原子吸收法测定钢铁废水中的重金属及影响因素分析.pdf

冶金标准化与质量2024,Vol.62,No.120收稿日期：2023-11-17作者简介：胡彬，女，工程师。E-mail：原子吸收法测定钢铁废水中的重金属及影响因素分析胡彬（福建三钢闽光股份有限公司 福建 三明 365000）摘要：本文主要研究了石墨炉原子吸收分光光度法测定钢铁废水中的 Cd、Pb、Cu 三种重金属含量及其影响因素。该方法准确、高效、检出限低，解决了传统化学方法操作繁琐、分析周期长的弊端。关键词：石墨炉原子吸收分光光度法；钢铁废水；重金属；影响因素中图分类号：O657文献标识码：B文章编号：1003-0514(2024)01-0020-04Determination of heavy metals in iron and steel wastewater by atomic absorption spectrometry and analysis of influencing factorsHu Bin（Fujian Sansteel Minguang Co.，Ltd.，Sanming 365000，China）Abstract：The determination of heavy metals such as Cd,Pb,Cu in iron and steel wastewater by graphite furnace atomic absorption spectrophotometry and its influencing factors were studied in this paper.The method is accurate,efficient,low detection limit,and solves the disadvantages of traditional chemical methods,such as cumbersome operation and long analysis cycle.Key words：graphite furnace atomic absorption spectrometry；steel wastewater；heavy metals；influencing factor0前言水是人类的生命之源，随着现代工业的发展，重金属污染问题日趋严重,因此水体的重金属污染一直是社会各界关注的焦点。在预防或治理水中重金属污染的过程，定性定量地检测水中重金属，是追溯污染源头、检验水体质量、做出正确决策的重要前提1。国家对水质监测要求日益提高，重金属检测技术快速发展并不断成熟，许多先进的设备已逐渐应用在水质检测中。手工检测方法被自动化仪器分析所取代的趋势越来越明显，检测方法的灵敏度和精确度也在不断优化，先进的检测技术不仅能够提高数据可靠性，也加快分析速度2。本文通过石墨炉原子吸收分光光度法对钢铁废水中的Cd、Pb 和 Cu 重金属含量进行分析测定，该方法具有灵敏性高、精准度高、检出限低以及流程操作简单的特点。1实验部分1.1实验原理石墨炉原子吸收分光光度法的工作原理是：在高温环境下将待检测元素的化合物进行原子化，使其分解为基态原子。当锐线光源发射的特征辐射线，穿过具有一定厚度的原子蒸气时，待测元素的基态原子能够吸收一部分的光。根据朗伯-比尔定律，通过吸光度值可以计算出待测元素的具体含量3。将测得的水样吸光度和标准吸光度进行比较，bz2401正文.indd 20bz2401正文.indd 202024/2/26 15:17:352024/2/26 15:17:35分析测试212024,Vol.62,No.1确定水样中被测金属的含量。1.2主要的分析仪器和试剂仪器：A3AFG-12 石墨炉原子吸收分光光度计（具有背景校正功能，北京普析通用仪器有限责任公司），AS1200 冷却水循环机（北京同洲维普科技有限公司），氩气（纯度 99.999%，福建岩兴气体有限公司），可调电子万用炉（天津市泰斯特仪器有限公司），微波消解仪（配套的微波消解罐，青岛聚创环保设备有限公司）试 剂：优 级 纯 HNO3（65%68%），HCl（36%38%）,1 000 g/mL 的 Cd、Pb 和 Cu 的标准储备液(国家钢铁材料测试中心钢铁研究总院）1.3仪器工作的主要参数主要参数见表 1。表 1仪器工作的主要参数工作参数元素CdPbCu光源空心阴极灯空心阴极灯空心阴极灯波长/nm228.80 283.30 324.75 灯电流/mA2.0 2.03.0 光谱宽度/nm0.4 0.4 0.4 滤波系数0.1 0.1 0.1 干燥温度/100100150升温时间/s10105保持时间/s101015灰化温度/350400500升温时间/s101010保持时间/s101010原子化/1 7001 7002 000升温时间/s000保持时间/s333净化温度/1 9001 9002 200升温时间/s111保持时间/s111进样体积/l101010背景校正方式氘灯扣背景氘灯扣背景氘灯扣背景1.4标准溶液配制 配 制 Cd、Pb 和 Cu 标 准 溶 液 采 用 逐 级 稀释 方 法：用 20.0 mL 胖 度 移 液 管 吸 取 20.0 mL 1 000 g/mL 的 Cd 标准储备液至 1 000 mL 容量瓶中，用 0.5%HNO3稀释至标线，此 Cd 标准溶液浓度为 50.0 ng/mL，再用移液管分别吸取 0、0.5、1.0、2.0、3.0、4.0 mL 和 5.0 mL 至 50 mL 容 量 瓶 中，用0.5%HNO3稀释至 50.0 mL，配制成 Cd 标准溶液浓度分别为：0.0、0.5、1.0、2.0、3.0L、4.0、5.0 ng/mL；同理用 Pb、Cu 的标准储备液和 0.5%HNO3按表 2 分别配制 Pb 和 Cu 的标准溶液系列。表 2Cd、Pb 和 Cu 标准溶液系列目标元素标准溶液浓度/（ngmL-1）1234567Cd0.0 0.5 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 Pb0.0 1.0 3.0 5.0 10.0 15.0 20.0 Cu0.0 1.0 3.0 5.0 10.0 15.0 20.01.5样品的采集和制备本次实验于 2023 年 7 月 18 日上午取集团废水总排口（以下简称总排口）和集团南区废水排放口（以下简称南区排放口）做水样样品。移 取 50.0 mL 水 样 于 微 波 消 解 罐 中，加 入9.0 mL HNO3和 3.0 mL HCl 置于微波消解仪中，10 min 由室温升至 180 ,保持 15 min。消解完毕，置于通风橱内冷却至室温后，将消解液移至烧杯中，用少许超纯水洗涤消解罐和盖子后一并倒入烧杯中，置于电加热设备上，将溶液蒸发至近干，冷却后，用超纯水淋洗烧杯内壁 3 次，全量移入 50 mL容量瓶中，用超纯水定容至标线，摇匀待测4。2结果与分析2.1工作曲线绘制配制的 Cd、Pb 和 Cu 的标准溶液依次由低浓度到高浓度用石墨炉原子吸收分光光度法在各自的波长下测得吸光度，吸光度与浓度的测定值结果见表 3。表 3标准曲线及线性关系元素浓度值/(ngmL-1)吸光度/ARA0A1Cd0.0 0.002 20.999 30 0.055 40 0.001 180.5 0.029 91.0 0.058 22.0 0.110 13.0 0.165 0 4.0 0.216 95.0 0.284 6Pb0.0 0.000 50.999660.00516-0.00036bz2401正文.indd 21bz2401正文.indd 212024/2/26 15:17:352024/2/26 15:17:35冶金标准化与质量2024,Vol.62,No.122元素浓度值/(ngmL-1)吸光度/ARA0A1Pb1.0 0.005 53.0 0.014 15.0 0.025 0 10.0 0.051 315.0 0.075 620.0 0.104 1Cu0.0 0.000 40.998 960.006 27-0.000 20 1.0 0.005 0 3.0 0.016 25.0 0.034 510.0 0.061 115.0 0.096 120.0 0.123 6备注：R 为曲线回归后的相关系数，A0 为曲线斜率，A1 为曲线截距。续表 3表 4水样中目标元素测定结果及精密度元素测定次数总排口南区排放口平均值/(ngmL-1)SDRSD%平均值/(ngmL-1)SDRSD%Cd62.812 0.045 1.608 1.204 0.035 2.892 Pb610.204 0.227 2.223 4.279 0.135 3.150 Cu68.968 0.284 3.165 6.580 0.134 2.040以上可以看出元素 Cd、Pb 和 Cu 的线性良好。2.2测量结果总排口和南区排放口水样依次放入进样盘的进样杯中，测出吸光度，根据 Cd、Pb 和 Cu 的标准曲线展开计算，从而完成水样中 Cd、Pb 和 Cu 各个浓度值的计算。同时对这两种水样进行 Cd、Pb 和 Cu的加标实验，并算出相对标准偏差和加标回收率。结果见表 4、表 5。从表 4 可以看出总排口和南区排放口水样中的 Cd、Pb 和 Cu 的浓度未超过 GB 13456-2012钢铁工业水污染物排放标准 中污染物排放浓度限值（Cd：0.1 mg/L，Pb：1.0 mg/L，Cu：0.5 mg/L）。水样中各个元素的 RSD%均在 5%以下，表明用石墨炉分光光度法分析该水样精密度良好，适用于钢铁工业表 5水样目标元素的加标回收结果元素测定次数总排口南区排放口加标量/(ngmL-1)水样平均值/(ngmL-1)水样加标浓度值/(ngmL-1)回收率%加标量/(ngmL-1)水样平均值/(ngmL-1)水样加标浓度值/(ngmL-1)回收率/%Cd61.0 2.812 3.838 102.62 1.0 1.204 2.186 98.23 Pb65.0 10.204 15.304 102.00 5.0 4.279 9.218 98.79 Cu65.0 8.968 14.046 101.56 5.0 6.580 11.732 103.04废水中重金属 Cd、Pb 和 Cu 的测定。从表 5 可以看出水样中的各个元素的加标回收率在 90%105%间，说明用石墨炉分光光度法分析该水样准确度较高，适用于钢铁工业废水中重金属 Cd、Pb 和 Cu 的测定。3讨论采用石墨炉原子吸收分光光度计测定重金属Cd、Pb 和 Cu 元素过程中，发现有以下几点会影响测定结果。3.1器皿要求洁净的容器是做好石墨炉原子吸收分光光度法的重要条件，器皿的洁净与否直接影响实验结果。在用石墨炉原子吸收分光光度法测定重金属时，配制所用的移液管、烧杯、容量瓶等玻璃器皿，样品进样杯、消解罐必须在 10%20%的 HNO3溶液中浸泡 24 h 后，用超纯水冲洗，置于自然环境中晾干方可进行使用。否则容易出现交叉感染，影响测量结果。3.2自动进样器与石墨管进样孔的位置调节自动进样器与石墨管进样孔的位置在每次测定前需重新调节两者之间的深度，在自动进样器放bz2401正文.indd 22bz2401正文.indd 222024/2/26 15:17:352024/2/26 15:17:35分析测试232024,Vol.62,No.1入石墨管进样孔底部上方 0.70 mm 左右为宜。若自动进样器离石墨管进样孔过深或者过浅，则自动进样器喷出液滴时可能带走部分液滴或者液滴部分喷至石墨管进样孔边缘，都会影响测量结果。3.3元素灯的预热时间控制元素灯的预热时间，也是测定钢铁废水水中重金属的重要条件。在使用某个元素的空心阴极灯前，需做好相应的预热处理，不同元素对灯电流的需求有所差异，所以会面临不同的预热时间。若预热时间不够，灯电流突然升高，容易造成阴极溅射；也可能出现电流不稳，导致吸光度出现偏差，影响测量结果。通常情况下各个元素灯预热 30 min时间即可。3.4加热程序的设定石墨炉的加热程序设定在整个分析测定中起着重要的作用。若干燥温度选择过低，水分或有机溶剂在干燥阶段不能蒸发，会导致影响测量结果；若灰化温度温度过高会损失待测分析物，温度过低共存物质残留过多，灵敏度相应下降；原子化温度太高会影响原子化器和石墨炉的寿命，太低又不能实现理想的原子化，影响测量结果。因此，原子化温度选择的原则是能得到最大吸收信号的最低温度；净化温度一般比原子化温度高 200 400 即可除去石墨管内上一次测定样品的残留物。4结语用石墨炉原子吸收分光光度法测量重金属元素是一个复杂的过程，微小的误差都能引起测量结果的极大偏差，因而对分析要求极高。所以在测量钢铁工业废水中的重金属元素过程中有许多需要值得注意的问题，如仪器设备运行状态的检查，测量前仪器的预热、器皿的清洁、自动进样器的清洁、自动进样器与石墨管进样孔的位置调试，氩气的纯度及压力的调节，测量过程中待测元素如何减少被干扰，升温程序的设定和时间的选择等，这些在分析测量过程中都需要特别注意，争取寻求最佳的分析条件，进而保证数据的准确性和可靠性。参考文献1 肖烨.环境水质分析中重金属水质检测的重要性.环境与发展，2020，（4）：148-1492 蒋文涛.原子吸收光谱法检测环境样品中重金属含量的应用 J.环境与发展，2020，（8）：99-100.3金海华.原子吸收分光光度计的使用与维护J.科技创新与应用，2016，（10）：66.4 国家环境保护总局 水和废水监测分析方法 编委会.水和废水监测分析方法（第四版)(增补版)M.北京:中国环境科学出版社，2002：331-332.（上接第 19 页）3结语公司不断研发新钢种，以及特钢的不断生产，对钢中的重要元素的检测精确度要求不断提升，对Al、Ca、Zn 等元素的控制水平提出越来越高的要求。在直读光谱仪精度满足要求外，制样环节更是重中之重。通过实践应用全自动铣样机在铣制质量、操作步骤、环境保护和人员操作安全方面均优于传统磨样机，全自动铣样机加工样品配合实验室检测系统是炼钢企业现代化、大型化所必备设备，让生产更高效。参考文献1 赵兰季，许鸿英，李治国，等.全自动铣样设备在钢铁光谱分析中的应用 J.河北冶金，2011，186（6）：43-45.2GB/T 4336-2016，碳素钢和中低合金 多元素含量的测定火花放电原子发射光谱法（常规法）S.北京：中国标准出版社，2016.bz2401正文.indd 23bz2401正文.indd 232024/2/26 15:17:352024/2/26 15:17:35