土壤中重金属元素Cr的激光诱导光谱测量分析

撰稿人: 日期:2019-1-15 点击次数:349

随着人们对环境问题的重视,土壤问题尤其是土壤中重金属污染越来越受到人们的关注,铬(Cr) 污染就是其中的一种。土壤Cr污染主要来自铬矿和金属冶炼、电镀、制革等工业废水、废气和废渣等,而六价Cr易溶于水,容易经过土壤进入农作物而危害居民健康。Cr在体内有蓄积作用,并能影响体内的氧化还原过程和水解过程,它还能与蛋白质结合能抑制一些酶的活性,促进维生素C氧化使血红蛋白变性从而降低红细胞的携氧能力。

目前,常用的土壤重金属元素检测方法有感应耦合等离子体原子发射光谱法、火焰式原子吸收光谱法、石墨炉式原子吸收光谱法、冷蒸汽原子吸收光谱法和分光光度计比色法等。这些方法虽然具有较高精度,但都有一个缺点就是对样品进行处理的过程较为繁琐且耗时长,不能进行现场检测, 而激光诱导击穿光谱法 (LIBS)能很好地解决上述问题。
LIBS技术是一种原子或离子发射光谱的元素分析技术,其利用高能量脉冲激光聚焦到样品上,使样品在瞬间汽化成高温、高密度的激光等离子体,等离子体中包括原子、离子和一些分子,它们会发射其特征波长的光谱,谱线的波长和强度分别反映了样品中的元素组成与其含量。由于无需对样品进行前处理,具有简单快捷的特点,在诸多领域中已经有了广泛的应用。
 
1、 实验装置实验仪器采用美国应用光谱公司ASI生产的J200激光光谱元素分析系统,实验装置如上图所示。
光谱测量系统主要由三大部分组成: Nd:YAG激光源及相应的控制电路;光控制系统和光接收系统;信号检测处理、采集和分析、显示单元等。所用激光源是调Q纳秒级Nd:YAG 1064nm 激光器,激光脉冲宽度小于5ns, 单脉冲最高能量为51mJ,  脉冲频率可调,最大频率是10Hz。系统能进行激光聚焦,聚焦点尺寸35~200um可选, 样品台能自动调节,自动X-Y程、自动Z进程, 采用双光栅切尼-特纳光谱仪和 ICCD检测器对信号进行采集内置光闸延迟和闸宽时间控制器。
2、  样品制备
某化工企业是生产氨基甲酸酯类农药和化肥的化工厂,Cr元素含量可能较高,试验中的待测土壤样品就是来自该化工企业围墙底下及化工厂里面离围墙8m左右树底下且均是地面以下约15cm的土壤,采集的样品放置在室外自然风干、去除杂质、烘干、碾磨、过筛后再用台式油压机(769YP-30T)在20吨的压力下压制30 min成型,样品为圆柱形,共制备了2个样品,记为1号和2 号,其中1号样品是取自围墙底下的土壤,2号样品则是在化工厂的围墙内树底下取出的土壤。
 3、 标样的选择
所选5种标准样品分别是 GBW07108、 GBW07122、GBW07716、GBW07301和  GBW07309, 并将粉末状的标准样品同样用台式油压机在20t的压力下压制30 min成圆柱形。
4、 实验结果与分析
4、1  光谱图试验测试条件如下:激光输出能量为11mJ;系统增益为5;门宽时间为3μs;每个点打点次数为50次; 激光光斑大小为200μm。试验中测得了土壤样品中的光谱图,综合考虑各原子谱线的已知波长、谱线的精细结构、谱线强度以及谱线的激发电位等因素, 选择周围干扰比较少的谱线,最终确定将波峰为357.869nm 的谱线作为元素定量分析时的分析谱 线,得到相关数据并保存下来。


4、2  定标曲线 通过试验可以得到其中4种标准样品

GBW07108、GBW07122、GBW07716、GBW07301 中 Cr的含量与积分强度之间对应关系,如表1所 示。



以元素 Cr含量为横坐标,相应谱线积分强度为 纵坐标,建立土壤中 Cr的定标曲线。如图所示是试验的4个标准样品的数据的线性拟合直线。



4、3  样品的测量及结果分析采用与标准样品相同积分区间对2个样品的谱线进行处理可以得出它们的积分强度,通过计算得到2种样品中  Cr的含量,如表3所示。 由表3可知,2个样品中都含有Cr,且样品2中 Cr含量比样品1中多,而1号取自围墙下面土壤,2号样品是取自化工厂围墙以里8m  左右树底下的,由此可以判断出该化工厂周边土壤中含有 Cr,且离化工厂中心位置越近Cr含量可能会越 高。



5、 结论

利用激光诱导击穿光谱仪测量了化工厂周边土壤中重金属元素Cr的含量,得到该化工厂周边土壤中含有Cr,且离化工厂中心位置越近Cr含量可能会越高。经调查发现该化工企业主要生产农药产品,而农药产品中通常含有重金属元素Cr,且容易渗入土壤中,由于土壤样品中Cr含量可能与该化工厂生产产品废弃物相关,而考虑到Cr的危害,应当引起相关部门的重视。

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