水樣中丙烯腈(酸)快速測(cè)定方法的研究

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(浙江工業(yè)大學(xué) 生物與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

建立準(zhǔn)確、快速檢測(cè)廢水中丙烯腈的方法是研究廢水中丙烯腈降解的重要手段.國(guó)內(nèi)外檢測(cè)廢水中丙烯腈方法較多，目前使用最廣泛的是氣相色譜法.我國(guó)環(huán)境保護(hù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(HJ/T 73—2001)《水質(zhì)丙烯腈的測(cè)定——?dú)庀嗌V法》采用填充柱及FID檢測(cè)器直接進(jìn)樣氣相色譜法測(cè)定廢水中的丙烯腈，但其無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全分離(分離度<1.5)，還尚存較多不足之處.后崔鳳艷以毛細(xì)管柱Rtx—624氣相色譜法分析丙烯腈產(chǎn)品中的雜質(zhì)，比國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)法(GB/T 7717.12—2008)分析時(shí)間縮短了5～15 min[1]；胡小芳等則建立并優(yōu)化了測(cè)定水中的丙烯腈的自動(dòng)頂空氣相色譜法，檢出限可達(dá)到0.02 mg/L[2]；王鐵鋼等采用毛細(xì)管柱PEG—20M氣相色譜法檢測(cè)丙烯腈的生物催化產(chǎn)物，可在4 min內(nèi)同時(shí)檢測(cè)到底物丙烯腈、產(chǎn)物丙烯酰胺以及副產(chǎn)物丙烯酸，較適用于大量樣品的快速定量檢測(cè)[3].由于具體樣品的特殊性以及實(shí)驗(yàn)儀器的差異，對(duì)丙烯腈生物降解研究中的定量測(cè)定條件往往需比較調(diào)整后方可確定.基于自主培養(yǎng)的產(chǎn)腈水解酶的降解菌催化降解丙烯腈模擬廢水的實(shí)驗(yàn)，其可一步催化丙烯腈生成相應(yīng)的丙烯酸，故分別采用頂空氣相色譜法(HS—GC)和直接進(jìn)樣氣相色譜法(GC)兩種方法來(lái)檢測(cè)生物降解水樣中的丙烯腈和產(chǎn)物丙烯酸，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，確定出了能同時(shí)快速測(cè)定水樣中丙烯腈與丙烯酸濃度的檢測(cè)方法，為后續(xù)課題的研究打好基礎(chǔ).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Agilent 6890 N氣相色譜儀(美國(guó)Agilent公司)，配備7683 B型自動(dòng)進(jìn)樣器及工作站；40 mL頂空測(cè)定瓶(美國(guó)Agilent公司)配聚四氟乙烯涂層的硅橡膠隔墊；07 HWS—2數(shù)顯恒溫磁力攪拌器(杭州儀表電機(jī)有限公司)；TDZ 5—WS多管架自動(dòng)平衡離心機(jī)(長(zhǎng)沙湘儀離心機(jī)儀器有限公司)；100 μL微量進(jìn)樣針.丙烯腈(分析純)；丙烯酸(化學(xué)純).

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

生物降解廢水樣品：配制500 mg/L的丙烯腈廢水，加入一定量的降解菌液，在500 mL反應(yīng)器中，于30 ℃，300 r/min的條件下進(jìn)行生物降解實(shí)驗(yàn)，并定時(shí)取樣.

HS—GC：取水樣25 mL到預(yù)處理過(guò)(洗凈后120 ℃下烘2 h)的頂空瓶中，滴加6 mol/L的HCl終止反應(yīng)，加入3 g NaCl后先用聚四氟乙烯膜封口后加蓋旋緊并搖勻，置于50 ℃恒溫水浴中平衡30 min后，用100 μL的微量進(jìn)樣針迅速?gòu)捻斂掌可喜砍槿?00 μL氣體進(jìn)樣，用GC測(cè)定丙烯腈的濃度.

GC：取2 mL水樣至5 mL的離心管中，并滴加6 mol/L HCl終止反應(yīng)，后于5 000 r/min離心10 min，取上清液經(jīng)0.45 μm濾膜過(guò)濾后用GC法通過(guò)外標(biāo)法定量測(cè)定丙烯腈和丙烯酸濃度.

1.3 標(biāo)準(zhǔn)樣品制備

在100 mL的容量瓶中準(zhǔn)確移取1.85 mL的丙烯腈溶液，加水定容搖勻，該丙烯腈儲(chǔ)備液質(zhì)量濃度為15 g/L.分別取0.17，0.33，0.67，1.00，1.33，1.67 mL至50 mL的容量瓶中，加水定容配成50，100，200，300，400，500 mg/L的丙烯腈標(biāo)準(zhǔn)溶液；同理配制質(zhì)量濃度50～500 mg/L的丙烯酸標(biāo)準(zhǔn)溶液.取上述標(biāo)準(zhǔn)溶液采用1.2中相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法，并以峰面積對(duì)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)含量作標(biāo)準(zhǔn)曲線，樣品與標(biāo)準(zhǔn)曲線比較，根據(jù)保留時(shí)間定性，峰面積定量.

2 結(jié)果與討論

2.1 頂空氣相色譜法測(cè)定生物降解水樣

2.1.1 色譜條件的優(yōu)化

采用HP—5毛細(xì)管色譜柱(30.0 m×320 μm×0.25 μm)檢測(cè)生物降解水樣中的丙烯腈和丙烯酸，丙烯腈有較高的響應(yīng)值，保留時(shí)間為2.55 min，丙烯腈的峰形略微拖尾，但丙烯酸卻無(wú)響應(yīng)，也未檢測(cè)到丙烯酸的色譜峰.色譜條件優(yōu)化后確定進(jìn)樣口溫度180 ℃，柱箱溫度80 ℃(4 min)，F(xiàn)ID檢測(cè)器溫度180 ℃，不分流進(jìn)樣，載氣使用高純氮?dú)猓獨(dú)饬髁?0 mL/min，氫氣流量40 mL/min，空氣流量450 mL/min，在此條件下，可得到較好的丙烯腈色譜峰.

2.1.2 頂空條件的優(yōu)化

影響頂空氣相色譜法的因素包括頂空水浴溫度、水浴時(shí)間、裝液體積和鹽析作用.

頂空的水浴溫度會(huì)影響氣液分配常數(shù)和色譜響應(yīng)值，為考察頂空時(shí)水浴溫度的影響規(guī)律，分別取水浴溫度為40，45，50，55，60 ℃，水浴時(shí)間30 min，頂空體積25 mL，進(jìn)樣量為100 μL，結(jié)果見(jiàn)圖1.隨著水浴溫度的上升，反應(yīng)液中更多的丙烯腈釋放到頂空瓶上部，使得丙烯腈的響應(yīng)值也逐漸升高，靈敏度增加[4]，水浴溫度達(dá)到50 ℃時(shí)，丙烯腈的響應(yīng)值最大，則最佳的水浴溫度為50 ℃.相關(guān)研究中最佳的水浴溫度為40～80 ℃不等[5-7]，本實(shí)驗(yàn)水浴溫度50 ℃即能達(dá)到滿意效果.但溫度高于50 ℃時(shí)，水蒸汽的含量增大會(huì)嚴(yán)重影響頂空的平衡穩(wěn)定性和毛細(xì)管柱，也造成丙烯腈的峰面積稍有降低.

圖1 水浴溫度的影響

水浴時(shí)間即待測(cè)物氣液兩相達(dá)到平衡的時(shí)間，其主要由待測(cè)物的揮發(fā)性和水浴溫度決定[8].在水浴溫度50 ℃時(shí)，考察了水浴時(shí)間在10～60 min時(shí)對(duì)丙烯腈峰面積的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2.水浴剛開(kāi)始時(shí)，丙烯腈的峰面積較低，隨著水浴時(shí)間的增加，丙烯腈的峰面積明顯增大.當(dāng)水浴30 min時(shí)，響應(yīng)值達(dá)到最大值，即丙烯腈的富集已達(dá)到平衡，因此最佳的水浴時(shí)間為30 min.水浴時(shí)間繼續(xù)增長(zhǎng)，因瓶中的丙烯腈在氣液兩相間已達(dá)到平衡，故丙烯腈的峰面積基本無(wú)明顯升高.

圖2 水浴時(shí)間的影響

為考察裝液體積對(duì)丙烯腈峰面積的影響，在40 mL的頂空瓶中分別盛裝反應(yīng)液體積為10，15，20，25，30 mL，結(jié)果見(jiàn)圖3.當(dāng)裝液體積小于20 mL時(shí)，瓶?jī)?nèi)的丙烯腈含量較低，頂空瓶上方的丙烯腈富集量無(wú)法達(dá)到平衡，丙烯腈的響應(yīng)值也較低；當(dāng)裝液體積大于20 mL時(shí)，頂空瓶中氣體蒸汽壓達(dá)到飽和，繼續(xù)增大裝液體積對(duì)于丙烯腈的響應(yīng)值沒(méi)有增長(zhǎng)的作用.但當(dāng)裝液體積小于25 mL時(shí)，頂空瓶過(guò)輕會(huì)在水浴過(guò)程中處于漂浮的狀態(tài)，頂空瓶有一部分會(huì)裸露在空氣中，會(huì)影響到水浴的效果，因此選擇最佳裝液體積為25 mL.

圖3 裝液體積的影響

鹽析作用通過(guò)在溶液中加入無(wú)機(jī)鹽類來(lái)改變揮發(fā)性組分的分配系數(shù)[9]，能提高頂空氣相色譜法的檢測(cè)靈敏度.在頂空瓶中分別加入0，1，2，3，4，5 g NaCl，考察鹽析作用對(duì)丙烯腈響應(yīng)值的影響，結(jié)果可見(jiàn)圖4.隨著溶液中NaCl的增加，丙烯腈的峰面積呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，因加入NaCl后會(huì)使得丙烯腈的溶解度降低，而NaCl質(zhì)量加入到3 g后，丙烯腈的峰面積增大速度變緩，此時(shí)丙烯腈基本已富集于頂空瓶上方，最終確定NaCl加入量為3 g.

圖4 鹽析作用的影響

2.1.3 技術(shù)指標(biāo)分析

HS—GC測(cè)定中，丙烯腈標(biāo)準(zhǔn)系列線性范圍50～500 mg/L，以峰面積對(duì)濃度做線性曲線，得線性方程：y=3.425x-8.088，相關(guān)系數(shù)：r=0.986 1.以信噪比為3計(jì)算出丙烯腈的檢出限，以信噪比為10計(jì)算出丙烯腈的定量限(表1),在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件下，加入一定量的丙烯腈，采用HS—GC重復(fù)測(cè)定5次，計(jì)算得樣品的加標(biāo)回收率及相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差見(jiàn)表1.

表1 HS—GC法的回收率、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差、檢出限及定量限的結(jié)果

2.2 直接進(jìn)樣氣相色譜法測(cè)定生物降解水樣

2.2.1 色譜條件的優(yōu)化

比較HP—5、HP—FFAP、HP—INNOWAX等不同的毛細(xì)管色譜柱檢測(cè)生物降解水樣中的丙烯腈和丙烯酸，非極性HP—5毛細(xì)管柱僅對(duì)丙烯腈有較高的響應(yīng)值，而對(duì)丙烯酸無(wú)響應(yīng)；極性較強(qiáng)的HP—FFAP和HP—INNOWAX毛細(xì)管柱對(duì)丙烯腈和丙烯酸都有較好的響應(yīng)值，分離效果好，故本實(shí)驗(yàn)采用HP—FFAP毛細(xì)管柱(30.0 m×320 μm×0.25 μm).對(duì)色譜條件進(jìn)行優(yōu)化，確定進(jìn)樣口溫度260 ℃，柱箱溫度190 ℃(4 min)，F(xiàn)ID檢測(cè)器溫度260 ℃，采用分流進(jìn)樣，進(jìn)樣量0.2 μL，分流比50∶1.

2.2.2 技術(shù)指標(biāo)分析

采用直接進(jìn)樣GC法，丙烯腈的保留時(shí)間為1.87 min，丙烯酸的保留時(shí)間為2.37 min，丙烯腈和丙烯酸的分離度R>1.5，丙烯腈和丙烯酸的色譜峰峰形均良好(圖5)，能實(shí)現(xiàn)3 min內(nèi)同時(shí)檢測(cè)樣品中的待測(cè)物.對(duì)比王鐵鋼等4 min內(nèi)檢測(cè)生物降解水樣[3]，檢測(cè)時(shí)間進(jìn)一步縮短，能滿足水樣中丙烯腈的分析需求[10]，也適用于大量生物降解實(shí)驗(yàn)樣品的快速定量檢測(cè).

圖5 生物降解實(shí)驗(yàn)的氣相色譜圖

直接進(jìn)樣GC法中丙烯腈和丙烯酸的標(biāo)準(zhǔn)系列線性范圍50～500 mg/L，以峰面積對(duì)濃度做線性曲線，丙烯腈的線性方程：y=0.037x+0.216 4，相關(guān)系數(shù)：r=0.999 3；丙烯酸的線性方程：y=0.015 5x+0.004 3，相關(guān)系數(shù)：r=0.994 7.由此可見(jiàn)：GC法中丙烯腈和丙烯酸都表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)r都高于0.99.以信噪比為3計(jì)算處檢出限，以信噪比為10計(jì)算出定量限(表2),在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件下，加入一定量的丙烯腈和丙烯酸，重復(fù)測(cè)定5次，計(jì)算得樣品的加標(biāo)回收率及相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差見(jiàn)表2.

2.3 不同檢測(cè)方法的對(duì)比

對(duì)比兩種檢測(cè)方法，HS—GC對(duì)丙烯酸無(wú)響應(yīng)，雖可嘗試不斷提高水浴的溫度，但易導(dǎo)致大量水蒸汽進(jìn)入毛細(xì)管柱，對(duì)毛細(xì)管的性能和壽命影響極大，另外由于丙烯酸沸點(diǎn)高(141 ℃)，揮發(fā)性小，無(wú)法在頂空瓶中富集，故頂空氣相色譜法檢測(cè)不到丙烯酸物質(zhì)；而直接進(jìn)樣GC法可在3 min內(nèi)同時(shí)檢測(cè)到丙烯腈和丙烯酸，并實(shí)現(xiàn)完全分離.兩種方法的相關(guān)技術(shù)參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表3，兩種方法的準(zhǔn)確度和精密度均較好，而直接進(jìn)樣GC法中保留時(shí)間和相關(guān)系數(shù)優(yōu)于HS—GC法，檢出限和定量限也比HS—GC法高.

表2 GC法的回收率、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差、檢出限及定量限的結(jié)果

表3 不同檢測(cè)方法的技術(shù)參數(shù)對(duì)比

HS—GC法也存在著較多的問(wèn)題和缺點(diǎn)，如進(jìn)樣針筒因外界環(huán)境溫度的影響，每次進(jìn)樣時(shí)針筒外壁溫度差異大，進(jìn)而引起進(jìn)樣氣體量變化；HS—GC法是手動(dòng)進(jìn)樣，進(jìn)樣針的針芯會(huì)由于抽拉的摩擦力導(dǎo)致針芯的松動(dòng)和針筒內(nèi)壓力突變，使待測(cè)物質(zhì)的響應(yīng)數(shù)值重復(fù)性極差；另外還無(wú)法避免手動(dòng)進(jìn)樣時(shí)的操作誤差.然而，直接進(jìn)樣GC法配備有自動(dòng)進(jìn)樣器，使得待測(cè)物的線性關(guān)系、靈敏度及準(zhǔn)確性都遠(yuǎn)超HS—GC法.

采取上述方法用于丙烯腈實(shí)際廢水檢測(cè)時(shí)，由于丙烯腈實(shí)際廢水的污染物成分復(fù)雜，存在著其他的有機(jī)物和無(wú)機(jī)鹽，COD和TN含量也很高[11-12]，可能會(huì)對(duì)檢測(cè)的數(shù)據(jù)造成影響.采用HS—GC時(shí)廢水中的揮發(fā)性物質(zhì)和鹽分會(huì)對(duì)頂空效果和丙烯腈的響應(yīng)值造成影響，后續(xù)測(cè)定時(shí)應(yīng)針對(duì)這些問(wèn)題重新配置標(biāo)準(zhǔn)曲線并添加對(duì)照試驗(yàn)；但采用直接進(jìn)樣GC法基本不會(huì)受到實(shí)際廢水中成分的影響，完全適用于丙烯腈實(shí)際廢水的大量樣品快速定量檢測(cè).

3 結(jié) 論

在自主培養(yǎng)的含腈水解酶的降解菌催化降解丙烯腈的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，分別采用頂空氣相色譜法(HS—GC)

和直接進(jìn)樣氣相色譜法(GC)兩種方法來(lái)檢測(cè)生物降解水樣中的丙烯腈和產(chǎn)物丙烯酸.確定了HS—GC的色譜條件和頂空條件，采用毛細(xì)管柱HP—5檢測(cè)到丙烯腈的保留時(shí)間為2.55 min，但丙烯酸無(wú)響應(yīng)值，并確定了水浴溫度50 ℃，水浴時(shí)間30 min，裝液體積25 mL，加入3 g NaCl，該方法中丙烯腈的峰形有些拖尾，線性關(guān)系較差，準(zhǔn)確度較低.當(dāng)采用毛細(xì)管柱HP—FFAP直接進(jìn)樣GC法可在3 min內(nèi)同時(shí)檢測(cè)到丙烯腈和丙烯酸，并能實(shí)現(xiàn)完全分離，兩種待測(cè)物的線性關(guān)系、準(zhǔn)確度和精細(xì)度也都較好.通過(guò)對(duì)兩種檢測(cè)方法對(duì)比分析，直接進(jìn)樣GC法優(yōu)于HS—GC法，因此確定采用以HP—FFAP為分析柱、直接自動(dòng)進(jìn)樣檢測(cè)的氣相色譜法快速定量的測(cè)定樣品中丙烯腈的殘留濃度及丙烯酸的生成濃度，同時(shí)也能滿足生物降解實(shí)驗(yàn)中大量樣品的快速定量檢測(cè).

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