控制算法在于：

e(t)=r(t)-c(t)

(1)

(2)

通過(guò)(1)和(2)的分析，其中r(t)代表的是設(shè)定值；e(t)代表的是控制偏差；u(t)代表的是輸出控制量、c(t)達(dá)標(biāo)的是實(shí)際輸出值；TD代表的是微分時(shí)間常數(shù)、KP代表的是比例系數(shù)；T1代表的是積分時(shí)間常數(shù)。在控制模塊之中，時(shí)間積分常數(shù)值越小，那么積分對(duì)應(yīng)的作用就會(huì)越大，而通過(guò)微分參數(shù)的作用，就能夠反映偏差信號(hào)實(shí)際的變化規(guī)律。在受到氣相色譜作用之下，關(guān)鍵就在于溫度的控制模塊，并且對(duì)于溫度控制要求達(dá)到0.1 ℃。而定性定量的色譜參數(shù)準(zhǔn)確性還會(huì)影響到溫度的控制精度。首先，通過(guò)溫度傳感器，就可以針對(duì)部件的溫度選擇溫度敏感特性加以呈現(xiàn)，利用電路讓阻值能夠轉(zhuǎn)換成為模擬信號(hào)，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器，就可以將其轉(zhuǎn)化成為數(shù)字信號(hào)，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)，讓被控部件的實(shí)際溫度值能夠與設(shè)定的溫度值進(jìn)行對(duì)比，再配合上PID的控制器輸出控制信號(hào)，在信號(hào)的驅(qū)動(dòng)之后，加熱裝置就會(huì)對(duì)應(yīng)到被控的實(shí)際溫度。在完善樣品溫度控制處理之后，就可以奠定良好的基礎(chǔ)，服務(wù)于氣相色譜聯(lián)用法的使用[5]。

第二，氣相色譜聯(lián)用法的檢測(cè)。傳統(tǒng)模式下，針對(duì)氣路流量和壓力打開(kāi)通知主要是利用穩(wěn)流閥和穩(wěn)壓閥進(jìn)行，但是這樣的方式精度偏低，無(wú)法滿(mǎn)足自動(dòng)控制的要求。電子壓力控制方式的使用，就可以從內(nèi)部壓力傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)氣路壓力的檢測(cè)處理，之后選擇A/D轉(zhuǎn)換，就可以將其輸入到PID控制器之中，再通過(guò)計(jì)算，最終獲取控制信號(hào)，控制信號(hào)傳輸?shù)紻/A轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)輸送給對(duì)應(yīng)的控制閥，最終滿(mǎn)足壓力的精確調(diào)控處理。針對(duì)其計(jì)算公式，具體如下：

(3)

其中，Q代表的是色譜柱的載氣流量；μ代表的是載氣動(dòng)力粘度；r代表的是色譜柱內(nèi)徑單位；L代表的是色譜柱長(zhǎng)度；Pref代表的是常壓；P0代表的是色譜柱的出口壓力；Pi代表的是柱前壓；Tref代表的是常溫；T代表的是色譜柱溫度。通過(guò)固定氣阻的使用，讓壓力保持恒定，伴隨著壓力差的不斷增大，其流量也會(huì)對(duì)應(yīng)的增加，通過(guò)電力壓力來(lái)控制壓差，這樣就可以實(shí)現(xiàn)氣路之中氣體流量的有效控制。在經(jīng)過(guò)改良之中，載氣選擇高壓氣瓶，通過(guò)氣體凈化器，將其中的污染雜質(zhì)剔除，以此來(lái)提供純潔的載氣，然后利用前面剔除的PID壓力控制程序，就可以控制好氣流壓力與流量，在分流氣化室之中采集樣品，還需要快速氣化處理，并且要求在穩(wěn)定載氣攜帶之下直接進(jìn)入到色譜柱之中，并且在色譜柱之中還可以滿(mǎn)足各個(gè)組分之間的相互分離。等待分離之后，在載氣的推動(dòng)之下，就可以直接進(jìn)入到氫火焰離子化檢測(cè)器，另外，直接將其電離成為帶電離子，在作用之下，就會(huì)有電流信號(hào)的形成。之后，配合微電流放大器放大，利用數(shù)據(jù)采集卡就可以進(jìn)入到色譜工作站之后，順利實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。

3.2 實(shí)驗(yàn)論證分析

為了做好原子吸收光譜法和氣相色譜聯(lián)用法的性能對(duì)比分析工作，在這里進(jìn)行了傳統(tǒng)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)處理。其中，色相氣譜聯(lián)用法之中的氮?dú)饬髁繛?0 mL/min、氫氣流量為15 mL/min，空氣流量為300 mL/min。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究分析，在這一條件下，氫火焰離子化檢驗(yàn)其本身的信噪比是最低的，并且其檢測(cè)性能最佳。考慮到使用原子吸收光譜法對(duì)于多元素的分析處理要求還存在一定的差距，所以，實(shí)驗(yàn)室之中僅僅是針對(duì)兩種污染物進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析。通過(guò)500 mL/min的甲苯、二甲苯進(jìn)行相互之間的融合，最終就可以滿(mǎn)足模擬污染物等處理過(guò)程，針對(duì)其結(jié)果見(jiàn)圖3所示。

圖3 檢測(cè)方法誤差率分析圖

通過(guò)圖3所示，在檢測(cè)過(guò)程中，氣相色譜聯(lián)用法的誤差率要明顯低于原子吸收光譜法。所以，在分析之后發(fā)現(xiàn)，使用氣相色譜聯(lián)用法，其本身更加適合在水環(huán)境重金屬污染檢測(cè)之中使用。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著人們對(duì)于環(huán)境質(zhì)量要求的不斷增高，為積極改善水體環(huán)境，要注重對(duì)于水體重金屬污染物的有效治理。目前，在治理重金屬元素污染的過(guò)程中存在恢復(fù)難度大、污染源頭多等問(wèn)題，要求采取合理有效的方式來(lái)進(jìn)行水環(huán)境重金屬的檢測(cè)處理，這樣才可以為后續(xù)科學(xué)檢測(cè)提供有效的治理手段。在今后的研究中要注重水環(huán)境之中的重金屬檢測(cè)，并且積極推廣全新的檢測(cè)技術(shù)，滿(mǎn)足水環(huán)境保護(hù)要求。