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在很多地區(qū),，由于土地利用規(guī)劃不當(dāng),，很多工廠建在農(nóng)田周圍。這些工廠非法排放的高含量重金屬?gòu)U水威脅著農(nóng)田,，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn),、食品安全和人體健康造成嚴(yán)重危害。

目前,，采樣法是農(nóng)業(yè)環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測(cè)的主要方法,。將現(xiàn)場(chǎng)廢水樣品采樣后，送回實(shí)驗(yàn)室使用傳統(tǒng)分析技術(shù)（如原子吸收光譜法(AAS),、原子熒光光譜法(AFS),、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)等)進(jìn)行檢測(cè)。該方法不但耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng),，而且需要投入大量人力和物力,。針對(duì)廢水中重金屬污染測(cè)定問(wèn)題，國(guó)立中國(guó)臺(tái)灣大學(xué)生物環(huán)境系統(tǒng)工程系的張振國(guó)教授團(tuán)隊(duì),，提出了利用離子交換樹(shù)脂縮時(shí)膠囊（Time-Lapse Ion Exchange Resin Sachets, TIERS),，即“縮時(shí)樹(shù)脂膠囊”，與便攜式X射線熒光光譜(pXRF)相結(jié)合的方法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定,。這種方法具有高時(shí)效低成本的優(yōu)勢(shì),，有效解決了傳統(tǒng)采樣法存在的弊端。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)中國(guó)臺(tái)灣桃園縣某工農(nóng)混區(qū)的重金屬?gòu)U水進(jìn)行測(cè)定實(shí)驗(yàn),，幫助當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門查獲多個(gè)非法排污企業(yè),。

X射線熒光光譜法(XRF)是一種常用的檢測(cè)環(huán)境土壤中各種微量元素含量的無(wú)損檢測(cè)方法。在這項(xiàng)研究中,，張振國(guó)教授團(tuán)隊(duì)使用的是奧林巴斯Delta DPO-6500光譜儀,，其專門的土壤模式可以檢測(cè)到土壤中26金屬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,。

任何檢測(cè)設(shè)備都具有一定的檢測(cè)限(LOD)，即元素可被檢測(cè)的最低含量,。XRF也是一樣的,。廢水中的重金屬污染元素一般都具有極低的含量，這可能會(huì)導(dǎo)致部分元素因?yàn)楹康陀谄銵OD而存在檢測(cè)不到的風(fēng)險(xiǎn),，增加了檢測(cè)難度,。為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員采用了離子交換樹(shù)脂縮時(shí)膠囊（TIERS）,。TIERS的作用是,，通過(guò)放置在排污管道口或者灌溉渠中一定時(shí)間，通過(guò)離子交換作用將水中的興趣元素進(jìn)行富集,，形成一個(gè)元素含量“放大器”的作用（圖1）,。它可以將元素含量放大100~1000倍，,，以便XRF可以進(jìn)行準(zhǔn)確的分析,。

TIERS是一種填充了20克樹(shù)脂（下圖a）的無(wú)紡布袋(下圖b)。這種樹(shù)脂（聚磺苯乙烯）已被廣泛應(yīng)用于分離,、凈化和去污工藝,，最常見(jiàn)的例子是水軟化和水凈化，以及從液體中回收或去除金屬,。而無(wú)紡布具有良好的滲透性,，有利于陽(yáng)離子交換。最后在外部包裹一層塑料外殼(下圖c),，來(lái)防止樹(shù)脂袋被水流中的尖銳物扎破,。

將TIERS連續(xù)7天放置在布置點(diǎn)位，可以監(jiān)測(cè)7天內(nèi)流經(jīng)布置點(diǎn)的水流中積累的金屬和微量元素含量,。需要注意的是,，XRF檢測(cè)到的金屬和微量元素的含量?jī)H僅代表了樹(shù)脂中金屬和微量元素的含量，它不能*描述某一時(shí)刻水體中金屬和微量元素的含量,，也不能反映監(jiān)測(cè)期間的平均水體元素含量,。研究表明，特定區(qū)域自然地表水中的鍶(Sr)和鈣(Ca)含量是相對(duì)穩(wěn)定的,，因此,，對(duì)于不同水通量造成的差異，需要使用興趣元素與該地區(qū)鍶（Sr）或鈣（Ca）元素含量的比值來(lái)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,。例如（圖3）,，Site A的銅（Cu）含量是Site B的5倍,，但是因?yàn)镾ite B具有較高的水通量,，該位置TIERS測(cè)得銅（Cu）含量為100 ppm,，是Site A的2倍。這是因?yàn)镾ite B的高水通量使TIERS的富集倍數(shù)達(dá)到了1000,。在使用鍶（Sr）進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后,，Site B的Cu/Sr為0.4，Site A的Cu/Sr為2.0,，符合銅（Cu）含量在Site A和Site B的實(shí)際比例關(guān)系,。

利用這個(gè)方法，我們可以完成：

•   篩查與定位污染點(diǎn)

•   追蹤污染源

•   構(gòu)建污染元素指紋特征

配合TIERS使用便攜式XRF可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域監(jiān)測(cè),，精準(zhǔn)篩查和定位污染點(diǎn),。研究人員在桃園縣的四個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)共放置40枚TIERS來(lái)監(jiān)測(cè)銅（Cu）、鋅（Zn）,、鎳（Ni）的污染問(wèn)題,，其中新圳小組9枚、東西三圳鐵山小組13枚,、溝廖圳小組6枚,、公歷支線小組13枚。表1為該地區(qū)自然地表水中Cu,、Zn,、Ni三個(gè)元素的背景值（0.26/0.76/0.20）。

XRF可以對(duì)原子序數(shù)大于等于12（鎂Mg）的元素進(jìn)行檢測(cè),，并且在單次測(cè)試中，可以同時(shí)顯示超過(guò)20種元素的含量信息,。借助這個(gè)優(yōu)勢(shì),，研究人員可以為每種污染源建立元素指紋特征，這將有助于快速識(shí)別污染源類型,。

觀音工業(yè)園是位于中國(guó)臺(tái)灣的大型綜合類工業(yè)園區(qū),，園區(qū)內(nèi)工廠類型繁雜，廢水類型多樣,，為污水排放審查帶來(lái)巨額工作量,。研究人員將裝有兩種樹(shù)脂香囊(可分別富集陽(yáng)離子和陰離子)的TIERS放入各工廠排氣管出口處的檢修孔內(nèi)，并在5天后取出,，使用XRF進(jìn)行檢測(cè),，建立各工廠廢水污染元素指紋特征。在園內(nèi)工廠污水排放的申報(bào)與核實(shí)過(guò)程中,，工作人員利用污染元素指紋特征,，可以快速確認(rèn)污染類型，同時(shí)篩查出非法申報(bào)企業(yè)名單,。

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.