土壤中石油烴檢測的前處理新方法:硅膠脫水-環(huán)己烷提取

曲 健, 倪余文, 于浩然, 田洪旭, 王龍星, 陳吉平

(中國科學(xué)院分離分析化學(xué)重點實驗室, 中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所, 遼寧 大連 116023)

石油作為全球主要能源之一,在現(xiàn)代社會生產(chǎn)生活中具有舉足輕重的地位,而其所帶來的環(huán)境污染也越來越嚴(yán)重,據(jù)統(tǒng)計我國每年約有60萬噸石油進入土壤。在石油污染的土壤中,總石油烴(total petroleum hydrocarbon, TPH)是最主要的污染物?？偸蜔N是一種含有烴類(正構(gòu)烷烴、支鏈烷烴、芳烴、脂環(huán)烴)及少量其他有機物(硫化物、氮化物、環(huán)烷酸類等)的復(fù)雜混合物[1]。國際上基于碳當(dāng)量將總石油烴劃分為揮發(fā)性石油烴(C6～C9)和可萃取石油烴(C10～C40)[2]。

石油烴對土壤的污染主要表現(xiàn)為破壞土壤生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能,改變土壤的水文物理性質(zhì),降低土壤的保持力,影響土壤的通透性,造成土壤肥力下降,從而對生長的植物產(chǎn)生毒害作用[3]。此外,土壤中的烴類污染物也可通過循環(huán)進入水體和大氣,造成二次污染,并通過環(huán)境暴露和食物鏈富集進入人體,對環(huán)境和人類造成嚴(yán)重危害[4,5]。

國務(wù)院2016年發(fā)布的國發(fā)〔2016〕31號《土壤污染防治行動計劃》中,將場地土壤的揮發(fā)性有機污染物、石油烴等的污染狀況調(diào)查列為重點任務(wù)。土壤樣品中石油烴的現(xiàn)場快速篩查是這個任務(wù)中重要的組成部分。目前現(xiàn)場篩查方法主要有便攜氣相色譜法及紅外光譜法。土壤樣品中石油烴提取的關(guān)鍵在于有效消除土壤中含有的水分對提取的不利影響[6-8]。目前常用的方法既有索氏提取、振蕩提取、超聲萃取等常規(guī)技術(shù)[9-13],也有超臨界流體萃取、加速溶劑萃取、加壓流體萃取等新興技術(shù)[14-18]。這些方法主要通過使用丙酮與正己烷的混合溶劑來消除提取環(huán)節(jié)水分的影響,隨后再以旋蒸及無水硫酸鈉進行樣品的濃縮及干燥;也有提前將土壤樣品風(fēng)干后再提取的做法。丙酮是易制毒化學(xué)品,含甲基不能用于紅外光譜法。另外丙酮干擾樣品凈化步驟,在固相小柱凈化前必須去除。由于旋蒸設(shè)備便攜性差,混合溶劑提取難以在現(xiàn)場使用。開發(fā)一種不使用丙酮及含甲基溶劑的提取技術(shù),同時滿足便攜式氣相色譜及紅外光譜現(xiàn)場檢測的需要,對于土壤中石油烴的現(xiàn)場檢測非常必要。

基于此,本文提出了一種新的土壤中石油烴檢測的前處理方法:硅膠脫水-環(huán)己烷提取。以氣相色譜對此法進行了系統(tǒng)測評,結(jié)果表明新方法簡化了實驗步驟,對土壤中石油烴的提取效果也令人滿意,為石油烴現(xiàn)場分析打下了良好基礎(chǔ)。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

A90氣相色譜儀(上海儀盟科技),配氫火焰離子化檢測器(FID); AEG-120天平(精度0.000 1 g,日本SHIMADZU)。

無添加劑的A型柴油標(biāo)樣和B型礦物油標(biāo)樣(德國Dr. Ehrenstorfer);正構(gòu)烷烴(C10～C40)標(biāo)準(zhǔn)溶液(31 000 mg/L,各正構(gòu)烷烴質(zhì)量濃度均為1 000 mg/L,美國Agilent);丙酮和環(huán)己烷(分析純,麥克林試劑);無水硫酸鈉和氧化鈣(分析純,天津大茂);中性球形硅膠(60～100 μm,日本富士);Florisil固相萃取柱(1 000 mg/6 mL,百靈威);分子篩(40～60 目,阿拉丁)。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

正構(gòu)烷烴標(biāo)準(zhǔn)溶液用于配制系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液。標(biāo)準(zhǔn)工作溶液中C10～C40共31個正構(gòu)烷烴的保留時間用于標(biāo)定不同碳數(shù)石油烴的出峰時間范圍。用微量注射器移取適量正構(gòu)烷烴標(biāo)準(zhǔn)溶液,然后用移液槍分別加入適量環(huán)己烷稀釋,配制成總石油烴質(zhì)量濃度分別為310、775、1 550、3 100、6 200 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)工作液。

混合石油烴溶液:準(zhǔn)確移取柴油標(biāo)樣和礦物油標(biāo)樣各0.5 g至100 mL容量瓶中,用正己烷定容至刻度線,搖勻,制得10 g/L的混合石油烴溶液,置于4 ℃冰箱中冷藏保存?zhèn)溆谩４嘶旌鲜蜔N溶液用于土壤樣品制備。

1.3 不同含水量土壤樣品的制備

土壤含水率對石油烴的提取效率有著很大的影響,為了模擬不同含水率土壤對本文方法提取效率的影響,配制不同含水率的土壤。

將采回的土壤樣品風(fēng)干,過60～80目篩后,在馬弗爐中400 ℃灼燒5 h,去除所含石油烴及有機干擾物質(zhì)。用移液管取160 mL 10 g/L的混合石油烴溶液,溶于500 mL正戊烷中,制得混合石油烴溶液。將此石油烴溶液與1 kg過篩灼燒后的土壤樣品均勻混合攪拌,放置于通風(fēng)櫥中,室溫?fù)]發(fā)2 h,中間每隔10 min以玻璃棒充分?jǐn)嚢?溶劑揮發(fā)完全后的樣品呈松散干燥狀,無黏附現(xiàn)象。最終得到含有1 600 mg/kg石油烴的土壤樣品。在土壤樣品中加入相應(yīng)量的去離子水,拌勻,制得含水率5%、10%、20%的土壤樣品,密封,冷藏備用。

1.4 樣品的前處理方法

準(zhǔn)確稱取10.0 g土壤樣品至研缽中,根據(jù)土壤的含水率(以烘干稱重法確定),在研缽中加入土壤樣品實際含水質(zhì)量10倍的烘干球形硅膠,經(jīng)過充分研磨,使土壤呈流沙狀、無黏附現(xiàn)象后,將樣品完全移入錐形瓶中。在錐形瓶中使用移液管準(zhǔn)確加入40.0 mL萃取溶劑。搖勻靜置15 min后,取10 mL上清液,使其通過Florisil固相萃取柱進行凈化,收集流出液,注入氣相色譜儀進行分析。

1.5 氣相色譜條件

氣相色譜柱:UF-1MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm,中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所現(xiàn)代分析中心);進樣口溫度:340 ℃;載氣:高純氮氣;流速:1.3 mL/min(恒流模式);不分流進樣;進樣量:1.0 μL;程序升溫條件:初始溫度60 ℃,以20 ℃/min的速率升溫至340 ℃,保持15 min。FID溫度340 ℃。

1.6 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)正構(gòu)烷烴標(biāo)準(zhǔn)溶液中正癸烷出峰開始時間確定石油烴(C10～C40)的開始時間,正四十烷出峰結(jié)束時間確定石油烴(C10～C40)的結(jié)束時間。為評價本文方法對不同碳數(shù)石油烴的處理效果,根據(jù)正構(gòu)烷烴標(biāo)準(zhǔn)溶液中各正構(gòu)烷烴的保留時間范圍,對C10～C15、C15～C20、C20～C30、C30～C40的回收率情況分別統(tǒng)計并討論。由于分析石油烴的氣相色譜方法最終柱溫達340 ℃,在高溫段色譜基線抬升明顯。因此在定量分析時預(yù)先扣除空白基線。為消除水分對定量的影響,所有定量結(jié)果都按照含水量進行了干重折算?；厥章蕼y定的數(shù)據(jù)也按照干重進行了折算。土壤含水量按照國標(biāo)(GB/T 19422.1-2004),以烘干稱重法測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同碳數(shù)段時間劃分

不同碳數(shù)段石油烴指紋對污染源判斷有重要參考意義。在后續(xù)的方法學(xué)評價中,本文對位于C10～C15、C15～C20、C20～C30、C30～C40時間段的石油烴回收率進行了分別討論。實際石油烴樣品不僅含有正構(gòu)烷烴,還有大量異構(gòu)烷烴,其氣相色譜圖呈駝峰狀。這種譜圖無法簡單將幾個單峰加和得到每段的總峰面積,只能對指定時間范圍的譜圖進行整體積分[19,20]。本文根據(jù)C10、C15、C20、C30、C40 5種正構(gòu)烷烴的出峰時間情況劃定了幾個碳數(shù)段的積分時間范圍:C10～C15從C10的峰起點到C15的峰落點(≥5.09, <8.65 min); C15～C20從C15的峰落點到C20的峰落點(≥8.65, <11.35 min); C20～C30從C20的峰落點到C30的峰落點(≥11.35, <16.10 min); C30～C40從C30的峰落點到C40的峰落點(≥16.10, <26.90 min)。后續(xù)討論即采用上述時間段劃分對石油烴樣品進行整體積分,然后進行分析計算。

2.2 不同干燥劑對提取回收率的影響

在使用含丙酮的混合溶劑提取、無水硫酸鈉除水的通用方法中,必不可少的濃縮步驟需要使用旋蒸設(shè)備。而旋蒸儀器高功耗、大體積、易破損的特點使其難以在現(xiàn)場檢測中使用。本文嘗試使用不同干燥劑(無水硫酸鈉、氧化鈣、分子篩、硅膠)與土壤研磨脫水后以環(huán)己烷直接提取石油烴?？疾炝?0%含水率土壤與不同干燥劑(用量均為10倍含水量)共同研磨后的石油烴提取效率,結(jié)果見表1。結(jié)果表明當(dāng)土壤含水量較大時,使用無水硫酸鈉除水效果不好,回收率偏低;而分子篩平均回收率較低;氧化鈣黏度較大,研磨過程不易操作,各組分間回收率波動較大;相比于無水硫酸鈉,使用硅膠作干燥劑時石油烴的總回收率高出20.0%,達到了87.5%。對于不同碳鏈長度的石油烴,采用硅膠研磨脫水時,除C15～C20稍低于無水硫酸鈉外,其他成分的回收率均高于其他干燥劑,且回收效率較其他干燥劑穩(wěn)定(相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為4.2%),因此確定使用硅膠作為干燥劑。

2.3 不同硅膠提取效率的對比

硅膠作為一種具備豐富多孔結(jié)構(gòu)和較高吸附能力的傳統(tǒng)干燥劑,具有吸附性能好、機械強度高、價格低廉、對環(huán)境無污染等優(yōu)點,從而在各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[21]。為了評價不同來源、形狀、粒徑的硅膠對土壤脫水、石油烴提取效率的影響,分別購買了4個廠家不同性質(zhì)的硅膠5種,考察了硅膠的性質(zhì)對土壤中石油烴脫水及提取效率的影響。硅膠的物化性質(zhì)見表2。使用5種不同硅膠時石油烴的回收率結(jié)果也列于表2。結(jié)果表明,除了無定型硅膠的回收率偏低外(<60%),球形硅膠的提取效率均達到70%～90%左右,但堿性硅膠回收率精密度不佳。故本工作選擇使用中性球形硅膠進行各因素的考察。

表 2 5種不同商品化硅膠的物化性質(zhì)及其樣品回收率

2.4 硅膠用量的考察

由于土壤含水量是個變量,不能直接對硅膠絕對用量進行優(yōu)化,本文對硅膠質(zhì)量/(土壤樣品質(zhì)量×含水量)這個比例進行了優(yōu)化。本文以10%含水率土壤為對象,分別加入實際含水質(zhì)量1、2、5、10倍的硅膠進行研磨脫水,提取時間為20 min,回收率結(jié)果如圖1。實驗表明,加入硅膠的最佳方式是在研磨過程中,分次少量加入硅膠,隨著硅膠的加入,土壤可以更快速流沙化。隨著硅膠加入量的增加,石油烴的提取效率從61.8%逐漸提高到90%以上,呈上升趨勢。硅膠的使用量對提取效率有較大的影響。當(dāng)加入土壤實際含水質(zhì)量10倍的硅膠時,回收率為92.9%,已滿足要求。從原理上分析將硅膠用量增加到15～20倍可進一步增強除水效果及樣品的分散性,回收率可能會更高。但對高含水量(≥15%)的樣品,硅膠用量增加會導(dǎo)致提取時加入40.0 mL溶劑無法將全部樣品浸泡在內(nèi),需要增加溶劑到50～60 mL,而這會顯著提高檢出限。綜合考慮,本文最終選擇加入10倍量的硅膠進行脫水。

2.5 提取方式及提取時長的考察

為滿足現(xiàn)場快速檢測的需要,減少現(xiàn)場操作的步驟,并同時滿足紅外光譜和氣相色譜檢測的需要,本研究以不含甲基的環(huán)己烷作為萃取溶劑,使用含水率10%的濕潤土壤,對比了超聲和搖勻后靜置兩種提取方式。分別考察了搖勻后靜置提取5、10、15、20 min及超聲提取5、10、15、20 min的石油烴提取效率,結(jié)果見圖2。數(shù)據(jù)表明,超聲提取的回收率在提取15 min時達到最大值;搖勻靜置提取的回收率也在15 min達到最大(10 min為86.2% 15 min為88%)。經(jīng)統(tǒng)計分析,超聲提取與搖勻靜置浸提對石油烴的提取效率無顯著性差異(P>0.05)。從便捷性考慮,本研究選擇了搖勻靜置15 min。

現(xiàn)場檢測是本法的主要應(yīng)用場景。因為難以使用旋蒸設(shè)備,本法沒有濃縮環(huán)節(jié)。雖然加大環(huán)己烷用量可進一步提高回收率,但同時也增大了稀釋倍數(shù)降低了靈敏度,最終環(huán)己烷用量是保證回收率達到85%以上所需要的最小體積(10 g土壤40 mL溶劑)。這樣做同時保證了靈敏度及回收率都能達到現(xiàn)場檢測的要求。

圖 2 不同提取時間下土壤中石油烴的提取效率Fig. 2 Extraction efficiency of petroleum hydrocarbons in soil at different extraction time

2.6 方法學(xué)考察

2.6.1線性范圍

用微量注射器(10、50、100 μL)分別移取10、25、50、100、200 μL的正構(gòu)烷烴標(biāo)準(zhǔn)溶液,然后用移液槍分別加入9 990、9 975、9 950、9 900、9800 μL環(huán)己烷,配制成總石油烴質(zhì)量濃度分別為310、775、1 550、3 100、6 200 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)工作液。原始正構(gòu)烷烴標(biāo)準(zhǔn)中各正構(gòu)烷烴質(zhì)量濃度均為1 000 mg/L,據(jù)此可以分別計算標(biāo)準(zhǔn)工作液中C10～C15、C15～C20、C20～C30、C30～C40各段的質(zhì)量濃度。以此濃度與對應(yīng)的色譜峰面積做線性回歸,結(jié)果如表3所示,在各自的范圍內(nèi),各碳數(shù)段均線性關(guān)系良好,相關(guān)系數(shù)(R2)均≥0.997。

表 3 石油烴各組分的線性回歸方程及其相關(guān)系數(shù)Table 3 Linear regression equations and R2 of petroleum hydrocarbon componentsComponentsLinear range/(mg/L)Regression equationR2C10-C1560-1200 Y=3.29X+20.50.999C15-C2050-1000Y=4.94X-29.70.999C20-C30100-2000Y=3.49X+107.70.997C30-C40100-2000Y=2.17X-6.40.998C10-C40310-6200Y=3.45X-6.40.999 Y: total peak area of corresponding components; X: total mass concentration of corresponding components, mg/L; R2: correlation coefficient.

2.6.2定量限

由于石油烴的GC-FID譜圖呈駝峰,因此根據(jù)儀器噪聲計算檢出限的方法不適用。參照現(xiàn)行環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)HJ 1021-2019編制說明中[19]測定檢出限及定量限的方法,在7份空白石英砂(10 g)中用移液槍添加400 μL混合石油烴溶液(加入量相當(dāng)于400 mg/kg),按照本文方法進行測定。參照HJ 1021-2019編制說明以測量結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差(SD)的3倍確定檢出限,定量限按照檢出限的4倍確定。按照上述方式測得本方法的LOD為40 mg/kg, LOQ為160 mg/kg。

2.6.3回收率和精密度

采用本文的實驗條件,取不同含量水平(200～1600 mg/kg)石油烴及不同含水率的土壤,加入土壤實際含水質(zhì)量10倍的硅膠,以環(huán)己烷靜態(tài)提取15 min后,經(jīng)過Florisil固相萃取柱凈化后檢測,結(jié)果如表4。結(jié)果表明所有樣品的回收率為74.1%～103.8%, RSD為1.7%～10.1%。表明本方法對不同濃度范圍,不同含水量的樣品,在不同碳數(shù)段上都具有良好的回收率和精密度。

不同碳數(shù)的石油烴指紋是污染源判斷的重要參考。石油烴在經(jīng)過前處理后有可能造成不同碳數(shù)的石油烴回收率不同,為了保證指紋分析結(jié)果的準(zhǔn)確性,要保證整個碳數(shù)范圍都有良好的回收率。表4數(shù)據(jù)表明本文方法達到了這個要求。

表 4 不同加標(biāo)水平的石油烴在不同含水率土壤中的回收率及RSD(n=3)

2.7 實際樣品分析

檢測了盤錦地區(qū)某石油開采區(qū)附近兩個土壤樣品中石油烴的含量,結(jié)果見表5。結(jié)果表明,2個土壤樣品中均檢測出石油烴,其含量分別為1 963 mg/kg和3 419 mg/kg,均超過國家建設(shè)用地第一類用地篩選值(826 mg/kg),且不同樣品之間石油烴的成分組成和比例相差較大。根據(jù)正構(gòu)烷烴標(biāo)準(zhǔn)品保留時間及土壤樣品的譜圖(圖3)推斷,樣品1主要由C15～C35時間段的石油烴組成,這是齒輪油的典型特征[22];樣品2主要由C10～C30時間段的石油烴組成,且呈現(xiàn)隨保留時間的增加,正構(gòu)烷烴含量逐次遞減的規(guī)律,這說明該樣品的主要污染物為原油[22]。上述判斷與土壤樣品的相關(guān)信息吻合。

表 5 兩個實際土壤樣品中石油烴(C10～C40)的含量

圖 3 兩個土壤樣品中石油烴的氣相色譜圖Fig. 3 GC chromatograms of petroleum hydrocarbons in two soil samples

3 結(jié)論

本文提出了一種新的土壤中石油烴(C10～C40)的前處理方法。該方法將樣品和硅膠充分混合研磨,利用硅膠脫除土壤中的水分,再以環(huán)己烷進行提取,Florisil固相萃取柱進行凈化。以GC-FID對此方法的前處理效果進行了評價,結(jié)果表明該方法準(zhǔn)確度高,精密度良好,回收率滿意,能夠有效提取、凈化土壤中的石油烴(C10～C40)。本方法簡便快捷,全程僅采用環(huán)己烷作為提取及凈化溶劑,更具環(huán)保性。未來可以在紅外光譜及便攜氣相色譜石油烴現(xiàn)場快速檢測中發(fā)揮作用。由于缺少濃縮環(huán)節(jié),本法靈敏度偏低。未來將研發(fā)簡便靈活的現(xiàn)場樣品濃縮設(shè)備,進一步改善本法的各項指標(biāo)。