土壤重金属形态分析的改进BCR方法

BCR连续提取法分析土壤中重金属的形态
⏹1、重金属形态
⏹2、重金属形态研究方法及发展历程
⏹3、本实验的目的
⏹4、实验原理
⏹5、实验步骤
⏹6、数据处理
1.重金属形态
⏹重金属形态是指重金属的价态、化合态、结合态、和结构态四
个方面，即某一重金属元素在环境中以某种离子或分子存在的实际形式。

⏹重金属进入土壤后，通过溶解、沉淀、凝聚、络合吸附等各种
作用，形成不同的化学形态，并表现出不同的活性。

⏹元素活动性、迁移路径、生物有效性及毒性等主要取决于其形
态,而不是总量。

故形态分析是上述研究及污染防治等的关键
2、重金属形态研究方法及发展历程
⏹自Chester 等(1967)和Tessier 等(1979)的开创性研究以来,
元素形态一直是地球和环境科学研究的一大热点。

⏹在研究过程中,建立了矿物相分析、数理统计、物理分级和化学
物相分析等形态分析方法。

⏹由于自然体系的复杂性,目前对元素形态进行精确研究是很困
难,甚至是不可能的。

⏹在诸多方法中,化学物相分析中的连续提取(或逐级提取）
(Sequential extraction) 技术具操作简便、适用性强、蕴涵信息丰富等优点，得到了广泛应用。

逐级提取(SEE) 技术的发展历程
⏹60～70年代（酝酿期）
⏹以Chester 和Hughes(1967) 为代表的一些海洋化学家尝试用
一种或几种化学试剂溶蚀海洋沉积物,将其分成可溶态和残留态两部分,进而达到研究微量元素存在形态的目的。

⏹70 年代末（形成期）
⏹在前人研究的基础上,Tessier et al. (1979) 用不同溶蚀能力
的化学试剂,对海洋沉积物进行连续溶蚀和分离操作,将其分成若干个“操作上”定义的地球化学相,建立了Tessier 流程。

⏹80 年代(发展期)
⏹不同学者在对Tessier 流程改进的基础上,先后提出了20 多
种逐级提取流程。

其中,影响较大的逐级提取流程有Salomons 流程(1984) 、Forstner 流程(1985) 、Rauret et al流程(1989) 等。

⏹90 年代(成熟期)
⏹为获得通用的标准流程及其参照物,由BCR 等主办的以“沉积物
和土壤中的逐级提取”(1992) 、“环境风险性评价中淋滤/ 提取测试的协和化”(1994) 和“敏感生态系统保护中的环境分析化学”(1998) 等为主题的欧洲系列研讨会先后召开,并分别出版了研究专刊。

⏹Ure et al. (1993) 在Forstner (1985) 等流程的基础上,提
出了Ure 流程,后经Quevauviller et al. (1997 ,1998) 修改,成为BCR 标准流程,并产生了相应的参照物(CRM 601) 。

⏹BCR 为欧洲共同体参考物机构( European Community Bureau of
Reference) 的简称,是现在欧盟标准测量和测试机构(Standards Measurements and Testing Programme ,缩写为SM &T) 的前身。

⏹Rauret et al. (1999) 等对该流程作了改进,形成了改进的BCR
流程,成为欧洲新标准,并产生了相应的参照物(CRM 701) 。

同
时,Hall et al. (1996 ,1999) 在Chao (1984) 和Kersten et al. (1989) 研究的基础上,提出了GSC标准流程。

⏹GSC 为加拿大地质调查局( The Geological Survey of Canada)
的简称
⏹2000 年以后（完善期）
⏹在《Trends in Analytical Chemistry》(2000 年) 上总
结了90 年代元素形态分析结果,系统探讨了元素形态分析在分析化学中的作用、分析方法可靠性等一些关键问题,并倡导了欧洲微量元素形态主题网———“形态21”工程。

之后,一些研究者还探讨了土壤样品采集和预处理方法的标准化和参照物制备等问题
4、实验原理
⏹土壤重金属的形态分析是指用各种提取剂对土壤重金属的各个
形态进行连续提取，进而采用一定的方法测量其各形态含量。

⏹连续提取通常依次采用中性、弱酸性、中酸性、强酸性提取剂
对土壤重金属进行提取，同时随着提取步骤的深入，提取条件
也不断加强。

⏹顺序提取模拟各种可能的自然的及人为的环境条件变化，合理
使用一系列选择性试剂，按照由弱到强的原则，连续溶解不同
吸收痕量元素的矿物相。

把原来单一分析元素全量的评价指标
变成为元素各形态的分析量，从而提高了评价质量。

土壤重金属形态分析方法中共有的或是比较重要的形态的定义如下：
⏹可交换态重金属：是指吸附在土、腐殖质及其他成分上的金属，
对环境变化敏感，易于迁移转化，能被植物吸收。

反映了人类
近期排污影响即对生物毒性作用。

碳酸盐结合态重金属：指土壤中的重金属元素在碳酸盐矿物上形成的共沉淀结合态，对环境条件特别是pH值最敏感：当pH下降时，易重新释放出来而进入环境；当pH升高时，有利于碳酸盐的形成。

⏹铁锰氧化物结合态重金属：一般是以矿物的外囊物和细分散颗
粒存在，活性的铁锰氧化物比表面积大，吸附或共沉淀阴离子
而成。

当pH值和氧化还原电位较高时，有利于铁锰氧化物的形
成，铁锰氧化物的结合态反应了人文活动对环境的污染。

有机结合态重金属:使土壤中各种有机物与土壤中的金属螯合而成的，反应水生生物活动及人类排放富含有机物的污水结果。

残渣态重金属：一般存在硅酸盐、原生和次生矿物等土壤的晶格中，是自然地质风化的结果，在自然条件下不易释放，能长期稳定在沉积物中，不易为植物吸收。

主要受矿物成分及岩石风化和土壤侵蚀影响
⏹BCR法是欧洲参考交流局（European Community Bureau of
Reference）提出的较新的划分方法，将重金属形态分为4种，即：
⏹酸溶态(弱酸提取态,如碳酸盐结合态)、
⏹可还原态（如铁锰氧化物态）、
⏹可氧化态（如有机态）
⏹残渣态。

5.实验步骤
1）弱酸提取态：准确称取通过100目筛的风干土壤样品1.0000g置于100mL离心管中，加入40mL 0.1mol/L HOAc，放在恒温振荡器中22℃±5℃下连续震荡16h，然后放入离心机中3000r/min下离心20min。

将离心管中的上清液移入50mL容量瓶中，用水稀释到刻度，摇匀。

用原子吸收分光光度计测量浓度,表示为C1
（2）可还原态：向上一步残渣中加入40mL 0.5mol/L 的NH4OH •HCl, 放在恒温振动器中22℃±5℃下连续震荡16h，然后放入离心机中3000r/min下离心20min。

将离心管中的上清液移入50mL容量瓶中，用水稀释到刻度，摇匀。

用原子吸收分光光度计测量浓度,表示为C2。

（3）可氧化态：向上一步残渣中加入10mL H2O2(pH值2~3)，搅拌均匀后室温下静置1h后用水浴加热至85℃±2℃，再加入10mL H2O2 ，在恒温水浴箱中保持85℃±2℃ 1h. 加入50mL 1mol/L NH4OAc，放在恒温振动器中22℃±5℃下连续震荡16h，然后3000r/min下离心20min。

将上清液移入50mL容量瓶中，用水稀释到刻度，摇匀。

用原子吸收分光光度计测量浓度,表示为C3。

（4）残余态：分别加入10mLHNO3 和 4mLHF, 使酸和样品充分混合均匀。

把装有样品的消解管放进干净的高压消解罐中，拧上罐盖，进行微波消解。

微波消解仪消解系统的最佳条件 ( 见表 1)。

消解后取出消解管，置于智能控温电加热器上 140℃赶酸至近干，将管中溶液转移至 50mL 容量瓶中，用纯水定容。

用原子吸收分光光度计测量浓度,表示为C4.
（5）总量：准确称取过100目筛的风干土壤样品0.5000g ，分别加入5mL HNO3 和 2mLHF ，微波消解方法同上。

用原子吸收分光光度计测量浓度,表示为C0。

6、数据处理
（1）土壤各形态Cr 含量W i (mg/kg)按下式计算： )1(f m V
c W i -⋅= 式中： c ——试液的吸光度减去空白溶液的吸光度，然后在校准曲线上查得的铬的
含量(mg/kg) V ——试液定容的体积，ml ；
m ——称取试样的重量，g ； f ——试样中水分的含量，%。

改进BCR提取方法
反应药品：
所用的药品必须是分析纯以上。

溶液A（HOAc，0.11mol/L）：
吸取25±0.2 mL冰醋酸到装有0.5L去离子水的烧杯中，然后再转移至1L的容量瓶中，
再用去离子水定容。

再用去离子水将该溶液（HOAc，0.43mol/L）稀释4倍，获得溶液A。

溶液B（NH2OH·HCl，0.5 mol/L）：
溶解34.75g的NH2OH·HCl到400mL的去离子水中。

转移溶液至1L的容量瓶中，再用移液管移取25mL的2 mol/LHNO3到容量瓶中。

最后用去离子水定容。

该溶液要当天使用当天配。

溶液C（H2O2,300mg/g，8.8 mol/L）：
使用由厂家提供的H2O2（如：pH稳定在2-3）即可。

溶液D（NH4OAc，1 mol/L）：
溶解77.08g的NH4OAc到800mL的去离子水中。

再用一定浓度的HNO3调节pH到2.0±0.1，最后用去离子水定容。

空白：
Cd，Cr，Cu，Ni，Pb，Zn须按如下测定：
1.容器控制
每一批样品中取一个容器，经过清洗后，添加40mL的溶液A。

与样品溶液一样从第一步分析该空白溶液。

2.药品控制
分析每一批的溶液A，B，C，D
3.过程控制
在每一次浸提过程中，一个空白样品（如：没有装有土壤的容器）需要像其他样品一样经过完整的浸提过程，并在浸提的每一步后进行分析。

连续浸提过程：
步骤1：
称取1.0000g土样到80到100mL的容器中，添加40mL的溶液A。

然后在22±5℃的室温下振荡16h。

在添加浸提液和开始振荡这段时间不要耽搁太久。

浸提完之后，用3000g的速度离心20分钟。

将上清液注入到聚乙烯的容器中，盖好，迅速分析浸提液，或者在分析之前储放在4℃的冰箱中。

往残渣中添加20mL 的去离子水后振荡15min进行清洗，然后再用3000g的速度离心20分钟。

倒掉上清液，但不能倒掉任何固体残渣。

步骤2：
添加40mL的新鲜制备的溶液B到固体残渣中。

然后在22±5℃的室温下振荡16h。

在添加浸提液和开始振荡这段时间不要耽搁太久。

浸提完之后，用3000g 的速度离心20分钟。

将上清液注入到聚乙烯的容器中，盖好，迅速分析浸提液，或者在分析之前储放在4℃的冰箱中。

往残渣中添加20mL的去离子水后振荡15min进行清洗，然后再用3000g的速度离心20分钟。

倒掉上清液，但不能倒掉任何固体残渣。

步骤3：
小心添加10mL的溶液C到固体残渣中，避免引起过于剧烈的反应。

盖上盖子，不要拧紧，在室温下消化1h，期间间歇性的手摇。

之后再放到85±2℃的水浴中进行消化1h，前半小时要间歇性的进行手摇振荡，然后再打开盖子继续加热使溶液减少到3mL以下。

再添加10mL的溶液C，盖上盖子，前半小时要间歇性的进行手摇振荡，然后再打开盖子继续加热使溶液减少到1mL左右。

加入50ml溶
液D，最后再放到振荡器中，在22±5℃的室温下振荡16h。

在添加浸提液和开始振荡这段时间不要耽搁太久。

浸提完之后，用3000g的速度离心20分钟。

将上清液注入到聚乙烯的容器中，盖好，迅速分析浸提液，或者在分析之前储放在4℃的冰箱中。

注意事项：
1.第三步骤中每次添加完溶液C或加热时，前15min要格外小心，避免
物质的损失。

2.各个溶液的配置要精确。

设备要求：
1.所有用来盛放样品或反应物的容器都要用4 mol/L的HNO3浸泡过夜，然后用去离子水
反复清洗。

2.浸提所用的往复振荡机，浸提速度是30±10 rpm。

离心机的速度控制在3000g，时间
20min。