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离子色谱仪技术在环境监测中的应用

发布时间:2023-03-21作者:小编来源:点击:

       离子色谱仪技术是能够在环保、生化、化学和其他科学领域应用的一项重要技术,其主要原理是阳离子、阴离子的交换,而离子交换是以离子分离为目的,使用容量低的离子交换树脂。在监测过程中,需要对环境中的有机物进行化学分离和分析,也需要对环境中的无机物进行检测。因此,离子色谱技术被广泛应用于土壤、水质、大气等,特别是污染源、降水的环境监测。加强环境监测,管理污水排放,对城市、国家发展乃至人类生存都有重大意义。在这种情况下,离子色谱技术是环境监测非常重要的手段,仪器的定期维护和操作对环境监测的结果有一定的影响。
 
1 离子色谱技术的概述
离子色谱技术是一种新型高效液相色谱技术,能够分离检测水质、大气、土壤中有机、无机离子。与传统离子交换色谱技术的主要区别在于所用树脂的交联度高,导致的交换容量非常低,能够满足少量样品的检查。柱塞用于输送样品,并使用连续电导率法测试样品中包含的离子物质。同时,树脂材料作为固定材料,可以有效地分析样品中相应的游离离子,也可以使用相应的溶液溶解树脂。这样,通过将溶液中的离子与树脂上的离子交换而采取可逆交换技术。在离子交换色谱法中添加试样后,用适当的溶液溶出时,得到离子的最佳平衡状态,能够更加准确地检测试样中的离子含量。同时通过强酸性阳离子树脂时,形成高导电性酸。洗脱液组可探测其他物质,即低导电性,由相应的装置检测,然后转化为酸阴离子。与传统的离子交换技术相比,可以根据剩余时间、峰值和面积来确定,最终达到吸附平衡,其灵活性、选择性、灵敏度等非常高。离子色谱技术成为环境分析不可缺少的一部分,广泛用于环境监测[1]。离子色谱仪器必须能够承受高温,耐腐蚀性好,并且可以持续运作,检测到有害物质的过程也非常简单。同时结合工作流程,离子色谱仪器需要具有处理数据的能力,才能调整、控制并通过智能化手段帮助用户优化色谱,如图1所示。目前,与电化学分析和原子吸收分析相比,离子色谱技术简单、快速、准确,被广泛用于化工、医药品、农业、环境监测、食品制造、纺织业等行业。
 
图1 离子色谱仪的工作流程
 
离子色谱仪器作为环境监测中的重要设备,一般主要由传送系统、检测器、分离柱以及数据处理系统所组成:(1)流动相的传送系统在环境监测作业中,存在离子色谱流动相传送、颈托阀体、管道以及连接件,所以所有环境必须具备耐高温的特点,还要具备良好的抗腐蚀性:(2)分离柱在离子色谱监测中是一个重要环节,必须明确惰性材料特征,使用过程中要求控制在室温条件下,使得离子色谱仪表现出较大的抑制作用,不但能够实现连续运作,还可以精准检测毒害物质,整个过程运行便利:(3)检测器可以分成光学检测和化学检测设备:(4)数据处理系统直接影响环境监测成果,如果人员素质较低,对数据处理的结果也会产生一定影响。
 
2 环境监测中离子色谱技术的应用
2.1 在水质环境监测中的运用
作为中国可持续发展战略的重要一部分,水质监测的效果将对中国环境产生重要影响。污水处理是我国环境监测的焦点,监测数据的真实性和有效性对城市意义重大,同时污水处理需要符合国家标准。传统的城市污水监测具有针对不同监测指标的不同方法。以硫酸盐为例,传统的硫酸盐定量法为GB/T 11899—1989重量法,操作困难且花费时间长。作为一种新的分析技术,离子色谱被广泛用于监测水质,操作简单且节省时间,同时能够使分离柱填料作为色谱柱,色谱选择条件与洗脱体系不可分割,如表1所示。并且,在工厂的开发过程中,存在大量由于污水危险排放引起的水质问题。这些废水中常常含有很多氰化物、重金属离子和多磷酸。在离子色谱预处理系统的帮助下,可以有效地去除重金属、有机物和杂质,确保试验结果的准确性。另外,离子色谱技术被广泛用于地下水、表面水、工业废水和家庭用水的分析中。与旧化学方法相比,离子色谱技术仅需要简单的稀释和过滤,不使用有害试剂就可以确定大量阴离子或阳离子。在水质环境中,氟化物、氯化物、硝酸态氮等试验所需的项目很多,通过开发项目应用多种混合用途解决,15 min左右可以定量分析很多离子。
 
  
 
 
表1 色谱选择条件与洗脱体系
另外,正式监测过程中,选择两个试样,一个是甲醇水溶液,另一个是甲醇磷酸水溶液(磷酸浓度0.05%)。分析可以得出当使用甲醇水溶液样品时,色谱峰相当宽,但其柱效率相对较低。对甲醇磷酸水溶液进行分析,组分色谱峰的图像非常清晰,柱效率非常高,分离效果也很好。此外,通过准备解决方案,选择合适的浓度,准备多个项目的混合解决方案,定量分析水质样品,其精度能够满足环境监测研究所质量管理指标的要求。离子色谱技术用于水质监测可以大大提高工作效率,对实时环境检测非常有效。在监测来自污染源的水样期间,由于离子色谱分离柱的特性,样品必须分析处理,以保护分离柱免受损伤。此外,该技术在水环境监测中的监测精度得到了保证,与传统的监测技术相比具有很大优点[2]。
 
2.2 在大气环境监测中的应用分析
中国的空气污染越来越严重,虽然大气中氯化氢的含量非常低,但某些地区由于垃圾场等引起的塑料废弃物的自然燃烧,会导致氯化氢浓度较高。高浓度的氯化氢长期存在会引起周围环境的环境变化,对人们产生不良影响。传统的检测技术难以监测,但使用离子色谱技术,大气中氯化氢的含量可以得到简单、快速、灵敏、准确的确定。通过分析K+、Na+、H+、F-、Cl-、HCO3-、乙酸、甲酸等的含量,进行有效监测。具体的测试方法是:首先取样品,参照空气和排气的监视和分析方法,取两个大的气泡吸收管,满足吸收溶液的10 m L(碳酸氢钠2 mmol、碳酸钠1.3 mmol),将硅胶管串联连接到大气取样器上。接着,应用多孔膜过滤器(开口0.30µm),使用硅胶管将套管放入吸收管的空气入口,取样后,使气体流量为1 L/min,将吸收溶液转移到60 m L聚乙烯瓶中,用离子色谱技术分析。在检测中,优先选择化学抑制柱、高灵敏度、低检测极限的离子色谱,提高检测精度,不需要其他试剂,对环境基本无污染。当使用这种方法确定样品时,结果具有良好的重现性。用阳离子交换柱垫片、阴离子交换柱树脂柱等离子色谱技术监测大气中的氯化氢等有毒有害物质简便、迅速,为改善大气环境奠定基础。
 
2.3 在土壤环境监测工作中的应用
目前土壤污染问题越来越突出,中国在监测土壤环境时主要提取土壤样品,不能保证其精度,很难有效分析更复杂的土壤问题。对此,可以将离子色谱技术应用于土壤监测,分析无机阴离子和有机酸等。另外,进行土壤样品等固体样品的检测时,在溶液中提取离子(NO3-、PO33-、SO42-、Na+、K+、NH4+、Ca2+、Mg2+)处理后进行分析,监测过程大大简化、监测时间大大缩短。在检测过程中,要确认土壤样品中不含大颗粒的杂质,而土壤提取物满足反应条件。接下来,通过稳态相分析确定土壤中各离子的含量,方法与水质监测相同。同时,环境检测样品基体复杂多样,可以利用超临界流体萃取,如表2所示。离子色谱技术的使用大大提高了土壤监测的准确性和科学性,实现了在我国土壤检测领域的复杂问题监测。
 
  
 
表2 超临界流体萃取在环境监测中的应用
3 离子色谱技术设备的维护
离子色谱技术的应用改变了传统的监测方法,提高了监测结果的准确性。通常,广泛使用离子色谱技术,在测试结果出现重叠峰的情况下,说明分离柱被污染,必须清洗分离柱,具体的清洗方法应按照指示操作。此外,还要按照各种品牌及型号的色谱指示定期维护装置,通过维护人员的定期维护保证仪器的监控精度。离子色谱技术适用于比较精确的仪器,维护工作直接关系到离子色谱仪器的使用和测量,因此进行维护非常重要。当启动时间短时,离子色谱仪器不能达到稳定的工作状态,基线漂移,背景电值增加,这表明抑制模块部分存在问题[3]。此时,技术人员首先检测离子抑制装置的状况,为了确保运行中设备的稳定性,需要进行接地线工作。由于离子色谱是精密仪器,为了防止分离柱堵塞和流路中气泡产生,应当经常用清洗液清洗色谱仪。为了维持色谱系统并激活柱效率,必须在分析或冲洗柱过程中频繁地注入空白样品。此外,确保样品已清洗并在分析前处理,以确保仪器的安全性。在离子色谱仪器的维护过程中,为了清洁仪器的泵,需要注意使用去离子液体,避免损坏仪器或泵的内部密封环,在使用过强的酸性物质和强碱性物质后,需要清洗装置。另外,在使用离子光谱装置的通常工序中,为了防止泵液的流出,需要在一定时间内加入清洗液进行装置的空泵送。当泡沫出现在泵中时,应首先去除泡沫并尽量使用脱气洗脱液在泵中减少泡沫。在日常环境检测的物质分析过程中,需要定期注入空白样品。小样本在使用离子色谱分析仪之前必须清洗和稀释,具有从低浓度到高浓度的分析倾向,可以确保离子色谱在日常环境监测中应用的准确性和稳定性,实现科学的环境监测。
 
4 环境监测中离子色谱技术的应用存在的问题和解决方法
4.1 分离度降低对保留时间的影响
当离子色谱仪处于长期环境监测中,色谱柱也会随着时间推移发生一定改变。持续时间越长,色谱柱的峰值与峰面积等参数变化越大,对监测结果的准确性带来一定影响。所以,当长期使用离子色谱技术进行环境监测时,相关人员必须定期关注色谱柱变化情况,做好色谱柱的清洗,维持色谱柱具有的良好特性,提高检测结果的可靠性。
 
4.2 抑制器运行情况对监测结果的影响
离子色谱技术主要是利用电导抑制器来实现环境监测,因此抑制器的运行状态对环境监测结果具有重要影响。倘若抑制器长期未启动,容易引发抑制器薄膜破裂或漏水,最终出现抑制器漏液问题,对环境监测结果的可靠性产生一定影响。在离子色谱技术的应用中,如果抑制器发生严重的运行问题,会直接影响监测峰值与峰面积。此外,抑制器也容易受到重金属或大分子污染被限制正常运行。为了有效解决这一问题,要尽可能选取浓度进阶的取值进行曲线校准,有效保证检测结果的真实性与可靠性。
 
4.3 水中氟离子测定问题
水中氟离子在水环境监测中发挥着重要作用,直接关系水环境的评定。但是尽管使用离子色谱技术也无法有效测定负离子的含量,原因是水环境中的负离子容易受到甲酸或乙酸的影响,导致水环境监测成果准确度下降。此外,还由于水存在导电性,对负离子稳定性具有较大的影响。为了有效解决这一问题,要重视水环境中电导性和离子的有效控制,并去除水中的离子,对需要监测的水资源小样进行去离子处理。此外,还要科学运用现代化技术和工具,减小所需要测定的水资源电导性,降低水资源性质对环境监测结果产生的影响。另外,在开展水环境的检测过程中,还要重视氯氟离子峰面积,认真进行计算工作,尽量保证氯氟离子的测量结果准确可靠,避免由于氟离子测定问题影响水环境的最终检测成果。保证离子色谱技术在环境检测中的有效发挥,才能为后续环境治理工作奠定坚实的基础,实现社会可持续发展目标。
 
5 结语
面对环境污染的严重问题,需要开发离子色谱技术为其应用创造更广阔的空间,特别是对环境监测起重要作用的快速检测的能力。目前,离子色谱技术已广泛用于水质、地质、空气、药品、食品等领域的数百种离子的分析。离子色谱技术具有环境污染低、成本低、应用范围广泛的特点,而且能够有效进行样品处理和环境分析,应用于环境监测可以有效提高监测精度。在环境监测中具体适用于土壤监测、大气监测、水质监测。在实际应用过程中,还应注意离子色谱仪器的维护以确保监测数据的准确性。从今后的发展趋势来看,离子色谱技术将在环境监测得到广泛应用。

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