王曉旭 錢明媛 張曉波
(上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術研究院,上海 201114)
近年來,隨著經(jīng)濟的發(fā)展及民眾生活水平的提高,大量裝飾裝修材料、塑料制品、電子設備等被廣泛使用在居住、辦公環(huán)境中,這些材料散發(fā)的有機污染物導致室內(nèi)空氣質(zhì)量(IAQ)惡化程度加劇[1]。人的一生約有80%以上的時間在室內(nèi)環(huán)境中度過[2],因此IAQ對人們的健康、舒適及工作效率有著重要的影響[3]。目前,以甲醛為代表的易揮發(fā)性有機化合物(VVOCs)及苯系物為代表的揮發(fā)性有機化合物(VOCs)已得到較廣泛的關注和研究[4-6],而半揮發(fā)性有機物(SVOCs)的關注度較低,但其污染風險卻在持續(xù)上升。
SVOCs具有高沸點、低飽和蒸氣壓、吸附性強等特點,在室內(nèi)環(huán)境中更不易降解,存在時間更長,且可通過吸入、皮膚接觸、口入等多種方式對人體的呼吸系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)及生殖/遺傳系統(tǒng)等多方面產(chǎn)生負面影響。美國等發(fā)達國家已意識到室內(nèi)SVOCs污染問題的嚴重性,相關研究[7]已成為該領域的研究熱點。但在我國,SVOCs的污染問題尚未得到足夠重視,對SVOCs污染問題的研究也相對滯后[8]。
研究室內(nèi)空氣中SVOCs濃度時常用的采樣方法有纖維濾膜法、溶液吸收法、固體吸附法等[9-10]。固體吸附/熱脫附(TD)法在VOCs的檢測和研究中被廣泛采用,但在SVOCs的檢測方面,如何提高固體吸附劑對SVOCs的吸附效率和吸附/脫附穩(wěn)定性是亟待解決的問題。
離子液體是一類新興溶劑,它不易揮發(fā)、溶解范圍廣且溶解能力強、具有良好的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性,將其與固體吸附劑相結合用于室內(nèi)環(huán)境中SVOCs的采樣,有利于提高吸附效率,能有效減少因有機溶劑揮發(fā)而產(chǎn)生的環(huán)境污染問題。因此,本研究以離子液體為富集劑,采用TD—氣相色譜(GC)/質(zhì)譜(MS)聯(lián)用的方法,對10個典型居室內(nèi)空氣中的SVOCs污染現(xiàn)狀進行考察。
設備:7890A+5975C氣質(zhì)聯(lián)用儀;TD-100自動TD儀;60 m×0.25 mm×0.25 μm色譜柱(DB-5MS);IAQ-pro Ⅱ恒流采樣器。
離子液體:1-丁基-3-甲基咪唑雙(三氟甲磺酰)亞胺,純度≥99%。
試劑:甲醇(色譜純),10種有機物(即2,4,5-三氯苯酚、偶氮苯、鄰苯二甲酸二甲酯、正十五烷、正十六烷、鄰苯二甲酸二乙酯(DEP)、4-溴聯(lián)苯醚、鄰苯二甲酸二丁酯、鄰苯二甲酸丁基芐基酯(BBP)、芘)混標。
擔體:Tenax、Carbopack B和Tenax GR粉末,均為市售產(chǎn)品。
GC條件:進樣口溫度280 ℃;溶劑延遲3 min;傳輸線溫度280 ℃;不分流進樣;載氣為氦氣(99.99%);程序升溫:初始溫度50 ℃,保持10 min,然后以5 ℃/min升到300 ℃,保持2 min。
MS條件:電離方式為電子轟擊電離;電離能量70 eV;全掃描;離子源溫度230 ℃。
一級TD:310 ℃,15 min,TD流量50 mL/min。
二級TD:冷阱溫度-20 ℃;二級TD溫度330 ℃,5 min,阱前無分流,阱后體積比1∶30分流;傳輸線溫度330 ℃。
離子液體吸附管的制備:將離子液體與擔體以1∶15的質(zhì)量比混合均勻,并填至吸附管中,吸附管在氮氣流量100 mL/min、老化溫度320 ℃的條件下老化30 min。經(jīng)TD—GC/MS分析后,離子液體吸附管不得有雜質(zhì)檢出。
樣品采集:將離子液體吸附管連接至恒流采樣器上,采樣流量1.0 L/min,采樣90 min。
市售擔體種類較多,不同擔體對有機物的吸附捕集性能有很大差別。擔體吸附性能差,極易發(fā)生穿透現(xiàn)象;吸附性能過強,會影響后續(xù)脫附效果,從而干擾測試結果的準確性。為制備合適的離子液體吸附管,本研究選擇常用的3種擔體(Carbopack B、Tenax GR和Tenax TA)進行研究。
將3種擔體制備成離子液體吸附管后,吸取1 μL 2 000 μg/mL的10種有機物混標注入離子液體吸附管,進行TD—GC/MS分析。
參考世界衛(wèi)生組織(WHO)對SVOCs的定義,在本實驗的程序升溫條件下,保留時間在33 min后的組分屬于SVOCs的范疇。由圖1可看出,保留時間33~40 min階段,Carbopack B離子液體吸附管的豐度最高,但在保留時間40~60 min階段,Carbopack B離子液體吸附管的豐度迅速下降,遠低于Tenax TA和Tenax GR離子液體吸附管,甚至有組分無法檢出,因此首先排除Carbopack B離子液體吸附管。
圖1 3種離子液體吸附管的GC/MS圖譜Fig.1 GC/MS spectrum of three ionic liquid adsorption tubes
進一步對比Tenax TA和Tenax GR離子液體吸附管,將兩種離子液體吸附管的GC/MS圖譜疊加后發(fā)現(xiàn),在保留時間33~46 min階段各組分豐度基本一致。由圖2可見,保留時間在46 min后的組分,如51 min左右時,Tenax TA離子液體吸附管的豐度明顯低于Tenax GR;保留時間在55 min后的組分,Tenax TA離子液體吸附管出現(xiàn)了無法檢出的情況。為盡可能多地分析SVOCs組分,因此選用Tenax GR擔體。
圖2 Tenax TA和Tenax GR離子液體吸附管GC/MS對比圖譜Fig.2 GC/MS comparative atlas of Tenax TA and Tenax GR ionic liquid adsorption tubes
由圖3可見,兩種擔體樣品形貌均為球形顆粒,顆粒直徑約300 μm。相比Tenax TA粉末較光滑的表面,Tenax GR粉末表面更粗糙,具有更多的孔洞。根據(jù)BET數(shù)據(jù)顯示,Tenax TA具有15.26 m2/g的比表面積和0.14 cm2/g的孔體積,平均孔徑為35.7 nm,而Tenax GR則具有17.81 m2/g的比表面積和0.18 cm2/g的孔體積,平均孔徑為39.7 nm。因此,相比Tenax TA粉末,Tenax GR粉末可涂覆更多的離子液體。SEM和BET的表征結果與2.1節(jié)測定結果一致,證明Tenax GR粉末的吸附能力要優(yōu)于Tenax TA。
選擇鄰苯二甲酸二甲酯、正十六烷、DEP和鄰苯二甲酸二丁酯4個組分來考察TD條件,主要考察一級TD溫度、一級TD時間、一級TD流量、冷阱溫度,并以脫附效率來選擇最佳TD條件,結果見表1。
圖3 Tenax TA和Tenax GR粉末加入離子液體前后的SEM圖Fig.3 SEM pictures of Tenax TA and Tenax GR powder before and after adding ionic liquid
考慮到SVOCs的沸點,本實驗選擇3種一級TD溫度,分別250、280、310 ℃。由序號1~3可見,當其他條件一致時,脫附效率隨著一級TD溫度的升高而升高,因此本實驗選擇310 ℃為一級TD溫度。由序號3~5可見,當一級TD時間由5 min延長到10 min時脫附效率明顯增大,再延長到15 min時脫附效率增加的趨勢很小,因此本實驗選擇15 min為一級TD時間。由序號3、6、7可見,隨著冷阱溫度的降低,富集能力增強,脫附效率升高,因此本實驗選擇-20 ℃為冷阱溫度。由序號3、8、9可見,隨著一級TD流量增加,脫附效率先升后降,一級TD流量過大會影響冷阱對有機物的捕獲,因此本實驗選擇50 mL/min為一級TD流量。
(1) 標準曲線:用甲醇作溶劑,配置10、20、50、200 mg/L混合標準溶液,分別吸取1 μL不同濃度的混合標準溶液,注入離子液體吸附管中,以豐度為縱坐標,以質(zhì)量濃度為橫坐標,繪制標準曲線。
表1 4種SVOCs混標TD條件統(tǒng)計
(2) 儀器檢出限:用10 mg/L的混合標準溶液重復測量7次,計算標準偏差(SD),儀器檢出限(IDL)為1.645倍SD。并使用GC/MS對所得的儀器檢出限濃度加以確認,信噪比大于3∶1。
(3) 方法檢出限:通過對樣品進行10次標準曲線最低點加標試驗(加標質(zhì)量濃度10 mg/L),計算SD,方法檢出限(MDL)為3倍SD。
10種SVOCs標準曲線線性方程和檢出限見表2。
采用重復性實驗,在離子液體吸附管中加入1 μL混標,分別制作10、50、200 mg/L水平的平行樣各6個,對分析方法進行精密度和準確度考察,結果見表3。
表2 10種SVOCs標準曲線線性方程和檢出限
表3 10種SVOCs污染物精密度及回收率
表4 室內(nèi)空氣中SVOCs檢測結果1)
選取10個典型房間進行室內(nèi)空氣中SVOCs的驗證實驗。受測房間在關閉對外門窗12 h后,恒流采樣器以1.0 L/min的速率采樣90 min,將采集完成后的離子液體吸附管按照最優(yōu)分析條件進行定性定量分析,檢測結果見表4。除來源于木材本身且危害性較小的正十五烷和正十六烷外,室內(nèi)空氣中檢出率較高的是以鄰苯二甲酸酯類為代表的塑化劑類物質(zhì)。受采樣體積影響,部分房間內(nèi)目標組分濃度低于方法檢出限。其中,房間1、2中SVOCs的GC/MS圖譜較有代表性,結果見圖4和圖5。這兩個房間檢出了偶氮苯、鄰苯二甲酸二甲酯、正十五烷、正十六烷、DEP和BBP,且偶氮苯、DEP和BBP濃度相對較高。
圖4 房間1中SVOCs的GC/MS圖譜Fig.4 GC/MS atlas of SVOCs in room 1
本次實驗中檢出率和檢出濃度較高的DEP、BBP已先后被歐盟指令76/769/EEC及美國環(huán)境保護署列為優(yōu)先控制污染物,尤其是BBP已于2011年2月被歐盟列入化學品淘汰名單。鄰苯二甲酸酯類為內(nèi)分泌破壞性物質(zhì),并有一定的生物累積性,影響生物體內(nèi)激素的正常分泌,導致細胞突變、畸形、癌癥、生殖及發(fā)育損害等健康問題[11-13]。偶氮苯在WHO國際癌癥研究機構公布的3類致癌物清單中,吸入、攝入或經(jīng)皮膚吸收后對身體有害,具刺激性作用,具致敏性。本次測試檢出了較高濃度的偶氮苯、DEP和BBP,充分說明該方法適用于對室內(nèi)空氣中SVOCs污染的發(fā)現(xiàn)和定量。
圖5 房間2中SVOCs的GC/MS圖譜Fig.5 GC/MS atlas of SVOCs in room 2
為尋找污染物來源,后續(xù)對疑似污染源的裝飾裝修材料分別采用氣候艙法進行檢測,發(fā)現(xiàn)這兩個房間中的典型SVOCs是由墻布和地毯所引起的。
以離子液體為富集劑、Tenax GR為擔體,使用TD—GC/MS測定目標SVOCs,并采用標準樣品對方法進行驗證,對于目標SVOCs的RSD為2.25%~8.35%,回收率為85.0%~110.2%,驗證了該方法的準確性與穩(wěn)定性。
該方法能應用于測定室內(nèi)空氣中SVOCs檢測。對10間典型房間進行研究,發(fā)現(xiàn)室內(nèi)空氣中存在的SVOCs主要為以鄰苯二甲酸酯類為代表的塑化劑類物質(zhì),其來源為墻布、地毯等裝修材料。
該方法操作簡單,環(huán)境友好性強,使大規(guī)模進行室內(nèi)空氣中SVOCs污染的調(diào)研成為可能,可為制定室內(nèi)空氣中SVOCs標準限值提供依據(jù),從而加強企業(yè)在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中對產(chǎn)品SVOCs釋放量的控制和管理。