微波輻射技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

2005/10/20 13:09:00

作者:滕州市環(huán)保局 支宗琦 2004年9月13日14:38 
 
 支宗琦  （山東滕州市環(huán)境監(jiān)測站   滕州  277100）

摘要：本文分別介紹了微波萃取、微波消解技術(shù)的原理及特點，并展望了微波輻射技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：微波萃取  微波消解  環(huán)境監(jiān)測
1 引言
微波輻射技術(shù)用于促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)始于1986年Gedye R等在微波爐內(nèi)進(jìn)行的酯化、水解和氧化反應(yīng)，而微波輻射技術(shù)在環(huán)境工程中的應(yīng)用潛力直到最近幾年才逐漸被人們注意到。截止到目前，微波輻射技術(shù)已被成功地用于環(huán)境監(jiān)測、廢氣治理、污水處理和固體廢棄物處理等各個環(huán)境工程研究領(lǐng)域，在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用研究則主要集中在微波萃取和微波消解等樣品預(yù)處理方面。
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質(zhì)吸收微波輻射能程度的差異，通過選擇不同溶劑和調(diào)節(jié)微波加熱參數(shù)，對物料中目標(biāo)成份進(jìn)行選擇性萃取，從而使試樣中的目標(biāo)物（如有機(jī)污染物）和基體物質(zhì)有效地分離。微波萃取已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于土壤、沉積物和各種有機(jī)體中目標(biāo)物的萃取分離。
2.2 微波萃取特點
1、快速高效
  樣品及溶劑中的偶極分子在高頻微波的作用下，以109/s圈的速度變換其正、負(fù)極，產(chǎn)生偶極渦流、離子傳導(dǎo)和高頻率摩擦，從而在短時間內(nèi)產(chǎn)生大量的熱量。偶極分子旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的弱氫鍵破裂、離子牽移等加速了溶劑分子對樣品基體的滲透，待分析成分很快溶劑化，使微波萃取時間顯著縮短。
2、加熱均勻
  微波加熱是透入物料內(nèi)部的能量被物料吸收轉(zhuǎn)換成熱能對物料加熱，從而形成獨特的物料受熱方式，整個物料被加熱，無溫度梯度，即微波加熱具有均勻性的優(yōu)點。
3、微波加熱具有選擇性
  微波對介電性質(zhì)不同的物料呈現(xiàn)出選擇性的加熱特點，介電常數(shù)及介質(zhì)損耗小的物料，對微波的入射可以說是“透明”的。溶質(zhì)和溶劑的極性越大，對微波能的吸收越大，升溫越快，促進(jìn)了萃取速度。而對于不吸收微波的非極性溶劑，微波幾乎不起作用。所以，在選擇萃取劑時一定要考慮到溶劑的極性，以達(dá)到最佳效果。
4、生物效應(yīng)（非熱效應(yīng)）
  由于大多數(shù)生物體內(nèi)含有極性分子，在微波場的作用下引起強(qiáng)烈的極性震蕩，從而導(dǎo)致細(xì)胞分子間氫鍵松弛，細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)電擊穿破裂，加速了溶劑分子對基體的滲透和待提取成分的溶劑化。因此，利用微波萃取從生物基體萃取待分析的成分時，可以提高萃取效率。
2.3 微波萃取技術(shù)與其它技術(shù)的比較
任何一種萃取技術(shù)都是為了從基體中快速、高效地分離出待分析成分，但是由于基體的復(fù)雜性及萃取技術(shù)的不同特點，常常在選取方法的時候必須考慮到分析的目的和分析方法的費用、操作的繁簡、時間的多寡等因素。其它方法如超聲波萃取、超臨界流體萃取和加速溶劑萃取等特性比較見表1。索氏抽提是一種歷史悠久的經(jīng)典萃取方法，該法在對那些活性物質(zhì)的提取中比較常用，但該法有費時、工作強(qiáng)度大且耗費溶劑量大，在濃縮時易造成環(huán)境污染等不足。
表1                 不同萃取方法的比較
索氏提取 超聲波萃取 微波萃取 超監(jiān)界流體萃取 加速溶劑萃取
時間 24～48h 30～60min 4～20min 30～60min 15min
預(yù)分離 不過濾 過濾和溶劑蒸發(fā) 洗脫 不過濾 不過濾
溶劑用量 大 大 小 小 大
費用 低 低 高 高 高
工作強(qiáng)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樣品的微觀粒子在微波場中可產(chǎn)生電子極化（原子核周圍電子的重新排布）、原子極化（分子內(nèi)原子的重新排布）、取向極化（分子永久偶極的重新取向）和表面極化（自由電荷的重新排布）。在這4種極化中，與微波電磁場的振動周期（10-9～10-12s）相比，前2種極化要快得多（馳豫時間分別為10-15～10-16s和10-12～10-13s），所以不會產(chǎn)生介電加熱，而后2種極化則與之相當(dāng)，可以產(chǎn)生介電加熱，即通過微觀粒子的這種極化過程，將微波能轉(zhuǎn)化為熱能。
3.2微波消解的特點
1、樣品分解完全
由于分解反應(yīng)是在高溫、高壓的密閉容器里進(jìn)行，在應(yīng)用合理的酸和溶劑，控制最佳壓力和微波加熱時間的條件下，使樣品在無污染和無損失的情況下達(dá)到完全分解。
2、溶樣速度快
由于樣品和溶劑的反應(yīng)是在瞬間吸收微波輻射能量后即產(chǎn)生的，不需傳熱過程，瞬時可達(dá)較高的溫度，消除了熱量傳導(dǎo)過程中能量的損失，因而樣品分解所需時間比常規(guī)法大大縮短，一般溶樣所需時間不超過20分鐘。
3、經(jīng)濟(jì)
密閉消化消除了溶劑的揮發(fā)，最大限度地發(fā)揮了溶劑的作用，因此消耗的試劑量少，加熱時間短，操作簡便，降低了分析成本和減輕了分析者的勞動強(qiáng)度。
4、簡便
只需把樣品及溶劑放入消解罐內(nèi)，調(diào)整好所需要的壓力，設(shè)定好加熱時間即可進(jìn)行微波消解。
5、污染少
由于樣品消解是在密閉容器里進(jìn)行的，沒有酸霧的泄漏，消除了對環(huán)境和人員的污染。
4 小結(jié)
微波輻射技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用起步較晚，但發(fā)展較快。在美國，微波消解正在逐漸成為環(huán)境樣品分析的標(biāo)準(zhǔn)方法。從1983年起，我國環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域開始涉足微波輻射技術(shù)，目前已經(jīng)取得了較為可喜的進(jìn)展。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，有關(guān)微波技術(shù)的基礎(chǔ)研究必將取得較大突破、微小輻射技術(shù)得到不斷完善，微波輻射技術(shù)也必將在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域取得更廣泛的應(yīng)用。