焦化廢水生物出水中可溶解性有機(jī)物的分子識(shí)別

王琦，寇麗紅，王冠宇，王吉坤，劉敏，李蘭廷，王昊

（1 煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；2 煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；3 國(guó)家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013）

焦化廢水經(jīng)生化處理后，化學(xué)需氧量（COD）、色度和氨氮等水質(zhì)指標(biāo)大幅下降，但是仍不能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)[1-2]，其生物出水的COD 依然在180～500mg/L 之間[3]。因此，隨著環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格[4]，焦化廢水若要滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，其生物出水需進(jìn)行深度處理[5-9]?？扇芙庑杂袡C(jī)物是焦化廢水的重要組成部分，很難被生化降解。由于可溶解性有機(jī)物的分子組成極為復(fù)雜，其分子組成仍處于未知狀態(tài)，需要一種能更好地了解其分子組成的分離以及分析方法，為后續(xù)深度處理工藝的優(yōu)化和改進(jìn)提供理論依據(jù)。

紫外-可見光譜（UV-vis）、傅里葉變換紅外光譜（FTIR）、核磁共振（NMR）等分析手段僅能提供平均分子結(jié)構(gòu)等宏觀信息，難以從單體化合物的角度分析表征。胡記杰等[10]、張萬輝等[11]、Chu等[12]利用GC/MS解析焦化廢水有機(jī)物的組成，賴鵬等[13]、李登勇等[14]、任源等[15]、吳海珍等[16]、金鵬[17]、張偉等[18]利用GC/MS 分析焦化廢水生物出水的有機(jī)物組分，但是由于GC/MS 儀器本身的限制，不適用于高極性和高沸點(diǎn)化合物的分析。傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜（FT-ICR MS）具有高質(zhì)量準(zhǔn)確度和超高分辨率，配合電噴霧電離源（ESI）可以準(zhǔn)確識(shí)別樣品中的極性化合物，在分子層次上識(shí)別可溶解性有機(jī)物組成[19-22]。

為從分子層次揭示焦化廢水生物出水中可溶解性有機(jī)化合物的組成，本文首先使用液液萃取將生物出水分為有機(jī)相和萃余相，然后對(duì)有機(jī)相進(jìn)行四組分分離，根據(jù)四組分極性的不同，對(duì)極性較弱的飽和分和芳香分采用GC/MS 分析，對(duì)極性較強(qiáng)的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)采用ESI FT-ICR MS分析；萃余相極性強(qiáng)，用固相萃取法（SPE）得到SPE 洗脫物，并對(duì)洗脫物進(jìn)行ESI FT-ICR MS分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 水樣的采集保存及試劑耗材

水樣取自河北遷安宏奧工貿(mào)焦化廠的焦化廢水生物出水，生化工藝為A/O/O，COD在182～201mg/L 之間波動(dòng)。一經(jīng)取樣，水樣立即經(jīng)過0.45μm 玻璃纖維濾膜過濾，并在4℃下黑暗處保存?zhèn)溆谩?/p>

試劑包含甲苯（分析純，上海國(guó)藥集團(tuán)）、正己烷（分析純，上海阿拉?。?、乙醇（分析純，北京化工廠）、二氯甲烷（分析純，北京化工廠）、甲醇（分析純，北京化工廠）、純水（LC-MS級(jí)，國(guó)藥集團(tuán)）、濃鹽酸（ACS 級(jí)，Merk，德國(guó)），標(biāo)樣SRFA（購自IHSS，USA）；耗材包含Waters C18固相萃取柱（500mg，6mL，美國(guó)）、Agilent Bond Elut固相萃取小柱（100mg、3mL）。

1.2 組分分離

水樣分離及分析路線和水樣分離步驟見圖1。

圖1 焦化廢水生物出水的分離步驟及分析路線

（1）采用液液萃取，二氯甲烷作為萃取劑，將水樣分離成有機(jī)相和萃取相。

（2）對(duì)于有機(jī)相，采用四組分分離，將油溶性有機(jī)物分成極性較弱的飽和分、芳香分和極性較強(qiáng)的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)。

（3）對(duì)于萃余相，采用固相萃取，富集水溶性有機(jī)物。

1.3 測(cè)定方法

（1）液液萃取 取800mL 水樣分4次于500mL分液漏斗中進(jìn)行液液萃取。萃取劑為二氯甲烷，重復(fù)萃取3 次，單次加入量依次為40mL、20mL、20mL。震蕩時(shí)間為10min，靜置20min。合并全部萃取液，旋蒸濃縮至2mL 左右后氮吹揮發(fā)溶劑，于4℃下黑暗保存。

（2）四組分分離 據(jù)《SY/T 5119—2016 巖石中可溶有機(jī)物及原油族組分分析標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。向試樣中加入適量正己烷靜置沉淀12h后，過濾瀝青質(zhì)溶液。將濾液濃縮至2mL 左右，用作柱層析分離。在層析柱底部填塞少量脫脂棉，加入3g于200℃電熱干燥箱中活化4h 的硅膠和2g 于400℃活化4h 的中性氧化鋁，用正己烷潤(rùn)濕固定相。當(dāng)潤(rùn)濕層析柱的正己烷液面接近固定相頂端界面時(shí)，將試樣濃縮液轉(zhuǎn)入層析柱，用30mL 正己烷淋洗，分出飽和分。當(dāng)最后一次加入的正己烷液面接近固定相頂部界面時(shí)，用20mL 二氯甲烷與正己烷混合溶劑（體積比2∶1）淋洗出芳香分。當(dāng)?shù)谝淮渭尤氲幕旌先軇┝鬟M(jìn)固定相約3mL 時(shí)，用少量正己烷沖洗層析柱出口后，取下承接飽和分的稱量瓶，換上承接芳香分的稱量瓶。當(dāng)最后一次加入的混合溶劑液面接近固定相頂部界面時(shí)，依次用7mL 無水乙醇和10mL 二氯甲烷淋洗膠質(zhì)。當(dāng)無水乙醇流進(jìn)固定相約3mL 時(shí)，用少量混合溶劑沖洗層析柱出口后，取下承接芳香分的稱量瓶，換上承接膠質(zhì)的稱量瓶。將上述分離好的各族組分溶液揮發(fā)溶劑至恒重，稱量，求得試樣中各族組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

（3）固相萃取 依次使用10mL 甲醇和10mL酸化超純水（pH=2，鹽酸酸化）對(duì)PPL 小柱進(jìn)行淋洗活化，同時(shí)除去柱子中可能存在的雜質(zhì)。取20mL 萃余相用鹽酸酸化至pH=2，以5mL/min 的速度通過PPL小柱，此時(shí)樣品中的有機(jī)質(zhì)將在柱子上吸附。水樣完全通過后，使用10mL 酸化超純水對(duì)PPL小柱進(jìn)行淋洗以除去鹽分。使用氮吹的方式將PPL小柱中的水分完全除去。用5mL甲醇對(duì)吸附于PPL小柱上的有機(jī)質(zhì)進(jìn)行洗脫，收集。氮吹揮發(fā)溶劑，于4℃下黑暗保存，直至分析。

（4）GC/MS 分析 使用儀器為Bruker SCION TQ氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀。色譜柱為HP-5MS彈性石英毛細(xì)柱（30m×0.25mm×0.25μm）；柱溫：初溫80℃保持1min，以10℃/min 升溫至300℃，再以300℃保持30min；氦氣作為載氣，流速為1mL/min。EI離子源溫度保持為250℃，電壓為70eV，采集質(zhì)量范圍為35～500amu，每秒鐘掃描2次。

（5）FT-ICR MS 分析 采用配備有Apollo II 電噴霧離子源的Apex-ultra 9.4 T FT-ICR 質(zhì)譜（Bruker，德國(guó)）在負(fù)離子模式下進(jìn)行分析。樣品用甲醇稀釋至100mg/L 左右，注射泵以250μL/h 注入電噴霧源。

ESI負(fù)離子模式下的條件為：發(fā)射電壓4000V，毛細(xì)管引入電壓4500V，毛細(xì)管末端電壓-320V。ESI正離子模式下的條件為：發(fā)射電壓-3000V，毛細(xì)管引入電壓-3500V，毛細(xì)管端電壓320V。兩種模式下離子在源六級(jí)桿中的存儲(chǔ)時(shí)間為0.001s，碰撞池累積時(shí)間為0.02s，從碰撞池引入回旋檢測(cè)池的飛行時(shí)間為0.0011s，采集質(zhì)量范圍為150～1000Da，采樣點(diǎn)數(shù)為4M，時(shí)域信號(hào)疊加次數(shù)為128次。質(zhì)譜數(shù)據(jù)分析處理使用了內(nèi)部軟件進(jìn)行分子式分配，F(xiàn)T-ICR MS 分析前采用標(biāo)樣SRFA 的含氧同系列化合物校準(zhǔn)。選取FT-ICR MS 的譜圖中信噪比（S/N）大于4 的質(zhì)量峰輸出到excel 數(shù)據(jù)表中，利用實(shí)驗(yàn)室自主開發(fā)的軟件進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 焦化廢水生物出水的組分分布

焦化廢水生物出水在液液萃取過程中出現(xiàn)乳化的情況。液液萃取過程使用800mL 水樣，分離出35.2mg“油”，將分離出來的“油”作為有機(jī)相進(jìn)行分析，其含量為44.0mg/L。萃余相經(jīng)SPE富集水溶性有機(jī)物，其含量為15.2mg/L。

水樣有機(jī)相四組分和萃余相的收率見表1，水樣元素分析結(jié)果見表2。由表中數(shù)據(jù)可知，水樣的有機(jī)相分離的組分中，含量最多的是瀝青質(zhì)，其次是膠質(zhì)、芳香分，分離出的飽和分含量最低。有機(jī)元素結(jié)果中，水樣碳元素含量較高，氫含量偏低，使得整體有較低的H/C原子比，說明樣品中有機(jī)組分以多環(huán)化合物為主。

表1 有機(jī)相四組分和萃余相的萃取結(jié)果

表2 有機(jī)萃取物元素分析結(jié)果

2.2 飽和分和芳香分的GC/MS分析

有機(jī)相中飽和分的GC/MS 結(jié)果如圖2和表3所示。從有機(jī)萃取相飽和分總離子流圖中可以看出，生物出水的碳數(shù)在C12～C30均有分布。從有機(jī)萃取相飽和分種類和相對(duì)含量（表3）可以看出，飽和分中共檢測(cè)到120種化合物，正構(gòu)烷烴類和鏈烷烴類化合物相對(duì)含量接近80%，說明經(jīng)生物處理后仍存在的可溶解有機(jī)物主要為一些分子質(zhì)量較大的正構(gòu)烷烴和鏈烷烴。

表3 有機(jī)萃取相飽和分種類和相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖2 有機(jī)萃取飽和分總離子流圖

有機(jī)相中芳香分的GC/MS 結(jié)果如圖3和表4所示。從樣品有機(jī)萃取相芳香分總離子流圖中可以看出，芳香分中檢測(cè)到34 種化合物，主要檢測(cè)到較高含量的醇類、酯類和酚類化合物，其中酚類主要是苯酚的烷基取代物。

表4 有機(jī)萃取相芳香分種類和相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖3 有機(jī)萃取相芳香分總離子流圖

生物出水中含有大量的飽和烴以及芳香酚類物質(zhì)。飽和分和芳香分的GC/MS 譜圖中可以檢測(cè)出苯酚、甲基苯酚、飽和烴類物質(zhì)以及萘、菲、芘、屈類物質(zhì)，飽和烴的譜圖中可以鑒定出的有機(jī)質(zhì)的種類主要為碳數(shù)為C12～C30的正構(gòu)烷烴，芳香分中可檢測(cè)到的物質(zhì)主要是萘、菲、芘類化合物。酚類物質(zhì)的存在對(duì)污水處理過程中的生化過程有較大的影響，這可能是造成后續(xù)污水處理過程中水質(zhì)波動(dòng)的原因之一。

2.3 膠質(zhì)、瀝青質(zhì)和萃余相的ESI FT-ICR MS分析

結(jié)合ESI 源的高分辨質(zhì)譜適于表征復(fù)雜體系中強(qiáng)極性化合物，焦化廢水生物出水萃余相的極性強(qiáng)，有機(jī)相的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)也是強(qiáng)極性組分，因此適合用高分辨質(zhì)譜進(jìn)行分子層次表征，如圖4。

圖4 膠質(zhì)、瀝青質(zhì)和SPE洗脫物-ESI FT-ICR MS質(zhì)譜圖

圖4 為有機(jī)相中膠質(zhì)、瀝青質(zhì)和SPE 洗脫物的-ESI FT-ICR MS質(zhì)譜圖。負(fù)離子ESI主要檢測(cè)非堿性有機(jī)物。由圖可知，膠質(zhì)的分子量分布在150～450，瀝青質(zhì)在150～600 之間，瀝青質(zhì)較膠質(zhì)的分子量更大。SPE洗脫物由于是萃余相中的有機(jī)質(zhì)，以小分子的極性化合物為主，因此其質(zhì)量主要分布在350以前。

由圖5可知，正離子下檢測(cè)到的化合物主要有Nx、N1Ox、N2Ox、Ox和OxS1共計(jì)5 類雜原子化合物，膠質(zhì)和瀝青質(zhì)是生物出水DCM 萃取物柱分離的產(chǎn)物，DCM 萃取相的油溶性更強(qiáng)，因此其膠質(zhì)和瀝青質(zhì)中有機(jī)質(zhì)類型更加豐富。而與膠質(zhì)相比，瀝青質(zhì)中有機(jī)物組成更加復(fù)雜，極性也更大，因此除了Ox類化合物外，NxOy類多雜原子的化合物豐度更加顯著，且強(qiáng)極性的OxS1類化合物豐度也顯著提高。SPE 洗脫物是DCM 萃余相中的有機(jī)質(zhì)，其水溶性好，極性更強(qiáng)，因此以O(shè)xS1類為主。

圖5 膠質(zhì)、瀝青質(zhì)和SPE洗脫物-ESI FT-ICR MS化合物類型豐度圖

圖6為膠質(zhì)組分中O1、O2和O3S1類化合物的碳數(shù)-DBE 點(diǎn)狀圖。因?yàn)闄M坐標(biāo)為碳數(shù)，縱坐標(biāo)為DBE，所以圖中每個(gè)點(diǎn)都代表一個(gè)化合物分子式，而其點(diǎn)的大小則表示不同分子的相對(duì)豐度。通過DBE 值和對(duì)煤化工廢水分子組成的認(rèn)識(shí)，可以確定這些主要化合物分子的結(jié)構(gòu)。

圖6 膠質(zhì)中主要化合物碳數(shù)-DBE點(diǎn)狀圖

膠質(zhì)中O1類為長(zhǎng)烷基側(cè)鏈取代的苯酚類化合物，以C14豐度最顯著，O2類化合物類型豐富。DBE=1 系列為長(zhǎng)鏈脂肪酸，碳數(shù)分布為C10～C20；DBE=2 系列為烷基側(cè)鏈取代的單環(huán)烷基羧酸，碳數(shù)集中分布于C15～C20；DBE=5系列為烷基側(cè)鏈取代的單芳基羧酸，碳數(shù)集中在C15和C16；O3S1類化合物以DBE=4 系列為主，為烷基取代的苯磺酸（鹽），碳數(shù)分布集中在C15～C20。

瀝青質(zhì)有機(jī)質(zhì)組成比膠質(zhì)有機(jī)質(zhì)更加豐富，圖7 為 瀝 青 質(zhì) 中O1、O2、O3S1、O4S1和N1O2的 碳數(shù)-DBE點(diǎn)狀圖。與膠質(zhì)相同，瀝青質(zhì)O1類以DBE=4的長(zhǎng)鏈烷基苯酚系列為主，O3S1以DBE=4 的烷基取代苯磺酸（鹽）為主，它們的碳數(shù)分布范圍也一致。對(duì)于O2類化合物，瀝青質(zhì)中則主要以DBE=1的長(zhǎng)鏈脂肪酸為主，DBE=2和5的羧酸豐度則沒有膠質(zhì)中高。此外，瀝青質(zhì)中還存在豐富的OxS1和NxOy類化合物，圖中展示了豐度較高的O4S1和N1O2類化合物。O4S1類以DBE=1和4的系列為主，分別為鏈烷基硫酸酯和烷基苯硫酸酯。N1O2類化合物的DBE 分布范圍較寬，以DBE=7、10、13 和16 系列的豐度較為顯著，它們分別對(duì)應(yīng)于具有吲哚、咔唑、苯并咔唑和萘并咔唑的系列羧酸化合物（每多一個(gè)相鄰的苯環(huán)，DBE值增加3）。

圖7 瀝青質(zhì)中主要化合物碳數(shù)-DBE點(diǎn)狀圖

ESI 電離源具有負(fù)離子和正離子兩種模式，可以從不同角度表征復(fù)雜體系中的極性有機(jī)化合物，與負(fù)離子ESI 不同，正離子ESI 主要檢測(cè)堿性有機(jī)物。圖8展示了有機(jī)相膠質(zhì)、瀝青質(zhì)和SPE洗脫物的+ESI FT-ICR MS 質(zhì)譜圖。由圖可知，膠質(zhì)的分子量分布在200～700，質(zhì)量重心在300 附近。瀝青質(zhì)質(zhì)量分布在200～600 之間，分布中心在250 附近。SPE 洗脫物質(zhì)譜圖中出現(xiàn)了m/z=360 的雜質(zhì)信號(hào)干擾，這是+ESI 分析過程中常見的雜質(zhì)，由于m/z=360 的存在，目標(biāo)有機(jī)質(zhì)的信號(hào)被壓制。要進(jìn)一步分析不同組分的化合物分布特征，還需要對(duì)分析數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理。

圖8 膠質(zhì)、瀝青質(zhì)和SPE洗脫物+ESI FT-ICR MS質(zhì)譜圖

正離子ESI FT-ICR MS鑒定出的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)和SPE洗脫物中化合物相對(duì)豐度圖如圖9所示。正離子下檢測(cè)到的化合物主要有Nx、N1Ox、N2Ox、Ox和OxS1共計(jì)5 類雜原子化合物，這5 類化合物除了Nx類外，其他化合物均有對(duì)應(yīng)加Na+的分子出現(xiàn)，加Na+分子的出現(xiàn)也是正離子ESI 檢測(cè)中常見的現(xiàn)象。與負(fù)離子ESI類似，膠質(zhì)和瀝青質(zhì)中的化合物類型分布相似，且瀝青質(zhì)中的化合物更加豐富，SPE洗脫物種的化合物類型分布與膠質(zhì)和瀝青質(zhì)差別較大。具體來說，膠質(zhì)中OxS1類化合物最為豐富，其中O2S1類豐度最為顯著，Ox類豐度分布僅次于OxS1類化合物，另外還存在一定豐度的N1類化合物；瀝青質(zhì)中依然以O(shè)xS1類化合物豐度分布最為顯著，單O1S1類豐度超過O2S2類豐度而成為豐度最高的化合物類型。此外，Nx和NxOy類化合物豐度也比較顯著，且以N1類化合物豐度最高；對(duì)于SPE 洗脫物，其OxS1和Ox類化合物的分布與膠質(zhì)和瀝青質(zhì)相似，此外還含有豐度顯著的N1Ox類化合物，其中N1O1類豐度最高。

圖9 膠質(zhì)、瀝青質(zhì)和SPE洗脫物+ESI FT-ICR MS化合物類型豐度圖

3 結(jié)論

基于生物出水各組分宏觀分布和分子組成分析結(jié)果可得到以下結(jié)論。

（1）飽和分中共檢測(cè)到120種化合物，難降解有機(jī)物主要為一些分子質(zhì)量較大的正構(gòu)烷烴和鏈烷烴；芳香分中檢測(cè)到34 種化合物，主要檢測(cè)到較高含量的醇類、酯類和酚類化合物，其中酚類主要是苯酚的烷基取代物。

（2）膠質(zhì)、瀝青質(zhì)和SPE 洗脫物分別檢測(cè)到Nx、N1Ox、N2Ox、Ox和OxS15 類堿性有機(jī)物和非堿性有機(jī)物，膠質(zhì)和瀝青質(zhì)中的化合物類型分布相似，且瀝青質(zhì)中的化合物更加豐富，SPE洗脫物的化合物類型分布與膠質(zhì)和瀝青質(zhì)差別較大。根據(jù)碳數(shù)分布和DBE 值，分別得到了主要化合物分子的結(jié)構(gòu)，為后續(xù)深度處理工藝的優(yōu)化和改進(jìn)提供了理論依據(jù)。