柱層析-高效液相色譜測(cè)定煤瀝青中16種多環(huán)芳烴

陳　曦，劉　剛，牛艷霞，申　峻*，李瑞豐，杜建奎，楊志峰，徐青柏

(1.太原理工大學(xué)　化學(xué)化工學(xué)院，山西　太原　030024；2.山西路路佳科技有限公司，山西　太原　030002；3.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京　100088；4.中國石化撫順石油化工研究院，遼寧　撫順　113001)

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柱層析-高效液相色譜測(cè)定煤瀝青中16種多環(huán)芳烴

陳曦1，劉剛1，牛艷霞1，申峻1*，李瑞豐1，杜建奎2，楊志峰3，徐青柏4

(1.太原理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山西太原030024；2.山西路路佳科技有限公司，山西太原030002；3.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京100088；4.中國石化撫順石油化工研究院，遼寧撫順113001)

建立了高效液相色譜測(cè)定煤瀝青甲苯抽提液中16種美國環(huán)境保護(hù)署(EPA)重點(diǎn)監(jiān)控多環(huán)芳烴(PAHs)含量的方法。以Agilent PAHs色譜柱為分離柱，不同比例混合的乙腈和水作流動(dòng)相進(jìn)行梯度洗脫，紫外檢測(cè)器檢測(cè)，16種PAHs的線性范圍為0.5～20 mg/L，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于2%，加標(biāo)回收率為83.7%～98.9%。對(duì)兩種不同來源的煤瀝青進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，兩種煤瀝青中16種PAHs的含量分別為107.89 g/kg和103.04 g/kg，其中苯并[a]芘含量分別為11.86 g/kg和13.85 g/kg。該方法可用于不同種煤瀝青中致癌性PAHs的準(zhǔn)確測(cè)定。

高效液相色譜；煤瀝青；多環(huán)芳烴(PAHs)；柱層析

煤瀝青(CTP)即煤焦油瀝青，是煤焦油蒸餾提取餾分(輕油、酚油、萘油、洗油和蒽油等)后的殘留物，約占煤焦油質(zhì)量的50%～60%，其加工水平與經(jīng)濟(jì)效益對(duì)整個(gè)煤焦油加工企業(yè)至關(guān)重要。煤瀝青組成極為復(fù)雜，已查明的化合物有70余種，主要由大于3環(huán)的多環(huán)芳烴(PAHs)以及含O，N，S的雜環(huán)衍生物和少許直徑很小的炭粒組成[1]。一些 PAHs由于具有顯著的致畸、致癌、致突變作用[2]，近年來受到關(guān)注，其中有16種PAHs被美國環(huán)保署(EPA)列為優(yōu)先控制污染物[3]，但其可在煤瀝青中檢測(cè)到。對(duì)于大氣、土壤、沉積物中PAHs的分布研究已有較多報(bào)道，而關(guān)于煤瀝青中毒性PAHs的研究較少，因此，建立準(zhǔn)確測(cè)定煤瀝青中致癌性PAHs含量的方法十分必要。

目前，測(cè)定PAHs含量的方法有氣相色譜法(GC)[4-5]、熒光分光光度法[6-7]、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)[8-9]和液相色譜法(HPLC)[10-12]等。由于PAHs中有些組分沸點(diǎn)較高，使用氣相色譜和氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析時(shí)，高沸點(diǎn)物質(zhì)的分析溫度接近所用色譜柱及氣化室的極限溫度，縮短了色譜柱和儀器的使用壽命[13]。張秋民等[14]采用甲苯抽提，然后依次用環(huán)己烷、甲苯、甲苯和乙醇混合液淋洗柱子，氣相色譜分析甲苯淋洗液。程俊霞等[15]采用正庚烷對(duì)煤瀝青進(jìn)行抽提，通過柱層析分組后，再依次進(jìn)行液相色譜分析。但前者只分析了甲苯淋洗液，并不能準(zhǔn)確測(cè)定煤瀝青中的多環(huán)芳烴含量，在環(huán)己烷淋洗液中也含有大量的多環(huán)芳烴；而后者采用正庚烷進(jìn)行抽提，抽提能力有限。液相色譜柱由于受到長度限制，分離能力有限，而煤瀝青中存在著多種高沸點(diǎn)的多環(huán)芳烴及雜環(huán)化合物，給分離帶來了困難，需先利用層析柱進(jìn)行預(yù)分離，故本文采用煤瀝青甲苯萃取-萃取物柱層析-層析液分組回收-液相色譜分析的程序，準(zhǔn)確測(cè)定了CTP中致癌性PAHs的含量。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1儀器與試劑

EC2006高效液相色譜儀(大連伊利特儀器分析公司)，安捷倫PAHs專用柱(ZORBAX Eclipse PAH 46 mm×250 mm，4.6 μm)；RE-52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(上海亞榮生物儀器有限公司)；真空干燥箱(上海博訊實(shí)業(yè)有限公司)；電子天平(北京科偉永興儀器有限公司)。

無水硫酸鈉和氯化鈉(分析純)使用前于馬弗爐400 ℃烘烤2 h后冷卻備用；超純水、石油醚(分析純)、二氯甲烷(分析純)、甲苯(分析純)、乙腈(色譜純)均為天津永大化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品；層析用硅膠(200～300目)；16種PAHs混標(biāo)(200 mg/L，美國O2si試劑公司)。CTP樣品分別由山西呂梁大土河焦化有限公司(簡稱呂梁)和山西焦化集團(tuán)有限公司(簡稱山焦)提供。

1.2煤瀝青樣品的抽提

將煤瀝青試樣研磨過80目篩，50 ℃下真空干燥12 h，放入廣口瓶中備用。準(zhǔn)確稱取1.500 0 g樣品置于濾紙筒內(nèi)，將濾紙筒放入索氏抽提器中，向燒瓶中加入150 mL甲苯進(jìn)行索氏抽提，至虹吸管內(nèi)溶劑接近無色(約12 h)，關(guān)閉電源，取出濾紙筒，在通風(fēng)櫥風(fēng)干2 h后，置于120 ℃烘箱干燥4 h，放入干燥器，冷卻后稱重。抽提液用0.45 μm有機(jī)系濾膜過濾，然后用甲苯定容至250 mL備用。

1.3抽提液的柱層析

取10 mL抽提液至雞心瓶中，在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上濃縮近干，加入少量CH2Cl2溶解樣品，并將樣品轉(zhuǎn)入層析柱(填料：200～300目硅膠，裝填高度15 cm，內(nèi)徑2 cm)，進(jìn)行樣品吸附，然后依次用500 mL石油醚、200 mL石油醚-甲苯混合液(1∶1)、200 mL甲苯淋洗，淋洗液依次用試管收集，并對(duì)每根試管樣品進(jìn)行薄層層析分析，將樣品分成5組(石油醚淋洗液分成3份，混合溶劑和甲苯淋洗液各1份,依次編號(hào)為A，B，C，D，E)，將5組樣品旋干后在50 ℃下真空干燥12 h，用乙腈定容至10 mL，依次用液相色譜進(jìn)行分析。

1.4色譜檢測(cè)條件

根據(jù)HJ 478-2009[16]確定液相色譜檢測(cè)條件，柱溫：25 ℃；紫外檢測(cè)波長：220 nm；進(jìn)樣量：20 μL；流動(dòng)相為乙腈(A)-水(B)，流量1.2 mL/min；梯度洗脫程序：65%A，保持27 min，以2.5%/min的增量增至100%A，保持至出峰完畢。

2　結(jié)果與討論

2.1煤瀝青樣品前處理

2.1.1溶劑選擇分別選擇正己烷、環(huán)己烷、苯、甲苯作為溶劑，對(duì)呂梁和山焦樣品進(jìn)行抽提。結(jié)果表明，甲苯的抽提率最高(高于69%)，正己烷的抽提率最低(低于30%)。煤瀝青主要由多環(huán)芳烴構(gòu)成，與甲苯多為同系物，因此溶解性更好，且甲苯沸點(diǎn)最高，抽提溫度最高，增強(qiáng)了其抽提能力。苯與甲苯的抽提能力相近(大于63%)，由于甲苯毒性小，故選擇甲苯為溶劑。

2.1.2洗脫液的選擇煤瀝青抽提液中大部分成分為弱極性和非極性芳烴，分別以石油醚、甲苯-石油醚混合液(1∶1)、甲苯、石油醚-乙酸乙酯混合液(1∶1)、乙酸乙酯為洗脫液，對(duì)16種多環(huán)芳烴標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和樣品抽提液進(jìn)行薄層層析分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，依次采用石油醚、甲苯-石油醚混合液(1∶1)、甲苯3種溶劑進(jìn)行洗脫，不但能夠?qū)AHs進(jìn)行預(yù)分離，而且不會(huì)過多引入雜質(zhì),可最大限度地減小雜峰的干擾，提高分析的準(zhǔn)確性。

2.2色譜條件的選擇

在“1.4”所示的檢測(cè)條件下，16種PAHs標(biāo)準(zhǔn)物之間具有很好的分離度，出峰不密集，且在流動(dòng)相梯度變化過程中減少了出峰，在對(duì)實(shí)際樣品進(jìn)行分析時(shí)，能夠盡可能減小干擾。

2.3標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立

將標(biāo)準(zhǔn)溶液逐級(jí)稀釋成20，10，5，2，1，0.5 mg/L系列溶液，采用本方法分別測(cè)定5次。以峰面積(Y)對(duì)質(zhì)量濃度(X，mg/L)作圖，得到16種PAHs的線性方程、相關(guān)系數(shù)(r2)、線性范圍、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD，10 mg/L濃度)及方法檢出限(LOD)(見表1)。由表1可見，16種PAHs的線性范圍為0.5～20 mg/L，相關(guān)系數(shù)(r2)大于0.998，5次平行測(cè)定PAHs濃度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)均不大于1.2%，表明方法具有良好的精密度。

表1　16種PAHs的線性關(guān)系及檢出限

2.4實(shí)際樣品的測(cè)定

對(duì)5種呂梁煤瀝青試樣的樣品層析液分別進(jìn)行高效液相色譜分析。圖1為組分A以及加標(biāo)后的色譜圖，表2為呂梁煤瀝青中5種組分的PAHs質(zhì)量(μg)和呂梁、山焦兩種煤瀝青中16種PAHs總量(g/kg)。

圖1　呂梁煤瀝青柱試樣中組分A(A)及加標(biāo)后(B)的色譜圖Fig.1　Chromatograms of component A from Lüliang CTP after chromatographic separation(A) and its spiked sample(B) peak numbers denoted were the same as those in Table 1

根據(jù)液相色譜的測(cè)定結(jié)果，可計(jì)算出單位質(zhì)量呂梁煤瀝青中16種PAHs含量(g/kg)。按照上述方法測(cè)定山焦煤瀝青樣品中16種PAHs含量(g/kg)，結(jié)果見表2。呂梁煤瀝青中16種PAHs的含量為107.89 g/kg，即10.79%，山焦煤瀝青中16種PAHs含量為103.04 g/kg，即10.30%，其中苯并[a]芘含量分別為11.86 g/kg和13.85 g/kg，即1.19%和1.38%。

表2　呂梁煤瀝青樣品中5種組分的多環(huán)芳烴質(zhì)量及呂梁、山焦煤瀝青樣品中16種多環(huán)芳烴的含量

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2.5方法的加標(biāo)回收率

為了考察柱層析過程中樣品的損失和液相色譜的穩(wěn)定性，對(duì)層析過程進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)。取一定質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)樣品配成250 mL的溶液，然后移取10 mL該溶液至層析柱上，用甲苯洗脫，然后對(duì)洗脫液定容，采用HPLC平行測(cè)定6次，結(jié)果見表3。7種多環(huán)芳烴回收率為83.7%～98.9%，柱層析過程樣品損失較小，結(jié)果滿意。色譜測(cè)定樣品峰面積的RSD均小于2%，液相色譜具有良好的穩(wěn)定性。

表3　柱層析PAHs加標(biāo)回收率結(jié)果

3　結(jié)　論

采用柱層析-液相色譜法可準(zhǔn)確測(cè)定煤瀝青中16種致癌性多環(huán)芳烴的含量，柱層析分離方法可以吸附雜環(huán)芳烴及其他非目標(biāo)芳烴，減小對(duì)液相色譜出峰的干擾，還可實(shí)現(xiàn)樣品的預(yù)分離，增強(qiáng)色譜柱的分離效果。本文建立的方法線性關(guān)系好，精密度和準(zhǔn)確度高，尤其是對(duì)高沸點(diǎn)多環(huán)芳烴，測(cè)定結(jié)果穩(wěn)定。呂梁和山焦兩種煤瀝青中16種PAHs的含量分別為107.89 g/kg和103.04 g/kg，其中苯并[a]芘的含量分別為11.86 g/kg和13.85 g/kg。

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Determination of 16 Carcinogenic Polycyclic Aromatic Hydrocarbons in Coal Tar Pitch by Column Chromatography and High Performance Liquid Chromatography

CHEN Xi1,LIU Gang1,NIU Yan-xia1,SHEN Jun1*,LI Rui-feng1,DU Jian-kui2,YANG Zhi-feng3,XU Qing-bai4

(1.College of Chemistry and Chemical Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan030024,China;2.Shanxi Lulujia Science & Technology Co.Ltd.,Taiyuan030002,China;3.Research Institute of Highway Ministry of Transport,Beijing100088,China;4.Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals,China Petroleum & Chemical Corporation,Fushun113001,China)

A new HPLC method was developed for the determination of 16 carcinogenic polycyclic aromatic hydrocarbons(PAHs) which are monitored by the U.S.Environmental Protection Agency(EPA),in the extracts from coal tar pitch(CTP) with toluene.The separation of 16 analytes was performed on an Agilent PAHs chromatographic column,using acetonitrile-water with different ratios as mobile phase by gradient elution.The elute from the column was detected with ultraviolet detector.The linear range of the method was in the range of 0.5-20 mg/L,and the recoveries of 16 PAHs were in the range of 83.7%-98.9% with relative standard deviations(RSDs) less than 2%.The method was applied in the detection of 16 PAHs in two sources of CTPs .The results showed that the contents of 16 carcinogenic PAHs in two CTPs were 107.89 g/kg and 103.04 g/kg,and the benzo[a]pyrene contents in two CTPs were 11.86 g/kg and 13.85 g/kg,respectively.Experiments showed that this method could be applied in the determination of 16 carcinogenic PAHs in different kinds of CTPs with satisfactory results.

high performance liquid chromatography(HPLC)；coal tar pitch；polycyclic aromatic hydrocarbon；column chromatography

2015-11-17；

2016-01-13

交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京)開放基金(KF201401)；山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目(20150313014-4)；中國石油化工股份有限公司資助項(xiàng)目(115084)

申峻，博士，教授，研究方向：煤化工，Tel：0351-6018554，E-mail：shenjun1971@sina.com

doi:10.3969/j.issn.1004-4957.2016.07.018

O657.72;O625.15

A

1004-4957(2016)07-0878-05