4.土壤和固体废弃物监测技术 崔兆杰 2004.6
4. 土壤和固体废弃物监测技术 崔兆杰 2004. 6
4.1土壤及无机固体废弃物监测分析技术 4.1.1用等离子发射光谱(CP测定的项目 土壤是指陆地上能生长作物的疏松表层,它介于大 气困、岩石团、水团和生物团之间的环境中的持有 组成部分 α土壤监测是査情本底值预报和控制土壤环境质量 士壤的组成很复杂,利用发射光谱分析手段监测土壤矿 物质及其无机成分 固弃物是指被丢弃的固体和片状物质,包括从废水、 废气中分离出来的固体颗粒污泥等简称固弃物 a利用发射光谱分析手段主要是监测工业固体废弃物中的 锁、铵、硼及其它果机污染成分、锌、锰、钠、银 汞、镐、砷、六价铬、铅、镍
4.1土壤及无机固体废弃物监测分析技术 4.1.1 用等离子发射光谱(ICP)测定的项目 土壤是指陆地上能生长作物的疏松表层，它介于大 气困、岩石团、水团和生物团之间的环境中的持有 组成部分 土壤监测是查情本底值预报和控制土壤环境质量 土壤的组成很复杂，利用发射光谱分析手段监测土壤矿 物质及其无机成分 固弃物是指被丢弃的固体和片状物质，包括从废水、 废气中分离出来的固体颗粒污泥等简称固弃物 利用发射光谱分析手段主要是监测工业固体废弃物中的 汞、镐、砷、六价铬、铅、镍、铜、锌、锰、钠、银、 钡、铵、硼及其它天机污染成分
412发射光谱(ES的基本原理 原子发射光谱分析,简称为发射光谱。它是利用物质发射的 光谱而判断物质组成的一门分析技术 发射光谱分析法就基于不同的元素(原子)能产生不同的特征 光 与原子吸收光谱分析法都基于一共同的基础——原子外层电 子的跃迁。但是两者是相反的过程 谱线的强度是发射光谱分析的定量的依据。要使试样中的原 子激发发光,首先就要将它们转化为气态原子,即蒸发过程。 在这一过程中,物质处于等离子体状态。在蒸气云中心部分 带正电和带负电的粒子浓度几乎是相等的。整个蒸气云接近 电中性。在一般光源条件下,蒸气云中的粒子主要处于不规 热运动和梖互碰撞状态。原子或离子在蒸气云中,依靠粒 间碰撞而发生能量传遂,并以此获得能量而受激发
4.1.2 发射光谱(ES)的基本原理 原子发射光谱分析，简称为发射光谱。它是利用物质发射的 光谱而判断物质组成的一门分析技术 发射光谱分析法就基于不同的元素(原子)能产生不同的特征 光谱 与原子吸收光谱分析法都基于一共同的基础——原子外层电 子的跃迁。但是两者是相反的过程 谱线的强度是发射光谱分析的定量的依据。要使试样中的原 子激发发光，首先就要将它们转化为气态原子，即蒸发过程。 在这一过程中，物质处于等离子体状态。在蒸气云中心部分 带正电和带负电的粒子浓度几乎是相等的。整个蒸气云接近 电中性。在一般光源条件下，蒸气云中的粒子主要处于不规 则热运动和相互碰撞状态。原子或离子在蒸气云中，依靠粒 子间碰撞而发生能量传逐，并以此获得能量而受激发
412发射光谱(ES的基本原理 衡条件卜,能量为比1的基态原子数N与被激发到能量为E的激发念的原子数N,之 问的关系,应符合玻尔茨曼分布 Pt N p 式中,E—激发能量; T—一火焰热力学温度; K—波尔茨曼常数(1.386×10-J/K) P,P激发态和基态原子统计权重(即能态的简并度); N,N—激发态和基态原子的数自。 显然,原子由激发态返回基态时所发射的光谱线强度(r)必然与(N)成比例,即 P I=, NoDe XT P 对于给定原子p为一定值,故谱线强度()仅与激发态能量(E)、气体温度(T)及该 元素在蒸气云单位体积内的原子总数目{N)等三个因素有关
4.1.2 发射光谱(ES)的基本原理
412发射光谱(ES)的基本原理 1.谱线强度(①)与激发能(E)的关系 对给定元素,当原子总数(N。)和气体温度⑦T固定时,该元 素的激发态能量(E)越小时,处于这种E态的原子数目(N)就 越多,谱线强度就越大。每一元素的共振线为最强线也就是 这个道理。对于不同的元素而言,谱线强度则与它们各自的 激发电位有关 2.谱线强度()与气体温度(T的关系 随之弧焰气体温度的升高,蒸气中所有粒子的运动速度也随 之增加,粒子间的相互碰撞以及原子被激发的机会也就增加。 因此,谱线强度一般随温度的继续增髙而不断增强。因为更 高次电离的离子将会出现。因此,对于每一条谱线来说,都 有一个强度达到最高值的温度点,故提高诺线强度,不能单 独地靠提高光源的温度来实现
4.1.2 发射光谱(ES)的基本原理 1. 谱线强度(I)与激发能(Ei )的关系 对给定元素，当原子总数(N。)和气体温度(T)固定时，该元 素的激发态能量(Ei )越小时，处于这种Ei态的原子数目(Ni )就 越多，谱线强度就越大。每一元素的共振线为最强线也就是 这个道理。对于不同的元素而言，谱线强度则与它们各自的 激发电位有关 2. 谱线强度(I)与气体温度(T)的关系 随之弧焰气体温度的升高，蒸气中所有粒子的运动速度也随 之增加，粒子间的相互碰撞以及原子被激发的机会也就增加。 因此，谱线强度一般随温度的继续增高而不断增强。因为更 高次电离的离子将会出现。因此，对于每一条谱线来说，都 有一个强度达到最高值的温度点，故提高诺线强度，不能单 独地靠提高光源的温度来实现
412发射光谱(ES)的基本原理 3.谱线强度与试样中元素浓度的关系 当其它因素固定时,谱线强度与该元素在蒸气云中的原子总数 成正比。原子数越多、谱线强度越强。又经实验证实:在固定 了分析条件的情况下,谱线强度与该元素在试样中的浓度成正 比。但当浓度较大时、由于自吸现象严重而使谱线强度随浓度 的增大而变得缓慢 即 I=blgctiga 式中,b一由自吸现象决定的常数 a——谱线常数; c试样浓度 图4-1线担度与浓度X系面线
4.1.2 发射光谱(ES)的基本原理 3. 谱线强度与试样中元素浓度的关系 当其它因素固定时，谱线强度与该元素在蒸气云中的原子总数 成正比。原子数越多、谱线强度越强。又经实验证实：在固定 了分析条件的情况下，谱线强度与该元素在试样中的浓度成正 比。但当浓度较大时、由于自吸现象严重而使谱线强度随浓度 的增大而变得缓慢
4.1.3ICP等离子体发射光谱仪结构原理 ■特点:灵敏度高、精密度高、基体干扰少、线 性范围宽、可以作多元素同时分析的优点 ■作用:可作环境本底值(背景值)调査监测和土 壤固弃物无机污染监测 组成高频发生器、炬管室、分光仪、测光系 统和计算机系统
4.1.3 ICP等离子体发射光谱仪结构原理 特点: 灵敏度高、精密度高、基体干扰少、线 性范围宽、可以作多元素同时分析的优点 作用: 可作环境本底值(背景值)调查监测和土 壤固弃物无机污染监测 组成:高频发生器、炬管室、分光仪、测光系 统和计算机系统
4.1.3ICP等离子体发射光谱仪结构原理 1.高频发生器 高频发生器是一个高频功率源,通过同轴电缆向 耦合线圈提供高频能量,在耦合线圈中产生 的交变电磁场 组成:电源部分、电源配电系统、高频部分、控 制系统、自动功率控制系统 原理:由三根同心的石英玻璃管组成的等离子炬 箮置于耦合线圈中,石英玻璃炬管中通入氮气, 用Tesa线圈使管内少量氩气电离,电子在高频电 磁场作用下碰撞气体原子并使之电离,形成更多 的电子和离子。这一过程连续下去,就可在锅台 线圈中形成一个等离子炬。一般具有10000 20000K的高温,被分析样品通过等离子炬激发
4.1.3 ICP等离子体发射光谱仪结构原理 1.高频发生器 高频发生器是一个高频功率源，通过同轴电缆向 耦合线圈提供高频能量，在耦合线圈中产生一个 高频的交变电磁场 组成：电源部分、电源配电系统、高频部分、控 制系统、自动功率控制系统 原理：由三根同心的石英玻璃管组成的等离子炬 管置于耦合线圈中，石英玻璃炬管中通入氮气， 用Tesla线圈使管内少量氩气电离，电子在高频电 磁场作用下碰撞气体原子并使之电离，形成更多 的电子和离子。这一过程连续下去，就可在锅台 线圈中形成一个等离子炬。一般具有10000一 20000K的高温，被分析样品通过等离子炬激发
4.1.3ICP等离子体发射光谱仪结构原理 2炬管室及其机理 ■炬管室由阻抗匹配器、耦 合线圈和循环冷却水系统 炬管及炬管调节机构、气 路系统等部分组成 炬管是由石英制成的三层 同心管组成 奸管 图42矩管结构图
4.1.3 ICP等离子体发射光谱仪结构原理 ２.炬管室及其机理 炬管室由阻抗匹配器、耦 合线圈和循环冷却水系统、 炬管及炬管调节机构、气 路系统等部分组成 炬管是由石英制成的三层 同心管组成
4.1.3ICP等离子体发射光谱仪结构原理 工作原理:ICP的工作原理如同高频感应加热金属一样,只 是它加热的是石英管内流动的气体。当高频电流通过感应圈 时,感应圈中的炬管内即产生轴向的交变磁场。由于磁通 的变化。管内气体产生垂直于磁场平面的循环闭合感生电流, 气体被加热并发生电离,从而产生等离子体。开始时.因气 体不是导体,高频磁场不能立刻产生等离子体.需要点燃这 手续。这时用个高频探漏器对准炬管发射;=些气体原 子被电离后生成载流子,这些载流于在磁场的作用下运动, 又与气体的其它中性原子碰撞并使它们电离。中性原子继续 电离的结果,使气体产生足够的电导率,在垂官于磁场方向 的截面上形成闭合环形路径的涡流,瞬间电流强度可达100 1000A。因为高频磁场的方向和强度随时间变化、环形路 径D上的离子和电子也同样受到磁场的加速运动。此时若高 频探漏器离开炬管,等离子体也能自持“燃烧
4.1.3 ICP等离子体发射光谱仪结构原理 工作原理：ICP的工作原理如同高频感应加热金属一样，只 是它加热的是石英管内流动的气体。当高频电流通过感应圈 时，感应圈中的炬管内即产生轴向的交变磁场。由于磁通量 的变化。管内气体产生垂直于磁场平面的循环闭合感生电流， 气体被加热并发生电离，从而产生等离子体。开始时．因气 体不是导体，高频磁场不能立刻产生等离子体．需要点燃这 一手续。这时用一个高频探漏器对准炬管发射，一些气体原 子被电离后生成载流子，这些载流于在磁场的作用下运动， 又与气体的其它中性原子碰撞并使它们电离。中性原子继续 电离的结果，使气体产生足够的电导率，在垂宜于磁场方向 的截面上形成闭合环形路径的涡流，瞬间电流强度可达100 一1000A。因为高频磁场的方向和强度随时间变化、环形路 径D上的离子和电子也同样受到磁场的加速运动。此时若高 频探漏器离开炬管，等离子体也能自持“燃烧