黃 碧 彤, 薛 文 平, 徐 恒 振, 馬 新 東, 張 曉 蕾

( 1.大連工業(yè)大學(xué) 輕工與化學(xué)工程學(xué)院, 遼寧 大連 116034;2.國(guó)家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心, 遼寧 大連 116023 )

0 引 言

沉積物對(duì)非離子性有機(jī)化合物的吸附主要與礦物類型和有機(jī)質(zhì)含量有關(guān),且主要由沉積物有機(jī)質(zhì)控制[1]。胡敏酸(HA)是沉積物有機(jī)質(zhì)的重要組成部分,它含有多種功能團(tuán),如羧基、酚羥基等,屬于一種可變電荷有機(jī)膠體,具有很高的反應(yīng)活性,使之成為環(huán)境中有機(jī)化合物重要的配體和聚沉劑,對(duì)化合物在環(huán)境中的遷移、轉(zhuǎn)化和生物有效性起著十分重要的調(diào)節(jié)作用[2-3]。

糞固醇普遍存在于人類及各種動(dòng)物糞便中,受糞便污染的水體,可通過檢測(cè)不同糞固醇的含量及其比值來鑒別污染的來源及程度。糞固醇具有很強(qiáng)的親脂疏水特性,排入水體中的糞固醇較易被懸浮顆粒與有機(jī)物吸附而沉降,致使沉積物有機(jī)質(zhì)中比水體中富集了更多的糞固醇[4-5]。而胡敏酸作為沉積物有機(jī)質(zhì)的主要成分,其對(duì)糞固醇的吸附起著重要作用。

以往國(guó)內(nèi)外有關(guān)糞固醇環(huán)境行為的研究中,對(duì)生活污水、糞便中糞固醇的研究較多,對(duì)于土壤和沉積物中糞固醇的環(huán)境行為研究相對(duì)較少[6-8]。本文主要研究糞固醇在胡敏酸上的吸附特性及環(huán)境因素對(duì)吸附過程的影響,為探究糞固醇在環(huán)境中分配、遷移規(guī)律提供依據(jù),進(jìn)而為糞固醇作為環(huán)境監(jiān)測(cè)指示物提供理論支撐。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 儀器與試劑

1.1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

Agilent 6890/5973N氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀,TDL-5Z離心機(jī),RE-2000旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器,SHZ-Ⅲ循環(huán)水真空泵,KQ-250DE數(shù)控超聲波清洗機(jī)器,DHG-9053A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥機(jī),DKZ-450B電熱恒溫振蕩器。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)試劑

二氯甲烷、正己烷,色譜級(jí)和分析級(jí),Tedia of USA；甲醇、氫氧化鈉、鹽酸,均為分析純,天津科密歐；無水硫酸鈉,分析純,天津科密歐,650 ℃ 下活化4 h,干燥器中保存；硅膠,層析用,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司,100～200目,550 ℃ 下馬弗爐中加熱4 h,干燥器中保存；中性氧化鋁,層析用,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司,100～200目,450 ℃下馬弗爐中加熱4 h,干燥器中保存。

1.1.3 標(biāo)準(zhǔn)溶液

糞醇(coprostanol)、糞酮(coprostanone)、24-甲基糞醇(24-methyl coprostanol)、24-乙基糞醇(24-ethyl coprostanol),純度為98%,美國(guó)Sigma公司；膽固醇(cholesterol)、二氫谷甾醇(sitostanol),純度為99%,美國(guó)Sopelco公司。

分別取6種標(biāo)準(zhǔn)品各1 mg,加入1 mL正己烷充分溶解,從中取0.3 mL溶液于10 mL容量瓶中,加入正己烷準(zhǔn)確定容于10 mL,即配成質(zhì)量濃度為30 μg/mL的6種糞固醇混合標(biāo)準(zhǔn)溶液,置于冰箱0 ℃冷藏。

1.2 胡敏酸的提取制備

本實(shí)驗(yàn)所用的沉積物樣品采自大連灣附近海域,沉積物經(jīng)室溫風(fēng)干后剔除雜物,磨碎過60目篩。取沉積物溶于0.1 mol/L氫氧化鈉溶液,間歇攪拌,離心后收集上清液,反復(fù)提取,直至上清液清亮,用50%鹽酸在pH 2.0左右分離胡敏酸沉淀。將沉淀放入恒溫干燥機(jī),在30 ℃下干燥,研磨后過80目篩備用。

1.3 糞固醇吸附液的制備

取幾種動(dòng)物(草食動(dòng)物、肉食動(dòng)物、雜食動(dòng)物)糞便15 g放入大燒杯中,加入50 mL萃取劑二氯甲烷-甲醇溶液(體積比2∶1),超聲20 min,離心,取上層溶液,反復(fù)萃取3次,混合3次所得溶液。加入100 mL氫氧化鈉-甲醇溶液(體積比5∶95)皂化,放入恒溫振蕩器中,以80 ℃振蕩2 h。將溶液置于分液漏斗中,加入150 mL水、二氯甲烷-甲醇溶液(體積比4∶1)進(jìn)行反萃取,充分振蕩搖勻后靜置,接取下層組分,用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器蒸干,溶于甲醇溶劑備用。

1.4 吸附實(shí)驗(yàn)

設(shè)置6個(gè)時(shí)間點(diǎn),分別為3、6、9、12、18、24 h,每個(gè)時(shí)間點(diǎn)設(shè)置兩個(gè)平行樣。準(zhǔn)確稱取1.00 g胡敏酸于離心管中,加入2.0 mL糞固醇吸附液和30 mL水。密封后放入25 ℃恒溫振蕩器中振蕩,每到達(dá)時(shí)間點(diǎn)取出相應(yīng)的樣品。以2 500 r/min的速率離心4 min,去除上清液。加入20 mL二氯甲烷-甲醇溶液萃取劑(體積比2∶1),用鋁箔紙封口,超聲萃取20 min,離心后將上清液轉(zhuǎn)移至雞心瓶中,旋轉(zhuǎn)蒸發(fā),濃縮至1 mL。

過層析柱除雜凈化,填柱為下層硅膠(4 g)、中層中性氧化鋁(2 g)、上層無水硫酸鈉(1 g),用正己烷活化層析柱,加入樣品,用45 mL二氯甲烷-甲醇(體積比9∶1)溶液淋洗,收集淋洗液,旋轉(zhuǎn)蒸發(fā),用正己烷置換并蒸發(fā)至近干,定容至1.0 mL,4 ℃保存,待GC/MS測(cè)定。

1.5 等溫吸附實(shí)驗(yàn)

準(zhǔn)確稱取1.00 g胡敏酸于離心管中,加入30 mL水,分別加入0.4、0.8、1.2、1.6、2.0、2.4 mL 糞固醇吸附液,每個(gè)濃度設(shè)置兩個(gè)平行樣。密封后放入25 ℃恒溫振蕩器中振蕩,24 h后取出樣品,余下實(shí)驗(yàn)方法同“1.4”。

1.6 因素影響實(shí)驗(yàn)

1.6.1 溫度因素

準(zhǔn)確稱取胡敏酸1.00 g于離心管中,加入2.0 mL 糞固醇吸附液和30 mL水。分別置于0、15、25、35、45 ℃條件下,每個(gè)溫度設(shè)置兩個(gè)平行樣。每隔4 h間歇振蕩,24 h后取出樣品,余下實(shí)驗(yàn)方法同“1.4”。

1.6.2 鹽度因素

準(zhǔn)確稱取胡敏酸1.00 g于離心管中,加入2.0 mL 糞固醇吸附液和鹽度分別為0、11、16、21、32 g/L的水30 mL,每個(gè)鹽度設(shè)置兩個(gè)平行樣。密封后放入25 ℃恒溫振蕩器中振蕩,24 h后取出樣品,余下實(shí)驗(yàn)方法同“1.4”。

1.6.3 pH因素

準(zhǔn)確稱取胡敏酸1.00 g于離心管中,加入2.0 mL糞固醇吸附液和pH分別為2.17、5.04、7.25、10.22、12.7的水30 mL,每個(gè)pH設(shè)置兩個(gè)平行樣。密封后放入25 ℃恒溫振蕩器中振蕩,24 h 后取出樣品,余下實(shí)驗(yàn)方法同“1.4”。

1.7 儀器參數(shù)

Agilent 6890/5973N氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀配備色譜柱,HP-5 ms,30 m×0.25 mm×0.25 μm；載氣,高純氦氣；體積流量,1 mL/min；進(jìn)樣口溫度,260 ℃；進(jìn)樣方式,無分流進(jìn)樣；進(jìn)樣量,1 μL；程序升溫:起始溫度為60 ℃,以15 ℃/min速率升至250 ℃,以1 ℃/min速率升至280 ℃,以5 ℃/min速率升至300 ℃,保持10 min[9]。離子源,EI源；接口溫度,280 °C。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸附平衡時(shí)間的確定

不同吸附時(shí)間胡敏酸吸附糞固醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1。胡敏酸對(duì)6種糞固醇的吸附率如圖1所示。由表1和圖1可以看出,胡敏酸對(duì)糞固醇的吸附規(guī)律基本一致,經(jīng)歷了快速吸附、減速吸附和平衡吸附3個(gè)階段。在0～12 h吸附量隨時(shí)間快速增加,吸附速率較快；12～20 h吸附量增加緩慢；20 h后吸附量基本不隨時(shí)間增加,吸附達(dá)到平衡?？紤]吸附需要一定的穩(wěn)定時(shí)間,統(tǒng)一采用24 h作為胡敏酸吸附糞固醇的吸附平衡時(shí)間。

表1 糞固醇在胡敏酸上的吸附質(zhì)量分?jǐn)?shù)和初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖1 胡敏酸對(duì)6種糞固醇的吸附率

2.2 吸附等溫曲線

用線性吸附模型、Freundlich吸附模型的對(duì)數(shù)式、Langmuir吸附模型分別對(duì)胡敏酸吸附糞固醇的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,3種模型方程式[10]如下:

qe=KDCw+a

lgqe=lgKF+nlgCw

1/qe=1/(KLQmCw)+1/Qm

式中,KD為平衡分配系數(shù)；Cw為上清液中糞固醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù),μg/g；a為常數(shù)。KF和n為Freundlich模型中的常數(shù),與吸附容量和吸附強(qiáng)度有關(guān),通常n=1,表示為線性分配等溫線；n<1,表示為非線性等溫線；n值越小表示等溫線的非線性越大[11]。KL為表征吸附表面強(qiáng)度的常數(shù),與吸附健合能有關(guān)；Qm為最大吸附量,μg/g。擬合結(jié)果見表2。

表2 糞固醇在胡敏酸上吸附的3種吸附等溫線擬合參數(shù)

由表2可以看出,糞醇和二氫谷甾醇的吸附過程用Freundlich方程擬合效果較好,相關(guān)系數(shù)R2分別為0.945 8和0.988 7；糞酮的吸附過程用Langumir方程擬合的結(jié)果較好,相關(guān)系數(shù)R2為0.994 8；其余3種糞固醇用線性方程擬合結(jié)果較好。6種糞固醇的Freundlich模型的擬合結(jié)果中n<1,說明6種糞固醇的吸附過程均是非線性的,并且膽固醇的n值最小,即膽固醇在胡敏酸上的吸附比其他5種糞固醇表現(xiàn)出較強(qiáng)的非線性,這是可能由于膽固醇的疏水性更強(qiáng)所導(dǎo)致的。

2.3 因素影響實(shí)驗(yàn)

2.3.1 溫 度

考察了0、15、25、35、45 ℃時(shí)胡敏酸對(duì)6種糞固醇的吸附規(guī)律,如圖2所示。由圖2可見,胡敏酸對(duì)糞固醇吸附的分配系數(shù)Kd隨溫度升高而降低,表明此反應(yīng)與大多數(shù)吸附反應(yīng)一致,是放熱反應(yīng)。應(yīng)用Gibbs方程計(jì)算各熱力學(xué)函數(shù):

ΔG=-RTlnK

ΔG=ΔH-TΔS

lnK=-ΔH/RT+ΔS/R

式中,ΔG為吸附的標(biāo)準(zhǔn)自由能改變量,kJ/mol；ΔH為標(biāo)準(zhǔn)吸附熱,kJ/mol；ΔS為吸附的標(biāo)準(zhǔn)熵變量,J/(mol·K)；R為氣體摩爾常數(shù),J/(mol·K)；T為絕對(duì)溫度,K；K為平衡吸附系數(shù)。各參數(shù)見表3。

圖2 溫度對(duì)Kd的影響

表3 糞固醇在胡敏酸上吸附的熱力學(xué)參數(shù)

由表3可知,ΔG<0,說明該吸附反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行,隨溫度的升高,吸附自由能絕對(duì)值減小,因此低溫更有利于吸附；ΔH<0,說明該吸附反應(yīng)是一個(gè)放熱過程,這與前面的結(jié)果相一致；ΔS<0,說明吸附反應(yīng)是熵減少的過程。從表3中可以看出,二氫谷甾醇的ΔG在不同溫度條件下均比其他5種糞固醇的值低,說明胡敏酸對(duì)二氫谷甾醇吸附的自發(fā)性較高；而膽固醇和24-甲基糞醇的ΔH與ΔS均比其他4種糞固醇的值高,說明胡敏酸對(duì)二者吸附需要的熱能少且熵增值大,即意味著胡敏酸對(duì)二者的吸附力小,活動(dòng)性大,不易吸附。

2.3.2 鹽 度

考察了鹽度分別為0、11、16、21、32 g/L時(shí)胡敏酸對(duì)6種糞固醇的吸附規(guī)律,結(jié)果見圖3。

圖3 鹽度對(duì)Kd的影響

由圖3可以看出,隨著鹽度的增大,胡敏酸吸附糞固醇的Kd增加,胡敏酸吸附糞酮的Kd變化較為明顯,鹽度由0上升到32 g/L的過程中,Kd增大了88.38%；而其他糞固醇Kd的增大范圍為14.38%～58.02%。

2.3.3 pH

考察了pH分別為2.17、5.04、7.25、10.22、12.7時(shí)胡敏酸對(duì)6種糞固醇的吸附規(guī)律,結(jié)果如圖4所示。

圖4 pH對(duì)Kd的影響

由圖4可以看出,pH對(duì)胡敏酸吸附糞固醇的Kd影響基本一致。當(dāng)pH為7.25時(shí),Kd達(dá)到最大；pH小于7.25時(shí),Kd隨著pH的增大而增加；pH大于7.25時(shí),Kd隨著pH的增大而減少。原因是胡敏酸為溶于堿而不溶于酸的物質(zhì)[12],當(dāng)反應(yīng)條件趨向堿性環(huán)境時(shí),部分胡敏酸溶解而導(dǎo)致吸附減小,Kd降低。

3 結(jié) 論

胡敏酸對(duì)糞固醇的吸附經(jīng)歷了快速吸附、減速吸附和平衡吸附3個(gè)階段,以24 h作為胡敏酸吸附糞固醇的吸附平衡時(shí)間。用Freundlich方程擬合糞醇和二氫谷甾醇在胡敏酸上的吸附過程,糞酮的吸附過程用Langumir方程擬合的結(jié)果較好,其余3種糞固醇用線性方程擬合,6種糞固醇的吸附過程均是非線性的。胡敏酸對(duì)糞固醇吸附的分配系數(shù)隨溫度升高而降低,吸附反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行,是一個(gè)放熱且熵減少的過程。胡敏酸對(duì)糞固醇吸附的分配系數(shù)隨著鹽度的增大而增加,當(dāng)pH為7.25時(shí)胡敏酸吸附糞固醇的Kd達(dá)到最大。

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