【缩时胶囊+XRF】强强联手，重金属污染无处遁形！

 重金属污染？

“缩时胶囊”搞定！

在很多地区，由于土地利用规划不当，很多工厂建在农田周围。这些工厂非法排放的高含量重金属废水威胁着农田，对农业生产、食品安全和人体健康造成严重危害。

目前，采样法是农业环境水质监测的主要方法。将现场废水样品采样后，送回实验室使用传统分析技术（如原子吸收光谱法(AAS)、原子荧光光谱法(AFS)、电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)等)进行检测。该方法不但耗费时间长，而且需要投入大量人力和物力。针对废水中重金属污染测定问题，国立台湾大学生物环境系统工程系的张振国教授团队，提出了利用离子交换树脂缩时胶囊（Time-Lapse Ion Exchange Resin Sachets, TIERS)，即“缩时树脂胶囊”，与便携式X射线荧光光谱(pXRF)相结合的方法进行现场测定。这种方法具有高时效低成本的优势，有效解决了传统采样法存在的弊端。该团队通过对台湾桃园县某工农混区的重金属废水进行测定实验，帮助当地环保部门查获多个非法排污企业。

X射线荧光光谱法(XRF)是一种常用的检测环境土壤中各种微量元素含量的无损检测方法。在这项研究中，张振国教授团队使用的是奥林巴斯Delta DPO-6500光谱仪，其专门的土壤模式可以检测到土壤中26金属元素和微量元素的含量，其中包括Hg、Pb、Cr、Zn、Cu、Ni、Cd、P、S、Cl、K、Ca等。

任何检测设备都具有一定的检测限(LOD)，即元素可被检测的最低含量。XRF也是一样的。废水中的重金属污染元素一般都具有极低的含量，这可能会导致部分元素因为含量低于其LOD而存在检测不到的风险，增加了检测难度。为了解决这个问题，研究人员采用了离子交换树脂缩时胶囊（TIERS）。TIERS的作用是，通过放置在排污管道口或者灌溉渠中一定时间，通过离子交换作用将水中的兴趣元素进行富集，形成一个元素含量“放大器”的作用（图1）。它可以将元素含量放大100~1000倍，，以便XRF可以进行准确的分析。

 TIERS的作用

TIERS是一种填充了20克树脂（下图a）的无纺布袋(下图b)。这种树脂（聚磺苯乙烯）已被广泛应用于分离、净化和去污工艺，最常见的例子是水软化和水净化，以及从液体中回收或去除金属。而无纺布具有良好的渗透性，有利于阳离子交换。最后在外部包裹一层塑料外壳(下图c)，来防止树脂袋被水流中的尖锐物扎破。

 a. 树脂 b. 装有树脂的无纺布袋 c. 塑料外壳

将TIERS连续7天放置在布置点位，可以监测7天内流经布置点的水流中积累的金属和微量元素含量。需要注意的是，XRF检测到的金属和微量元素的含量仅仅代表了树脂中金属和微量元素的含量，它不能完全描述某一时刻水体中金属和微量元素的含量，也不能反映监测期间的平均水体元素含量。研究表明，特定区域自然地表水中的锶(Sr)和钙(Ca)含量是相对稳定的，因此，对于不同水通量造成的差异，需要使用兴趣元素与该地区锶（Sr）或钙（Ca）元素含量的比值来进行标准化。例如（图3），Site A的铜（Cu）含量是Site B的5倍，但是因为Site B具有较高的水通量，该位置TIERS测得铜（Cu）含量为100 ppm，是Site A的2倍。这是因为Site B的高水通量使TIERS的富集倍数达到了1000。在使用锶（Sr）进行标准化后，Site B的Cu/Sr为0.4，Site A的Cu/Sr为2.0，符合铜（Cu）含量在Site A和Site B的实际比例关系。

水通量差异的标准化示意图

利用这个方法，我们可以完成：

• 筛查与定位污染点

• 追踪污染源

• 构建污染元素指纹特征

污染点的筛查和定位

配合TIERS使用便携式XRF可以实现区域监测，精准筛查和定位污染点。研究人员在桃园县的四个监测区共放置40枚TIERS来监测铜（Cu）、锌（Zn）、镍（Ni）的污染问题，其中新圳小组9枚、东西三圳铁山小组13枚、沟廖圳小组6枚、公历支线小组13枚。表1为该地区自然地表水中Cu、Zn、Ni三个元素的背景值（0.26/0.76/0.20）。

桃园县自然地表水中Cu\Zn\Ni背景值

通过数据分析发现，新圳小组的点（0.51/1.47/0.22）以及沟廖圳小组的点（0.08/1.78/0.02）分别表现为Cu、Zn、Ni超标以及Zn超标。

追踪污染源

TIERS方法也适用于在复杂地区进行污染源溯源。在桃园县渗眉埤地区，废水污染区域I和II（图5）的河道沉积物表现为重金属铜（Cu）、锌（Zn）、铬（Cr）、镍（Ni）、铅（Pb）含量异常高，其中Cu高达11,300 ppm。研究人员通过TIERS方法锁定污染高值点，并结合流经这些高值点水流的方向，筛查追踪了A-G等7个主要污染企业，帮助环保部门对污染企业进行调查取证，让不法分子现形。

XRF可以对原子序数大于等于12（镁Mg）的元素进行检测，并且在单次测试中，可以同时显示超过20种元素的含量信息。借助这个优势，研究人员可以为每种污染源建立元素指纹特征，这将有助于快速识别污染源类型。

观音工业园是位于台湾的大型综合类工业园区，园区内工厂类型繁杂，废水类型多样，为污水排放审查带来巨额工作量。研究人员将装有两种树脂香囊(可分别富集阳离子和阴离子)的TIERS放入各工厂排气管出口处的检修孔内，并在5天后取出，使用XRF进行检测，建立各工厂废水污染元素指纹特征。在园内工厂污水排放的申报与核实过程中，工作人员利用污染元素指纹特征，可以快速确认污染类型，同时筛查出非法申报企业名单。

参考来源：

1. Tsun Kuo Chang, 2021, Webinar Report, Determining Heavy Metals Contamination in Wastewater by pXRF;

2. Po-Kang Shih, Li-Chi Chiang etc, 2019, Sustainability, Application of Time-Lapse Ion Exchange Resin Sachets (TIERS) for Detecting Illegal Effluent Discharge in Mixed Industrial and Agricultural Areas, Taiwan;

3. Shu-Yuan Pan, Wei-Jhan Syu etc, 2020, Royal Society of Chemistry, A multiple model approach for evaluating the performance of time-lapse capsules in trapping heavy metals from water bodies.