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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2024-07-26 08:34
摘 要: 建立了分散固相萃取/氣相色譜法快速測(cè)定水中8種苯系物。稱取0.2 g UiO-66-NH2萃取劑,加入到70 mL水樣中,渦旋提取2 min,在8 000 r/min下離心5 min,傾出水樣,加入1.0 mL二硫化碳(CS2)渦旋提取2.5 min,用微量進(jìn)樣針吸取液體裝入色譜小瓶中,進(jìn)樣至氣相色譜-火焰離子化檢測(cè)器(GC-FID)進(jìn)行測(cè)定。8種苯系物在質(zhì)量濃度為0.5~20.0 mg/L范圍內(nèi)與對(duì)應(yīng)的峰面積呈良好的線性關(guān)系,相關(guān)系數(shù)均為0.999 7以上。方法檢出限為0.01~0.02 mg/L,定量限為0.04~0.08 mg/L。對(duì)地表水進(jìn)行加標(biāo)分析,加標(biāo)回收率為82.4%~108%,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為5.3%~8.8%(n=6)。此外,UiO-66-NH2萃取劑重復(fù)使用5次后,8種苯系物回收率仍然在80%以上。該方法操作簡(jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確,可應(yīng)用于水中8種苯系物的測(cè)定。
關(guān)鍵詞: 苯系物; 氣相色譜; 分散固相萃??; UiO-66-NH2; 環(huán)境水體
伴隨石油、化工等工業(yè)和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,水污染一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)。根據(jù)世界衛(wèi)生組織的報(bào)告,世界上大多數(shù)廢水(超過(guò)80%)未經(jīng)適當(dāng)處理就排放在水體中,而發(fā)展中國(guó)家的這一數(shù)字為95%[1]。其中,苯系物是水中常見(jiàn)的有機(jī)污染物,主要包括苯、甲苯、乙苯、二甲苯的三種異構(gòu)體以及異丙苯等[2]。苯系物對(duì)人體具有致癌和致突變作用,長(zhǎng)期接觸會(huì)對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)、肝臟、心臟、腎臟等組織和器官造成不良反應(yīng),并增加患非淋巴細(xì)胞白血病的風(fēng)險(xiǎn)[3],因此有必要建立快速、簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確測(cè)定水中苯系物的分析方法。
目前水中苯系物測(cè)定主要采用液液萃取氣相色譜法(GB 11890—1989 《水質(zhì) 苯系物的測(cè)定 氣相色譜法》)、頂空氣相色譜法(HJ 1067—2019 《水質(zhì) 苯系物的測(cè)定 頂空/氣相色譜法》)。液液萃取法不僅耗費(fèi)人力還需使用較多有機(jī)溶劑,易造成二次污染;頂空法需要配備專門的頂空設(shè)備,增加檢測(cè)成本。筆者采用分散固相萃取法,所用時(shí)間短、有機(jī)溶劑體積小,很好地彌補(bǔ)了上述處理過(guò)程中的缺點(diǎn)。
金屬-有機(jī)骨架材料(MOFs)是一種由金屬離子或金屬簇和有機(jī)配體通過(guò)配位作用組合而成的多孔聚合物材料[4]。由于其具有超高比表面積、孔隙率、高度化學(xué)/結(jié)構(gòu)可調(diào)性以及可設(shè)計(jì)性等優(yōu)良特點(diǎn)[5],在吸附[6]、傳感[7]、催化[8]、氣體儲(chǔ)存[9]等眾多領(lǐng)域引起學(xué)者們的廣泛關(guān)注。相較于其他MOFs,UiO-66作為鋯基金屬有機(jī)骨架的一種,具有更好的耐酸堿性、水穩(wěn)定性和耐熱性[10],這為該材料在復(fù)雜水質(zhì)環(huán)境中的循環(huán)使用提供基礎(chǔ)。但是,UiO-66有限的吸附活性位點(diǎn),并不能滿足在較低投加量下對(duì)水體中苯系物的有效萃取。而通過(guò)氨基修飾的UiO-66可以調(diào)節(jié)MOFs的靜電相互作用,以及相應(yīng)的吸附選擇性[11?12]。
筆者采用配體前修飾法,通過(guò)溶劑熱合成了氨基修飾的UiO-66材料(UiO-66-NH2),并將其作為固相萃取劑吸附水中苯系物,再利用溶劑解析后用GC-FID進(jìn)行分析。同時(shí)研究了pH值、萃取劑投加量、提取時(shí)間等因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響,確定了最佳實(shí)驗(yàn)條件,并對(duì)其應(yīng)用于水中苯系物的測(cè)定進(jìn)行了方法驗(yàn)證。
1、 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 主要儀器與試劑
氣相色譜儀:8860-GC型,配置FID檢測(cè)器,美國(guó)安捷倫科技有限公司。
真空干燥箱:DZF 6020型,上海力辰儀器科技有限公司。
機(jī)械攪拌器:LC-ES-60型,上海力辰儀器科技有限公司。
超聲波清洗器:BILON3-120A型,上海比朗儀器制造有限公司。
分析天平:ME104T型,感量為0.01 g,上海標(biāo)卓科學(xué)儀器有限公司。
高速離心機(jī):TG16-WS型,上海盧湘儀離心機(jī)儀器有限公司。
迷你渦旋混勻器:VM-M1型,上海泰坦科技股份有限公司。
X射線衍射儀:Bruker D8 Advance型,德國(guó)布魯克公司。
FTIR光譜儀:Nicolet™ iS50型,美國(guó)賽默飛世爾科技公司。
氫氧化鈉、鹽酸、無(wú)水乙醇、N,N-二甲基甲酰胺(DMF):均為分析純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。
四氯化鋯、2-氨基對(duì)苯二甲酸:質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為98%,北京沃凱生物科技有限公司
甲醇、二氯甲烷、正己烷、乙酸乙酯:均為色譜純,北京沃凱生物科技有限公司。
二硫化碳:色譜純,不含苯,天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司。
二硫化碳中8種苯系物混合溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì):標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)編號(hào)為GBW (E) 082623,包括苯、甲苯、乙苯、對(duì)二甲苯、間二甲苯、鄰二甲苯、異丙苯、苯乙烯,各組分質(zhì)量濃度均為1 000 mg/L,壇墨質(zhì)檢標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心。
水樣:地表水取自上海市閔行區(qū)某河道。
1.2 色譜條件
色譜柱:DB-FFAP毛細(xì)管柱(30 m×250 μm,0.25 μm,美國(guó)安捷倫科技有限公司);進(jìn)樣口溫度:250 ℃;進(jìn)樣方式:分流進(jìn)樣,分流比為6∶1;載氣流量:1.5 mL/min;程序升溫:45 ℃保持7.5 min,以25 ℃/min升至115 ℃,保持2 min;FID檢測(cè)器溫度:250 ℃;空氣流量:400 mL/min;氫氣流量:40 mL/min;氮?dú)饬髁浚?5 mL/min。
1.3 標(biāo)準(zhǔn)溶液配制
取100 μL二硫化碳中8種苯系物混合溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),加入裝有少量二硫化碳的1 mL容量瓶中,用二硫化碳定容至標(biāo)線,配制成各組分質(zhì)量濃度均為100 mg/L的苯系物混合標(biāo)準(zhǔn)中間液。
分別量取5份70 mL超純水加入到離心管中,分別準(zhǔn)確加入5.0、10 μL苯系物混合標(biāo)準(zhǔn)中間液和5.0、10.0、20.0 μL二硫化碳中8種苯系物混合溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),得到系列苯系物混合標(biāo)準(zhǔn)工作液,各組分質(zhì)量濃度均為0.5、1.0、5.0、10.0、20.0 mg/L。
1.4 UiO-66-NH2制備
將6.99 g ZrCl4溶于360 mL DMF中,加入5.43 g 2-氨基對(duì)苯二甲酸,超聲溶解30 min,再以400 r/min攪拌3 h。將溶液全部轉(zhuǎn)移到500 mL高壓反應(yīng)釜中,于120 ℃真空干燥箱中放置24 h,取出,冷卻至室溫。將溶液分裝于100 mL離心管中,于8 000 r/min離心5 min,傾出上層液體,再分別用適量DMF、乙醇清洗3次,放入真空干燥箱中,在65 ℃下干燥24 h,將干燥后的材料合并裝入離心管中,密封保存。
1.5 水樣處理與測(cè)定
水樣采集后立即使用0.45 μm微孔濾膜過(guò)濾,以去除水樣中懸浮物,裝滿500 mL棕色玻璃瓶(不留空氣),并避光保存于4 ℃冰箱中。
將水樣從冰箱中取出,待其恢復(fù)至室溫后,準(zhǔn)確量取70 mL,加入到100 mL聚乙烯離心管中,稱取0.20 g UiO-66-NH2材料,混勻,采用渦旋儀進(jìn)行渦旋提取2 min,提取完成后使用離心機(jī)進(jìn)行分離,在8 000 r/min下離心5 min,傾出水樣。準(zhǔn)確加入1.0 mL二硫化碳,裝入離心管中,采用渦旋儀渦旋提取2.5 min,靜置,并用微量進(jìn)樣針吸取適量二硫化碳液體加入色譜小瓶中,按照1.2色譜條件分析,以色譜峰面積標(biāo)準(zhǔn)曲線法定量。
2、 結(jié)果與討論
2.1 固相萃取材料表征
使用X射線衍射儀和紅外光譜儀對(duì)制備的UiO-66-NH2材料進(jìn)行表征,見(jiàn)圖1。由圖1a可以看出,合成的UiO-66-NH2材料在7.2、8.4、27.5°的特征峰與標(biāo)準(zhǔn)譜圖相吻合,可以證明成功合成了UiO-66-NH2材料。由圖1b可見(jiàn),在3 400~3 500 cm-1處存在由氨基的對(duì)稱和不對(duì)稱拉伸振動(dòng)引起的雙帶[13],可以證明該材料存在NH2。

圖1 UiO-66-NH2材料的XRD圖譜和紅外光譜圖
Fig 1 XRD and FT-IR spectra of UiO-66-NH2 material
2.2 實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化
2.2.1 水樣的pH值
pH值不僅會(huì)影響分析物的存在形式,還會(huì)影響萃取劑的電荷狀態(tài),并進(jìn)一步影響其相互作用[10,14]??疾炝怂畼觩H值在3、5、7、9、11、13時(shí)UiO-66-NH2對(duì)苯系物吸附效率的影響。采用0.1 mol/L的氫氧化鈉溶液和鹽酸溶液調(diào)節(jié)水樣pH值,然后按照該方法分析計(jì)算目標(biāo)物色譜峰面積,見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn),UiO-66-NH2具有寬泛的pH值適應(yīng)性,pH值為3~13時(shí),8種苯系物基本穩(wěn)定,這擴(kuò)展了該材料作為萃取劑在實(shí)際廢水中的應(yīng)用范圍。在pH值為7時(shí),UiO-66-NH2對(duì)8種苯系物的吸附效率均為最大。

圖2 不同pH值時(shí)水樣的色譜峰面積
Fig. 2 Chromatographic peak area of water samples at different pH values
2.2.2 萃取劑用量
萃取劑用量會(huì)影響吸附活性位點(diǎn)的數(shù)量,從而對(duì)萃取效果產(chǎn)生較大影響[15]??疾炝溯腿┵|(zhì)量為0.10、0.20、0.30、0.40、0.50 g時(shí)的苯系物吸附效率,見(jiàn)圖3。由圖3可知,萃取劑質(zhì)量從0.10 g增加到0.20 g時(shí)吸附效率明顯提升,從0.20 g增加到0.50 g時(shí)吸附效率先下降后趨于穩(wěn)定。這一現(xiàn)象可能是由于萃取劑質(zhì)量在0.20 g時(shí)已達(dá)到吸附平衡,繼續(xù)增加萃取劑質(zhì)量導(dǎo)致UiO-66-NH2顆粒之間發(fā)生團(tuán)聚效應(yīng),造成可用活性位點(diǎn)數(shù)量的降低,這將阻礙萃取劑對(duì)苯系物的吸附,因此萃取劑質(zhì)量選擇為0.20 g。

圖3 不同萃取劑用量時(shí)水樣的色譜峰面積
Fig. 3 Chromatographic peak area of water samples with different amount of extractant
2.2.3 解吸溶劑
在萃取方法中選擇合適的溶劑對(duì)達(dá)到最高的萃取性能至關(guān)重要,一方面溶劑應(yīng)具有較高的目標(biāo)分析物溶解傾向,另一方面還要考慮溶劑的溶解能力、極性以及與儀器的相容性等因素[14,16]。水樣完成萃取后,分別選擇二硫化碳、二氯甲烷、正己烷和乙酸乙酯4種有機(jī)溶劑進(jìn)行解吸,然后按照實(shí)驗(yàn)方法分析,計(jì)算目標(biāo)物色譜峰的面積,見(jiàn)圖4。由圖4可知,采用二硫化碳作為解吸溶劑苯系物吸附效率較高,因此,解吸溶劑采用二硫化碳。

圖4 不同解吸溶劑時(shí)水樣的色譜峰面積
Fig. 4 Chromatographic peak area of water samples with different desorption solvents
2.2.4 提取時(shí)間
在基于平衡的分散固相萃取過(guò)程中,接觸時(shí)間是影響萃取回收率的主要因素之一,有必要選擇適當(dāng)?shù)慕佑|時(shí)間來(lái)保證水相和吸附劑之間的平衡[14]。分別選擇提取時(shí)間為1、2、3、4、5、6 min,考察苯系物吸附效率,見(jiàn)圖5。由圖5可知,在初始吸附階段(2 min內(nèi)),水樣中苯系物在較大濃度差的驅(qū)動(dòng)力下不斷地被UiO-66-NH2吸附,吸附效率增加,直至達(dá)到最大值(2 min)。當(dāng)吸附時(shí)間超過(guò)2 min時(shí),苯系物在UiO-66-NH2表面處于吸附-解析的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài),導(dǎo)致吸附效率上下波動(dòng)。綜上所述,后續(xù)實(shí)驗(yàn)提取時(shí)間為2 min,這不僅保證材料對(duì)苯系物最大的吸附效率,同時(shí)也提高了水樣中苯系物檢測(cè)效率。作為比較,使用C18萃取水中苯系物提取時(shí)間大于60 min[17],使用β-環(huán)糊精聚合物提取時(shí)間為30 min[18]。

圖5 不同提取時(shí)間時(shí)水樣的色譜峰面積
Fig. 5 Chromatographic peak area of water samples at different extraction time
2.3 線性方程、檢出限和定量限
該試驗(yàn)采用外標(biāo)法定量,以目標(biāo)物質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo),對(duì)應(yīng)的峰面積為縱坐標(biāo),建立標(biāo)準(zhǔn)曲線。按照HJ 168—2020進(jìn)行試驗(yàn)并計(jì)算方法檢出限,以4倍方法檢出限為定量限。苯系物的保留時(shí)間、線性范圍、線性方程、相關(guān)系數(shù)、檢出限以及定量限見(jiàn)表1。該方法檢出限滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11890—1989中二硫化碳萃取法檢出限(0.05 mg/L)及GB 11937—1989中檢出限(0.02 mg/L)的要求。
表1 苯系物的校準(zhǔn)曲線分析
Tab. 1 Calibration curve analysis of benzenes

2.4 樣品加標(biāo)回收試驗(yàn)
對(duì)地表水水樣進(jìn)行分析,并進(jìn)行2個(gè)質(zhì)量濃度級(jí)別加標(biāo)(1.0、5.0 mg·L-1),按照優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行處理,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2,水樣色譜圖見(jiàn)圖6。由表2可知,地表水樣品的加標(biāo)回收率為82.4%~108%,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.7%~8.8%(n=6)。此外,樣品均采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11890—1989中液液萃取法進(jìn)行測(cè)試,苯系物均未檢出。
表2 地表水樣品加標(biāo)回收試驗(yàn)結(jié)果
Tab. 2 Results of spiked recovery test for surface water samples


圖6 樣品色譜圖
Fig. 6 Chromatogram of samples
B—苯;T—甲苯;E—乙苯; p-X—對(duì)二甲苯; m-X—間二甲苯;C—異丙苯; o-X—鄰二甲苯;S—苯乙烯
2.5 材料可重復(fù)性
通過(guò)進(jìn)行連續(xù)吸附-解吸實(shí)驗(yàn)研究了UiO-66-NH2材料的可重復(fù)使用性。為了消除上次吸附過(guò)程中的殘留分析物,萃取劑UiO-66-NH2分別用少量二硫化碳、甲醇洗滌2次,然后在65 ℃下干燥后再進(jìn)行下一次使用。多次循環(huán)使用后,萃取劑的萃取效果見(jiàn)圖7。如圖7所示,經(jīng)過(guò)5次循環(huán)使用后,UiO-66-NH2的萃取效率雖然逐漸降低,但苯系物回收率仍在80%以上,因此,UiO-66-NH2作為萃取劑表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性,具有良好的可重復(fù)利用性。

圖7 重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果
Fig. 7 Repeatability test results
2.6 比對(duì)試驗(yàn)
表3為不同分析方法比較結(jié)果。與其他文獻(xiàn)方法相比,該方法實(shí)驗(yàn)時(shí)間明顯更低,并且萃取劑還可以重復(fù)使用,不僅節(jié)省人力且對(duì)環(huán)境友好。
表3 不同分析方法比較結(jié)果
Tab. 3 Comparison of methods with those reported in the literature
注:SPE——固相萃??;μ-SPE——固相微萃取;MSPE——磁固相萃取;DSPE——分散固相萃取。
3、 結(jié)論
建立了一種UiO-66-NH2作為分散固相萃取劑測(cè)定水中苯系物的方法。通過(guò)添加萃取劑并渦旋處理,縮短水樣前處理時(shí)間,并采用少量有機(jī)溶劑提取,可實(shí)現(xiàn)前處理簡(jiǎn)單、高效、準(zhǔn)確的測(cè)定水中8種苯系物的含量,為環(huán)境水樣中苯系物的測(cè)定提供新的檢測(cè)方法。
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