Environmental sampling and analysis for metals

Table of Contents Chapter 1 Introduction to Metals 1.1 Introduction to Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 1.1.1 Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..1 1.1.2 Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 1.1.3 Atoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 1.1.4 Isotopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..4 1.2 Periodic Table of Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4 1.3 Properties of Metals, Nonmetals, and Metalloids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9 1.3.1 Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9 1.3.2 Nonmetals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9 1.3.3 Metalloids or Semimetals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10 1.4 Early History of Metal Use . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..11 1.5 Sources of Metals and Their Compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11 1.6 Sources of Metal Pollution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11 1.6.1 Metal Pollution from Mining and Processing Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11 1.6.2 Other Sources of Metal Pollution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12 Chapter 2 Discussion of Metallic Elements 2.1 Representative Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13 2.1.1 Group IA (1): Alkali Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13 2.1.2 Group IIA (2): Alkaline Earth Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15 2.1.3 Group IIIA (13) Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18 2.1.4 Group IVA (14) Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19 2.1.5 Group VA (15) Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..20 2.2 Transition Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20 2.2.1 General Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20 2.2.2 Inner Transition Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30 2.3 Metalloids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31 2.3.1 Group IVA (14) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31 2.3.2 Group VA (15) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31 2.4 Heavy Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31 2.5 Metallic Substances Essential to Life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32 2.5.1 Most Important Metals in Human Metabolism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32 2.5.2 Common Plant Nutrients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37 Chapter 3 Toxicity of Metals 3.1 General Discussion of Toxicity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39 3.1.1 Toxicytosis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39 3.1.2 Toxic Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..39 3.1.3 Acute Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39 3.1.4 Chronic Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39 3.1.5 Lethal Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39 3.1.6 Sublethal Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39 3.1.7 TWO D’S (Dose and Duration) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40 3.1.8 LD50 (Lethal Dose 50) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40 3.1.9 Classification of Toxic Substances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40 3.2 Metal Toxicity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44 3.3 Toxic Effects of Selected Representative Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46 3.3.1 Group IA (1): Alkali Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46 3.3.2 Group IIA (2): Alkaline Earth Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47 3.3.3 Group IIIA (13): Boron–Aluminum (B–Al) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47 3.3.4 Group IVA (14): Carbon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49 3.3.5 Group VA (15): Nitrogen–Phosphorus (N–P) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50 3.4 Toxicity of Selected Transition Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50 3.4.1 Period 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50 3.4.2 Period 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51 3.4.3 Period 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53 3.4.4 Selected Metals of Period 7, Including Actinides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55 3.5 Toxicity of Selected Metalloids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55 3.5.1 Boron (B) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55 3.5.2 Germanium (Ge) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56 3.5.3 Arsenic (As) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56 3.5.4 Antimony (Sb) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57 3.5.5 Tellurium (Te) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57 Chapter 4 STANDARDS RELATED TO METALLIC POLLUTANTS 4.1 Environmental Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .59 4.1.1 Federal and State Environmental Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .59 4.1.2 Environmental Regulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60 4.1.3 Selected Regulatory Programs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60 4.2 Drinking Water Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61 4.2.1 Safe Drinking Water Act (SDWA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61 4.2.2 SDWA Regulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62 4.2.3 SDWA Amendments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62 4.2.4 National Secondary Drinking Water Regulations (NSDWRs) . . . . . . . . . . . . . . . . .67 4.3 Surfacewater Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67 4.3.1 Clean Water Act (CWA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68 4.3.2 EPA Priority Toxic Pollutants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69 4.4 Agriculturally Used Waters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69 4.5 Industrial Waters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71 4.6 Waste Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72 4.7 Hazardous Waste Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73 4.7.1 Criteria for Hazardous Waste Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73 4.8 Air Pollution and Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74 4.8.1 Primary and Secondary Air Pollutants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74 4.8.2 Clean Air Act (CAA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74 4.8.3 Ambient Air Quality Standard (AAQS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .76 4.9 ISO 14001 and Environmental Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77 4.9.1 Environmental Management Systems (EMSs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77 4.9.2 ISO 14001 EMS Standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77 Chapter 5 FUNDAMENTALS OF SPECTROSCOPY 5.1 Early History of the Nature of Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .79 5.2 Electromagnetic Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .80 5.2.1 The Dual Nature of Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .81 5.3 Continuous and Line Spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82 5.3.1 Continuous Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82 5.3.2 Line Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .83 5.4 Absorption and Emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .83 5.4.1 Molecular vs. Atomic Spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .84 5.5 Beer’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85 5.6 Atomic Spectroscopy Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .86 5.6.1 Atomic Absorption Spectrometry (AAS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .86 5.6.2 Atomic Emission Spectrometry (AES) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .86 5.6.3 Atomic Fluorescence Spectrometry (AFS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .87 5.6.4 Atomization Process and Excitation Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .87 5 6.5 Development of Analytical Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .87 5.6.6 Comparison of Techniques Used in Trace Element Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . .88 Chapter 6 MOLECULAR SPECTROPHOTOMETRY 6.1 Molecular Absorption and Color . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89 6.2 Molecular Absorption Spectrophotometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89 6.2.1 Basic Components of Spectrophotometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89 6.3 Single-Beam and Double-Beam Spectrophotometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93 6.3.1 Single-Beam Spectrophotometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93 6.3.2 Double-Beam Spectrophotometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93 6.4 Type of Spectrophotometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .94 6.4.1 Visible Spectrophotometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .94 6.4.2 Ultraviolet/Visible (UV/Vis) Spectrophotometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .94 6.4.3 Spectrophotometers with a Built-in Microprocessor or Microcomputer . . . . . . . . . .95 6.4.4 Differences between UV/Vis and IR Spectrophotometric Methods . . . . . . . . . . . . .95 6.4.5 Infrared (IR) Spectrophotometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .95 6.5 Summary of Molecular Spectrophotometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97 6.6 Spectrophotometer Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97 6.6.1 Frequency of Calibration Curve Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97 6.6.2 General Rules in the Preparation of Calibration Curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .98 6.6.3 Linear Regression Calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .98 6.7 Performance Check of UV/Vis and IR Spectrophotometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100 6.7.1 UV/Vis Spectrophotometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100 6.7.2 IR Spectrophotometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101 6.8 Maintenance of the UV/Vis and IR Spectrophotometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101 6.8.1 UV/Vis Spectrophotometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101 6.8.2 IR Spectrophotometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101 Chapter 7 ATOMIC ABSORPTION SPECTROMETRY 7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .103 7.1.1 Atomic Spectrometry (AS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .103 7.1.2 Atomic Absorption (AA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .103 7.1.3 Atomic Absorption Spectrometry (AAS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .103 7.2 Steps in the Atomic Absorption Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .104 7.2.1 Nebulization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .104 7.2.2 Evaporation or Desolvation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .104 7.2.3 Liquefaction and Vaporization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .104 7.2.4 Atomization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .105 7.2.5 Excitation and Ionization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .105 7.3 Atomic Absorption Spectrophotometer Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .105 7.3.1 Light Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .105 7.3.2 Flames . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .106 7.3.3 Nebulizer and Burner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .106 7.3.4 Optics and Monochromator System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .107 7.3.5 Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .108 7.3.6 Readout System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .108 7.3.7 Automatic Samplers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .109 7.3.8 Automated Multielement AA Instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .109 7.3.9 Microcomputer-Based Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .109 7.4 Single- and Double-Beam Instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .109 7.5 Atomic Absorption Measurement Terms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .109 7.5.1 Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .109 7.5.2 Concentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110 7.5.3 Sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110 7.5.4 Detection Limit (DL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110 7.5.5 Optimum Concentration Ranges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110 7.6 Techniques in AAS Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .112 7.6.1 Direct-Aspiration or Flame Atomic Absorption Spectrophotometry (FAAS) . . . . .112 7.6.2 Chelation-Extraction Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .112 7.6.3 Hydride Generation Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .112 7.6.4 Cold Vapor Atomic Absorption Spectrophotometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .113 7.6.5 Electrothermal or Graphite Furnace Atomic Absorption Spectrophotometry (GrAAS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .113 7.7 Interference in AAS Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .113 7.7.1 Nonspectral Interferences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .113 7.7.2 Spectral Interferences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .116 7.7.3 Summary of Interferences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .117 7.8 Safety in AAS Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .118 7.8.1 Flammability of Acetylene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .118 7.8.2 Combustion Products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .118 7.8.3 Flashbacks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .118 7.9 Quality Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .118 7.10 Maintenance of AA Spectrophotometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .118 7.11 AAS Performance Checks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .119 7.12 Sample Collection and Sample Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .119 Chapter 8 DIRECT ASPIRATION OR FLAME ATOMIC ABSORPTION SPECTROMETRY (FAAS) 8.1 Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121 8.2 Direct Air–Acetylene Flame Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121 8.2.1 General Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121 8.2.2 Instrumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121 8.2.3 Reagents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .122 8.2.4 Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .123 8.2.5 Standardization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .124 8.2.6 Sample Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .124 8.2.7 Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .124 8.3 Direct Nitrous Oxide–Acetylene Flame Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .124 8.3.1 General Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .124 8.3.2 Apparatus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .124 8.3.3 Reagents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .125 8.3.4 Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .125 8.3.5 Standardization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .126 8.3.6 Analysis of Samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .126 8.3.7 Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .126 8.4 Interferences, Safety, and Quality Control Requirements in FAAS . . . . . . . . . . . . . . . . . .126 8.5 Maintenance of FAA Spectrophotometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .126 8.6 Performance Check of FAA Spectrophotometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .126 Chapter 9 GRAPHITE FURNACE ATOMIC ABSORPTION SPECTROMETRY 9.1 General Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .129 9.1.1 Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .129 9.1.2 Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .129 9.2 Apparatus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .130 9.2.1 Atomic Absorption Spectrophotometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .130 9.2.2 Burner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .130 9.2.3 Hollow Cathode Lamps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .130 9.2.4 Graphite Furnace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .130 9.2.5 Strip-Chart Recorder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131 9.2.6 Water Supply for Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .132 9.2.7 Sample Dispensers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .132 9.3 Analysis by Graphite Furnace Spectrophotometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .132 9.3.1 Sample Pretreatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .132 9.3.2 Reagents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .132 9.3.3 Instrument Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133 9.3.4 Multi-Step Temperature Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133 9.3.5 Measuring the Graphite Furnace AA Signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .134 9.3.6 Instrument Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .134 9.3.7 Sample Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .134 9.3.8 Calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .135 9.4 Interferences and the Graphite Furnace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .135 9.4.1 Spectral Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .135 9.4.2 Nonspectral Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .137 9.5 Stabilized Temperature Platform Furnace (STPF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .139 9.6 Quality Control Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .140 9.7 Maintenance of Graphite Atomic Absorption Spectrophotometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . .140 9.8 Performance Check of Graphite Atomic Absorption Spectrophotometer . . . . . . . . . . . . . .140 Chapter 10 COLD-VAPOR ATOMIC ABSORPTION SPECTROMETRY 10.1 General Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .143 10.1.1 Advantages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .143 10.1.2 Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .143 10.1.3 Detection Limit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .143 10.2 Apparatus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .144 10.2.1 Atomic Absorption Spectrophotometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .144 10.2.2 Mercury Hollow Cathode Lamp (HCL) or Electrodeless Discharge Lamp (EDL)144 10.2.3 Recorder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .144 10.2.4 Absorption Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .144 10.2.5 Cell Support . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .144 10.2.6 Air Pump . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .144 10.2.7 Flowmeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .144 10.2.8 Aeration Tubing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .144 10.2.9 Reaction Flask . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .144 10.2.10 Drying Tube . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145 10.2.11 Connecting Tubing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145 10.3 Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145 10.3.1 Sample Collection, Preservation, and Handling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145 10.3.2 Reagents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .146 10.3.3 Instrument Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .147 10.3.4 Standardization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .147 10.3.5 Sample Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148 10.4 Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .149 10.4.1 Sulfides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .149 10.4.2 Copper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .149 10.4.3 Seawaters, Brines, and Industrial Effluents High in Chlorides . . . . . . . . . . . . . . . .150 10.4.4 Certain Volatile Organic Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150 10.5 Quality Control Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150 10.6 Calculations and Reporting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150 10.7 Safety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .151 Chapter 11 HYDRIDE-GENERATION ATOMIC ABSORPTION TECHNIQUE 11.1 Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153 11.1.1 Advantage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153 11.1.2 Disadvantage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153 11.2 Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153 11.2.1 Detection Limit and Concentration Range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .154 11.3 Apparatuses and Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .154 11.3.1 Atomic Absorption Spectrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .154 11.3.2 Arsenic and Selenium Hollow Cathode Lamp or Electrodeless Discharge Lamp .154 11.3.3 Background Correction at Measurement of Wavelength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .154 11.3.4 Strip-Chart Recorder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .154 11.3.5 Atomizer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .154 11.3.6 Reaction Cell for Producing As and Se Hydride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .155 1