ICP-AES 在测定化工废水中铜、铁等元素的应用

蒋春林

（长安大学 化学工程与工艺学院，陕西 西安71000）

化工废水主要包括工业生产时随水体流失的用料、中间产物以及生产时产生的污染物等[1,2]，据报道，我国每年污水排放总量在750 亿t 以上[3]，而环境中铜、锌、铁、汞、铅等重金属主要来源于工业废水，这些废水中重金属毒性较高、容易污染地下水、且难以生物降解、容易在生物体内积累。废水中重金属含量直接影响着水体的质量，因此，这些样品中重金属含量的准确测定显得尤为重要，目前，废水中铜、铁元素的分析测定方法较多，传统的方法主要有原子吸收光谱法、分光光度法、化学法、电感耦合等离子体质谱法、X 射线荧光光谱法等[4-8]，这些分析方法普遍存在着分析流程复杂、使用药品多等特点，对于大批量样品的分析操作较为繁琐。

电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）是以ICP 为发射光源的一种分析方法，主要由光谱仪、计算机系统、ICP 矩管、进样系统以及高频发射器等组成[9]，该法具有检出限低、稳定性及精密性好、干扰少、准确度高、可供选择的测量波长高、可多种元素一起测量等优点[10]，在国外、ICP 法发展迅速，被广泛应用于各行业共70 余种元素的测定。

1 实验部分

1.1 试剂及仪器

铜和铁标准储备液（AR 中科院化学研究所分析测试中心）；H2O2溶液（AR 国药集团化学试剂北京分公司）；HNO3（AR 西安泰康生物科技有限公司）；浓HCl（AR 大连越秀化学试剂有限公司）；NH3·H2O（AR 南京毕特博生物技术有限公司）；高纯Ar（诚泰化工股份有限公司）；自制超纯水。

BS124S 型分析天平（赛多利斯科学仪器（北京）有限公司）；YYQ04 型移液器（南京博泰科技创业服务有限公司）；ZUPW 型 超纯水机（成都优普仪器设备有限公司）；X-02 型电感耦合等离子质谱仪（赛默飞世尔科技（中国）有限公司）；iCAP 3600 型电感耦合等离子发射光谱（赛默飞世尔科技（中国）有限公司）；KQ306 型超声清洗器（昆山市超声仪器有限公司）；ZH-PFA 型溶样罐（南京瑞尼克科技有限公司）；TANK 微波消解仪（上海新仪微波化学科技有限公司）。

1.2 水样来源及预处理

试验用水取自西安某工业园区污水处理厂入口处废水，该园区废水主要由医疗、染料、冶炼厂、电镀厂、硫铁矿等企业所排废水综合而成，水样收集于玻璃容器后滴加适量的（1+1）HNO3保证水体中重金属物质不被容器吸附，分析前水样采用微波消解[11]，消解步骤为：水样采集后先摇匀、随后量取3 份平行样（编号依次为S1、S2、S3）、每份100mL 并置于消解罐中，接着在每份样品中分别加入50mL 浓HNO3和50mL H2O2溶液，待装置内反应稳定后盖紧容器，设置消解罐中消解温度为160℃、消解时间为30min、升温时间为15min，装置运行完毕自动冷却后移出消解液，在容量瓶中分别定容至500mL，处理好的水样与铜、铁标准使用液一起测定。购买的铜、铁混合标准储备液浓度均为1000μg·mL-1，试验前先取一定量标准储备液稀释至100μg·mL-1制成铜、铁混合标准使用液。

1.3 标准曲线的绘制

取7 个容积为100mL 的容量瓶、依次加入0、0.5、1、2、3、5、10mL 混合标准使用液、经HNO3定容至适当刻度、分别制得浓度为0、0.5、1、2、3、5、10mg·L-1的标准溶液，将所配置的铜和铁标准溶液在ICP-AES 下测定强度，并绘得铜、铁的标准曲线见图1、2。

图1 铁标准曲线Fig.1 Iron standard curve

图2 铜标准曲线Fig.2 Copper standard curve

2 结果与讨论

2.1 分析线选择

在选择测定的谱线时，应考虑到两个测定元素之间有相互干扰的可能性，故试验时每个元素应选择4 条及以上谱线进行试验，将存在相互干扰的曲线剔除、保留信号强度适中、干扰小的曲线。试验对铜元素的测定时共选取了波长分别为274.36、228.54、235.17、258.75nm 共4 条谱线、对铁元素的测定时选取了波长分别为338.56、332.41、235.47、252.16nm 4 条谱线，结果表明：对比其他波长的谱线时，分别选取274.36、332.41nm 作为铜和铁的分析谱线时信号稳定、强度高、信噪比好。

2.2 激发功率对灵敏度影响分析

进行激发功率选择时，先选取铜和铁混合标准溶液浓度为5mg·L-1、设定固定雾化器压力为25kPa，试验表明，激发功率在700～1400W 范围内变化，铜和铁混合标准溶液净信号值与激发功率关系曲线分别见图3。

由图3 可见，随激发功率增大，铜标准溶液净信号值逐渐增大、铁标准溶液净信号值先增大后略有减小，综合考虑两种元素的净信号值，选择1245W 为工作功率。

图3 激发功率与铜、铁标准溶液净信号强度关系曲线Fig.3 Relation curve of excitation power and net signal intensity of copper and iron standard solutions

2.3 雾化器压力对灵敏度分析

根据上述实验确定最佳激发功率为1245W，为选定雾化器的压力、保持铜、铁混合标准溶液浓度为10mg·L-1以及激发功率1245W 不变，改变雾化器压力，结果见图4。

图4 雾化器压力与铜、铁标准溶液净信号强度关系曲线Fig.4 Relationship between the pressure of the atomizer and the net signal intensity of copper and iron standard solutions

由图4 可知，随雾化器压力逐渐增大，铜的净信号强度值逐渐增大，铁的净信号强度值先增大后减小，当雾化器压力为25psi 时，信号值达到最大值。因此，综合考虑铜和铁元素的净信号值，选择试验雾化器压力为25psi。

2.4 样品分析

为保证实验的组数、对每个样品的水样又分3次测定、则共测得9 组数据，结果见表1。

表1 样品分析试验结果Tab.1 Sample analysis test results

由表1 可知，9 次实验中Cu 元素浓度均在6.4mg·L-1左右，Fe 元素浓度在0.7mg·L-1左右，且两种元素的标准偏差以及相对标准偏差均较小，相对标准偏差小于5%，说明结果较为集中，且该法测定铜和铁元素含量精密度较好。

2.5 加标回收试验

选取上述每组试验中3 次测定结果的平均值作为该组样品平均浓度，则S1、S2、S33 组水样中Cu 元素含量分别为：6.36、6.39、6.40mg·L-1；Fe 元素含量分别为：0.72、0.73、0.71mg·L-1，在这3 组分别量取100mL水样，随后分别添加100mL 浓度为5mg·L-1铜和1mg·L-1的铁标准溶液加标，测定混合后水样中铜和铁元素含量，并计算出回收率以及相对标准偏差，结果见表2。

表2 加标回收试验结果Tab.2 Standard recovery test results

由表2 可知，加标5mg·L-1铜标准溶液时，3 组试验中目标分析物铜的回收率分别为101.4%、99.4%、100.1%，加标1mg·L-1铁标准溶液时，3 组试验中目标分析物铁的回收率分别为97.0%、98.0%、102.0%。一般而言，加标回收实验中回收率在90%～110%范围内，说明试验方法的准确度较好[12]，本实验中回收率均在此范围内，且接近100%，说明该方法测铜和铁元素含量准确度较高，结果可信赖度较高。

3 结论

本文采用ICP-AES 法测定化工废水中铜和铁元素含量、通过对分析线、激发功率、雾化器压力选择试验，确定了试验时最佳的谱线波长、激发功率以及雾化器压力，对水样的多次平行试验以及加标回收试验。结果表明，该法测定水样中铜和铁元素准确度好、精密度高、结果准确，两种元素回收率在97%～102%范围内。