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

2013年03月12日 11:54:20人氣:1966來源:上海納優(yōu)儀器儀表有限公司

  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(diǎn),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GedyeR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zui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(gè)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(duì)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(diǎn)
  
  1、快速
  
  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(shí)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(duì)樣品基體的滲透,待分析成分很快溶劑化,使微波萃取時(shí)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(duì)物料加熱,從而形成*的物料受熱方式,整個(gè)物料被加熱,無溫度梯度,即微波加熱具有均勻性的優(yōu)點(diǎn)。
  
  3、微波加熱具有選擇性
  
  微波對(duì)介電性質(zhì)不同的物料呈現(xiàn)出選擇性的加熱特點(diǎn),介電常數(shù)及介質(zhì)損耗小的物料,對(duì)微波的入射可以說是“透明”的。溶質(zhì)和溶劑的極性越大,對(duì)微波能的吸收越大,升溫越快,促進(jìn)了萃取速度。而對(duì)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(shí)一定要考慮到溶劑的極性,以達(dá)到*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(duì)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(shí),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、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(diǎn),常常在選取方法的時(shí)候必須考慮到分析的目的和分析方法的費(fèi)用、操作的繁簡、時(shí)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(duì)那些活性物質(zhì)的提取中比較常用,但該法有費(fèi)時(shí)、工作強(qiáng)度大且耗費(fèi)溶劑量大,在濃縮時(shí)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(shí)間24~48h30~60min4~20min30~60min15min
  
  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(fèi)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*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(dòng)周期(10-9~10-12s)相比,前2種極化要快得多(馳豫時(shí)間分別為10-15~10-16s和10-12~10-13s),所以不會(huì)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(diǎn)
  
  1、樣品分解*
  
  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*壓力和微波加熱時(shí)間的條件下,使樣品在無污染和無損失的情況下達(dá)到*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(shí)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(shí)間比常規(guī)法大大縮短,一般溶樣所需時(shí)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),zui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(shí)間短,操作簡便,降低了分析成本和減輕了分析者的勞動(dòng)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(shí)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(duì)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)測中起重大作用。
關(guān)鍵詞:環(huán)境監(jiān)測
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