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前处理的常用消解体系

前处理的常用消解体系

 

酸消解法

 

酸消解法包括敞口酸消解法高压密闭酸消解法

 

敞口酸消解法是应用最普遍的一种样品分解方法。利用各种酸的化学能力,将待测的金属元素从样品中溶解出来转移到液体中。

 

酸消解法常用的酸的种类和性质如下:

 

(1)硝酸HNO3 (相对密度1.4270%水溶液,m/m), 沸点120°C

 

在常压下的沸点为120°C,在0.5MPa 下,温度可达176"C,它的氧化电位显著增大,氧化性增强。能对无机物及有机物进行氧化作用。金属和合金可用硝酸氧化为相应的硝酸盐,这些硝酸盐通常易溶于水。部分金属元素,如AuPt、 NbTa、 Zr不被溶解。AlCr不易被溶解。硝酸可溶解大部分的硫化物。

 

(2)盐酸HCl (相对密度1.1937%水溶液,m/m), 沸点110°C

 

盐酸不属于氧化剂,通常不消解有机物。盐酸在高压与较高温度下,可与许多硅酸盐及一些难溶氧化物、硫酸盐、氟化物作用,生成可溶性盐。许多碳酸盐、氢氧化物、磷酸盐、硼酸盐和各种硫化物都能被盐酸溶解。

 

(3)高氯酸HClO4 (相对密度1.6772%水溶液,m/m),沸点130°C

 

HClO4己知最强的无机酸之一。经常使用HClO4来驱赶HClHNO3HFHClO4本身也易于蒸发除去,除了一些碱金属(KRbCs)的高氧酸盐溶解度较小外,其他金属的高氯酸盐类都很稳定且易溶于水。用HClO4分解的样品中,可能会有10%左右的CrCrOCl3的形式挥发掉,V也可能会以VOCl3的形式挥发。HClO4是一种强氧化剂,热的浓HClO4氧化性极强,会和有机化合物发生强烈(爆炸)反应,而冷或稀的HClO4则无,此情况。

因此,通常都与硝酸组合使用,或加入硝酸反应一段时间后加入高氯酸(HNO3的用量大于HClO44)高氯酸大多在常压下的预处理时使用,较少用于密闭消解中,要慎重使用。在使用聚四氟乙烯(PTFE) 烧杯分解样品时,选用HClO赶酸可避免过高温度导致PTFE材料的不稳定。使用高氯酸可以维持整个样品消解过程中的氧化环境,从而减少Hg以及能形成氢化物的元素如AsSeSbBiTe的损失,保证有机成分完全氧化分解,避免较高的有机含量增大溶液粘度,从而影响样品引入期间的传输和雾化效率。

 

(4)氢氟酸HF (相对密度1.1548%水溶液,m/m),沸点112°C

 

HF本身易挥发,处理样品时HF很少单独使用,常与HClHNO3HClO4等酸同时使用。

HF是唯一能与硅、二氧化硅及硅酸盐发生反应的酸,少量HF与其他酸结合使用,可有效地防止样品中待测元素形成硅酸盐。HF是一种弱酸,但由于它具有较强的络合性,所以可以与许多阳离子形成稳定的络合物,如生成H2SiF6,促使阳离子组分从硅酸盐晶格中释放出来,加热时H2SiF6分解成气态SiF4逸出,得到了不含硅的溶液。许多环境样品,如土壤、水系沉积物、河道底泥、污泥等,用HF分析样品可除去样品中大量的Si有效地降低样品中的总溶解固体(TDS), 但同时BAsSbGe等根据不同的价态也将不同程度挥发。

 

HF具腐蚀性,会腐蚀玻璃、硅酸盐,不能使用玻璃或石英容器,经典的是采用铂器皿,但铂器皿较贵,目前实验室最常用的是聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚四氟乙烯(特氟隆)等塑料器I皿。聚四氟乙烯是最合适的材料,它可以抗强氧化剂,而且允许加热到240°C,但温度高于200°C容器易变形。

 

另外,用HF处理过的样品中因存在HF会腐蚀仪器中的玻璃或石英进样系统和炬管等,因此这类样品在测试之前需先除掉HF,通常用HCIO4H2SO4赶酸。

 

(5)过氧化氢H2O2 (相对密度1.1330%水溶液,m/m),沸点107°C

 

过氧化氢的氧化能力随介质的酸度增加而增加H2O2分解产生的高能态活性氧对有机物质的破坏能力强,使用时通常先加HNO预处理后再加入H2O2。组成H2O2的元素和水相同,以H2O2作为氧化剂不会向样品中引入额外的卤素元素,从而减少分析干扰。

 

(6)硫酸H2SO4 (相对密度1.8498.3%水溶液,m/m), 沸点338°C

 

硫酸是许多有机组织、无机氧化物及金属等的有效溶剂,它几乎可以破坏所有的有机物。但在密闭消解时要严格监控反应温度,因为浓H2SO4在达到沸点温度时可以熔化聚四氟乙烯容器,浓H2SO4的沸点是338°C,而聚四氟乙烯的使用温度不能超过240°C

所以,般不单独用H2SO4,而是与HNO3起组合使用。由于H2SO4赶酸时间长、易引入硫元素的干扰,因此在环境监测中使用率不如上述几种强酸高。

 

 

常见的混合酸消解体系如下:

(1)王水,HCl : HNO=3 : 1 (v/v)

王水是最常用的混合酸,两种酸混合后产生的氯化亚硝酰和游离氯是强氧化剂,王水需现用现配。王水可用来溶解许多金属,包括锑、铬和铂族金属等,植物体与废水也常使用它来进行消解。王水可从硅酸盐基质中酸洗出部分金属,但无法有效地完全溶解。除王水外,硝酸和盐酸还常以另外的比例混合在一起使用,所谓的勒福特(Lefort) 王水,也叫逆王水,是三份硝酸与一份盐酸的混合物,可用来溶解含有氧化硫或黄铁矿的环境样品。

 

(2) HNO3 : H2SO4常用的比例为1 : 1 (v/v)

 

这种混酸的最高温度仅比单纯HNO3时的最高温度高10°C左右。高温条件下,易于形成硫酸盐络合物,还具有脱水和氧化的性质。通常在完成最初的消化后,可加入双氧水以完成消化。但是,只有当溶液减少且冒SO2气体后才能添加双氧水。本方法可以有效消解如聚合物、脂肪等有机物质,但硫酸赶酸非常困难。

 

(3) HNO3: HF,常用比例为5: 1 (V/v)

 

这种混合酸对于溶解金属钛、铌、钽、锆、铪、钨及其合金特别有效,也可用来溶解铼、锡及锡合金、各种碳化物、氮化物及各种硅酸盐。

 

(4) HNO3HCl、 HFHClO4混酸

 

这种混酸是我国土壤中重金属监测分析标准方法中使用的消解方式,也是目前测定环境样品金属总量最常见的消解体系。

除了敞开式酸消解法外,高温、高压、长时间条件下的封闭酸溶法也得到广泛的应用。加压封闭酸消解法比常压酸消解法有了显著的改进,与其他方法相比,具有以下优点

密封容器内部产生的压力使试剂的沸点升高,因而消解温度较高。形成的高温高压环境保证了大多数难溶元素的完全分解,同时易挥发元素在密封条件下也不会损失。

溶样过程中酸不挥发而在系统内反复回流,仅用很少量的纯化酸即可完成样品分解。不仅节约了成本,而且减少了分解期间所产生的有毒气体的量。

由于减少了试剂用量且采用密封系统,环境污染的可能性也大大降低,从而保证了很低的空白值。但这种密封压力消解方法也有它的缺点。

 

比如特殊难溶相仍存在分解不完全的问题

由于在加压条件下,聚四氟乙烯呈现多孔性,酸蒸气会从聚四氟乙烯管壁逸出,钢套会被腐蚀生锈,容易产生污染(建议使用质纯的聚四氟乙烯作内衬,管壁要厚,封口螺纹要长,使用新式的钢套有聚四氟乙烯涂层的封闭溶样器系统)分解容器造价偏高分解有机物时若采用高氯酸有爆炸危险不能分解数量大的样品不能观察试样的分解过程。尽管封闭溶样罐有这些缺点和危险,但这种技术可以快速分解用其他方法难以或不能溶解的难熔矿物,而且具有用酸量少、污染小、空白低的显著优势。

 

常用的封闭压力溶样法主要有两种

一种是在密闭的硬质玻璃管中分解

另一种是将一个聚四氟乙烯容器放在一个不锈钢外套内,样品在管内的容器中分解。

 

在封闭的玻璃管中溶解:溶剂和样品密封在硬质玻璃管内,玻璃管置于敞口或密封的钢筒内,加热使样品分解。在封闭的玻璃管中将样品加热到300°C可获得高达4000磅力英寸20的压力,因此,必须采取适当的防爆措施,如可在钢简内放置某些物质(干冰或水),加热时形成气体,在玻璃管与钢壳之间的空隙产生一定的压强。这个压强可控制到与玻璃管内部物质反应形成的压强近似,压强作用到玻璃管外壁上以抵消内壁压力。

 

应用较多的封闭压力溶样器,是将个特氟隆内衬溶样器封装在一个耐高压的不锈钢罐中,在PTFE容器和盖之间形成高压气密封,加入样品和酸之后,用特制钳将罐拧紧,然后放到干燥箱中加热数小时甚至数天(放置时间长短依据不同类型样品的需求而定)

注意温度最好不要超过200°C,因为温度高于200°CPTFE内衬易变形。

 

封闭压力溶样器在20世纪50年代被广泛用于分析实践,但至今仍在普遍采用和发展之中。

 

这主要是因为

容易达到并保持在较高的温度和一定压力

聚四氟乙烯材料是最适合酸溶的容器,耐腐蚀,空白低

现代仪器分析方法的迅速发展要求样品溶液中的盐分不宜过高,所以熔融法一般尽量少采用

痕量、超痕量元素分析要求增加,而熔融法因试剂空白较高,且熔融产物可能与坩埚壁发生不利的反应

有了制备超纯酸的新方法,可将它用于分解样品

该种溶样方法得到的溶液可测定元素种类多,既可用于测定主量成分,也可用于测定微量、痕量和超痕量元素测定

有处理大批样品的能力。

 

对试样分解时容器的内部压力很难实际测出,只能靠推测,但至少比水的平衡蒸气压高。如果样品中有机物质含量高,要预先用硝酸消解一下 再密封,以防内部压力急剧上升,引起爆炸。样品和试剂的量不能超过内衬容量的30%,过多的溶液产生的压力可能会超过容器的安全额定压力。待溶样罐冷却至室温后再打开,打开时应放在通风橱内小心操作。

外套的铁锈会使PTFE内衬着色,可置于3~6 mol/L盐酸中加热除色,洗净后浸在热水里除去浸入的盐酸。不锈钢外套的锈迹可用草酸或草酸盐浸泡,用超声波清洗除去。最近,有新研制的商品封闭压力溶样器出售,这种新溶样器的不锈钢外套有聚四氟乙烯涂层,克服了钢套被酸腐蚀的现象,大大减少了分析元素的污染问题。

 

熔融法

熔融法是一种分解效率很高的分解方法,将原来不易溶的样品转变成可溶于水或酸的物质。

 

该法主要靠高温下固体与熔剂间发生的多相反应。其主要缺点是要求使用相当过量的熔剂,试剂本身的杂质连同坩埚等被腐蚀下来的杂质会严重污染分析溶液。

 

同时,样品制备期间引入了大量盐类,这就要求在分析前必须高倍稀释,因而降低了方法检出限。

 

熔融法分三种

碱金属熔融使用碳酸盐、氢氧化物、过氧化物或硼酸盐)

酸熔融(使用焦硫酸盐、氟氢酸盐、硼氟酸盐或氧化硼等),常用于地质样品的消解

氧化还原熔融(使用混合熔剂:氧化剂或还原剂加上碱熔使用的熔剂,以及在元素硫存在下的碱熔融),常用于贵金属的消解。

 

碱金属熔融法很多用于植物和生物样品的分解,但大量熔剂的加入使方法检出限增高。

 

使用碱金属熔剂还有两个缺点

 

一是过量的易电离元素,尤其是KNa等,会引起严重的基体效应(如信号抑制)。这种基体干扰的程度甚至超过可溶性总固体引起的干扰。

 

二是对于ICP-MS分析来说,可能引起严重的多原子离子干扰。

 

碳酸钠和碳酸钾及两者等当量的混合物是碱熔法中最常用的熔剂,三者的熔点分别是850°C980°C500°C,也可采用碳酸氢盐代替碳酸盐。

 

般碳酸氢盐容易制成纯度高的物质,并且在300°C加热就会转变成碳酸盐。碳酸盐熔融法经常用于硅酸盐样品的分解。

对坩埚的腐蚀比较严重,因为碱金属碳酸盐熔解后有一部分解成碱金属氧化物,后者会严重腐蚀坩埚。碳酸盐熔融法中最常用的是铂或铂金坩埚,加铱或铑可增加铂的机械强度而加金或锆可增加铂的抗化学浸蚀能力。碳酸盐熔融时,有些金属被挥发,如砷和硒部分挥发,而铊和汞完全挥发。

 

碱金属氢氧化物是另种极有效果的碱性熔剂NaOHKOH的熔点分别是328°C360°C

由于熔解时氢氧化物释放出水会引起熔物的喷溅,所以一般先在熔点温度下将熔剂脱水,待重新固化后再将样品放在上面。

 

关于熔剂的用量,一般比试样过量10倍即可,时间一般需5~15min,但对于某些难分解的矿物样品要求较长时间。

 

过氧化钠也是一种最有效的碱熔试剂,除了具有很强的分解能力外,熔化时还具有很强的氧化能力,将许多种阳离子氧化成最高价态。过氧化钠对坩埚的腐蚀比较严重。可预先在坩埚内表层熔成层碳酸钠层,然后再用于过氧化钠的熔融过程,这样可提高坩埚的抗腐蚀能力。

 

过氧化钠熔融法常用于稀土元素分析,需经阳离子交换树脂柱进行分离,流程较长。

 

对于那些在碱介质中生成易溶高价酸阴离子的元素,过氧化钠熔融法有一定优点。用水浸取熔融物时易将两性元素与弱碱性元素分离开。但由于过氧化钠不易提纯,试剂空白值较高,且热解石墨坩埚为层状结构,不易清洗,反复使用的过程中有些元素的空白值不易控制,故限制了将此法用于低含量元素的测定。另外,此流程所用热解石墨埚价格昂贵,易被氧化破损,成本较高。

 

有些样品中的某些元素(如重稀土等元素),无论采用敞开容器酸溶法或高压封闭酸溶法,都不能保证难溶相完全分解,因此可采用酸溶和微熔融法结合的方法来解决此类问题。

 

通常是先采用敞开酸溶法,将溶液过滤,剩余残渣再加入少量熔剂(比如,过氧化钠或偏硼酸锂等)进行熔融处理,之后将二者溶液合并进行测定。这种方法效果很好,既采用了酸溶法空白低,盐类少的优点,又利用了熔融法解决了极微量的难溶相,同时减少了全熔融法引入大量盐的缺点。