劉繼承，李順群，周亞東

用于污泥中重金屬檢測的原子吸收分光法

劉繼承，李順群，周亞東

（天津城建大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300384）

為了更有效地檢測污泥中的重金屬，采用了原子吸收分光法對經(jīng)微波消解后的污泥中重金屬Cu、Zn、Pb、Cr的含量進行檢測。測試結(jié)果表明：這四種重金屬均在所測范圍內(nèi)呈良好線性關(guān)系，污泥試樣溶液中被檢測出的重金屬含量均符合國家標(biāo)準(zhǔn)。測試結(jié)果證明原子吸收分光法可靠實用、快速簡便，可用于污泥、污染土和改性土中的重金屬含量測試。

原子吸收分光法；污泥；重金屬含量

隨著社會科技的進步，工廠和居民區(qū)每天都排放出大量的污水，污水中的各種固體成分沉淀后形成的污泥如果不能進行無害化、穩(wěn)定化和資源化處置，就會造成二次污染，不利于水資源、土地資源的保護，甚至?xí)茐淖匀簧鷳B(tài)系統(tǒng)[1]。重金屬是污泥中的一種重要污染物，是以沉淀或吸附的方式轉(zhuǎn)移到污泥中去，是為了減少污泥污染而有待檢測的重要目標(biāo)[2-3]。

重金屬的檢測是污泥無害化處理的重要步驟。目前，檢測污泥中的重金屬有一些方法，例如離子濃度計法、電感耦合等離子體質(zhì)譜儀法等，但這些方法有一定的缺點和局限性。離子濃度計法只能測定重金屬離子的濃度，并不能測定重金屬的含量。電感耦合等離子體質(zhì)譜儀法不夠快捷簡便，測試步驟比較復(fù)雜繁瑣，而且購置成本和運行成本較高[4-5]。

因此，引用一種可行實用的方法——原子吸收分光法，該方法操作簡便、應(yīng)用廣泛，能提高工作效率，其目的是檢測污泥中是否含有重金屬，若有，可辨別出其元素種類，進而得出被測污泥中重金屬的含量。原子吸收分光法具有一定的可行性意義，既能高效地測出污泥中的重金屬含量，并將物理因素和化學(xué)因素、理論與實踐有效地結(jié)合在一起，又能為固結(jié)處理污泥實驗、微生物處理污泥實驗做好堅實的基礎(chǔ)[6-7]。

污泥的有關(guān)性質(zhì)能反映在原子吸收分光法測試的有利條件中。污泥是一種固體沉淀物質(zhì)，顆粒較細(xì)且比重較小，形成于處理污水的過程，因此污泥的含水量高且最高可接近100%。在本測試中，污泥經(jīng)微波消解儀消解后，在硝酸的氧化下形成溶液，原子吸收分光法則適用于所形成的污泥溶液中重金屬含量的檢測，而且采用該方法時所形成的污泥溶液有利于進樣管的吸取。

原子吸收分光法在測試儀器方面也具有可行性。若使用石墨爐原子吸收分光光度計，則需要增大被測溶液的定容體積，這樣含量范圍跨度較大的重金屬例如鉛，就不容易被檢測[8]。故在本測試中，使用的檢測設(shè)備為火焰原子吸收分光光度計，其優(yōu)勢在于重現(xiàn)性好，有效光程大，對大多數(shù)的重金屬元素有較高的靈敏度和精確度，也有良好的選擇性[9]。相反，該儀器也有弊端即一般不能直接分析固體樣品，但這不影響本測試的操作流程和最后結(jié)果。

1 儀器

原子吸收分光法可通過測試儀器、測試原理以及測試注意事項來反映和體現(xiàn)，下面是測試儀器的內(nèi)部構(gòu)造、基本原理和注意事項。

1.1 儀器構(gòu)造

采用原子吸收分光法時，測試的核心儀器為AA-7020型火焰原子吸收分光光度計，它由4大部分組成，分別為光源、原子化器、單色器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。其中，空心陰極燈作為光源，原子化器包括霧化器、燃燒器和火焰，單色器又稱分光系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由檢測器和顯示器兩部分組成。

圖1 AA-7020型火焰原子吸收分光光度計

1.2 測試原理

通過利用儀器AA-7020型火焰原子吸收分光光度計，并基于物質(zhì)基態(tài)原子蒸汽對特征輻射吸收的作用，來分析金屬元素，測定微量元素或痕量元素。利用這些待測元素的共振輻射，通過其原子蒸汽，測定并得出相應(yīng)元素的吸光度，進而求得所測的重金屬元素相對于已知污泥取樣的含量[10]。火焰原子吸收分光光度計原理圖如圖2所示。

圖2 火焰原子吸收分光光度計原理圖

1.3 注意事項

本測試具有嚴(yán)謹(jǐn)性、科學(xué)性和安全性，為了考慮到安全性，本測試的注意事項是必不可少的。以下是三點注意事項：

（1）在測試開始前，一定要做好通風(fēng)的準(zhǔn)備工作，實驗室的窗戶全部打開，將連接排風(fēng)扇的通風(fēng)管伸出實驗室外，不要讓通風(fēng)管管口朝向?qū)嶒炇?，這主要考慮到乙炔氣體的危險性，若在密閉環(huán)境下積聚的濃度太高可能會發(fā)生爆炸。由于乙炔氣體不利人體，故在進行測試之前最好戴上口罩，另外，在配重金屬的標(biāo)樣溶液時要帶上手套。

（2）在測試進行中，一定要處理完測試中存留的多余乙炔氣體，防止乙炔氣體仍存在實驗室內(nèi)，對人體健康造成有害的影響。當(dāng)出現(xiàn)火焰時，可適當(dāng)將火焰區(qū)隔離，切記任何東西不可觸碰火焰，以防發(fā)生火災(zāi)。

（3）在測試結(jié)束后，一定要馬上關(guān)閉空心陰極燈，因為在一定時間的測試后空心陰極燈的溫度會很高，防止其發(fā)生破裂現(xiàn)象。但在測試時空心陰極燈需要預(yù)熱，因為通過預(yù)熱，空心陰極燈會達到內(nèi)外熱平衡，當(dāng)原子蒸汽層的分布與厚度均勻后，發(fā)光強度才能保持穩(wěn)定，因此空心陰極燈可正常用于檢測。

2 測試步驟

為了更好地應(yīng)用原子吸收分光法，本測試給出了以下詳細(xì)的操作步驟：

（1）進行原子吸收分光法測試之前須準(zhǔn)備好相關(guān)的設(shè)備器材：AA-7020型火焰原子吸收分光光度計、EW-32型無油低噪音空壓機、排風(fēng)扇、乙炔減壓器和一臺電腦以及一臺打印機。原子吸收分光法測試的主要設(shè)備如圖3所示。

（2）按下AA-7020型火焰原子吸收分光光度計的電源鍵，進行自檢，可作為預(yù)熱，同時可打開放置空心陰極燈處的上蓋，觀察是否符合自檢標(biāo)準(zhǔn)即能否順暢地轉(zhuǎn)動。

（3）打開軟件，出現(xiàn)檢測框，等待其自動關(guān)閉，再采樣，設(shè)置儀器參數(shù)，然后進行掃描，此時空心陰極燈自動轉(zhuǎn)到所設(shè)置的重金屬并且燈變亮，波形穩(wěn)定后豎直線停在波峰處，接著調(diào)節(jié)空心陰極燈的位置，調(diào)節(jié)框自動關(guān)閉后點擊“能量平衡”，并“新建項目”。

（4）依次打開排風(fēng)扇、EW-32型無油低噪音空壓機，逆時針轉(zhuǎn)動乙炔減壓器的主閥開關(guān)，在新建項目后的控制選項里設(shè)置乙炔，然后按下原子吸收分光光度計的點火鍵，若有綠色的火焰出現(xiàn)時則進行下一步操作。

（5）依次對重金屬Cu、Zn、Pb、Cr對應(yīng)的標(biāo)樣溶液和消解后的試樣1、試樣2、試樣3污泥溶液進行檢測。具體操作為：將進樣管放到裝有濃度為零的標(biāo)準(zhǔn)溶液的試劑瓶中，點擊“開始”，出現(xiàn)平穩(wěn)的線形后，點擊“測定”，再依次把進樣管放到不同的試劑瓶中吸取對應(yīng)的溶液，確定吸到溶液后，再點擊“測定”。

（6）檢測結(jié)束后，先關(guān)閉乙炔減壓器，使主閥降到零，副閥也降到零，直到原子吸收分光光度計里的乙炔燒完為止，再關(guān)閉無油低噪音空壓機，按下放氣閥直至為零，關(guān)閉排風(fēng)扇，最后打印測試結(jié)果，測試結(jié)束。

圖3 原子吸收分光法測試的主要設(shè)備

3 測試成果

3.1 重金屬濃度的線性范圍

各重金屬的吸光度-濃度曲線圖分別如圖4、5、6、7所示。Cu、Zn、Pb、Cr的濃度分別在1.0~5.0、0.2~2.0、1.0~10.0、1.0~5.0 mg·L-1的范圍內(nèi)，呈良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均接近0.999。各重金屬的吸光度-濃度曲線圖對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程和線性相關(guān)系數(shù)見表1。

圖4 Cu的吸光度與濃度的關(guān)系曲線圖

圖5 Zn的吸光度與濃度的關(guān)系曲線圖

圖6 Pb的吸光度與濃度的關(guān)系曲線圖

圖7 Cr的吸光度與濃度的關(guān)系曲線圖

表1 各重金屬元素在所對應(yīng)標(biāo)樣溶液中的檢測結(jié)果

3.2 計算公式和測試成果

3.2.1 重金屬含量的計算公式

其中：表示被測重金屬的含量，單位為mg/kg；表示被測污泥溶液中重金屬的濃度，單位為mg/L；0.5表示原樣污泥的取樣量，單位為g，100表示0.5 g原樣污泥消解后定容稀釋的體積，單位為mL，兩者均為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量；1 000表示換算單位時的數(shù)值。

3.2.2 測試成果

0.5 g的原樣污泥經(jīng)微波消解后形成污泥溶液，該溶液定容稀釋后的體積為100 mL，根據(jù)測試結(jié)果和計算公式得出該污泥溶液試樣中重金屬的含量，見表2。

表中數(shù)據(jù)均符合國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求，并說明了試樣1、試樣2、試樣3各污泥溶液中均含有不同量的Cu、Zn、Pb、Cr 4種重金屬，而且重金屬Zn的含量最高，Cr的含量最低。

表2 污泥中重金屬的含量 （mg/kg）

4 結(jié)論

為了檢測污泥中重金屬的含量，采用了原子吸收分光法。通過室內(nèi)測試，可以得到如下結(jié)論。

（1）相比其他檢測重金屬含量的方法，原子吸收分光法更有效快捷、更可行實用。

（2）Cu、Zn、Pb和Cr 4種重金屬在所測范圍內(nèi)均呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，且Zn的吸光度-濃度曲線圖對應(yīng)的線性相關(guān)系數(shù)為0.999 20，更接近0.999。

（3）污泥溶液試樣1、試樣2和試樣3中被檢測出的重金屬含量均符合國家標(biāo)準(zhǔn)，且Zn的含量最高。

在今后的研究工作中，原子吸收分光法將用于固化處理污泥、微生物處理污泥等不同的實驗，不斷地提升和發(fā)展。

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Atomic Absorption Spectrometry for Heavy Metal Detection in Sludge

LIU Ji-cheng, LI Shun-qun, ZHOU Ya-dong

（School of Civil Engineering, Tianjin Chengjian University, Tianjin 300384, China）

In order to detect heavy metals in sludge more effectively, the content of heavy metals Cu, Zn, Pb, Cr in sludge after microwave digestion was detected by atomic absorption spectrometry. The results show that the four heavy metals have a good linear relationship within the range of measurement, and the content of heavy metals in the sludge sample solution meets the national standard. The results show that AAS is reliable, practical, fast and simple, and can be used for the determination of heavy metals in sludge, polluted soil and modified soil.

atomic absorption spectrometry; sludge; heavy metal content

X53

A

1674-3261(2020)04-0246-04

10.15916/j.issn1674-3261.2020.04.008

2019-12-17

中國交通建設(shè)集團有限公司巖土工程重點實驗室開放課題（2019-KJ-Y-01）；天津市科技支撐重點項目（19YFZCSF00820）。

劉繼承(1994-)，男，安徽桐城人，碩士。

李順群(1971-)，男，河南衛(wèi)輝人，教授，博士。

責(zé)任編校：劉亞兵