微波消解技术在环境化学分析中的应用

石淼　段丽君　林鹏

摘   要：随着我国社会经济的快速发展，环境污染问题已成为目前最为重视的问题。针对环境科学和环境保护的研究，环境化学分析提供了科学的手段和基础，且环境化学分析的应用非常广泛，有利于实施可持续发展战略以及环境保护工作。在实际的环境化学分析中，对物质样品成分的分解存在一些问题。传统的消解方式中含有有毒物质的消解工作存在一定的难度，使得操作过程十分复杂，并且还存在污染以及消解适用范围受限的问题。随着我国科学技术的不断发展，在环境化学分析中探索出了一种新型的分解方式—微波消解技术。不仅解决了有毒物质消解工作的局限性问题，还使得消解工作更加精确、高效、环保。阐述了有关微波消解技术的定义，简要地分析了微波消解技术的基本特征，并具体讲解了在环境化学分析中应用微波消解技术的具体内容及其重要性。

关键词：微波消解技术;环境化学;应用

1    环境化学分析

环境化学的主要内容是对环境中所存在的有害化学物质进行研究，通过对有害化学物质在环境中的存在形式及化学性质对有害化學物质进行一定分析，有效地控制并减少对环境的污染。目前，对于环境化学的研究越来越重视，在具体的研究过程中，对将要分析的样品进行一定的检测，以便了解样品内所含的化学成分，分析化学状态，最终达到控制目的。在进行环境化学分析实验之前，要对所需检测的样品进行适当处理，一般情况下，应该让其处于液体状态。在传统的消解技术中，通常采用物理的方法对样品进行溶解，如果含有无法溶解的成分，可以采用灰化的方法。这些方法多数采用强酸强碱对其进行处理，在这个操作的过程中，容易使样品出现挥发性损失，还会造成额外的环境污染问题。因此，为了避免这一系列问题的出现，对样品的处理多采用微波消解技术，利用微波的穿透力来催化液体中所含的吸波物质，从而达到物化反应效果。整个工作过程，更加直观、有效、环保，所消耗的时间也相对较短。我国对微波消解技术的深入研究，使其在环境化学分析中得到广泛的应用，提高了环境化学分析的准确性。

2    有关微波消解技术的重要定义

一般微波的波长在1～1 000  mm，频率在300～300 000 MHz。微波具有极强的穿透力，在封闭的环境中也能够穿透多种物质，有助于对多种物质的成分组成进行了解、分析。微波消解技术主要是利用分子极化以及离子导电两种方式来对样品中所含有的物质进行加热，使表面快速发生消解形成新表层，继续之前的反应，最终短时间内将全部样品物质进行分解。由此可以看出，微波消解技术和传统的消解技术相比，在加热方式上有着明显的区别。微波消解技术可以在封闭的反应环境中进行，并且使得最终所得的数据更加精确[1]。

3    微波消解技术所具有的基本特征

在化学环境分析中使用微波消解技术主要是利用微波的特性对有害物质进行消解。其中，在实际的化学环境分析过程中，不同种类的材料进行微波处理后呈现的状态是不同的，微波中的有机分子以及无机分子使材料构成偶分子，并且将偶分子进行重新组合，确保高频交变电磁场以最快的速度进行摆动运行，最终达到摩擦、微波加热的预想效果。

3.1  微波消解技术的时效性

微波具有较强的辐射，可以在短时间内对材料进行加热，如果不存在微波辐射，则加热过程立即终止，且材料也能够在极短的时间内进行散热，这便是微波加热的时效特性。实验数据表明，极性角频率的变化和弛豫时间这两者之间存在一定的密切关系，是微波段所具备的普遍现象。在我国环境化学分析中所使用的微波消解技术的微波频率通常为915 MHz或2 450 MHz，通过对其进行转化实验后，发现，处于这两个频率的微波能量实效性是最好的。

3.2  微波消解技术的整体性

微波所具有的能量是十分高的，并且具备较强的穿透能力，不仅能够穿透材料物体的表面，在物体的内部传递一定的电磁能量，还能使水分子的分解过程所需要的时间更短。微波是一种体热源，具有加快热传导速度的能力，并且对物体材料的内外加热效果都良好，其均匀度比较高，能够很好地满足工业生产以及自动化控制的需求[2]。

3.3  微波消解技术的选择性

物质材料具有显著的介电属性，其中，只有一部分材料能够使用微波加热的方式，且不同材料物体对于微波信息的反馈效果是不一样的。针对微波信息反馈的效果进行研究分析，可以将材料物质大致分成4种类型：微波反射型、微波吸收型、微波透明型以及部分微波吸收型。

3.4  微波消解技术的高效性

在传统的加热过程中，预热设备的辐射以及高温介质的热损所占的比例较大，而微波消解技术的加热过程，能将材料物质所吸收的微波转化为热能量，并且设备的金属外壳能使微波产生反射效果，这种方式能使加热设备中的热损耗量得到一定的减少。在微波消解技术中的微波能量传导方式主要是利用内部的热源进行加热，不需要高温介质的传导作用，材料物质吸收微波能量之后可以将其直接转化成热量，这和传统的加热方式相比较，能够有效地减少用电量。

3.5  微波消解技术的安全性

在传统的消解技术的加热过程中，一般使用矿物燃料作为能量的来源，最终燃烧所产生的物质主要为二氧化碳，二氧化碳就是导致温室效应的主要原因，而在微波消解技术的加热过程中，主要使用的能源来源是电能，这便减少了对于环境的污染。其中，微波非热效应主要是利用对物体材料进行微波辐射的方式来抑制材料的活性，这样所得到的加热效果是相对比较理想的，和传统的加热方式相比，造成的营养损失相对较少[3]。

4    在环境化学分析中应用微波消解技术的重要性

先进的微波消解技术，就是利用微波所具有的特性，实现更快、更好地对样品材料进行加热程序的目标，这是完成环境化学分析的重要基础。在微波消解技术和传统的消解技术两者之间进行比较时可以发现，前者整体的消解效果更加有效、显著，利用微波所具备的特性，根据工业测定的要求来进行下一步的消解流程。伴随着微波消解技术的不断发展，应用的范围也越来越广泛，不仅能够为相关的学科研究提供良好的技术基础，还能够确保进行环境化学分析工作的高效性以及准确性。

5    在环境化学分析中应用微波消解技术的具体内容

5.1  对于化学需氧量的测定

在环境化学分析中，要对水质的状况进行一定的测量以及评估工作，但在微波消解技术中，能够通过对化学需氧量的测量达到对水质进行测定的效果。在测定化学需氧量时，如果采用重铬酸钾的方式，将会造成大量试剂以及样品的消耗，并且测定所消耗的时间较长，因此，测定成本也相当高。如果采用高压蒸气消化法进行测定时，消化也会消耗过长的时间;如果使用密闭消解法，虽然效率较高，但是由于是在密闭空间中进行消化工作，将会造成样品材料中存在不同类型的气体，最终很容易造成消解管产生一定的损耗;而使用微波消解法，不仅能够更加快速地进行消化工作，还能够使得所測定的需氧量更加准确，最终整个的消解过程便具有了良好的重复特性[4]。

5.2  对于金属元素的测定

在样品材料中可能存在一些金属元素，所以，在进行环境化学分析时，使用微波消解技术，不仅能够提高整个消解过程的效率，还能够使金属元素的测定数据更加准确。因为金属元素的特性可以反射微波，所以结合其他的方法能够有效提高对铜、汞等金属元素的测定。在测定过程中，取1 g脱水后的泥饼，放到六连体微波消解罐中，并加入少量的水，然后分别加入9 mL的硝酸以及3 mL的氢氟酸。通过对比不同方式下的回收率和整体测定的准确性，可以得出微波消解技术在金属元素的测定工作中具备优势，能够根据样品材料的不同来选择不同的测定方法，最终达到提升其消解效果的目的。

5.3  对于土壤样品的测定

在化学环境分析过程中，使用微波消解技术能够对土壤样品中的有机碳元素质量分数进行测定，有效提高整体分析的精准性。其测定过程先称取0.25 g的土壤样品，再分别加入10 mL的硝酸以及3 mL的氢氟酸;在3 min内将液体的温度上升到150 ℃，保持恒温3 min后加热到155 ℃，然后保持恒温18 min;将液体转移到烧杯中，最终加入0.5 mL的高氯酸苷酸进行定容工作。

5.4  对于含水率的测定

针对样品材料含水率的测定，主要采用的方式是微波加热烘干法，测定的过程十分快速，能够在极短的时间内确定样品材料的含水率。现阶段，我国粮食、果蔬等行业以及各种化学试剂的湿度检测等都是利用这种方法[5]。

5.5  对于大气中硒的测定

在使用微波消解技术的基础上，结合石墨炉原子吸收光谱法来对大气颗粒物中的硒进行测定，该方法的操作过程十分简单，其最终的测量数据也更加精准。测定过程是先取适量的大气颗粒物品滤膜，放到消解罐中，并加水，对其进行湿润，然后再加入3 mL的硝酸、3 mL的盐酸以及0.3 mL的双氧水，并对温度进行严格的控制，在消解过程结束之后，对溶液进行冷却稀释定容，最后再进行样品成分分析。消解实验后的材料可以进行回收再利用，回收率可高达97%。

6    结语

从我国生态环境的实际发展状况上来看，对于环境的保护工作已经成为重中之重。微波消解技术在我国环境化学分析中起到重要作用，因此，需要重点研究、发展微波消解技术的应用。从事环境污染处理工作的技术人员要充分了解微波消解技术，加强该方面的学习，并根据我国目前环保污染项目的情况来更好地应用这些先进的技术，为实现我国未来可持续发展战略做出贡献。

[参考文献]

[1]王照丽，罗娅君，李   薇.微波消解法测定工业废水中的化学需氧量[J].环境科学与技术，2016（S1）：71-74.

[2]金铃和，陈   辉，范春林，等.微波消解-电感耦合等离子体质谱法同时测定椴树蜂蜜中23种元素[J].食品工业科技，2016（1）：320-325.

[3]唐   楠.微波消解石墨炉原子吸收法测定环境空气中痕量锡[J].化学分析计量，2016（2）：63-65.

[4]王兴启.研究分析环境化学分析中的微波消解技术[J].云南化工，2017（12）：24-25.

[5]任   欢.微波消解技术在环境化学分析中的应用探究[J].中国石油和化工标准与质量，2018（10）：193-194.