丁春生,陳嘉都,李東兵,霍建祺
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飲用水中消毒副產(chǎn)物二溴乙腈的形成機(jī)制
丁春生*,陳嘉都,李東兵,霍建祺
(浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,浙江杭州310014)
以天冬氨酸為前體物,采用液液萃取-氣相色譜(LLE-GC)的方法檢測消毒副產(chǎn)物二溴乙腈(DBAN),研究了其形成的機(jī)制和影響因素.結(jié)果表明:在酸性較強(qiáng)時(shí),DBAN的生成量很少,在酸性較弱時(shí)(pH=6~7),DBAN的生成量隨pH值增大而迅速增多,而在堿性條件下,DBAN的生成量又會(huì)逐漸減小.在10~30℃條件下,溫度對(duì)DBAN生成的影響并不大.溴離子濃度是形成DBAN的重要影響因素,DBAN的生成量隨著溴離子濃度的增大而增多.天冬氨酸經(jīng)取代、脫羧、氧化等8個(gè)步驟,最終形成DBAN.
消毒副產(chǎn)物;二溴乙腈;前體物;形成機(jī)制;影響因素
隨著水環(huán)境問題的日益加劇以及消毒劑種類和消毒方式的不斷發(fā)展,越來越多的消毒副產(chǎn)物被檢測出[1-3],這些消毒副產(chǎn)物對(duì)人體有致癌、致畸、致突變等潛在的危害[4].目前已經(jīng)確認(rèn)了700多種消毒副產(chǎn)物[5-7],其中以含氮消毒副產(chǎn)物(N-DBPs)最為突出,這類消毒副產(chǎn)物比傳統(tǒng)的消毒副產(chǎn)物具有更強(qiáng)的毒理特性[8-10].有研究發(fā)現(xiàn),鹵乙腈(HANs)是各類含氮消毒副產(chǎn)物中濃度最高的,其細(xì)胞毒性和遺傳毒性遠(yuǎn)大于三鹵甲烷(TMHs)、鹵乙酸(HAAs)等消毒副產(chǎn)物[11].
二溴乙腈(DBAN)是鹵代乙腈類消毒副產(chǎn)物中較為典型的一類,在飲用水中有著較高的檢出頻率.Muellner等[11]對(duì)7種HANs進(jìn)行生物毒性試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)DBAN具有很強(qiáng)的細(xì)胞毒性和遺傳毒性.洪麗玲等[12]研究表明,DBAN存在細(xì)胞毒性,會(huì)損傷染色體,增加機(jī)體癌變、畸變的罹患率.
天冬氨酸是鹵代乙腈類消毒副產(chǎn)物的前體物,在醫(yī)藥化工領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[13-15].本文以天冬氨酸為前體物,研究其形成DBAN的機(jī)制與影響因素,旨在對(duì)飲用水中DBAN控制技術(shù)作進(jìn)一步的探討.
試驗(yàn)試劑:甲基叔丁基醚、1,2-二溴丙烷、天冬氨酸、DBAN標(biāo)品、氯化銨粉末、氫氧化鈉溶液、鹽酸溶液、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鉀、無水硫酸鈉.
試驗(yàn)儀器:氣相色譜儀(島津國際貿(mào)易有限公司);BS223S型電子天平(Sartorius公司); Sension3型pH測定儀(哈希公司); 1000μl移液槍(dragon公司);HYG-II Refrigerator shaker型恒溫振蕩器(華利達(dá)實(shí)驗(yàn)設(shè)備公司).
1.2.1 DBAN標(biāo)準(zhǔn)溶液配制 本試驗(yàn)所購的DBAN標(biāo)品濃度為5mg/mL,用丙酮稀釋至10μg/mL,儲(chǔ)存于棕色瓶中并置于冰箱保藏.
1.2.2 天冬氨酸溶液配制 稱取天冬氨酸固體0.0133g,先加去離子水充分溶解,然后再引流至1000mL容量瓶中,定容后即可得到濃度為0.1mmol/L的天冬氨酸溶液.
1.2.3 磷酸緩沖溶液配制 稱取磷酸氫二鈉14.58g,磷酸二氫鉀3.53g,加去離子水充分溶解,引流至1000mL容量瓶中,定容后即可得到pH=7的緩沖溶液.
1.2.4 氯化銨溶液(終止劑)配制 稱取氯化銨粉末1.0698g,用磁力攪拌器加速溶解.待完全溶解后,引流至50mL容量瓶,定容,即可得到0.4mol/L的氯化銨溶液.
1.2.5 溴化鉀溶液配制 稱取溴化鉀粉末0.0500g,加去離子水充分溶解,引流至1000mL容量瓶中,定容,即可得到0.05g/L的溴化鉀溶液.
以甲基叔丁基醚(MTBE)為萃取劑,采用液液萃取(LLE)的方法萃取出DBAN,再將萃取出的萃取液注入GC檢測分析.在配制好的天冬氨酸溶液中,分別控制反應(yīng)的pH值、溫度和溴離子濃度進(jìn)行試驗(yàn).pH值試驗(yàn)時(shí),加緩沖溶劑,分別控制溶液pH=4、5、6、7、8、9、10;溫度試驗(yàn)時(shí),分別控制溫度為10,15,20,25,30℃;溴離子濃度試驗(yàn)時(shí),分別控制溴濃度為0,0.02,0.05,0.1,0.15, 0.2,0.5,1,1.5,2mg/L.將溶液定容至1000mL后,記為反應(yīng)的開始時(shí)間.用移液管移取100mL至錐形瓶,分別在0,0.5,1,1.5,2,3,4,6,8,10,12,24,48h后,加終止劑,取樣處理,最后用GC分析.
1.4.1 水樣的預(yù)處理 取25mL水樣于萃取瓶中,隨后加入8g已預(yù)處理過的無水硫酸鈉(經(jīng)600℃馬弗爐烘2h),用振蕩器振蕩使其完全溶解;再取2mLMTBE萃取劑于萃取瓶中,振蕩器振蕩5min后,靜置待其完全分層;用移液槍移取1mL萃取液于進(jìn)樣瓶中,注入GC檢測分析.
1.4.2 分析條件 色譜條件:進(jìn)樣口溫度120℃,檢測器溫度300℃,柱頭壓132.6kPa,采用EI電子源,電子能量70eV,不分流進(jìn)樣,進(jìn)樣量2μL;升溫程序:柱箱初始溫度35℃,保持10min;以5℃/min的速率升至70℃,保持1min.
1.4.3 繪制工作曲線 配制不同濃度的DBAN溶液(5,10,20,40,60,80,100μg/L),依次用GC進(jìn)樣分析,繪制出DBAN峰面積-濃度工作曲線.內(nèi)標(biāo):用甲基叔丁基醚將1,2-二溴丙烷稀釋至150μg/L.得到標(biāo)準(zhǔn)曲線相關(guān)系數(shù)為0.9990,具有較好的直線線性.其中DBAN的出峰時(shí)間為13.780min, 1,2-二溴丙烷的出峰時(shí)間為9.693min.
1.4.4 加標(biāo)回收率和精密度 本試驗(yàn)得到加標(biāo)回收率為99.8%~105.7%,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.09%~2.43%,均符合相關(guān)的限值范圍.因此本試驗(yàn)的分析方法具有很高的準(zhǔn)確度和精密性.
2.1.1 時(shí)間對(duì)DBAN形成的影響 試驗(yàn)條件為天冬氨酸投加量0.1mmol/L,投氯量0.6mmol/L,投溴量0.5mg/L,溫度25℃,pH=7.由圖1可見,DBAN的濃度隨反應(yīng)時(shí)間的增加而逐漸增大.
在反應(yīng)初期,DBAN生成速率較快,隨后反應(yīng)速率趨于平緩,在反應(yīng)12h后,反應(yīng)基本停止,DBAN的生成量也基本不變.這是因?yàn)榉磻?yīng)初期的溴離子充足,溴離子具有取代作用,與ClO-1反應(yīng)生成氧化性更強(qiáng)的次溴酸HBrO,從而能促進(jìn)DBAN快速生成.隨著反應(yīng)時(shí)間的增加,溶液中HBrO濃度逐漸減小,DBAN生成速率下降[16], DBAN生成量也逐漸趨于穩(wěn)定.
圖1 時(shí)間對(duì)DBAN形成的影響
2.1.2 pH值對(duì)DBAN形成的影響 試驗(yàn)條件為天冬氨酸投加量0.1mmol/L,投氯量0.6mmol/L,投溴量0.5mg/L,溫度25℃, pH= 4.0~10.由圖2可見,當(dāng)酸性較強(qiáng)時(shí),DBAN的生成量較少,當(dāng)酸性較弱(pH=6~7)時(shí),DBAN的生成量隨pH值的增大而迅速增加,這是由于pH值的增大有助于在氨基官能團(tuán)上脫去HBr形成C≡N三鍵,得到乙腈[17].
圖2 pH值對(duì)DBAN形成的影響
在堿性條件下,DBAN的生成量隨pH值的增大而逐漸減小.這是因?yàn)閴A性條件下的DBAN會(huì)發(fā)生部分水解,這是一個(gè)堿催化的過程.鹵代腈類的堿催化反應(yīng)見式(1)[18].
2.1.3 溫度對(duì)DBAN形成的影響 試驗(yàn)條件為天冬氨酸投加量0.1mmol/L,溴化鉀投加量0.5mg/L,pH=7,溫度=10~30℃.由圖3可見,當(dāng)溫度為10~30℃時(shí),DBAN的生成量會(huì)隨溫度的升高而有所增加,但整體的增幅并不大,溫度對(duì)DBAN形成的影響不大.一方面,溫度升高會(huì)增大活化分子數(shù),增加分子能量,促進(jìn)了分子間的碰撞幾率[19],有助于DBAN的形成.另一方面,溫度的升高也會(huì)增大DBAN的水解速率,使得DBAN的生成量有所減少.因此,在這兩方面共同作用之下,DBAN的生成量變化并不明顯,溫度對(duì)DBAN形成的影響并不大.
2.1.4 溴離子濃度的影響 試驗(yàn)條件:天冬氨酸投加量0.1mmol/L,投氯量0.6mmol/L,溫度25℃, pH=7,控制不同的溴離子濃度0~2mg/L.由圖4可見,當(dāng)溴離子濃度為0~0.2mg/L時(shí),反應(yīng)主要生成二氯乙腈(DCAN)和少量的溴氯乙腈(BCAN), DBAN基本不生成.當(dāng)溴離子濃度為0.2~1mg/L時(shí),DBAN的生成量隨溴離子濃度的增大而迅速增加,BCAN的生成量基本不變,而DCAN的生成量開始逐漸減少.當(dāng)溴離子濃度為1~2mg/L時(shí),此時(shí)反應(yīng)生成的主要物質(zhì)為DBAN,而BCAN和DCAN的生成量不斷減小,并有降至零的趨勢.發(fā)生的主要反應(yīng)方程如下:
圖4 不同溴離子濃度對(duì)DCAN、BCAN、DBAN形成的影響
Br-1+HClO→HBrO+Cl-1(2)
HClO+C4H7NO4→CHCl2CN (3)
HBrO+C4H7NO4→CHBrClCN (4)
HBrO+C4H7NO4→CHBr2CN (5)
CHCl2CN→CHBrClCN→CHBr2CN (6)
當(dāng)溴離子濃度為0~0.2mg/L時(shí),溶液中主要發(fā)生的是(2)、(3)、(4)反應(yīng),因?yàn)殇咫x子不足,使得(5)、(6)反應(yīng)無法繼續(xù)下去,所以反應(yīng)會(huì)大量生成DCAN(CHCl2CN),BCAN(CHBrClCN)也會(huì)有少量的生成,而DBAN(CHBr2CN)幾乎沒有生成.當(dāng)溴離子濃度為0.2~1mg/L時(shí), (2)、(3)、(4)、(5)、(6)反應(yīng)式均會(huì)發(fā)生,DCAN、BCAN、DBAN在溶液中均會(huì)較大量的存在.而由于(6)反應(yīng),DCAN開始轉(zhuǎn)化為BCAN,繼而進(jìn)一步的轉(zhuǎn)化為DBAN,所以溶液中DCAN的濃度開始減小, BCAN的濃度基本不變,DBAN則開始迅速生成.當(dāng)溴離子濃度為1~2mg/L時(shí),由于溶液中溴離子過量,次溴酸(HBrO)的氧化性要強(qiáng)于次氯酸(HClO),溶液中主要發(fā)生的是(2)、(4)、(5)和(6)反應(yīng),此時(shí)DBAN在溶液中已變?yōu)閮?yōu)勢物質(zhì),反應(yīng)生成的主要是DBAN[20].
溴離子濃度是天冬氨酸氯化形成二溴乙腈的一個(gè)重要影響因素.本試驗(yàn)用溴結(jié)合因子(BIF)進(jìn)行評(píng)價(jià)[21],研究不同溴離子濃度對(duì)DBAN形成的影響.DBAN的溴結(jié)合因子以n(DBAN)表示,其計(jì)算公式如下:
式中:各有機(jī)物均為物質(zhì)的量濃度,μmol/L.
圖6 不同溴離子濃度對(duì)DCAN、BCAN、DBAN生成分布影響
由圖5可知,隨著溴離子濃度的升高,DBAN的溴結(jié)合因子不斷上升.當(dāng)溴離子濃度從0.2mg/L增加到2mg/L時(shí), DBAN的溴結(jié)合因子從0.059上升至0.95.說明溴離子濃度的增大更有助于DBAN等溴代消毒副產(chǎn)物的生成.
由圖6可知,隨著溴離子濃度的升高, DCAN、BCAN、DBAN的總量有增加.這主要由于溴離子在反應(yīng)時(shí)存在雙重作用[22].一方面,HOBr發(fā)生氧化反應(yīng),取代到有機(jī)物上,生成溴離子;另一方面,生成的溴離子又會(huì)繼續(xù)參與氧化反應(yīng).因此溶液中溴代消毒副產(chǎn)物的總量有所增加.同時(shí)該分布也表明了溶液中DBAN所占比重隨溴離子濃度的升高而越來越大,溴離子對(duì)形成DBAN的貢獻(xiàn)越來越大.這是因?yàn)殇咫x子濃度的升高會(huì)促進(jìn)反應(yīng)式(6)的進(jìn)行.
研究表明,氨基酸氯化后會(huì)生成CO2及相應(yīng)的腈類化合物[23].以天冬氨酸為前體物,氯化生成DBAN的反應(yīng)過程主要包括8個(gè)步驟,其反應(yīng)式如下.
第1步:溴離子取代次氯酸中的氯離子反應(yīng)生成次溴酸,反應(yīng)式如下:
Br-+ HClO→HBrO + Cl-(8)
第2、3步:天冬氨酸先被次溴酸溴化為一溴代天冬氨酸,然后再被溴化為二溴代天冬氨酸,反應(yīng)式如下:
HOOCCH2CH(NH2)COOH + HBrO →
HOOCCH2CH(NHBr)COOH + H2O (9)
HOOCCH2CH(NHBr)COOH + HBrO →
HOOCCH2CH(NBr2)COOH + H2O (10)
第4步:反應(yīng)生成的二溴代天冬氨酸脫去1個(gè)HBr,反應(yīng)式如下:
HOOCCH2CH(NBr2)COOH→
HOOCCH2CNBrCOOH + HBr (11)
第5步:上式生成的HOOCCH2CNBrCOOH脫去1個(gè)羧基和1個(gè)HBr,得到乙腈,反應(yīng)式如下:
HOOCCH2CNBrCOOH→
HOOCCH2CN + CO2+ HBr (12)
第6、7步:上式生成的乙腈繼續(xù)被溴化,2個(gè)氫先后會(huì)被溴所取代,反應(yīng)式如下:
HOOCCH2CN + HBrO →
HOOCCHBrCN + H2O (13)
HOOCCHBrCN+ HBrO →
HOOCCBr2CN + H2O (14)
第8步:上式生成的HOOCCBr2CN脫去另外一個(gè)羧基,最終形成DBAN,反應(yīng)式如下:
HOOCCBr2CN→CHBr2CN + CO2(15)
天冬氨酸氯化形成DBAN的路途徑如圖7所示[24-28].
圖7 天冬氨酸形成DBAN的路徑 Fig.7 Formation pathway of DBAN from aspartic acid
3.1 天冬氨酸氯化生成二溴乙腈的過程中,pH值和溴離子濃度都是重要的影響因素,溫度對(duì)形成二溴乙腈的影響并不大.在酸性較強(qiáng)時(shí),二溴乙腈的生成量很少,在酸性較弱時(shí)(pH=6~7),二溴乙腈的生成量會(huì)隨pH值的增大而迅速增加,而在堿性條件下,二溴乙腈的生成量又會(huì)逐漸減小.
3.2 隨著溴離子濃度的升高,二溴乙腈的生成量會(huì)逐漸增大.當(dāng)溴離子濃度為0~0.2mg/L時(shí),反應(yīng)生成的主要為二氯乙腈,二溴乙腈基本沒有生成;當(dāng)溴離子濃度為0.2~1mg/L時(shí),二溴乙腈開始迅速增加;當(dāng)溴離子濃度為1~2mg/L時(shí),反應(yīng)生成的主要為二溴乙腈.
3.3 天冬氨酸氯化生成二溴乙腈的過程主要包括取代、脫羧、氧化等8個(gè)步驟.
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Formation mechanism of the disinfection by-product dibromoacetonitrile in drinking water.
DING Chun-sheng*, CHEN Jia-du, LI Dong-bing, HUO Jian-qi
(College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)., 2017,37(11):4173~4178
The detection method of the disinfection by-product dibromoacetonitrile (DBAN) was established by mean of liquid-liquid extraction and gas chromatograph (LLE-GC) method using aspartic acid as the precursor, and the DBAN formation mechanism and its influencing factors were also discussed. The results showed that the production of DBAN was little when the acidity was strong and the production of DBAN rapidly increased with the increase of pH when the pH value was in the range from 6 to 7, while the production of DBAN gradually decreased at the alkaline conditions. The impact of temperature on the formation was minor at 10~30degrees conditions. Bromide ion concentration was found an important influencing factor, the production of DBAN increased with the bromide ion concentration increasing. After the total 8steps of the process, such as substitution, decarboxylation and oxidation, the aspartic acid was finally formed into DBAN.
disinfection by-products(DBPs);dibromoacetonitrile(DBAN);precursor;formation mechanism;influencing factor
X703.5
A
1000-6923(2017)11-4173-06
丁春生(1965-),男,安徽懷寧縣人,教授,博士,主要從水污染控制理論與技術(shù)研究.發(fā)表論文40余篇.
2017-04-19
浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(Y5110339);浙江省公益性技術(shù)應(yīng)用研究計(jì)劃項(xiàng)目(2012C23055)
* 責(zé)任作者, 教授, dingcs99@163.com