微波辐射技术在环境监测中的应用

2005/10/20 13:09:00

作者:滕州市环保局 支宗琦 2004年9月13日14:38 
 
 支宗琦  （山东滕州市环境监测站   滕州  277100）

摘要：本文分别介绍了微波萃取、微波消解技术的原理及特点，并展望了微波辐射技术在环境监测中的应用前景。
关键词：微波萃取  微波消解  环境监测
1 引言
微波辐射技术用于促进化学反应始于1986年Gedye R等在微波炉内进行的酯化、水解和氧化反应，而微波辐射技术在环境工程中的应用潜力直到最近几年才逐渐被人们注意到。截止到目前，微波辐射技术已被成功地用于环境监测、废气治理、污水处理和固体废弃物处理等各个环境工程研究领域，在环境监测中的应用研究则主要集中在微波萃取和微波消解等样品预处理方面。
2 微波萃取
2.1 微波萃取原理
微波萃取的基本原理是利用介质吸收微波辐射能程度的差异，通过选择不同溶剂和调节微波加热参数，对物料中目标成份进行选择性萃取，从而使试样中的目标物（如有机污染物）和基体物质有效地分离。微波萃取已经广泛地应用于土壤、沉积物和各种有机体中目标物的萃取分离。
2.2 微波萃取特点
1、快速高效
  样品及溶剂中的偶极分子在高频微波的作用下，以109/s圈的速度变换其正、负极，产生偶极涡流、离子传导和高频率摩擦，从而在短时间内产生大量的热量。偶极分子旋转导致的弱氢键破裂、离子牵移等加速了溶剂分子对样品基体的渗透，待分析成分很快溶剂化，使微波萃取时间显著缩短。
2、加热均匀
  微波加热是透入物料内部的能量被物料吸收转换成热能对物料加热，从而形成独特的物料受热方式，整个物料被加热，无温度梯度，即微波加热具有均匀性的优点。
3、微波加热具有选择性
  微波对介电性质不同的物料呈现出选择性的加热特点，介电常数及介质损耗小的物料，对微波的入射可以说是“透明”的。溶质和溶剂的极性越大，对微波能的吸收越大，升温越快，促进了萃取速度。而对于不吸收微波的非极性溶剂，微波几乎不起作用。所以，在选择萃取剂时一定要考虑到溶剂的极性，以达到最佳效果。
4、生物效应（非热效应）
  由于大多数生物体内含有极性分子，在微波场的作用下引起强烈的极性震荡，从而导致细胞分子间氢键松弛，细胞膜结构电击穿破裂，加速了溶剂分子对基体的渗透和待提取成分的溶剂化。因此，利用微波萃取从生物基体萃取待分析的成分时，可以提高萃取效率。
2.3 微波萃取技术与其它技术的比较
任何一种萃取技术都是为了从基体中快速、高效地分离出待分析成分，但是由于基体的复杂性及萃取技术的不同特点，常常在选取方法的时候必须考虑到分析的目的和分析方法的费用、操作的繁简、时间的多寡等因素。其它方法如超声波萃取、超临界流体萃取和加速溶剂萃取等特性比较见表1。索氏抽提是一种历史悠久的经典萃取方法，该法在对那些活性物质的提取中比较常用，但该法有费时、工作强度大且耗费溶剂量大，在浓缩时易造成环境污染等不足。
表1                 不同萃取方法的比较
索氏提取 超声波萃取 微波萃取 超监界流体萃取 加速溶剂萃取
时间 24～48h 30～60min 4～20min 30～60min 15min
预分离 不过滤 过滤和溶剂蒸发 洗脱 不过滤 不过滤
溶剂用量 大 大 小 小 大
费用 低 低 高 高 高
工作强度 大 大 低 低 低
污染程度 大 大 小 小 小
3微波消解
3.1微波消解的原理
微波消解的基本原理是利用样品的微观粒子在微波场中可产生电子极化（原子核周围电子的重新排布）、原子极化（分子内原子的重新排布）、取向极化（分子永久偶极的重新取向）和表面极化（自由电荷的重新排布）。在这4种极化中，与微波电磁场的振动周期（10-9～10-12s）相比，前2种极化要快得多（驰豫时间分别为10-15～10-16s和10-12～10-13s），所以不会产生介电加热，而后2种极化则与之相当，可以产生介电加热，即通过微观粒子的这种极化过程，将微波能转化为热能。
3.2微波消解的特点
1、样品分解完全
由于分解反应是在高温、高压的密闭容器里进行，在应用合理的酸和溶剂，控制最佳压力和微波加热时间的条件下，使样品在无污染和无损失的情况下达到完全分解。
2、溶样速度快
由于样品和溶剂的反应是在瞬间吸收微波辐射能量后即产生的，不需传热过程，瞬时可达较高的温度，消除了热量传导过程中能量的损失，因而样品分解所需时间比常规法大大缩短，一般溶样所需时间不超过20分钟。
3、经济
密闭消化消除了溶剂的挥发，最大限度地发挥了溶剂的作用，因此消耗的试剂量少，加热时间短，操作简便，降低了分析成本和减轻了分析者的劳动强度。
4、简便
只需把样品及溶剂放入消解罐内，调整好所需要的压力，设定好加热时间即可进行微波消解。
5、污染少
由于样品消解是在密闭容器里进行的，没有酸雾的泄漏，消除了对环境和人员的污染。
4 小结
微波辐射技术在环境监测中的应用起步较晚，但发展较快。在美国，微波消解正在逐渐成为环境样品分析的标准方法。从1983年起，我国环境监测领域开始涉足微波辐射技术，目前已经取得了较为可喜的进展。随着科学技术的进步，有关微波技术的基础研究必将取得较大突破、微小辐射技术得到不断完善，微波辐射技术也必将在环境监测领域取得更广泛的应用。