土壤重金属快速监测技术分析及应用

2020-10-20 06:04:07 中国新技术新产品 2020年14期

张伟

摘  要:近年来,随着我国工业的快速发展,在大幅度提升我国国民收入的同时也使国内的环境污染越来越严重,其中重金属污染就是典型的工业污染类型。与其他污染类型不同,重金属污染物对土壤造成的破坏具有一定的延续性,在很长一段时间都影响了土壤的质量,进而导致土壤中的植物受到污染。因此,相关技术检测部门需要对土壤中的重金属元素种类和含量进行全面的检测,只有这样才能对土壤有针对性的防护与治理,防止土壤污染的进一步加重。在此背景下,该文以土壤重金属污染的危害为切入点,对当前土壤重金属快速监测技术进行了重点分析,并阐述了土壤重金属监测技术的应用前景,最后总结了如何才能做好土壤重金属快速监测质量控制。

关键词:土壤重金属;快速监测; 荧光光谱技术

中图分类号: X833        文献标志码:A

0 引言

重金属污染是当前我国土壤污染中最严重的环境问题之一,重金属污染问题得不到解决会对土壤质量造成持久性的破坏,甚至会影响植物的质量,对人类身體健康造成危害,因此治理土壤重金属污染,已成为环保部门亟待解决的问题。要想成功治理土壤重金属污染就必须对土壤中的重金属含量和种类进行准确测量,重金属快速监测技术在其中发挥了重要的作用。当前,土壤重金属监测技术有很多,其中较为常见的包括荧光光谱技术、生物传感器技术、激光诱导击穿技术、高光谱遥感监测技术和环境磁学监测技术等,该文将对以上快速监测技术进行详细的介绍。

1 土壤重金属污染的危害

重金属是指相对密度超过5的金属元素,当前常见的重金属元素主要包括铅、汞、铬、锌和铜等元素。如果土壤中重金属含量过多,超出了安全范围,就会导致土壤出现重金属污染的情况。通常来说,如果在对植物进行灌溉时用水质量不达标、工业采矿时采矿方法不符合规定或者工业废水排放质量不达标都会导致土壤重金属污染。一般情况下,如果土壤中重金属元素超标,重金属污染是不会自己进行降解的,它会长期在土壤中留存,如果人和动物食用了土壤中的植物,重金属元素还会在人和动物体内逐渐积累,对人和动物身体健康造成威胁。近年来,随着科学技术的不断发展,土壤重金属监测技术也在不断更新,因此需要相关人员对土壤中的重金属进行实时监测,同时需要技术人员不断地更新改进土壤监测技术,加强快速监测手段,进而从根本上提升我国土地环境质量[1]。

2 土壤重金属快速监测技术

2.1 荧光光谱技术

荧光光谱技术又称为X射线荧光光谱技术,这种监测技术主要可以对土壤进行定量和定性分析。其主要工作原理是对采集到的土壤样品进行X光照射,样品能够吸收X射线,土壤中不同的重金属元素吸收X射线后会产生不同波长的荧光,技术人员根据荧光的波长和能量能够判断出土壤中含有重金属的元素种类和含量。荧光光谱技术的主要优点是不会对土壤样品造成其他污染和破坏,另外荧光光谱监测技术具有较高的监测速度和较高的稳定性,如果有需要能够直接在现场实施监测。近年来,在荧光光谱技术的基础上又发展出了一些新的监测分析技术,例如电子探针X射线光谱监测技术、全反射X射线荧光分析监测技术和偏振激发X射线荧光分析监测技术等。采用这些新型技术后,监测技术的灵敏性和准确度都有了较大幅度的提升,且对土壤取样量要求不高,监测过程复杂性有所降低,因此荧光光谱监测技术在土壤重金属监测方面已引起了广泛的关注。

2.2 生物传感器技术

生物传感器监测技术是依靠蛋白质、酶这两种物质进行的重金属快速监测。众所周知,蛋白质和酶具有一定的生物识别能力,这种具有生物识别能力的物质与监测土壤结合可以发生相应的变化,变化情况能够转换成容易被捕捉到的电信号或者光信号,监测人员对捕捉到的电信号或者光信号进行分析,就能测量出监测物质中所含贵金属的种类和含量。现阶段,我国监测机构中常用的传感器主要包括免疫传感器、细胞传感器和生物传感器等[2]见表1和表2。

2.3 激光诱导击穿技术

激光诱导击穿技术又称为激光诱导击穿光谱分析法,它是一种借助于等离子体发光进行土壤成分探测的一种污染检测方法、激光诱导击穿技术的工作原理为:让激光穿透会聚透镜,土壤表面的物质经过高峰值功率激光的照射会发生气化和电离反应,这时光学系统将土壤表面辐射出来的原子和离子光谱收集起来,监测人员将收集起来的光谱信息输入计算机系统,就能判断分析出土壤中所含物质的种类和质量。激光诱导击穿技术具有十分明显突出的优势,监测人员利用这种技术能够在同一时间定量和定性分析出土壤中所含的不同物质和状态,另外采用这种方法进行监测分析对监测样本质量没有过高的要求,因此能够节省大量人力,还能够大幅度提升监测分析效率。

2.4 高光谱遥感监测技术

当前高光谱遥感监测技术主要包括地面高光谱遥感监测技术和航空航天高光谱遥感监测技术。其中地面高光谱遥感监测技术是将传感器用三脚架、遥感车等仪器搭载起来,利用搭载后的传感器进行监测的技术防范,这种地面高光谱遥感监测技术可以进行各种地物波普测量。而航空航天高光谱遥感监测技术是指利用飞机飞艇或者气球搭载传感器,对地面进行遥感观测监测,因此,航天遥感监测技术又称为太空遥感监测技术。高光谱遥感监测技术的优点是监测效率高、监测范围大,相对于传统遥感监测技术具有更小的采样间隔和更高的空间分辨率,因此这种高光谱遥感监测技术在土壤、植被、农业和环境监测中具有极大的前景和价值。

2.5 环境磁学监测技术

环境磁学监测技术是利用磁性质进行污染监测的技术方法,在自然界,任何物质都具有一定的磁性质,监测人员根据物质对外产生的磁效应和电流,能够检测出土壤中所含物质的性质和数量,从而推算出土壤中有害重金属的构成和含量。

3 几种土壤重金属快速监测技术的应用前景

3.1 荧光光谱技术的应用前景

X射线荧光光谱技术以其监测速度快,对土壤无二次污染等特点,成为了当前发展速度最快的土壤重金属监测技术。但是,为了更高效准确地进行测量,该项技术在未来还应该有所优化,例如在进行监测时,技术人员应该对光谱线进行必要处理,同时还应该对光谱谱峰进行更精细的识别,提升监测结果的准确性[3]。

3.2 生物传感器技术的应用前景

使用生物传感器进行监测时,由于生物酶具有很强的单一选择性,很难对待检样本中的多种物质同时进行监测,因此这种方法只偶尔的被应用在土壤重金属监测过程中。在未来发展中,监测技术人员应该将研究重点放在多免疫抗体和多酶抑制监测技术上,同时监测设备和监测过程的精化、智能处理也是未来生物传感器监测的开发重心。

3.3 激光诱导击穿技术的应用前景

近年来,激光诱导击穿技术飞速发展,此项技术遇到的主要问题是在进行土壤检测时,监测人员获得的谱线密度十分复杂,对监测结果有较大的影响,因此未来研究中,应该将提升土壤样品表面平整度作为研究的主要重心[4]。

4 土壤重金属快速监测的发展趋势

4.1 提升监测的主动性

未来对土壤中重金属的检测应由过去的被动检测向未来主动监测发展,传统的检测只能在土壤已经出现污染情况后检测出来,因此无法达到提前预防的目的。在未来发展中,应该实现以点带面,大面积进行检测,及时发现土壤污染,尽早处理。

4.2 提升土壤监测的综合性

当前使用最多的检测方法是实验室化学检测法,这种检测方式无法进行大面积快速检测,因此未来发展中具有更高综合性的遥感车监测、无人机等航空平台监测将是一个重要发展趋势,利用综合性更高的监测方法能够快速、大面积的分析、治理土壤重金属污染。

5 结语

综上所述,对土壤进行质量监测,分析土壤中重金属的含量是解决土壤污染的重要手段,因此应该对土壤重金属监测技术进行全面细致的分析,总结出具有可行性的应对措施和治理方案。

参考文献

[1]龚海明,马瑞峻,旺昭军,等.农田土壤重金属污染监测技术发展趋势[J].中国农学通报,2013(2):140-147.

[2]施玉格.農田土壤重金属污染监测技术的发展[J].资源节约与环保,2014(9):123.

[3]王豹,余建新,黄标,等.便携式X射线荧光光谱仪快速监测重金属土壤环境质量[J].光谱学与光谱分析,2015(6):1735-1740.

[4]蒋世杰.土壤颗粒物中重金属监测技术进展[J].环境与发展,2018(8):176,178.