用于污泥中重金属检测的原子吸收分光法

刘继承，李顺群，周亚东

用于污泥中重金属检测的原子吸收分光法

刘继承，李顺群，周亚东

（天津城建大学 土木工程学院，天津 300384）

为了更有效地检测污泥中的重金属，采用了原子吸收分光法对经微波消解后的污泥中重金属Cu、Zn、Pb、Cr的含量进行检测。测试结果表明：这四种重金属均在所测范围内呈良好线性关系，污泥试样溶液中被检测出的重金属含量均符合国家标准。测试结果证明原子吸收分光法可靠实用、快速简便，可用于污泥、污染土和改性土中的重金属含量测试。

原子吸收分光法；污泥；重金属含量

随着社会科技的进步，工厂和居民区每天都排放出大量的污水，污水中的各种固体成分沉淀后形成的污泥如果不能进行无害化、稳定化和资源化处置，就会造成二次污染，不利于水资源、土地资源的保护，甚至会破坏自然生态系统[1]。重金属是污泥中的一种重要污染物，是以沉淀或吸附的方式转移到污泥中去，是为了减少污泥污染而有待检测的重要目标[2-3]。

重金属的检测是污泥无害化处理的重要步骤。目前，检测污泥中的重金属有一些方法，例如离子浓度计法、电感耦合等离子体质谱仪法等，但这些方法有一定的缺点和局限性。离子浓度计法只能测定重金属离子的浓度，并不能测定重金属的含量。电感耦合等离子体质谱仪法不够快捷简便，测试步骤比较复杂繁琐，而且购置成本和运行成本较高[4-5]。

因此，引用一种可行实用的方法——原子吸收分光法，该方法操作简便、应用广泛，能提高工作效率，其目的是检测污泥中是否含有重金属，若有，可辨别出其元素种类，进而得出被测污泥中重金属的含量。原子吸收分光法具有一定的可行性意义，既能高效地测出污泥中的重金属含量，并将物理因素和化学因素、理论与实践有效地结合在一起，又能为固结处理污泥实验、微生物处理污泥实验做好坚实的基础[6-7]。

污泥的有关性质能反映在原子吸收分光法测试的有利条件中。污泥是一种固体沉淀物质，颗粒较细且比重较小，形成于处理污水的过程，因此污泥的含水量高且最高可接近100%。在本测试中，污泥经微波消解仪消解后，在硝酸的氧化下形成溶液，原子吸收分光法则适用于所形成的污泥溶液中重金属含量的检测，而且采用该方法时所形成的污泥溶液有利于进样管的吸取。

原子吸收分光法在测试仪器方面也具有可行性。若使用石墨炉原子吸收分光光度计，则需要增大被测溶液的定容体积，这样含量范围跨度较大的重金属例如铅，就不容易被检测[8]。故在本测试中，使用的检测设备为火焰原子吸收分光光度计，其优势在于重现性好，有效光程大，对大多数的重金属元素有较高的灵敏度和精确度，也有良好的选择性[9]。相反，该仪器也有弊端即一般不能直接分析固体样品，但这不影响本测试的操作流程和最后结果。

1 仪器

原子吸收分光法可通过测试仪器、测试原理以及测试注意事项来反映和体现，下面是测试仪器的内部构造、基本原理和注意事项。

1.1 仪器构造

采用原子吸收分光法时，测试的核心仪器为AA-7020型火焰原子吸收分光光度计，它由4大部分组成，分别为光源、原子化器、单色器和数据处理系统。其中，空心阴极灯作为光源，原子化器包括雾化器、燃烧器和火焰，单色器又称分光系统，数据处理系统由检测器和显示器两部分组成。

图1 AA-7020型火焰原子吸收分光光度计

1.2 测试原理

通过利用仪器AA-7020型火焰原子吸收分光光度计，并基于物质基态原子蒸汽对特征辐射吸收的作用，来分析金属元素，测定微量元素或痕量元素。利用这些待测元素的共振辐射，通过其原子蒸汽，测定并得出相应元素的吸光度，进而求得所测的重金属元素相对于已知污泥取样的含量[10]。火焰原子吸收分光光度计原理图如图2所示。

图2 火焰原子吸收分光光度计原理图

1.3 注意事项

本测试具有严谨性、科学性和安全性，为了考虑到安全性，本测试的注意事项是必不可少的。以下是三点注意事项：

（1）在测试开始前，一定要做好通风的准备工作，实验室的窗户全部打开，将连接排风扇的通风管伸出实验室外，不要让通风管管口朝向实验室，这主要考虑到乙炔气体的危险性，若在密闭环境下积聚的浓度太高可能会发生爆炸。由于乙炔气体不利人体，故在进行测试之前最好戴上口罩，另外，在配重金属的标样溶液时要带上手套。

（2）在测试进行中，一定要处理完测试中存留的多余乙炔气体，防止乙炔气体仍存在实验室内，对人体健康造成有害的影响。当出现火焰时，可适当将火焰区隔离，切记任何东西不可触碰火焰，以防发生火灾。

（3）在测试结束后，一定要马上关闭空心阴极灯，因为在一定时间的测试后空心阴极灯的温度会很高，防止其发生破裂现象。但在测试时空心阴极灯需要预热，因为通过预热，空心阴极灯会达到内外热平衡，当原子蒸汽层的分布与厚度均匀后，发光强度才能保持稳定，因此空心阴极灯可正常用于检测。

2 测试步骤

为了更好地应用原子吸收分光法，本测试给出了以下详细的操作步骤：

（1）进行原子吸收分光法测试之前须准备好相关的设备器材：AA-7020型火焰原子吸收分光光度计、EW-32型无油低噪音空压机、排风扇、乙炔减压器和一台电脑以及一台打印机。原子吸收分光法测试的主要设备如图3所示。

（2）按下AA-7020型火焰原子吸收分光光度计的电源键，进行自检，可作为预热，同时可打开放置空心阴极灯处的上盖，观察是否符合自检标准即能否顺畅地转动。

（3）打开软件，出现检测框，等待其自动关闭，再采样，设置仪器参数，然后进行扫描，此时空心阴极灯自动转到所设置的重金属并且灯变亮，波形稳定后竖直线停在波峰处，接着调节空心阴极灯的位置，调节框自动关闭后点击“能量平衡”，并“新建项目”。

（4）依次打开排风扇、EW-32型无油低噪音空压机，逆时针转动乙炔减压器的主阀开关，在新建项目后的控制选项里设置乙炔，然后按下原子吸收分光光度计的点火键，若有绿色的火焰出现时则进行下一步操作。

（5）依次对重金属Cu、Zn、Pb、Cr对应的标样溶液和消解后的试样1、试样2、试样3污泥溶液进行检测。具体操作为：将进样管放到装有浓度为零的标准溶液的试剂瓶中，点击“开始”，出现平稳的线形后，点击“测定”，再依次把进样管放到不同的试剂瓶中吸取对应的溶液，确定吸到溶液后，再点击“测定”。

（6）检测结束后，先关闭乙炔减压器，使主阀降到零，副阀也降到零，直到原子吸收分光光度计里的乙炔烧完为止，再关闭无油低噪音空压机，按下放气阀直至为零，关闭排风扇，最后打印测试结果，测试结束。

图3 原子吸收分光法测试的主要设备

3 测试成果

3.1 重金属浓度的线性范围

各重金属的吸光度-浓度曲线图分别如图4、5、6、7所示。Cu、Zn、Pb、Cr的浓度分别在1.0~5.0、0.2~2.0、1.0~10.0、1.0~5.0 mg·L-1的范围内，呈良好的线性关系，相关系数均接近0.999。各重金属的吸光度-浓度曲线图对应的标准曲线方程和线性相关系数见表1。

图4 Cu的吸光度与浓度的关系曲线图

图5 Zn的吸光度与浓度的关系曲线图

图6 Pb的吸光度与浓度的关系曲线图

图7 Cr的吸光度与浓度的关系曲线图

表1 各重金属元素在所对应标样溶液中的检测结果

3.2 计算公式和测试成果

3.2.1 重金属含量的计算公式

其中：表示被测重金属的含量，单位为mg/kg；表示被测污泥溶液中重金属的浓度，单位为mg/L；0.5表示原样污泥的取样量，单位为g，100表示0.5 g原样污泥消解后定容稀释的体积，单位为mL，两者均为标准数量；1 000表示换算单位时的数值。

3.2.2 测试成果

0.5 g的原样污泥经微波消解后形成污泥溶液，该溶液定容稀释后的体积为100 mL，根据测试结果和计算公式得出该污泥溶液试样中重金属的含量，见表2。

表中数据均符合国家标准技术要求，并说明了试样1、试样2、试样3各污泥溶液中均含有不同量的Cu、Zn、Pb、Cr 4种重金属，而且重金属Zn的含量最高，Cr的含量最低。

表2 污泥中重金属的含量 （mg/kg）

4 结论

为了检测污泥中重金属的含量，采用了原子吸收分光法。通过室内测试，可以得到如下结论。

（1）相比其他检测重金属含量的方法，原子吸收分光法更有效快捷、更可行实用。

（2）Cu、Zn、Pb和Cr 4种重金属在所测范围内均呈现良好的线性关系，且Zn的吸光度-浓度曲线图对应的线性相关系数为0.999 20，更接近0.999。

（3）污泥溶液试样1、试样2和试样3中被检测出的重金属含量均符合国家标准，且Zn的含量最高。

在今后的研究工作中，原子吸收分光法将用于固化处理污泥、微生物处理污泥等不同的实验，不断地提升和发展。

[1] 何强, 吉芳英, 李家杰. 污泥处理处置及资源化途径与新技术[J]. 给水排水, 2016, 52(02): 1-3.

[2] Choudri B S, Yassine Charabi. Health effects associated with wastewater treatment, reuse, and disposal[J]. Water environment research: a research publication of the Water Environment Federation, 2019, 91(10): 976-983.

[3] 解道雷, 孔慈明, 徐龙乾, 等. 城市污泥中重金属存在形态、去除及稳定化研究进展[J]. 化工进展, 2018, 37(01): 330-342.

[4] 卢立苹. 离子浓度计的研制[D]. 沈阳: 东北大学, 2008.

[5] 李源, 字雨姝, 刘朝, 等. 电感耦合等离子体质谱法测定土壤中有效态镉[J]. 化学分析计量, 2019, 28(5): 14-18.

[6] 彭旭更, 胡保安. 河湖疏浚底泥的固化处置技术研究进展[J]. 水道港口, 2011, 32(5): 367-372.

[7] 黄小兰, 陈建耀. 微生物应用于污水污泥处理的研究[J]. 亚热带资源与环境学报, 2010, 5(1): 48-55.

[8] 华细灿. 石墨炉原子吸收分光光度计测定水中硅的研究[J]. 化工时刊, 2019, 33(6): 16-19.

[9] 刘建利, 王舒婷, 高伟, 等. 火焰原子吸收分光光度法测定蚯蚓粪中重金属[J]. 安徽农业科学, 2010, 38(29): 16429-16430.

[10] 张青, 李业军. 原子吸收分光光度法测定水中的重金属铅和镉[J]. 当代化工, 2015, 44(5): 1188-1190.

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

中国交通建设集团有限公司岩土工程重点实验室开放课题（2019-KJ-Y-01）；天津市科技支撑重点项目（19YFZCSF00820）。

刘继承(1994-)，男，安徽桐城人，硕士。

李顺群(1971-)，男，河南卫辉人，教授，博士。

责任编校：刘亚兵