氣相色譜法測(cè)定土壤中柴油含量

李曉森，周世坤，劉石磊

(國(guó)民核生化災(zāi)害防護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，防化研究院，北京 102205)

柴油是應(yīng)用廣泛的石油制品［1］。近年來(lái)多次發(fā)生因各類(lèi)生產(chǎn)事故和不法分子盜竊而導(dǎo)致的成品油管線破損的柴油污染事故。柴油對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境以及農(nóng)作物生長(zhǎng)破壞嚴(yán)重，有致癌毒性，能夠在食物鏈中累積進(jìn)而危害人類(lèi)健康。柴油的沸點(diǎn)介于 160～360℃之間，主要成分為 C10–C24的烴類(lèi)（包括飽和烷烴、烯烴、芳香烴及醇、胺類(lèi)化合物等）［2］，此外還含有部分硫以及氮的化合物。柴油揮發(fā)值為0.25（汽油為77.9），且其與土壤的粘附性較強(qiáng)。研究表明，在含粉粒與粘粒較高的土壤中，一個(gè)月內(nèi)柴油的自然揮發(fā)率不足3%［3］。當(dāng)土壤中的柴油含量超過(guò)100 μg／g時(shí)，即對(duì)生態(tài)環(huán)境構(gòu)成危害［3］。

基于修復(fù)原理的不同可將土壤修復(fù)技術(shù)分為物理法［4–5］、化學(xué)法［6］及生物法［7–13］三大類(lèi)?；瘜W(xué)法和物理法的修復(fù)成本在150～400美元／畝［6］，其操作設(shè)備復(fù)雜、破壞土壤結(jié)構(gòu)而影響耕作、操作不當(dāng)還會(huì)造成土壤的二次污染，如焚燒法會(huì)造成大氣污染。生物法是指利用外源（酶制劑等）或土著生物（包括微生物、動(dòng)物以及植物等）的降解能力來(lái)分解或者轉(zhuǎn)化土壤中的污染物，通過(guò)一系列細(xì)胞內(nèi)或者細(xì)胞外氧化還原反應(yīng)，將污染物最終轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水或者其它低毒無(wú)害的化合物。生物修復(fù)憑借其綠色無(wú)污染、操作簡(jiǎn)便且成本較低的優(yōu)勢(shì)，逐漸成為重點(diǎn)研究方向［14］。

目前對(duì)于柴油的定量分析主要有紫外–可見(jiàn)分光光度法［15］及氣相色譜法［16］等。氣相色譜法是基于柴油在氣相色譜柱程序升溫過(guò)程中的出峰情況，通過(guò)加入內(nèi)標(biāo)物并對(duì)色譜峰面積進(jìn)行歸一化處理后得到定量結(jié)果，能夠消除不同組分變化引起的差異。筆者利用氣相色譜法測(cè)定柴油污染土壤的生物修復(fù)過(guò)程中柴油含量的變化，以期為土壤中柴油的測(cè)定提供科學(xué)的研究方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

氣相色譜儀：Shimadzu GC–2010型，配有FID氫焰離子化檢測(cè)器，日本島津公司；

微波萃取儀：MARS–X型，微波輸出功率：0～1 600 W，美國(guó)CEM公司；

分析天平：Adventurer型，精度為0.001 g，美國(guó)奧豪斯公司；

柴油：0#純品，中關(guān)村北大街中石化加油站；正己烷：分析純，北京現(xiàn)代東方精細(xì)化學(xué)廠；丙酮：分析純，北京現(xiàn)代東方精細(xì)化學(xué)廠；

柴油標(biāo)準(zhǔn)溶液：配制正己烷–丙酮（1∶1）溶液于容量瓶中，定量稱取柴油，加入正己烷–丙酮溶液，定容至 100 mL，分別配制成 0.5，1.0，1.5，2，2.5，3 g／L柴油標(biāo)準(zhǔn)溶液系列，備用；

土壤樣品：來(lái)源于河北省某柴油污染耕地。

1.2 土壤樣品處理

土壤樣品取樣地塊曾因輸送管道破裂發(fā)生柴油泄漏，導(dǎo)致土壤被0#，20#柴油污染，后經(jīng)生物法修復(fù)，投加降解菌株進(jìn)行治理，土壤中柴油的含量得以降低。污染土壤與正常土壤的采集與保存方法參照中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY／T 1121.1–2006《土壤檢測(cè) 第1部分：土壤樣品的采集、處理和貯存》進(jìn)行。現(xiàn)場(chǎng)采樣記錄見(jiàn)表1，土壤pH及電導(dǎo)率的測(cè)定由北京農(nóng)林科學(xué)院完成。

表1 污染土壤與正常土壤的理化性質(zhì)

由表1可以看出土壤受柴油污染后pH值基本不變，但由于柴油的粘性及其對(duì)土壤顆粒的團(tuán)聚作用，導(dǎo)致電導(dǎo)率下降，影響土壤通透性，對(duì)農(nóng)作物造成破壞。

準(zhǔn)確稱取來(lái)自場(chǎng)地的正常土壤(10.0±0.1) g，分別加入0.1～0.5 g購(gòu)置的0#柴油，攪拌均勻后配制成為柴油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～5%的污染土壤，與1份正常土壤（作為基質(zhì)空白）同時(shí)進(jìn)行微波萃取，提取土壤中的柴油，稀釋到適宜濃度后利用氣相色譜法測(cè)定柴油含量，同一添加樣品重復(fù)測(cè)定5次。

利用微波萃取儀對(duì)土壤樣品進(jìn)行預(yù)處理。實(shí)驗(yàn)方法如下：

(1)準(zhǔn)確稱取2 g土壤樣品（濕重）加入微波萃取樣品罐，注意土壤樣品中不得有任何金屬顆粒；

(2)向其中加入25 mL正己烷–丙酮混合萃取劑（1∶1）；

(3)檢查確認(rèn)樣品罐密閉完好，觀察樣品罐密封膜無(wú)破損，保證樣品管外壁無(wú)水滴；

(4)將微波萃取儀測(cè)溫頭插入1號(hào)罐（指示罐），并將萃取罐按照相應(yīng)編號(hào)放置到萃取儀反應(yīng)盤(pán)上；

(5)設(shè)定微波萃取操作參數(shù)（反應(yīng)功率1 200 W，萃取時(shí)間30 min，反應(yīng)溫度120℃），進(jìn)行萃取操作；

(6)反應(yīng)結(jié)束后，待反應(yīng)室溫度降至30℃以下時(shí)，取出反應(yīng)罐。將萃取液過(guò)濾，留至氣相色譜分析用。

1.3 色譜條件

分析方法：SY／T 5779–1995 《原油全烴氣相色譜分析方法》；色譜柱：Ultra Alloy capillary column DX–30不銹鋼柱（30 m×0.53 mm）；檢測(cè)器：氫離子火焰檢測(cè)器；進(jìn)樣方式：自動(dòng)進(jìn)樣；樣品體積：1 μL；分流比：1∶5；進(jìn)樣口溫度：300℃；檢測(cè)器溫度：300℃；程序化升溫：柱箱溫度首先于40℃保持2 min，然后以15℃／min升溫至290℃，保持3 min；內(nèi)標(biāo)物：1 000 mg／L二硝基甲苯。

1.4 定量方法

樣品中加入1%的二硝基甲苯作為內(nèi)標(biāo)物。樣品測(cè)定結(jié)束后，根據(jù)柴油樣品色譜峰的全部面積ΣAi與內(nèi)標(biāo)物二硝基甲苯的色譜峰面積A之比與柴油濃度之間的線性關(guān)系制作標(biāo)準(zhǔn)曲線，進(jìn)而測(cè)定土壤樣品中的柴油含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品處理?xiàng)l件的選擇與優(yōu)化

發(fā)生柴油污染后，由于柴油的粘性，土壤樣品會(huì)出現(xiàn)部分團(tuán)聚的情況，影響樣品中柴油的萃取以及進(jìn)一步的定性及定量分析。常規(guī)的超聲萃取或振蕩萃取難以取得良好的效果。通過(guò)高功率的微波萃取，可以充分萃取得到樣品中的柴油。溶劑選擇正己烷–丙酮混合萃取劑（1∶1），對(duì)柴油中的極性及非極性組分有良好的萃取效果。微波萃取完畢后可以進(jìn)行土壤樣品的干重測(cè)量，得到樣品中的柴油含量。

2.2 色譜條件的選擇

色譜條件選擇時(shí)應(yīng)該充分兼顧樣品的極性強(qiáng)弱、相關(guān)組分的保留時(shí)間以及柱效等因素。柴油的主要組分為正構(gòu)烷烴、異構(gòu)烷烴及少量的醇、胺類(lèi)化合物。針對(duì)樣品的特性，選擇非極性毛細(xì)管柱Ultra Alloy capillary column DX–30，其固定相為非極性鍵合相，對(duì)烷烴的分離效果較好。柴油中的多個(gè)組分能夠獨(dú)立分開(kāi)，信噪比≥5，色譜峰形對(duì)稱尖銳，靈敏度高。土壤中柴油的生物降解過(guò)程主要由真菌及細(xì)菌等參與。在降解過(guò)程中由于存在不同官能團(tuán)在不同階段的變化，長(zhǎng)鏈烷烴與芳香烴的裂解效率不同，芳香烴的裂解效率要低于烷烴的降解效率。氣相色譜法的測(cè)定原理是基于柴油中所有組分的出峰情況，根據(jù)峰面積之和進(jìn)行定量，因此排除了不同組分（芳香烴與長(zhǎng)鏈烷烴）之間的差異，測(cè)定精密度較好，結(jié)果可信度高，能夠反應(yīng)土壤中柴油的真實(shí)含量。

按照1.3樣品處理方法，對(duì)柴油加標(biāo)土壤進(jìn)行微波萃取，在得到的柴油樣品中加入二硝基甲苯作為內(nèi)標(biāo)物，按照1.4色譜條件以氣相色譜法測(cè)定柴油含量。色譜圖如圖1所示。

1—二硝基甲苯（內(nèi)標(biāo)物）；2—癸烷；3—十一烷；4—癸胺；5—十二烷；6—十三醇；7—十三烷；8—十四醇；9—十四烷；10—十五胺；11—十五烷；12—十六烷；13—十七烷；14—十八烷；15—十九烷；16—二十烷；17—二十一烷；18—二十二烷圖1 1 000 mg／L柴油加標(biāo)土壤樣品氣相色譜圖

由圖1可知，溶劑為正己烷–丙酮時(shí)，柴油各組分出峰情況良好，主要組分為正構(gòu)烷烴及少量的含N，O的烷烴衍生物，內(nèi)標(biāo)物先出峰，柴油各組分出峰時(shí)間為3～13 min。

2.3 線性方程和檢出限

利用質(zhì)量濃度分別為 0.5，1，1.5，2，2.5，3 g／L的系列標(biāo)準(zhǔn)溶液所測(cè)ΣAi／A（Ai柴油各組分的色譜峰面積，A為內(nèi)標(biāo)物二硝基甲苯的色譜峰面積），對(duì)柴油的質(zhì)量濃度c（g／L）進(jìn)行線性回歸，得線性方程、線性相關(guān)系數(shù)。以3倍信噪比定義檢出限，方法的線性范圍、線性方程、相關(guān)系數(shù)和檢出限見(jiàn)表2。

表2 方法的線性范圍、線性方程、相關(guān)系數(shù)及檢出限

2.4 精密度試驗(yàn)和加標(biāo)回收試驗(yàn)

利用氣相色譜法對(duì)1.5中所述的土壤柴油加標(biāo)樣品進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 加標(biāo)回收試驗(yàn)結(jié)果 %

由表3可知，正常土壤柴油加標(biāo)回收試驗(yàn)，柴油的平均回收率為100.6%～103.6%，測(cè)定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.16%～1.42%，表明該法具有良好的精密度與準(zhǔn)確度。

2.5 土壤樣品測(cè)定結(jié)果

取樣地段曾因埋于地下的柴油管道泄漏，發(fā)生大面積耕地柴油污染事件。經(jīng)添加銅綠假單胞菌及黃胞原毛平革菌進(jìn)行生物修復(fù)治理，柴油含量得以下降，土壤污染得到治理。分別對(duì)治理后的污染土壤以及周邊未污染的正常土壤進(jìn)行采樣，經(jīng)微波萃取后，采用氣相色譜法對(duì)生物降解后的柴油含量進(jìn)行測(cè)定，正常土壤和污染土壤的色譜圖如圖2所示。

圖2 土壤樣品色譜圖

由圖2可知，正常土壤的色譜圖中無(wú)明顯色譜峰，表明土壤中不含柴油污染物；污染土壤樣品有若干柴油特征色譜峰，表明污染土壤中仍含有柴油。根據(jù)樣品所獲得的氣相色譜峰面積ΣAi／A，在標(biāo)準(zhǔn)曲線上得到柴油濃度c（g／L），再根據(jù)土壤質(zhì)量，得到污染土壤中的柴油含量為（22±4） mg／g，測(cè)定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.19%。

3 結(jié)語(yǔ)

采用氣相色譜法對(duì)土壤中的柴油進(jìn)行定量檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)表明對(duì)于針對(duì)陳舊性柴油污染及生物降解過(guò)程中柴油含量變化定量測(cè)定時(shí)，氣相色譜法能夠較好的消除官能團(tuán)的影響，定量效果較好。該方法適用于土壤中柴油含量的測(cè)定。

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