高壓電場(chǎng)低溫等離子體對(duì)馬拉硫磷的降解效能及降解途徑

叢來(lái)欣,黃明明,章建浩,嚴(yán)文靜

(國(guó)家肉品質(zhì)量安全控制工程技術(shù)研究中心,江蘇省肉類(lèi)加工與質(zhì)量控制協(xié)同創(chuàng)新中心,南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院,江蘇南京 210095)

馬拉硫磷作為廣泛應(yīng)用于防治糧食及果蔬蟲(chóng)害的一種有機(jī)磷農(nóng)藥,具有毒性大、難以降解且具有殘留性的特點(diǎn)[1-2]。目前在空氣、土壤、食品、地表水和廢水中積累殘留已被廣泛檢測(cè),并已成為一個(gè)重大的環(huán)境問(wèn)題[3]。長(zhǎng)期的殘留積累會(huì)導(dǎo)致水體環(huán)境不斷惡化,為了避免對(duì)環(huán)境及人體健康造成不利的影響,開(kāi)發(fā)高效的水體中農(nóng)藥殘留降解方法已經(jīng)成為目前亟需解決的問(wèn)題,引起了國(guó)內(nèi)外科研工作者的廣泛關(guān)注[4-5]。

目前,水體中農(nóng)藥殘留降解的常用方法主要有光催化法[6-7]、超聲波法[8-10]、微生物降解[11]以及氧化法[12-14]等,這些方法雖然能夠有效降解一部分的農(nóng)藥殘留,但是存在效率低、實(shí)驗(yàn)過(guò)程繁瑣、二次污染等問(wèn)題[15]。低溫等離子體是在高壓電場(chǎng)下電離空氣產(chǎn)生的大量電子、離子、負(fù)離子、中性原子的集合,由于在放電過(guò)程中可產(chǎn)生大量的活性物質(zhì),如O3、自由基等,具有較強(qiáng)的殺菌活性,目前該技術(shù)已經(jīng)被廣泛用于農(nóng)產(chǎn)品殺菌保鮮領(lǐng)域[16-17]。近期研究發(fā)現(xiàn),低溫等離子體能夠有效降解有機(jī)磷農(nóng)藥分子,同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生二次有毒副產(chǎn)物[18]。低溫等離子體處理能夠成功降解水中敵敵畏,降解效率受放電功率、處理時(shí)間及氣體介質(zhì)等條件的影響。在低濃度下,O2流量為40 cm3時(shí),放電功率120 W處理120 s后,敵敵畏達(dá)到最優(yōu)降解效率為96%[19]。Sarangapani等[20]利用等離子處理水中敵敵畏、馬拉硫磷和硫丹,經(jīng)80 kV處理8 min后,其三者的降解效率分別可達(dá)到78.98%±0.81%、69.62%±0.14%和57.71%±0.58%。介質(zhì)阻擋低溫等離子體對(duì)水中樂(lè)果有顯著的降解作用,在樂(lè)果初始濃度為20 mg/L、放電距離為5 mm的條件下,放電功率85 W處理7 min,其降解效率可大于96%[21]。低溫等離子體是一種新型非熱氧化技術(shù),具有高效率、低能耗、適用范圍廣的特點(diǎn),適用于難降解的有機(jī)物的處理[22-24]。目前關(guān)于利用低溫等離子體降解農(nóng)藥殘留的研究主要集中在降解效率及工藝參數(shù)的優(yōu)化,但關(guān)于低溫等離子體對(duì)農(nóng)藥殘留降解規(guī)律及其降解機(jī)理和途徑的研究鮮有報(bào)道。

本文采用介質(zhì)阻擋放電低溫等離子體(dielectric barrier discharge plasma,DBD plasma)設(shè)備對(duì)馬拉硫磷水溶液進(jìn)行處理,研究了不同處理時(shí)間、放電電壓以及農(nóng)藥初始濃度對(duì)其降解效率的影響,處理后的農(nóng)藥通過(guò)GC-MS分析降解過(guò)程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物,構(gòu)建降解動(dòng)力學(xué)模型,揭示馬拉硫磷的降解途徑及降解機(jī)理,為后續(xù)的降解研究提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

馬拉硫磷標(biāo)準(zhǔn)溶液 中國(guó)農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研檢測(cè)所,純度>98%,濃度100 μg/mL;正己烷 廣東光華科技股份有限公司,色譜級(jí);所有分離用有機(jī)溶劑 均為國(guó)產(chǎn)色譜純。

介質(zhì)阻擋放電等離子體設(shè)備,配有電壓調(diào)控箱,可控電壓(0～90 kV) 南京蘇曼公司;6890N氣相色譜儀、320MS氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀 美國(guó)安捷倫公司;MAP-H360復(fù)合氣調(diào)保鮮包裝機(jī) 蘇州森瑞保鮮包裝設(shè)備有限公司;高速冷凍離心機(jī) 美國(guó)Beckman公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)采用的DBD等離子體發(fā)生裝置是將包裝后的樣品放置到兩個(gè)鋁電極之間,上下電極分別連接到高壓電源和地線(xiàn),并在電極和樣品之間插入介質(zhì)板。處理時(shí)兩個(gè)電極板之間形成的高壓電場(chǎng),將包裝盒內(nèi)的空氣電離產(chǎn)生等離子體,從而能夠有效降解包裝盒內(nèi)的農(nóng)藥溶液。

1.2.1 水溶液中馬拉硫磷殘留量的檢測(cè)及降解效率計(jì)算 水溶液中殘留馬拉硫磷的提取:取處理過(guò)后的水溶液10 mL于離心管中,加入20 mL二氯甲烷分兩次萃取,放入振蕩器中振蕩5 min(轉(zhuǎn)速900 r/min)。靜置完全分層,取1 mL下層有機(jī)層溶液,用無(wú)水硫酸鈉脫水后用氮?dú)獯蹈?用正己烷定容至1 mL,采用氣相色譜分析[25]。

水溶液中馬拉硫磷殘留濃度的測(cè)定:氣相色譜條件:色譜柱:HP-5,5%苯基甲基硅氧烷毛細(xì)柱(30 m×0.32 mm,0.25 μm);升溫程序:從100 ℃開(kāi)始,以20 ℃/min升至240 ℃,再以15 ℃/min升至270 ℃,保持1 min;進(jìn)樣口溫度250 ℃,不分流進(jìn)樣;檢測(cè)器為氮磷檢測(cè)器,檢測(cè)器溫度為250 ℃,檢測(cè)器氣體空氣的流速為100 mL/min,氫氣的流速為75 mL/min;載氣N2,流速1.0 mL/min,補(bǔ)充氣(N2)流速60 mL/min。

水溶液中馬拉硫磷殘留降解效率的計(jì)算:水溶液中馬拉硫磷降解效率用η表示,由下列方程計(jì)算:η(%)=[(C0-Ct)/C0]×100

式中:C0表示在DBD等離子體處理前,水溶液中馬拉硫磷的初始濃度(μg/mL);Ct表示低溫等離子體處理t時(shí)刻后水溶液中馬拉硫磷的濃度(μg/mL)。

1.2.2 提取與測(cè)定方法驗(yàn)證 將丙酮配制的馬拉硫磷母液用蒸餾水進(jìn)行稀釋,使其濃度分別為0.05、0.10、0.20 μg/mL,用上述提取方法及測(cè)定方法檢測(cè)并計(jì)算回收率及變異系數(shù)。

1.2.3 低溫等離子體不同處理?xiàng)l件對(duì)水溶液中馬拉硫磷殘留降解效率的影響

1.2.3.1 不同處理時(shí)間及電壓對(duì)水溶液中馬拉硫磷殘留降解效率的影響 準(zhǔn)確吸取1 mL的馬拉硫磷標(biāo)準(zhǔn)溶液(100 μg/mL)轉(zhuǎn)移至10 mL容量瓶中,并用丙酮定容,配制成馬拉硫磷濃度為10.0 μg/mL的母液。用蒸餾水將馬拉硫磷母液稀釋至0.5 μg/mL,將稀釋液加入到12孔板,每孔加入2 mL后進(jìn)行空氣包裝。選取不同處理時(shí)間(30、60、90、120、180 s)及不同處理電壓(60、70、80 kV)對(duì)馬拉硫磷水溶液進(jìn)行處理,處理后放置2 h提取水溶液中馬拉硫磷殘留,采用氣相色譜對(duì)其濃度進(jìn)行測(cè)定。

1.2.3.2 不同農(nóng)藥初始濃度對(duì)水溶液中馬拉硫磷殘留降解效率的影響 用蒸餾水將馬拉硫磷母液稀釋至0.1、0.5、2.5 μg/mL,將稀釋液加入到12孔板,每孔加入2 mL后進(jìn)行空氣包裝。在處理電壓為80 kV條件下,對(duì)不同濃度的馬拉硫磷水溶液(0.1、0.5、2.5 μg/mL)處理不同時(shí)間(30、60、90、120、180 s),處理后放置2 h提取水溶液中馬拉硫磷,采用氣相色譜對(duì)其濃度進(jìn)行測(cè)定。

1.2.4 降解動(dòng)力學(xué)模型建立 將不同處理?xiàng)l件下水溶液中的馬拉硫磷降解效率擬合到一級(jí)降解動(dòng)力學(xué)模型中,一級(jí)動(dòng)力學(xué)公式為:ln(C/C0)=-kt

式中:k為反應(yīng)速率常數(shù);t為反應(yīng)時(shí)間。

模型擬合的有效性根據(jù)決定系數(shù)R2進(jìn)行評(píng)價(jià),k值由降解效率得出。

1.2.5 傅里葉紅外光譜分析 0.5 μg/mL的馬拉硫磷溶液經(jīng)低溫等離子體處理60、120和180 s后,分別用50 mL乙醚溶液提取三次,將乙醚相收集,經(jīng)無(wú)水硫酸鎂干燥,隨后濃縮至1 mL,制備紅外光譜樣品。將10 μL濃縮過(guò)后的樣品涂抹在KBr薄片上,進(jìn)行傅里葉紅外光譜掃描,掃描光譜范圍為4000～500 cm-1,掃描次數(shù)為64次。以不經(jīng)過(guò)低溫等離子體處理的水溶液作為對(duì)照組。

1.2.6 中間產(chǎn)物的測(cè)定 水溶液中馬拉硫磷的提取方法與1.2.1中相同。氣相色譜串聯(lián)質(zhì)譜條件:升溫程序:82 ℃保持5 min,然后以8 ℃/min升至280 ℃,保持1 min,再以25 ℃/min升至300 ℃,保持2 min。電離方式:EI;電離能量70 eV;接口、離子源、四級(jí)桿溫度分別為200、250、250 ℃;全掃描模式,質(zhì)量掃描范圍為m/z 80～400。測(cè)定出的離子色譜結(jié)合NIST質(zhì)譜庫(kù)檢索分析,通過(guò)特征離子解析和結(jié)構(gòu)驗(yàn)證后確定中間產(chǎn)物。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)單因素方差分析,相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果均采用3次平行所取平均值,數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 添加回收率結(jié)果

馬拉硫磷在水溶液中的添加回收率如表1所示。在本實(shí)驗(yàn)條件下,三種濃度的馬拉硫磷水溶液回收率在98%～105%之間,變異系數(shù)均小于3%,由此可見(jiàn)該提取和分析方法的準(zhǔn)確度、精確度均滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)分析要求。

表1 馬拉硫磷在水溶液中的回收率Table 1 Recoveries of malathion in aqueous solution

2.2 低溫等離子體不同處理時(shí)間及電壓對(duì)水溶液中馬拉硫磷殘留降解效率的影響

0.5 μg/mL馬拉硫磷水溶液經(jīng)不同放電電壓及處理時(shí)間下的降解效率如表2。水溶液中馬拉硫磷的降解效率隨著低溫等離子體的放電電壓及時(shí)間的增加而顯著增加(P<0.05),并隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng),降解效率的增長(zhǎng)逐漸趨于平緩。80 kV處理180 s后,馬拉硫磷的降解效率分別是60、70 kV處理180 s的1.63和1.21倍。在所有實(shí)驗(yàn)組中,低溫等離子體處理80 kV 180 s,馬拉硫磷降解效率最高,達(dá)到64.60%。

低溫等離子體產(chǎn)生的活性物質(zhì)中,O3和·OH被認(rèn)為是降解農(nóng)藥殘留的主要物質(zhì),此外還有其他氧化活性物質(zhì),例如過(guò)氧化氫、單線(xiàn)態(tài)氧等[29]。O3降解農(nóng)藥的機(jī)理一是直接氧化,二是通過(guò)其他幾種鏈?zhǔn)椒磻?yīng)生成H2O2和·OH,從而氧化農(nóng)藥[20]。羥基自由基是一種強(qiáng)的氧化劑,可以有效去除廢水中的有害物質(zhì),并且可結(jié)合形成H2O2,進(jìn)而起到氧化效果[2]。

表2 不同處理時(shí)間及電壓下馬拉硫磷的降解效率(%)Table 2 Effects of different treatment times and dischargevoltages on the degradation of malathion(%)

2.3 不同農(nóng)藥初始濃度對(duì)水中馬拉硫磷殘留降解效率的影響

表3 不同初始濃度對(duì)馬拉硫磷的降解效率(%)Table 3 Effects of different initial concentrationson the degradation of malathion(%)

為了探究農(nóng)藥初始濃度對(duì)馬拉硫磷降解效率的影響,在保持處理電壓為80 kV的條件下,選擇初始濃度為0.1、0.5、2.5 μg/mL的一系列馬拉硫磷水溶液進(jìn)行低溫等離子體處理。從表3中可以看出,隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)(30～120 s),三種濃度的馬拉硫磷溶液的降解效率都顯著增加(P<0.05),但在相同的處理?xiàng)l件下,隨著初始濃度的增加,降解效率急劇下降。當(dāng)初始濃度為低濃度(0.1 μg/mL)時(shí),降解效率在處理180 s后可達(dá)到79.62%,而當(dāng)初始濃度為高濃度(2.5 μg/mL)時(shí),降解效率在處理180 s后僅為34.97%,說(shuō)明農(nóng)藥初始濃度會(huì)影響低溫等離子體的降解效率。

當(dāng)溶液中濃度較低時(shí),溶液中存在的農(nóng)藥分子較少,在一定的體積內(nèi),增加了低溫等離子體產(chǎn)生的活性物質(zhì)與農(nóng)藥分子的碰撞幾率,故降解效率較高[21];當(dāng)溶液濃度過(guò)高時(shí),單位體積內(nèi)的農(nóng)藥分子數(shù)量變多,而在相同條件下,低溫等離子體產(chǎn)生的高能電子及自由基等活性物保持不變,難以降解過(guò)量的有機(jī)物分子,導(dǎo)致馬拉硫磷的降解效率下降[30]。

2.4 不同放電電壓及農(nóng)藥初始濃度下馬拉硫磷溶液降解動(dòng)力學(xué)

為了解水中馬拉硫磷降解規(guī)律,采用一級(jí)降解動(dòng)力學(xué)方法建立反應(yīng)模型。圖1為馬拉硫磷ln(Ct/C0)隨處理時(shí)間的變化曲線(xiàn)。圖1中l(wèi)n(Ct/C0)與低溫等離子體處理時(shí)間的線(xiàn)性關(guān)系表明在不同放電電壓及初始濃度下,水溶液中馬拉硫磷的降解規(guī)律符合降解一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型(R2≥0.9)。此外,隨著放電電壓的增加,馬拉硫磷降解速率常數(shù)隨之增加,t1/2值也隨之下降。但隨著初始濃度的升高,馬拉硫磷降解速率常數(shù)隨之降低,t1/2值也隨之延長(zhǎng)。

圖1 不同放電電壓(a)和初始濃度(b)下馬拉硫磷一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型Fig.1 The first-order kinetics model of malathion underdifferent discharge voltages(a)and initial concentrations(b)

馬拉硫磷降解規(guī)律符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)可以通過(guò)低溫等離子體產(chǎn)生和降解農(nóng)藥消耗的活性氧物質(zhì)來(lái)解釋,在低電壓條件下,農(nóng)藥分子與較少的電子、離子和氧化活性物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng),使降解速率降低;但放電強(qiáng)度隨著放電電壓的增強(qiáng)而增加,較高能的電子可能導(dǎo)致解離反應(yīng)增加,使產(chǎn)生的活性物質(zhì)的量也隨之增加,進(jìn)而使降解速率提高[20,31]。與此同時(shí),農(nóng)藥初始濃度的增加會(huì)使系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的活性物質(zhì)不足,進(jìn)而造成降解速率降低。

2.5 傅里葉紅外光譜(FT-IR)分析結(jié)果

為了闡明水溶液中馬拉硫磷的降解途徑,利用傅里葉紅外光譜(FT-IR)對(duì)處理過(guò)程中的馬拉硫磷樣品進(jìn)行光譜測(cè)定,分析馬拉硫磷經(jīng)低溫等離子體處理過(guò)程中產(chǎn)生的特征吸收峰變化,確定降解過(guò)程中馬拉硫磷化學(xué)鍵的變化,推斷出可能的中間產(chǎn)物,所有特征吸收峰對(duì)應(yīng)化學(xué)鍵參考基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的描述[32]。圖2為低溫等離子體分別處理0、60、120、180 s后馬拉硫磷降解的紅外光譜。在3326 cm-1出現(xiàn)較寬的紅外吸收帶,是O-H基團(tuán)的特征拉伸峰,這可能是由于與磷連接的甲氧基中的C-O鍵斷裂,導(dǎo)致由接收氫的甲氧基氧原子形成O-H鍵。在1733 cm-1處保留了C=O鍵的吸收峰,但是隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng),C=O鍵的吸收峰逐漸減弱。等離子處理前,C-O吸收峰出現(xiàn)在1262 cm-1處,并隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸消失,推斷出隨著低溫等離子體處理時(shí)間的延長(zhǎng),C-O鍵逐漸裂解。此外,在744 cm-1處出現(xiàn)的P=S特征吸收峰以及在968 cm-1處出現(xiàn)的C-S特征吸收峰都出現(xiàn)隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸減弱的現(xiàn)象。因此,傅里葉紅外光譜的結(jié)果說(shuō)明了在低溫等離子體處理過(guò)程中,馬拉硫磷的特征鍵表現(xiàn)出一系列減弱甚至斷裂的現(xiàn)象,為進(jìn)一步探討馬拉硫磷降解過(guò)程中生成的物質(zhì)提供了有力的證據(jù)。

圖2 馬拉硫磷處理前后FT-IR圖譜Fig.2 FT-IR spectra of malathionwith and without DBD plasma treatment

2.6 馬拉硫磷降解產(chǎn)物及降解途徑分析

為了進(jìn)一步闡明降解途徑,本文利用GC-MS技術(shù)分析了DBD等離子體處理過(guò)程中馬拉硫磷降解的中間體和產(chǎn)物?？紤]到中間產(chǎn)物的生成的濃度較低,采用濃度為10 μg/mL的馬拉硫磷溶液進(jìn)行試驗(yàn),對(duì)降解物提取后進(jìn)行濃縮再采用GC-MS測(cè)定分析。表4為馬拉硫磷降解得到中間產(chǎn)物的化學(xué)式、名稱(chēng)、保留時(shí)間、峰面積占比、質(zhì)荷比及結(jié)構(gòu)式。如表4所示,馬拉硫磷經(jīng)低溫等離子體處理后,產(chǎn)生了五種可能的化合物,部分馬拉硫磷(C7)氧化為馬拉氧磷(C6),后經(jīng)過(guò)P=S鍵斷裂生成磷酸三乙酯(C1)。主要的降解產(chǎn)物為化合物順-丁烯二酸二乙酯(C3)、反-丁烯二酸二乙酯(C4)和O,O,S-三甲基二硫代磷酸酯(C2),有少量的馬拉硫磷由于C-O鍵的斷裂而形成2-二甲氧基膦硫?；腔?4-乙氧基-4-氧丁酸(C5)。

表4 馬拉硫磷及其主要降解產(chǎn)物的GC-MS特殊特征Table 4 GC-MS special characteristics of malathion and main degradation products

圖3 介質(zhì)阻擋放電等離子降解馬拉硫磷途徑Fig.3 Degradation pathways of malathion by DBD plasma

3 結(jié)論

本文利用介質(zhì)阻擋放電等離子體對(duì)水溶液中的馬拉硫磷殘留進(jìn)行降解,在初始濃度為0.1 μg/mL的條件下,低溫等離子體放電電壓80 kV處理180 s,馬拉硫磷最高降解效率可達(dá)到79.62%±2.97%。在水溶液中,馬拉硫磷的降解規(guī)律符合降解一級(jí)動(dòng)力學(xué),并且降解速率隨低溫等離子體放電電壓的升高及溶液初始濃度的降低而明顯提高。馬拉硫磷的降解主要經(jīng)歷了兩個(gè)途徑,一是P=S鍵的氧化,二是C-S鍵的斷裂。GC-MS降解產(chǎn)物分析表明,降解的最終產(chǎn)物具有更為簡(jiǎn)單的官能團(tuán)。本研究為分解和凈化環(huán)境水體中及果蔬中農(nóng)藥污染物提供了另一種新型處理途徑,在食品安全領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。