優(yōu)化超聲萃取灘涂底質(zhì)中石油烴總量的研究

樊鑫，趙新達(dá)，楊大佐，趙歡，周一兵

(大連海洋大學(xué)遼寧省海洋生物資源恢復(fù)與生境修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連 116023)

石油是現(xiàn)代社會(huì)不可或缺的能源，但在石油的開(kāi)采、運(yùn)輸、加工和使用過(guò)程中會(huì)給生態(tài)環(huán)境和社會(huì)環(huán)境造成一定的危害［1-2］。據(jù)聯(lián)合國(guó)有關(guān)組織統(tǒng)計(jì)，每年海上油井井噴事故和運(yùn)輸事故造成的溢油高達(dá)2.2 ×107t，大量石油進(jìn)入海洋環(huán)境，對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境以及人類社會(huì)造成嚴(yán)重破壞［3-4］。吸附在懸浮物上石油烴會(huì)隨潮汐、海流遷移到潮間帶的沉積物上［5］。在潮水作用下，灘涂表層石油烴會(huì)向深部遷移，在遷移過(guò)程中被沉積物固體顆粒吸附，殘留于沉積物中［6］。沉積在灘涂底質(zhì)的石油烴一方面會(huì)影響底質(zhì)的通透性［7］，破壞灘涂底質(zhì)質(zhì)量;另一方面，石油烴中巨毒性、致癌性的多環(huán)芳烴會(huì)嚴(yán)重影響海洋底棲生物的正常生長(zhǎng)。所以對(duì)海洋灘涂底質(zhì)中石油烴的測(cè)定尤為重要。

目前，測(cè)定石油烴含量的方法包括重量法、紫外分光光度法、紅外光度法、熒光分光光度法等。1979年，美國(guó)EPA 將重量法定為檢測(cè)水中石油污染物的標(biāo)準(zhǔn)方法［8］，其優(yōu)點(diǎn)是不受油品限制，不需要特殊儀器，且精密度和準(zhǔn)確度均比較理想，適合測(cè)定高濃度土壤，但損失了沸點(diǎn)低于提取劑的石油組分，所以測(cè)量值比真實(shí)值偏低［9］。紫外分光法適合于測(cè)定高濃度含油樣品中的石油污染物，無(wú)法測(cè)定石油污染物中的飽和烴和環(huán)烴類，靈敏度較低;該方法在測(cè)定地表水、土壤、沉積物中石油污染物的應(yīng)用較為廣泛，而在測(cè)定水產(chǎn)品中的石油污染物則不多見(jiàn)［10］。熒光分光光度法是一種超微量分析方法，相比紫外和紅外分光光度法具有更高的靈敏度;由于各種熒光物質(zhì)均有各自的紫外激發(fā)波長(zhǎng)和熒光發(fā)射波長(zhǎng)，熒光物質(zhì)的這種雙重特異性，使該方法具有良好的選擇性，能夠有效地排除其它物質(zhì)的干擾［11］。

無(wú)論上述何種方法，萃取是測(cè)定底質(zhì)中石油烴總量的重要步驟。石油能夠與土壤膠體以及一些有機(jī)物緊密結(jié)合成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的復(fù)合體，必須使用具有較強(qiáng)極性的有機(jī)溶劑萃?。?2］。除了萃取劑的選擇，萃取方法也很重要，現(xiàn)在主流的萃取方法包括超聲萃取法、振蕩萃取法和索氏提取法［10］。目前對(duì)底質(zhì)中石油烴的萃取沒(méi)有統(tǒng)一完善的標(biāo)準(zhǔn)，不同研究所設(shè)定的萃取條件各有不同，所得出結(jié)論也不盡相同。本實(shí)驗(yàn)采用超聲萃取法萃取石油污染底質(zhì)的石油烴［13-14］。對(duì)萃取溫度、萃取劑、萃取時(shí)間以及液固比進(jìn)行了研究，為海洋灘涂底質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

正己烷、二氯甲烷、石油醚均為分析純;盤(pán)錦油田稀油［15］，密度(20 ℃)＜0.92 g/cm3，粘度＜100 mPa·s;底質(zhì)，采自金州開(kāi)發(fā)區(qū)灘涂，浸取液pH值7.82［16］，含鹽量13 060 mg/kg［17］。

日立F-2700 型熒光分光光度計(jì);KQ3200B 型超聲波清洗器;DRP-1011 型烘箱;HERMAL Z383K 離心機(jī);AL204 電子天平;HI99163N 便攜式pH 測(cè)定儀;玻璃層析柱;CU420 型電熱恒溫水箱。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液配制

有機(jī)溶劑經(jīng)活性炭脫芳處理。

1.2.1 油標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液(1.00 mg/mL) 稱取0.100 g原油于100 mL 容量瓶中，用有機(jī)溶劑溶解、定容。

1.2.2 油標(biāo)準(zhǔn)使用液(100 μg/mL) 移取5.00 mL油標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液于50 mL 容量瓶中，用有機(jī)溶劑定容。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 污染底質(zhì)的制備 底質(zhì)干燥后去除碎石和垃圾，40 目篩備用。分別稱取0.01，0.05，0.1，0.2 g 稀油，用適量石油醚溶解。分別與9.99，9.95，9.90，9.80 g 無(wú)石油污染的干燥底質(zhì)均勻混合，于背陰通風(fēng)的環(huán)境中自然風(fēng)干，得到石油含量分別為0.1%(1 000 mg/kg，海洋二類沉積質(zhì)標(biāo)準(zhǔn))，0.5%(5 000 mg/kg，超二類沉積質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)4 倍)，1.0%(10 000 mg/kg，超二類沉積質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)9 倍)和2.0%(20 000 mg/kg，超二類沉積質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)19 倍)的污染底質(zhì)。

1.3.2 樣品的超聲萃取及測(cè)定 準(zhǔn)確稱取1.00 g風(fēng)干污染底質(zhì)于50 mL 離心管中，添加萃取劑，混合均勻后在超聲波清洗器中進(jìn)行萃取。萃取后置于離心機(jī)內(nèi)以4 000 r/min 離心10 min［5］。收集上清液并定容，稀釋并測(cè)定吸光度I，以I－I0(I0為空白熒光強(qiáng)度)的值從標(biāo)準(zhǔn)曲線上得出石油的濃度ρ(μg/mL)，計(jì)算土壤石油含量。

式中 Woil——每克污染底質(zhì)的石油含量，μg/g;

V——提取液體積，mL;

M——樣品的質(zhì)量，g。

底質(zhì)中總石油烴的萃取率:C=Woil/Ws×100%其中，C 為樣品底質(zhì)總石油烴的萃取率;Woil為樣品底質(zhì)總石油烴的實(shí)測(cè)值;Ws為樣品底質(zhì)總石油烴的設(shè)定值。

1.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

分別移取0，0.20，0.60，1.00，1.40，1.80，2.20 mL 油標(biāo)準(zhǔn)使用液于7 支20 mL 具塞比色管中，用有機(jī)溶劑溶解、混勻，稀釋定容。用熒光分光光度計(jì)測(cè)定吸光度。3 種有機(jī)溶劑的標(biāo)準(zhǔn)曲線見(jiàn)圖1。

圖1 3 種有機(jī)溶劑的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 The standard curve of three kinds of organic solvent

1.5 底質(zhì)含水率的測(cè)定

采用烘干法測(cè)定石油污染土壤的含水率。105 ℃烘干16 h［18］。其含水率為:

式中 WH2O——底質(zhì)含水率，%;

MC——初始底質(zhì)的質(zhì)量，g;

MH——烘干后底質(zhì)的質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 超聲萃取正交實(shí)驗(yàn)

選取污染土壤的石油濃度、萃取溫度、萃取劑、萃取時(shí)間和液固比進(jìn)行研究，其中污染底質(zhì)的石油濃度、萃取溫度、萃取時(shí)間和液固比各設(shè)置4 個(gè)水平，萃取劑設(shè)置3 個(gè)水平，因素水平見(jiàn)表1，結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 因素和水平表Table 1 Factors and levels

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 The orthogonal experiment result

由表2 可知:①5 個(gè)因素對(duì)超生萃取效率影響從大到小分別為萃取劑＞土壤石油濃度＞液固比＞萃取溫度＞萃取時(shí)間;②濃度2%的石油污染底質(zhì)的萃取效率最高，1%次之，而0.5%和0.1%的萃取效率相近;③30 ℃下超生萃取效率要高于其他溫度;④二氯甲烷的超生萃取效率最高，達(dá)75.03%。該結(jié)果與李美玉［19］和陳建安等［10］的結(jié)果相似，其原因是二氯甲烷的提取物最接近污染土壤中石油烴的實(shí)際含量，而石油醚不能溶解瀝青質(zhì)，故萃取效率最差。但王如剛等［9］采用超生萃取法，液固比為3 ∶1 mL/g，結(jié)果最佳萃取劑為三氯甲烷;而溫傳忠［20］則認(rèn)為石油醚的提取效率高于二氯甲烷，其原因還待進(jìn)一步研究;⑤萃取時(shí)間效率依次為:15 ＞20＞10 ＞5 min;⑥液固比為6 ∶1 mL/g 的萃取效率最高。

綜上可知，最適用于灘涂石油污染底質(zhì)的超生萃取法的條件為:萃取劑為二氯甲烷，萃取溫度30 ℃，萃取時(shí)間15 min，液固比為6 ∶1 mL/g。且該條件下，超生萃取法更適用于濃度較高的石油污染灘涂底質(zhì)。

2.2 萃取次數(shù)對(duì)萃取率的影響

溫度30 ℃，萃取劑為二氯甲烷，每次的萃取時(shí)間為15 min，液固比為6 ∶1 mL/g，同時(shí)做2 個(gè)平行樣，萃取次數(shù)對(duì)萃取率的影響見(jiàn)表3。

表3 不同萃取次數(shù)的萃取率Table 3 The extraction rate of different number of times extraction

由表3 可知，通過(guò)兩次萃取，2%，1%，0.5%和0.1% 的石油污染灘涂底質(zhì)的萃取率分別達(dá)到90.09%，88.86%，82.65%和85.71%，第3 次萃取的萃取率提高不明顯，且需要更多操作，消耗更多試劑。所以，選取兩次萃取為最佳。

3 結(jié)論

石油污染灘涂底質(zhì)的超聲萃取最優(yōu)條件為:萃取劑二氯甲烷，萃取溫度30 ℃，液固比為6 mL/g，萃取時(shí)間每次15 min，萃取次數(shù)2 次。在此條件下，2%，1%，0.5%和0.1%的石油污染灘涂底質(zhì)的萃取 率 分 別 達(dá) 到90.09%，88.86%，82.65% 和85.71%。

［1］ Kishore Das，Ashis K Mukherjec.Crude petroleum-oil biodegradation efficiency of Bacillus subtilis and Pseudomonas aeruginosa strains isolated from a petroleum-oil contaminated soil from North-East India［J］.Bioresource Technology，2007，98(7):1339-1345.

［2］ 王冶英，任以順.法律視角下的海洋環(huán)境責(zé)任強(qiáng)制保險(xiǎn)制度——墨西哥灣原油泄漏事件對(duì)我國(guó)環(huán)境責(zé)任保險(xiǎn)制度的啟示［J］.太平洋學(xué)報(bào)，2012，20(3):21-29.

［3］ 徐金蘭，黃廷林，唐智新，等.高效石油降解菌的篩選及石油污染土壤生物修復(fù)特性的研究［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2007，27(4):622-628.

［4］ 陳建秋.中國(guó)近海石油污染現(xiàn)狀、影響和防治［J］.節(jié)能與環(huán)保，2002(3):15-17.

［5］ 趙云英，楊慶霄.溢油在海洋環(huán)境中的風(fēng)化過(guò)程［J］.海洋環(huán)境科學(xué)，1997，16(1):45-51.

［6］ 李海明，鄭西來(lái)，劉憲斌.渤海灘涂沉積物中石油烴遷移特征［J］.海洋學(xué)報(bào)，2006，28(1):163-168.

［7］ 劉五星，駱永明，滕應(yīng)，等.我國(guó)部分油田土壤及油泥的石油污染初步研究［J］.土壤，2007，39(2):247-251.

［8］ U.S.Environmental Protection Agency.EPA-600-79-020 Methods for chemical analysis of water and wastes:Method 413.1 (gravimetric，separatory funnel extraction);oil and grease，totalrecoverable［S］.Washington D C:USEPA，1979.

［9］ 王如剛，王敏，牛曉偉，等.超聲-索氏萃取-重量法測(cè)定土壤中總石油烴含量［J］.分析化學(xué)，2010，38(3):417-420.

［10］陳建安.紫外分光法測(cè)定土壤中石油污染物［D］.濟(jì)南:山東大學(xué)，2012.

［11］謝重閣.應(yīng)用熒光分光光度法測(cè)定水中油的研究［J］.環(huán)境科學(xué)叢刊，1980(3):9-14.

［12］李紀(jì)云，李麗，馮成武.超聲-紫外法測(cè)定土壤中石油類物質(zhì)含量［J］.石油大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，23(6):82-83，93.

［13］李英，趙德智，袁秋菊.超聲波在石油化工中的應(yīng)用及研究進(jìn)展［J］.石油化工，2005，34(2):176-180.

［14］張英蘭，饒竹，劉娜，等.環(huán)境樣品前處理技術(shù)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2008.

［15］邱逸.遼河油田多樣油品成因探討［J］.當(dāng)代化工，2014，43(1):107-110.

［16］中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)部.NY/T 1377—2007 中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2007.

［17］中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)部.LY/T 1251—1999 中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，1999.

［18］ 陳偉勝，童玲，唐國(guó)斌.石油污染土壤含水率的測(cè)定［J］.華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，33(4):93-96.

［19］李美玉.石油污染土壤中石油烴微生物降解性能的研究［D］.青島:中國(guó)石油大學(xué)，2010.

［20］溫傳忠.超聲-重量法測(cè)定不同土壤粒級(jí)石油回收率研究［J］.廣州化工，2011，39(2):70-73.