一种飞灰中不同形态砷硒的快速提取方法与流程

本发明涉及一种飞灰中不同形态砷硒的快速提取方法，属于分析化学技术领域。

背景技术：

在全球煤炭消费中，约有近50％的煤炭消耗用于电力行业，大量煤炭燃烧造成了极其严重的痕量元素（tes）排放问题。目前研究证明，飞灰对砷与硒具有显著的富集作用。单一地以飞灰中砷硒元素的浓度来评价其环境效应是不准确的，不同赋存状态的砷硒与生物可利用性、毒性和迁移性等之间存在着密切关系。目前大部分形态分析研究建立在tessier法上，后续发展出欧盟认证的bcr方法，但其对砷硒的提取效率均不尽如人意。wenzel法针对环境介质中砷硒元素形态进行了提取优化，已被广泛应用于各种环境介质中砷硒的分析。但是，传统wenzel法提取方式为震荡提取，周期较长，故亟需寻求对飞灰中砷硒形态进行快速稳定提取的方法，这一方法仍是分析化学领域研究的热点和前沿课题。

技术实现要素：

本发明针对现有技术问题，提供一种飞灰中不同形态砷硒的快速提取方法，它利用超声空化效应，结合传统方法提取溶液，分别对特异性吸附态、非特异性吸附态与无定形和弱结晶铁铝水合氧化物结合态进行超声辅助顺序提取，该方法相较于传统振荡提取方式极大缩短了时间，并呈现良好的可重复性和再现性。

本发明所述的技术问题是以如下技术方案解决的：

一种飞灰中不同形态砷硒的快速提取方法，所述方法包括如下步骤：

a、飞灰样品前处理：将飞灰样品研磨后经冷冻干燥24h后，过200目筛，将过筛后样品保存于22±1℃、相对湿度为40±5%的干燥器中，进行平衡，备用；

b、非特异性吸附态（形态1）砷硒的提取：形态1砷的提取：称取1g经步骤a处理后的飞灰样品于离心管内，加入25ml、0.05m硫酸铵溶液，常温超声提取11-13min，离心，取上清液过滤进行氢化物-原子荧光光谱分析，残渣b1留用；形态1硒的提取：另外称取1g经步骤a处理后的飞灰样品于离心管中，加入25ml、0.05m的硫酸铵溶液，常温超声提取9-11min，离心，取上清液过滤进行氢化物-原子荧光光谱分析，残渣b2留用；

c、特异性吸附态（形态2）砷硒的提取：形态2砷的提取：向上述步骤b提取非特异性吸附态砷后的残渣b1中加入25ml、0.05m的磷酸二氢铵，常温超声提取23-25min，离心，取上清液过滤进行氢化物-原子荧光光谱分析，残渣c1留用；形态2硒的提取：向上述步骤b提取非特异性吸附态硒后的残渣b2中加入25ml、0.05m的磷酸二氢铵，常温超声提取19-21min，离心，取上清液过滤进行氢化物-原子荧光光谱分析，残渣c2留用；

d、无定型和弱结晶铁铝水合氧化物结合态（形态3）砷硒的提取：形态3砷的提取：向残渣c1中加入25ml、0.2m的草酸铵缓冲溶液，常温超声提取2-3min，离心，取上清液过滤进行氢化物-原子荧光光谱分析，残渣d1留用；形态3硒的提取：向残渣c2中加入25ml、0.2m的草酸铵缓冲溶液，常温超声提取27-29min，离心，取上清液过滤进行氢化物-原子荧光光谱分析，残渣d2留用；

e、全结晶铁铝氧化物结合态（形态4）砷硒的提取：形态4砷的提取：向残渣d1中加入0.2m草酸铵缓冲溶液和0.1m抗坏血酸的混合溶液25ml，90℃见光水浴加热30min，离心，取上清液，剩余残渣中继续加入12.5ml、0.2m、ph值为3.25的草酸铵缓冲溶液，避光震荡10min，相同条件下离心并将两次上清液共37.5ml混合均匀过滤进行氢化物-原子荧光光谱分析，残渣e1备用；形态4硒的提取：向残渣d2中加入0.2m草酸铵缓冲溶液和0.1m抗坏血酸的混合溶液25ml，90℃见光水浴加热30min，离心，取上清液；剩余残渣中继续加入12.5ml、0.2m、ph值为3.25的草酸铵缓冲溶液，避光震荡10min，相同条件下离心并将两次上清液共37.5ml混合均匀过滤进行氢化物-原子荧光光谱分析，残渣e2备用；

f、残渣态（形态5）砷硒的提取：形态5砷的提取：向残渣e1中加入4ml硝酸、1ml氢氟酸和1ml双氧水进行微波消解，冷却，离心，取上清液过滤进行氢化物-原子荧光光谱分析；形态5硒的提取：向残渣e2中加入4ml硝酸、1ml氢氟酸和1ml双氧水进行微波消解，冷却，离心，取上清液过滤进行氢化物-原子荧光光谱分析。

上述飞灰中不同形态砷硒的快速提取方法，所述步骤b中，形态1砷的提取中，分4次超声，累计超声12min，每次超声3min，间歇5min；形态1硒的提取中，分2次超声，累计超声10min，每次超声5min，间歇5min。

上述飞灰中不同形态砷硒的快速提取方法，所述步骤c中，形态2砷的提取中，分4次超声，累计超声24min，每次超声6min，间歇5min；形态2硒的提取中，分2次超声，累计超声20min，每次超声10min，间歇5min。

上述飞灰中不同形态砷硒的快速提取方法，所述步骤d中，形态3砷的提取中，分1次超声3min；形态3硒的提取中，分7次超声，累计超声28min，每次超声4min，间歇5min；草酸铵缓冲溶液中加入草酸调节缓冲溶液的ph值为3.25。

上述飞灰中不同形态砷硒的快速提取方法，所述步骤e中，抗坏血酸溶液的ph值为3.25。

上述飞灰中不同形态砷硒的快速提取方法，所述步骤b、c、d中，超声采用超声仪，工作频率为：40khz，功率为250w，水槽内浸泡液体的体积为5.5l。

上述飞灰中不同形态砷硒的快速提取方法，其特征在于所述步骤b-f中，不同形态的砷硒的提取中，离心转速为3000r/min，离心时间为15min，取上清液经过0.45μm微孔水系滤膜过滤，再进行氢化物-原子荧光光谱分析。

上述飞灰中不同形态砷硒的快速提取方法，所述步骤b-f中，每种形态的砷元素在分析之前，取1ml过滤后的砷提取液置于3ml5%稀盐酸与1ml5%硫脲-抗坏血酸混合溶液中充分混合，静置预还原30min；每种形态的硒元素在分析之前，取1ml硒提取液置于4ml5%稀盐酸中，充分混合静置1h。

上述飞灰中不同形态砷硒的快速提取方法，所述步骤b-f中，采用的氢化物-原子荧光光谱仪进行分析的工作参数为：负高压为270v，灯电流为60ma，原子化器高度为8mm，原子化器温度为200℃，载气流量为400ml/min，屏蔽气流量为800ml/min，读数时间为7.0s，延迟时间为1.3s。

上述飞灰中不同形态砷硒的快速提取方法，所述步骤f中，形态5砷硒在mwd-800型微波消解仪进行微波消解，分阶段进行消解提取，提取条件为：

第一阶段，设定微波消解仪的压力为1.0mpa，功率为3000w，温度由室温升至100℃，升温时间为500s，恒温时间为60s；

第二阶段，设定微波消解仪的压力为1.5mpa，功率为3000w，温度由100℃升至130℃，升温时间为200s，恒温时间为60s；

第三阶段，设定微波消解仪的压力为2.0mpa，功率为3000w，温度由130℃升至160℃，升温时间为200s，恒温时间为60s；

第四阶段，设定微波消解仪的压力为1.0mpa，功率为3000w，温度由160℃升至180℃，升温时间为500s，恒温时间为1200s。

冷冻干燥原理：先将样品中的湿原料冻结至冰点之下，使其中的水分转变为固态冰，然后在真空环境下，将冰直接转化为蒸汽而除去，再用真空系统中的水汽凝结器将水蒸汽冷凝，从而使样品得到干燥。冷冻干燥可以使样品中的水分不经过液相而直接升华为水汽，冰升华时，在干燥的剩余物质里留下孔隙，这样就保留了样品的生物和化学结构完整性，便于进行后续的化学分析。

超声波提取的原理：利用超声波辐射压强产生强烈的空化效应、扰动效应、高加速度、击碎和搅拌作用等多级效应，增大了物质分子运动的频率和速度，增加溶剂的穿透力，从而加速目标成分进入溶剂，促进提取的进行。多级效应中的重点为空化效应：溶剂穿过介质，会产生膨胀和压缩两个过程，若超声波能量足够强，膨胀过程就会在液体中产生气泡或者将液体撕裂成很小的空穴，这些空穴瞬间闭合，闭合会产生高达3000mpa的瞬间压力，此过程称为空化效应。

本发明利用超声能量源取代传统机械震荡能量源进行飞灰中不同形态砷硒的提取，极大的缩短了提取时间，传统wenzel法（震荡提取方法）提取时间超过24.5h，本发明方法提取时间缩短到1h以内，且提取具有良好的重复性和再现性，提取回收率高；本发明采用超声提取的非特异性吸附态的砷、硒的平均回收率分别为传统wenzel法机械震荡的平均回收率的92.6%和104.2%；特异性吸附态砷硒的平均回收率分别为传统wenzel法的108.2%和112.6%；无定型和弱结晶铁铝水合氧化物结合态砷硒平均回收率分别为传统wenzel法的106.4%和111.6%，提取回收率高，时间短，大大提高了提取效率。

附图说明

图1为本发明提取方法工艺流程图。

具体实施方式

本发明利用飞灰中不同形态砷硒的特点进行快速提取。飞灰中的砷硒大致分为三种形态：吸附态、结合态和残渣态三种形态。顺序提取法是模拟特定的环境条件下重金属流动性特征的重要手段。吸附态是指吸附在粘土、腐殖质及其他成分上的元素存在形式。具体又可分为非特异性吸附态和特异性吸附态,两者主要区别为元素是否对某种特定基团具有特异性的亲和作用。吸附态元素稳定性差,受环境因素影响大，环境威胁最大；结合态是指与铁铝水和氧化物结合的元素存在形式,即与铁铝水合氧化物发生反应后生成的结合体或包裹在沉积物颗粒表面的部分元素。具体可分为无定形和弱结晶铁铝水合氧化物结合态及全结晶铁铝水合氧化物结合态，该形态重金属在还原条件下稳定性较差,当环境的氧化还原电位(eh)发生改变时,这部分重金属可能被释放出来,具有潜在危害性；残渣态是原生和次生矿物晶格中的元素存在形式,在自然界可长期稳定存在而不易为生物体吸收，环境毒性较低。以下结合实施例对本发明作进一步说明。

超声提取实验对应进行空白实验，空白实验包括仪器空白与提取试剂的空白实验。仪器空白实验：原子荧光仪器开机运行后，进行仪器空白检查，检查方法为走5%的盐酸与混合还原液（1%硼氢化钾和0.5%氢氧化钾）5次，得到基础空白值，仪器利用自带工作站对测试数据进行自动校准。样品空白实验：样品实验过程中同步进行空白提取液实验，只加提取溶液，不加飞灰样品，进行与样品测试同程序的测定分析。超声提取方法分别对不同形态的砷硒进行不同时长的超声水浴辅助顺序提取。

实施例1

采集河北某电厂的飞灰样品，飞灰样品经过研磨后经低温冷冻干燥24h后，借助自动水平往复震荡过筛机过200目筛，所得样品在gb/t32722规定的条件下进行平衡，设定超声仪的工作参数为：工作频率为：40khz，功率为250w，水槽内浸泡液体的体积为5.5l。

非特异性吸附态砷的提取：称取平衡处理后的飞灰样品1g于50ml的聚乙烯离心管内，加入25ml、0.05m硫酸铵溶液，使飞灰样品与提取液充分混合，将离心管放入盛有400ml超纯水的烧杯中，烧杯置于超声仪中进行超声，分4次超声，累计超声12min，每次超声3min，间歇5min，然后3000r/min转速下离心15min，取上清液经0.45μm微孔水系滤膜过滤，将1ml过滤后的砷提取液置于3ml5%的稀盐酸与1ml5%的硫脲-抗坏血酸混合溶液中，充分混合静置30min后进行氢化物-原子荧光光谱分析；非特异性吸附态硒的提取与砷的提取步骤相同，超声分2次进行，累计时间为10min，每次超声5min，间歇5min，然后3000r/min转速下离心15min，取上清液经0.45μm微孔水系滤膜过滤，取1ml过滤后的硒提取液置于4ml5%的稀盐酸中，充分混合静置1h后进行氢化物-原子荧光光谱分析；原子荧光仪器开机运行后，进行仪器空白检查，检查方法为走5%的盐酸和混合还原液（1%硼氢化钾和0.5%氢氧化钾）5次，得到基础空白值，仪器利用自带工作站对测试数据进行自动校准；不同形态砷硒的提取实验做5组平行实验，同时做提取液空白实验：只加提取溶液，不加飞灰样品，进行与样品测试同程序的检测分析，检测分析扣除提取液空白后，可以得到非特异性吸附态（形态1）砷硒平均浓度分别为2.42±0.51mg/kg，1.86±0.22mg/kg。传统wenzel法震荡提取的非特异性吸附态砷硒所测平均浓度分别为2.68±0.62mg/kg，1.87±0.42mg/kg。本发明方法超声辅助提取非特异性吸附态砷硒的平均回收率分别为传统震荡提取的90.3%、99.5%。

特异性吸附态砷的提取：向提取非特异性吸附态砷后的残渣b1中加入25ml、0.05m的磷酸二氢铵，混合均匀，超声条件同上，常温超声提取24min，分4次间歇进行，每次超声6min，间歇5min；特异性吸附态硒的提取与砷的提取步骤相同，常温超声提取20min，分2次进行，每次超声10min，间歇5min，特异性吸附态砷硒的检测分析方法与非特异性吸附态砷硒的检测分析方法相同。最终得到特异性吸附态（形态2）砷硒的平均浓度分别为7.08±1.06mg/kg，1.25±0.19mg/kg，传统wenzel法震荡形态2砷硒所测平均浓度分别为8.56±1.21mg/kg，1.11±0.22mg/kg。本发明超声辅助提取形态2砷硒平均回收率为传统提取方法的82.7%、112.6%。

无定型和弱结晶铁铝水合氧化物结合态（形态3）砷的提取：向提取特异性吸附态砷的残渣c1中加入25ml、0.2m、ph值为3.25的草酸铵缓冲溶液，并混合均匀，超声工作条件与上述形态1砷超声工作条件相同，常温超声提取3min；无定型和弱结晶铁铝水合氧化物结合态（形态3）硒的提取：向提取特异性吸附态硒的残渣c2中加入25ml、0.2m、ph值为3.25的草酸铵缓冲溶液，并混合均匀，超声工作条件与上述形态1硒超声工作条件相同，常温超声提取28min，分7次进行，每次超声4min，间歇5min，检测分析前形态3砷硒的处理及检测分析方法与上述形态1相同，最终得到无定型和弱结晶铁铝水合氧化物结合态（形态3）砷硒的平均浓度分别为19.86±1.38mg/kg，2.02±0.20mg/kg，传统wenzel法震荡得到形态3砷硒平均浓度分别为22.93±5.58mg/kg，1.81±0.67mg/kg。本发明超声辅助提取形态3砷硒的平均回收率为传统方法的86.6%、111.6%。

全结晶铁铝氧化物结合态（形态4）砷的提取：向提取无定型和弱结晶铁铝水合氧化物结合态砷后的残渣d1中加入0.2m草酸铵和0.1m抗坏血酸混合溶液25ml，其ph值为3.25，并混合均匀，在90℃下见光水浴30min。3000r/min转速下离心15min后将上清液转移至离心管；剩余残渣中继续加入12.5ml、0.2m、ph值为3.25的草酸铵缓冲溶液，避光震荡10min，相同条件下离心并将两次上清液共37.5ml混合均匀。硒提取步骤与砷相同。检测分析前形态4砷硒的处理及检测分析方法与上述形态1相同，最终得到全结晶铁铝氧化物结合态（形态4）砷硒的平均浓度分别为0.83-0.92mg/kg，0.14-0.17mg/kg。

残渣态（形态5）砷的提取：向提取全结晶铁铝氧化物结合态砷的残渣e1中加入4ml硝酸、1ml氢氟酸和1ml双氧水混合溶液，在微波消解仪内进行消解，消解结束后进行加热赶酸，赶至1ml左右，去离子水定容至50ml，硒提取步骤与砷相同。检测分析前形态4砷硒的处理及监测分析方法与上述形态1相同，最终得到残渣态（形态5）砷硒的平均浓度分别为3.42-3.86mg/kg，1.79-1.86mg/kg。

对本发明提取方法进行再现性实验，对样品进行7次平行实验，结果的相对标准偏差在2.8%-8.6%之间，表明本发明超声提取方法具有良好的再现性。

实施例2

采集山西某电厂的飞灰样品，样品处理与实施例1相同。

非特异性吸附态砷硒的提取：提取方法及过程与实施例1相同，检测分析得到的非特异性吸附态（形态1）砷硒平均浓度分别为3.62±0.37mg/kg，2.98±0.22mg/kg，传统wenzel法震荡提取的非特异性吸附态砷硒所测平均浓度分别为3.91±0.62mg/kg，2.86±0.42mg/kg。本发明方法超声辅助提取非特异性吸附态砷硒的平均回收率分别为传统震荡提取的92.6%、104.2%。

特异性吸附态砷硒的提取：提取方法及过程与实施例1相同，检测分析得到的特异性吸附态（形态2）砷硒的平均浓度分别为5.33±0.41mg/kg，3.56±0.38mg/kg，传统wenzel法震荡形态2砷硒所测平均浓度分别为5.61±0.82mg/kg，3.69±0.55mg/kg。本发明超声辅助提取形态2砷硒平均回收率为传统提取方法的95.0%、96.5%。

无定型和弱结晶铁铝水合氧化物结合态（形态3）砷硒的提取：提取方法及过程与实施例1相同，检测分析得到的无定型和弱结晶铁铝水合氧化物结合态（形态3）砷硒的平均浓度分别为11.05±0.76mg/kg，2.30±0.39mg/kg，传统wenzel法震荡得到形态3砷硒平均浓度分别为10.39±1.84mg/kg，2.67±0.41mg/kg。本发明超声辅助提取形态3砷硒的平均回收率为传统方法的106.4%、86.1%。

提取方法及过程与实施例1相同，检测分析得到的全结晶铁铝氧化物结合态（形态4）砷硒的平均浓度分别为砷硒的平均浓度分别为1.27-1.39mg/kg，0.64-0.77mg/kg。

提取方法及过程与实施例1相同，检测分析得到的残渣态（形态5）砷硒的平均浓度分别为5.47-5.91mg/kg，2.05-2.54mg/kg。

对本发明提取方法进行再现性实验，对样品进行7次平行实验，结果的相对标准偏差在2.3%-8.9%之间，表明本发明超声提取方法具有良好的再现性。

实施例3

采集国家标准物质gbw08401为飞灰样品，样品处理与实施例1相同。

非特异性吸附态砷硒的提取：提取方法及过程与实施例1相同，检测分析得到的非特异性吸附态（形态1）砷硒平均浓度分别为4.12±0.62mg/kg，0.26±0.03mg/kg，传统wenzel法震荡提取的非特异性吸附态砷硒所测平均浓度分别为4.55±0.52mg/kg，0.27±0.04mg/kg。本发明方法超声辅助提取非特异性吸附态砷硒的平均回收率分别为传统震荡提取的90.5%、96.3%。

特异性吸附态砷硒的提取：提取方法及过程与实施例1相同，检测分析得到的特异性吸附态（形态2）砷硒的平均浓度分别为4.77±0.43mg/kg，0.05±0.01mg/kg，传统wenzel法震荡形态2砷硒所测平均浓度分别为4.41±0.65mg/kg，0.05±0.02mg/kg。本发明超声辅助提取形态2砷硒平均回收率为传统提取方法的108.2%、100.0%。

无定型和弱结晶铁铝水合氧化物结合态（形态3）砷硒的提取：提取方法及过程与实施例1相同，检测分析得到的无定型和弱结晶铁铝水合氧化物结合态（形态3）砷硒的平均浓度分别为3.60±0.25mg/kg，0.12±0.03mg/kg，传统wenzel法震荡得到形态3砷硒平均浓度分别为3.43±0.17mg/kg，0.11±0.02mg/kg。本发明超声辅助提取形态3砷硒的平均回收率为传统方法的105.0%、109.1%。

提取方法及过程与实施例1相同，检测分析得到的全结晶铁铝氧化物结合态（形态4）砷硒的平均浓度均低于仪器检出限。

提取方法及过程与实施例1相同，检测分析得到的残渣态（形态5）砷硒的平均浓度分别为3.66-3.8mg/kg，0.59-0.64mg/kg。

对本发明提取方法进行再现性实验，对样品进行7次平行实验，结果的相对标准偏差在2.5%-7.3%之间，表明本发明超声提取方法具有良好的再现性。