HR-ICP-MS研究丰水期黄河甘宁蒙段表层沉积物中重金属的形态分析与污染评价

为连续、系统地研究不同年份丰水期黄河甘宁蒙段表层沉积物中重金属的含量、污染状况和潜在生态风险,在前期工作的基础上,采用三级四步提取法(BCR)和高分辨电感耦合等离子体质谱(HR-ICP-MS)对2012年丰水期黄河甘宁蒙段包头浮桥(S2)、石嘴山陶乐镇(S6)和乌金峡(S9)等10个采样点水体表层沉积物中Cd,Pb,Cr,Ni,Cu,V,Co,Zn和Mn九种重金属元素进行含量测定和形态分析,并对重金属元素的污染作出评价。结果表明：各重金属元素在每个采样点分布趋势相同,平均含量顺序依次为：Mn＞V＞Zn＞Cr＞Cu＞Ni＞Pb＞Co＞Cd;表层沉积物中重金属主要以残渣态形式存在,表明重金属的生物有效性低,对环境影响较小;地积累指数法 (I_geo) 的评价结果显示Cd元素的I_geo值最高,对环境污染程度较高,其余元素对环境影响较小,其中Mn元素影响最小;富集因子法(EF)评价结果表明,Cd和Cu元素在某些采样点表现为显著富集,尤其是Cd在S5点处EF值高达4.69,表明该点处Cd受人类活动影响较为明显,其余元素均为非富集元素,这与I_geo评价结果吻合;潜在生态风险指数法(RI)表明,黄河甘宁蒙段S1,S2和S5点的RI值在150~300之间,为中等危害范畴,其余各采样点RI值均小于150,为轻微危害。研究结果为相关部门提供可信的实验数据和理论依据,也为建立该河段泥沙-污染物输移数学模型和系统研究持久性有毒污染物迁移转化规律及环境评价提供技术支撑。     

黄河甘宁蒙段表层沉积物中重金属元素含量及其形态分析（英文）

到目前为止,关于水环境中重金属浓度和形态分布的研究有许多报道。但是关于黄河上游,特别是对黄河甘宁蒙段区域重金属的研究报道仍需进一步深入。在相关研究工作的基础上,使用HR-ICP-MS和BCR连续提取法主要对2011年丰水期黄河甘宁蒙段12个采样点表层沉积物Cd,Pb,Cr,V,Co,Ni,Cu和Zn重金属元素的含量,形态和潜在风险进行测定与分析。结果表明:所有采样点各重金属元素含量顺序相同:CrVZnCuNiPbCoCd,与各采样点所在区域土壤中背景值相比,S5采样点Cd元素的含量水平最高(1.30μg·g-1)约为背景值(0.103μg·g-1)的13倍。通过Igeo对重金属进行污染评价,结果显示S5采样点Cd元素为强污染水平(Igeo=3.08),内蒙古段四个采样点(S1—S4)Cd表现为中强度污染水平,Igeo位于2.02~2.90之间;此外,富集因子(EF)评价结果发现,研究区域表层沉积物中八种重金属均受到人为活动的污染。根据潜在生态风险指数(RI)结果,S5和S3采样点为高生态风险,其他采样点为中等生态风险。BCR连续提取法结果显示Cd的有效性最高,其次为Co和Ni,V和Cr有效性最低。根据形态分析风险评估准则(RAC),Cd在S1—S4采样点有高风险,在S5采样点有很高风险;而对于Ni和Co来说,12个采样点中均表现为中等风险。研究结果和结论可为相关政府部门提供重要的研究信息。     

HR-ICP-MS研究丰水期黄河甘宁蒙段过滤水和悬浮物中重金属的含量特征和污染评价

为研究黄河甘宁蒙段丰水期过滤水和悬浮物中重金属的含量特征及污染状况,采用高分辨电感耦合等离子体质谱仪(HR-ICP-MS)对黄河甘宁蒙段昭君浮桥 (S1)、包头浮桥(S2)等10个采样点过滤水中六种重金属(Cd, Pb, Cr, As, Cu和Zn)及悬浮物中九种重金属(Cd, Pb, Cr, Ni, Cu, V, Co, Zn和Mn)的含量特征、污染评价和源分析进行研究。结果表明：(1)过滤水中只有Cr元素含量在所有采样点超出《地表水环境质量标准》(GB3838—2002) 的标准限值,且在10个采样点中均为最高(74.8～94.7 μg·L-1);单因子指数(I_i)评价结果表明除包头浮桥(S2)未受总氮(TN)污染外,其余采样点水质均受Cr元素和TN污染;内梅罗综合指数法(I)得出所有采样点的I值均在1～2之间(轻污染程度),表明黄河甘宁蒙段水质,尤其是下游段(S1～S6)已不是生活饮用水、水产养殖等的理想水源。(2)悬浮物中Ni含量(34.7 μg·L-1) 只在玛曲点(S10)低于中国土壤元素背景值(35.2 μg·L-1),在其余点均高于背景值,而其余八种元素在10个采样点的含量均高于背景值;地累积指数法(I_geo)结果表明九种元素中Cd元素的I_geo值(0.452～2.89)在10个采样点中均为最高值,且在昭君浮桥(S1)、包头浮桥(S2)、乌海(S5)和东大沟入黄河口(S8)这四个采样点处达到中污染-重污染程度,其余八种元素在各采样点的I_geo值均小于1,为无污染或无污染-中污染程度。研究结果为全面研究该流域重金属分布、迁移及有效保护提供可信的实验数据。     

HR-ICP-MS研究黄河三个连续区域段表层沉积物中重金属污染的空间分布和季节变化

采用高分辨电感耦合等离子体质谱(HR-ICP-MS) 和地积累指数法(I_geo) 对黄河甘肃、宁夏和内蒙古自治区连续三段表层沉积物中重金属(Cr,Pb,Cd,Cu,Zn 和 Ni)的空间分布和季节性波动(丰水期、枯水期和平水期) 以及污染状况进行系统研究分析,研究结果表明：内蒙古段三个季节中沉积物重金属含量都高于甘肃和宁夏段,同时,除Cd外,丰水期所有点的沉积物重金属含量都高于枯水期和平水期,而枯水期和平水期的重金属含量相近。I_geo结果显示丰、枯水期的Cd,Cu和Cr元素的I_geo值在内蒙古段最高,而在甘肃段最低;所有重金属的I_geo值在丰水期高于枯水期,除Cd外,都在平水期降低,而ICd_geo在平水期各采样点明显上升;丰水期的甘肃段、枯水期的甘肃和宁夏段以及平水期的所有采样点中的Pb,Zn和Ni的I_geo值都小于0,表明这些元素在这些点几乎无污染。就研究区域而言,内蒙古段的重金属含量以及生态风险最高,Cr,Cd和Cu是最具有潜在风险的三个元素;就研究季节而言,丰水期的重金属含量和潜在风险高于枯水期和平水期,可能是跟丰水期沉积物的pH和总有机碳(TOC)含量较高有关。相关性分析(CCA)用来探究重金属与pH/TOC间的关系以及重金属的潜在来源。CCA的结果表明Pb,Cu,Zn和Ni互相相关,并且这四种元素容易受到周围环境pH和TOC的影响,除此之外,Cr,Cd以及TOC 三者相关,且这两种元素受到人类活动影响较严重。该研究工作可为研究区域表层沉积物重金属在不同季节的环境行为提供有效的信息,同时,研究重金属、pH和TOC之间的相关性可有效揭示重金属的潜在来源。     

黄河甘宁蒙段重金属及其生态风险研究

黄河是中国西北地区最重要的水源,为了研究黄河上游甘宁蒙段水体的重金属含量及其潜在生态风险,本文分别使用AFS和HR-ICP-MS对黄河甘宁蒙段12个采样点过滤水和悬浮物中As,Hg,Cd,Pb,Cr,Ni,Cu 和 Zn等重金属元素的含量进行了测定。结果表明：各采样点过滤水中,除Cr (56.9~71.5 μg·L-1)外,其他重金属元素的含量均低于饮用水水质标准限值。TN,TP和 pH等水质参数的测定结果显示,除 S1 (2.48) 和 S9 (2.38)采样点的TN超过国家地表水环境质量标准第Ⅴ类标准外,其他各采样点参数值均较低。悬浮物中,Hg,Cd,Pb 和Zn的含量均高于各采样点所在地区相应元素土壤背景值。聚类分析结果显示Ni,Cu,Cr,Zn和Pb有相同污染来源,主要来源于不锈钢产业和石油产业;As,Cd和Hg三种重金属元素的来源各不相同,主要可能来自于农药,化肥,采矿和燃料以及煤的燃烧。应用RI和Er对各采样点以及单个重金属元素的潜在生态风险进行了评价。结果显示,除S1采样点为中度生态风险外,其他采样点均为显著生态风险(300.6 < RI < 508.6),Er指数显示Hg在内蒙段为显著-高生态风险,Cd在S11 (396.0), S9 (384.0) 和 S5 (373.3)采样点为极高风险,说明Hg和Cd在这些采样点污染较为严重。以上研究结果可以为相关部门提供可靠的实验数据和理论依据。     

HR-ICP-MS研究黄河三个连续区域段表层沉积物中重金属污染的空间分布和季节变化（英文）

采用高分辨电感耦合等离子体质谱(HR-ICP-MS)和地积累指数法(I_(geo))对黄河甘肃、宁夏和内蒙古自治区连续三段表层沉积物中重金属(Cr,Pb,Cd,Cu,Zn和Ni)的空间分布和季节性波动(丰水期、枯水期和平水期)以及污染状况进行系统研究分析,研究结果表明:内蒙古段三个季节中沉积物重金属含量都高于甘肃和宁夏段,同时,除Cd外,丰水期所有点的沉积物重金属含量都高于枯水期和平水期,而枯水期和平水期的重金属含量相近。I_(geo)结果显示丰、枯水期的Cd,Cu和Cr元素的I_(geo)值在内蒙古段最高,而在甘肃段最低;所有重金属的I_(geo)值在丰水期高于枯水期,除Cd外,都在平水期降低,而I_(geo)~(Cd)在平水期各采样点明显上升;丰水期的甘肃段、枯水期的甘肃和宁夏段以及平水期的所有采样点中的Pb,Zn和Ni的I_(geo)值都小于0,表明这些元素在这些点几乎无污染。就研究区域而言,内蒙古段的重金属含量以及生态风险最高,Cr,Cd和Cu是最具有潜在风险的三个元素;就研究季节而言,丰水期的重金属含量和潜在风险高于枯水期和平水期,可能是跟丰水期沉积物的pH和总有机碳(TOC)含量较高有关。相关性分析(CCA)用来探究重金属与pH/TOC间的关系以及重金属的潜在来源。CCA的结果表明Pb,Cu,Zn和Ni互相相关,并且这四种元素容易受到周围环境pH和TOC的影响,除此之外,Cr,Cd以及TOC三者相关,且这两种元素受到人类活动影响较严重。该研究工作可为研究区域表层沉积物重金属在不同季节的环境行为提供有效的信息,同时,研究重金属、pH和TOC之间的相关性可有效揭示重金属的潜在来源。     

钼锑抗分光光度法对黄河表层沉积物中磷的形态分布及其吸附-解吸特征研究

采用标准测试程序(SMT)和钼锑抗分光光度法对黄河流域甘宁蒙段表层沉积物进行磷形态的提取和含量测定,同时模拟沉积物对磷吸附-解吸特性进行了探索。结果表明：对照不同的评价标准,12个采样点中总磷(TP)含量均处于不同程度的污染水平,特别是S12采样点磷具有较高的释放风险。TP、无机磷(IP)和钙结合态磷(HCl-P)之间及有机磷(OP)和铁/铝结合态磷(NaOH-P)之间分别呈现出较好的正相关性。沉积物的组成和理化性质对磷的赋存形态产生影响,OP和NaOH-P可能与As,Ni,Co和Pb有相同的污染源。表层沉积物对磷的吸附-解吸过程均符合伪二级动力学方程,主要受化学作用的控制,而磷的等温吸附符合Langmuir方程,且升高温度有利于磷的吸附。水相中离子浓度(KCl)小于0.02 mol·L-1时,吸附作用占优势,反之,解吸作用占优势。水土比的增大会提高沉积物对磷的吸附量。另外,磷的解吸量会随着温度的升高和扰动强度的增加而增大。揭示了黄河甘宁蒙段表层沉积物中磷的形态分布及其吸附–解吸特征,为黄河甘宁蒙段水环境治理和磷负荷调控提供依据。     

PGNAA-XRF联合检测水溶液中重金属的研究

重金属污染越来越受到人们的关注,迫切需要开发具有高精度的原位检测技术。瞬发伽玛中子活化分析（PGNAA）技术具有原位、无损、快速等优点而被广泛应用于重金属测量,但由于目前原位检测装置中使用的中子源通量相对较低,因此对一些重金属元素分析精度相对不高。为提高测量精度,直接利用PGNAA技术中的瞬发特征γ射线充当传统X荧光光谱分析的激发源,来激发重金属元素的特征X射线荧光（XRF）信息,提出了一种PGNAA-XRF联合检测水溶液中重金属元素的方法,并设计了一套由BGO和带铍窗的NaI组成的双探测器联合检测装置,分别用来探测PGNAA中瞬发特征γ射线和特征X荧光信息。通过MCNP分别模拟研究了Cr,Cd,Hg和Pb的浓度（ｃ_i）对瞬发特征γ射线强度（I_γ）和特征X荧光强度(I_X)的影响,模拟结果表明该装置中Cr,Cd,Hg和Pb元素的I_γ和I_X均与ｃ_i成良好的线性关系,并建立了联合检测方法的经验公式。比较重金属元素特征X射线荧光发现,该联合方法对Hg和Pb等高原子序数重金属的检测较灵敏,最后计算得到该装置对Hg和Pb等重金属元素的检测限分别为17.4和24.2 mg·kg-1。     

ICP-MS研究太湖过滤水和表层沉积物中重金属的含量水平及污染评价

采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)对太湖22个采样点过滤水和18个采样点表层沉积物中镉(Cd)、铬(Cr)、铜(Cu)、镍(Ni)、铅(Pb)和锌(Zn)六种重金属元素含量进行测定。同时,采用单因子指数法(I_i)、内梅罗综合指数法(I)、地质累积指数法(I_geo)、潜在生态风险指数法(RI)和平均可能影响浓度商法(mPEC-Q)分别对过滤水和表层沉积物进行了污染评价。结果表明, 除S₃,S₄,S₂₀,S₂₂采样点外过滤水中Cu,Ni和Zn元素含量最高。其重金属平均含量水平大小排序为：Zn>Ni>Cu>Cr>Cd>Pb。研究区域的I_i和I值均小于1, 表明所有采样点五种重金属元素(Ni无标准限值)均处于清洁状态。而在表层沉积物中六种元素含量均超过当地背景值, 其平均含量大小排序为：Zn>Cr>Pb>Ni>Cu>Cd, 其中S₁₂采样点(渔民生态园)六种元素含量最高,且它们具有最大的I_geo,RI(327)和mPEC-Q(0.605),表明沉积物存在不同程度的污染。源分析的结果表明, 六种重金属具有较大的相关性,且Cd,Cu,Pb和Zn受电镀、冶炼工业生产及农业活动中化肥使用的影响较大。研究结果对追溯太湖重金属来源、迁移规律、生物效应和综合治理提供可信的实验依据。     

基于元素对研究激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱分析硫化物矿物的基体效应

基体效应是影响LA-ICP-MS分析结果准确性的主要因素之一,但目前却没有一种量化基体效应研究的方法。提出了一种以分析元素与内标元素的强度比(I_i/I_is)为纵坐标、浓度比(c_i/c_is)为横坐标绘制I_i/I_is-c_i/c_is图,以元素对I_i/I_is-c_i/c_is图的线性相关系数ｒ量化基体效应的思路。以Fe为内标,考察了13个常用玻璃标准物质与2个硫化物标准及多个硫化物矿物中6个元素对的基体效应,结果显示Cu/Fe和Zn/Fe的线性相关系数r都小于0.99,而痕量元素对Mn/Fe,Co/Fe,Ga/Fe,Pb/Fe的线性相关系数r都大于0.999;以S为内标,考察了2个硫化物标准与多个硫化物矿物中三个主量元素对Fe/S,Cu/S和Zn/S的基体效应,结果显示其线性相关系数r都小于0.999。无论是以Fe为内标结合玻璃标准为外标,还是以S为内标结合硫化物标准为外标分析硫化物矿物,主量元素大多数分析结果的误差大于10%;而以Fe为内标时,绝大多数玻璃标准获得的痕量元素分析结果与MASS-1较为一致,误差小于15%。研究表明,玻璃标准及硫化物矿物标准均与硫化物矿物存在一定的基体效应差异,而采用元素对I_i/I_is-c_i/c_is图的线性相关系数r量化基体效应具有一定的合理性与实用性。研究也表明了以Fe为内标,采用非基体匹配的玻璃标准可用于定量分析硫化物矿物中的痕量元素,尤其是具有较高痕量元素含量的NIST610。     

黄河甘宁蒙段表层沉积物中稀土元素形态和分馏作用研究

应用BCR连续提取法和高分辨电感耦合等离子体质谱(HR-ICP-MS)对黄河甘宁蒙段12个采样点(S1～S12)水体表层沉积物中14种稀土元素进行了含量测定及形态分析,并对稀土元素的分馏作用进行了研究。结果表明：各采样点表层沉积物中稀土元素的含量顺序均相同,且12个采样点14种稀土元素的平均含量(mg·kg-1)依次为铈(Ce, 66.4)>镧(La, 35.8)>钕(Nd, 28.6)>镨(Pr, 7.88)>钐(Sm, 5.87)>钆(Gd, 5.01)>镝(Dy, 4.53)>镱(Yb, 2.86)>铒(Er, 2.51)>铕(Eu, 1.31)>钬(Ho, 0.856) >铽(Tb, 0.760)>铥(Tm, 0.428)>镥(Lu, 0.404),与中国土壤背景含量相近;各稀土元素残渣态含量最高,约为71.9%～93.9%,表明生物有效性较低,对环境影响较小;可还原态含量较低,分布于0.20%～3.87%之间,均值为0.83%;弱酸提取态与可氧化态平均含量相近(7.69%和7.61%),玛曲采样点(S12)可氧化态含量(16.1%)明显高于弱酸提取态(1.73%),相关性分析结果表明总有机碳(TOC)含量与可氧化态含量之间有显著正相关关系,相关系数在0.763～0.914之间。稀土元素分馏作用研究结果表明：黄河甘宁蒙段表层沉积物中稀土元素主要来源于土壤风化,表现为轻稀土元素富集,Eu中度亏损。球粒陨石标准化图解曲线显示金沙湾(S8)和包头磴口(S1)二个采样点中La和Ce可能有外源稀土元素进入,且各采样点重稀土元素均有一定程度的外源影响。     

应用ICP-MS测定两种氮肥中重金属含量

肥料中的重金属可以通过作物直接进入人类食物链对人体产生危害,研究肥料中重金属含量对于农产品安全溯源意义重大。选用北京市场上销售的硫酸铵(NH₄)₂SO₄和尿素CO(NH₂)₂两种氮素肥料作为实验材料,分析了其中的10种有害重金属元素含量。(NH₄)₂SO₄中重金属含量分别是：Al 1 345.13 ng·g-1,Ti 35 120 μg·g-1,Cr 2 539.27, Ni 287.26, Cu 674.05, Zn 270.79, As 42.54, Cd 22.13, Hg 27.20和Pb 123.87 ng·g-1;CO(NH₂)₂中的含量分别是71.59 ng·g-1,5 360 μg·g-1,1 167.71, 188.60, 7.46, 64.45, 10.55, 0.00, 0.09和3.71 ng·g-1。上述结果表明：CO(NH₂)₂氮肥中有害金属含量非常低,尤其是Cd, Hg和Pb含量在10 ng·g-1以下,只有Cr的含量超过1.00 μg·g-1;与CO(NH₂)₂ 相比,(NH₄)₂SO₄中重金属含量虽然符合相关标准,但大部分重金属含量都是CO(NH₂)₂的几十倍,如果长期使用会对土壤环境和农产品安全造成一定影响。所以在施用氮肥时应当尽量选用CO(NH₂)₂。(NH₄)₂SO₄和CO(NH₂)₂中重金属含量差别可能与两种肥料的生产原料和工艺有关。     

ICP-MS研究黄河三湖河口表层沉积物对Cd~(2+)和Cu~(2+)的吸附-解吸特性

为了研究黄河上游表层沉积物与Cd~(2+)和Cu~(2+)的相互作用机理,以黄河三湖河口表层沉积物(简称样品)为研究对象,采用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)技术,优化样品对Cd~(2+)和Cu~(2+)的吸附固液比、时间、pH等条件。并在此条件下研究了Cd~(2+)和Cu~(2+)在样品上的吸附特性和解吸特性。结果表明:两种金属的优化吸附条件不同,在各自优化吸附条件下,样品对Cu~(2+)和Cd~(2+)的平衡吸附量分别为0.88和0.13 mg·g~(-1);对两种金属的吸附动力学符合伪二级吸附动力学模型,且样品对Cu~(2+)的吸附速率大于对Cd~(2+)的吸附速率;吸附热力学拟合结果显示吸附过程符合Freundlich模型,对两种金属的吸附均属于优惠型吸附,且吸附过程属于吸热过程,可自发进行;解吸动力学研究表明,两个金属的解吸过程均符合Elovich方程,属于非均相扩散;在多离子竞争吸附-解吸实验中发现,样品对Cu~(2+)的吸附-解吸受到共存离子的影响更大。研究结果揭示了黄河三湖河口表层沉积物对Cd~(2+)和Cu~(2+)吸附和解吸的作用机理以及共存离子对吸附解吸特性的影响。对于分析重金属在水体与沉积物之间的作用机理、固液两相分布规律以及重金属迁移能力提供了理论依据,同时也为制定研究区域针对性的重金属防控措施具有一定指导意义。