謝益東,邵 科,季海冰,余 磊,方婷軒,劉勁松
1.浙江省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,浙江 杭州 310012 2.杭州市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,浙江 杭州 310007
有機(jī)鹵代物種類豐富,用途廣泛。一些常見(jiàn)的農(nóng)藥、阻燃劑、化學(xué)溶劑、醫(yī)藥中間體等均為有機(jī)鹵代物,其在人類的生產(chǎn)生活中發(fā)揮著重要的作用[1]。但是,大多數(shù)有機(jī)鹵代物親脂疏水,難以降解,是持久性有機(jī)污染物(POPs),并且會(huì)隨食物鏈在生態(tài)系統(tǒng)中富集;部分有機(jī)鹵代物致癌、致畸、致突變,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)傷害極大[2]。因此,對(duì)環(huán)境中的有機(jī)鹵代物進(jìn)行監(jiān)控很有必要。然而,由于有機(jī)鹵代物種類與數(shù)量龐大且發(fā)展迅速,不可能實(shí)現(xiàn)對(duì)每一種鹵代物的單獨(dú)監(jiān)測(cè)。自1976年海德堡會(huì)議上,可吸附有機(jī)鹵素(AOX)首次以一個(gè)表征環(huán)境水體中有機(jī)鹵代物總體水平的綜合性指標(biāo)被提出以來(lái),各國(guó)管理部門以及研究學(xué)者對(duì)其高度重視,并將其迅速應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,據(jù)統(tǒng)計(jì)AOX已經(jīng)作為重要指標(biāo)出現(xiàn)在超過(guò)800篇文獻(xiàn)中[3-4]。
AOX 類物質(zhì)的測(cè)試方法有微庫(kù)侖滴定法、離子色譜法、氣相色譜質(zhì)譜法等。其中微庫(kù)侖法被認(rèn)為是最成熟的方法,被廣泛應(yīng)用于紡織廢水、造紙廢水、生活污水、江河水中AOX 含量的測(cè)定[5]。由于AOX的前處理富集方式不同,微庫(kù)侖法前處理又分為雙柱法、振蕩法等。不同的標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)兩者的使用規(guī)定稍有不同,《水質(zhì) 可吸附有機(jī)鹵素(AOX)的測(cè)定 微庫(kù)侖法》(GB/T 15959—1995)規(guī)定兩者任選其一;《Water Quality-Determination of Adsorbable Organically Bound Halogens (AOX)》(ISO 9562—2004)規(guī)定當(dāng)無(wú)機(jī)氯離子濃度為500~1 000 mg/L時(shí)推薦使用雙柱法,可減小無(wú)機(jī)氯離子帶來(lái)的正誤差,其余情況未做規(guī)定。無(wú)論是雙柱法還是振蕩法,富集過(guò)程中活性炭對(duì)AOX的吸附效果都是影響AOX含量準(zhǔn)確測(cè)定的關(guān)鍵因素。一般來(lái)說(shuō),影響活性炭吸附AOX效果的因素很多,除活性炭本身的性質(zhì)(如類別、比表面積、官能團(tuán)類型等)以外,水體中共存有機(jī)物也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生重要影響[6-7]。由于環(huán)境水樣中有機(jī)物種類繁多,成分各異,想單獨(dú)考察每種有機(jī)物對(duì)活性炭吸附AOX的影響是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的,但是研究溶解性有機(jī)碳(DOC,評(píng)價(jià)水質(zhì)有機(jī)污染的指標(biāo),常用來(lái)表示水體中有機(jī)物的總量)對(duì)AOX測(cè)定的影響卻能將這種共存有機(jī)物的影響從宏觀上體現(xiàn)出來(lái)。因此在標(biāo)準(zhǔn)方法中對(duì)DOC的濃度有明確要求?!端|(zhì) 可吸附有機(jī)鹵素(AOX)的測(cè)定 微庫(kù)侖法》(GB/T 15959—1995)中規(guī)定水樣DOC>10 mg/L時(shí)必須稀釋后進(jìn)樣,《Water Quality-Determination of Adsorbable Organically Bound Halogens (AOX)》(ISO 9562—2004)則規(guī)定DOC>100 mg/L時(shí)必須對(duì)樣品進(jìn)行稀釋。2種方法對(duì)限值要求不一致,對(duì)限值的來(lái)源及確定均未給出明確的解釋,而且目前也鮮見(jiàn)關(guān)于DOC影響AOX測(cè)定的文獻(xiàn)報(bào)道。為了系統(tǒng)研究DOC對(duì)AOX測(cè)定的影響,筆者以不同濃度的鄰苯二甲酸氫鉀溶液作為DOC基體,以對(duì)氯苯酚(4-CP)或?qū)︿灞椒?4-BP)作為基體加標(biāo)物,探討DOC對(duì)AOX測(cè)定影響的程度,并分析討論其影響機(jī)理,提出消除干擾的方法,以及在實(shí)際分析工作中使用的限值。
IDC multi X 2500總有機(jī)鹵素分析儀、multi N/C 3100總有機(jī)碳分析儀、AFU-3壓濾機(jī)、APU-SIM抽濾機(jī)(德國(guó)Analytikjena AG公司),振蕩法石英樣品管(18 mm×8 mm),雙柱法石英樣品管(18 mm×6 mm,預(yù)填充50 mg活性炭),分析天平(賽多利斯)、恒溫?fù)u床等。
DOC儲(chǔ)備液:鄰苯二甲酸氫鉀(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司,GR),使用前配制至2 000 mg/L;AOX標(biāo)準(zhǔn)溶液:對(duì)氯苯酚(4-CP,麥克林,99.7%)或?qū)︿灞椒?4-BP,Sigma,99%),使用前配制成20 mg/L;活性炭(碘值小于1 050,氯空白值小于15 μg/g,粒徑為50~150 μm),鹽酸(0.01 mol/L),硝酸(GR),硝酸鈉儲(chǔ)備液(0.2 mol/L),硝酸鈉洗脫液(0.01 mol/L),濃硫酸,高純氧氣,乙酸,明膠,麝香草酚,百里酚藍(lán),甲醇和超純水(Millipore)等。
1.2.1 水樣采集與保存
選取某城市污水處理廠及某印染廠2家AOX典型排污企業(yè)調(diào)節(jié)池生產(chǎn)廢水進(jìn)行實(shí)際樣品分析。廢水樣品的采集和保存參考《地表水和污水監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 91—2002)和《水質(zhì)采樣 樣品的保存和管理技術(shù)規(guī)定》(HJ 493—2009)。采用棕色4 L玻璃瓶,采樣后加入40 mL 1.0 mol/L亞硫酸鈉溶液去除活性氯,再加入濃硝酸使pH<2。玻璃瓶中灌滿水樣,上不留空。采樣后0 ~4 ℃保存運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室分析。
1.2.2 樣品前處理與分析
1.2.2.1 水樣DOC測(cè)定
將采集的實(shí)際水樣經(jīng)0.45 μm濾膜過(guò)濾后,按照《水質(zhì) 總有機(jī)碳的測(cè)定 燃燒氧化-非分散紅外吸收法》(HJ 501—2009)對(duì)DOC進(jìn)行測(cè)定。
1.2.2.2 水樣中AOX的測(cè)定
取一定量的實(shí)際水樣,按照《水質(zhì) 可吸附有機(jī)鹵素(AOX)的測(cè)定 微庫(kù)侖法》(GB/T 15959—1995)分別采用雙柱法和振蕩法對(duì)樣品進(jìn)行前處理后測(cè)試分析,總有機(jī)鹵素分析儀燃燒管溫度設(shè)定為950 ℃,載氣O2壓力為0.3 MPa。具體前處理方法如下:
雙柱法:取100 mL樣品,加入5 mL硝酸鈉儲(chǔ)備液,使水樣在3 mL/min的流速下通過(guò)2個(gè)串聯(lián)的活性炭石英小柱,并用25 mL硝酸鈉洗脫液洗脫樣品中的無(wú)機(jī)鹵化物。將2個(gè)石英小柱取出,分別進(jìn)樣分析,并將柱1和柱2結(jié)果加和得到樣品總測(cè)定結(jié)果。
振蕩法:取100 mL樣品至250 mL錐形瓶中,加入5 mL硝酸鈉儲(chǔ)備液和50 mg活性炭,25 ℃恒溫振蕩1 h后通過(guò)AFU-3壓濾,并用25 mL硝酸鈉洗脫液洗脫樣品中的無(wú)機(jī)鹵化物。洗脫完畢后取出石英小柱,在樣品管上端塞入陶瓷棉,儀器進(jìn)樣分析。
1.2.2.3 DOC對(duì)AOX影響測(cè)定
根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,鄰苯二甲酸氫鉀因水溶性好,性質(zhì)穩(wěn)定,在DOC測(cè)試過(guò)程中常用作基體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)[8],或在實(shí)際樣品中DOC濃度較低時(shí),用作DOC的基體模擬物[9]。該物質(zhì)本身不含鹵素,也不會(huì)對(duì)AOX的濃度產(chǎn)生干擾,因此該研究選擇鄰苯二甲酸氫鉀作為DOC的基體物質(zhì)。根據(jù)需要,取一定量的實(shí)際水樣或者空白水樣,添加不同體積的鄰苯二甲酸氫鉀儲(chǔ)備液及一定濃度的對(duì)氯苯酚(或?qū)︿灞椒?AOX標(biāo)準(zhǔn)溶液,純水定容,得到不同DOC濃度的空白加標(biāo)樣品或基體加標(biāo)實(shí)際樣品。再分別使用雙柱法和振蕩法進(jìn)行樣品前處理,儀器分析后,得到不同樣品的AOX加標(biāo)回收率,根據(jù)回收效果判斷DOC對(duì)AOX的測(cè)定影響。
雙柱法和振蕩法是AOX測(cè)定最常見(jiàn)的2種前處理方式,雙柱法適用于比較干凈的水樣,具有更好的穩(wěn)定性和重復(fù)性;振蕩法可同時(shí)處理大批量樣品,提高分析效率,保證樣品分析在有效期內(nèi)完成。盡管兩者的目的均為用活性炭吸附有機(jī)鹵化物并盡量去除無(wú)機(jī)鹵素離子的干擾,但由于兩者所使用的樣品柱數(shù)量、活性炭質(zhì)量、樣品過(guò)濾方式均存在差異,DOC對(duì)2種前處理方式的影響也可能存在差異。
DOC對(duì)雙柱法測(cè)定AOX(4-CP)回收率的影響如表1所示。由表1可知,隨著DOC濃度的增大,AOX回收率在低、中、高加標(biāo)量的情況下均未發(fā)生明顯變化,加標(biāo)回收率集中在94.0%~104%。雖然加標(biāo)回收率差異不大,但是AOX在2個(gè)小柱之間的濃度分配卻發(fā)生了明顯的變化。DOC濃度為1 000 mg/L,加標(biāo)量大于10 μg,以及DOC濃度超過(guò)500 mg/L,加標(biāo)量大于30 μg時(shí),柱2的濃度均超出了柱1濃度的10%(柱2/柱1),表明已經(jīng)超出柱1的吸附能力,即柱1已經(jīng)被穿透[10]。
表1 不同DOC濃度條件下雙柱法測(cè)定AOX回收率Table 1 The recovery of AOX under different DOC concentration by column method
DOC對(duì)振蕩法測(cè)定AOX(4-CP)回收率的影響如表2所示。由表2可知,采用振蕩法測(cè)試,當(dāng)DOC濃度低于100 mg/L時(shí),加標(biāo)回收率受到的影響較小,不同加標(biāo)量的回收率測(cè)定結(jié)果為92.0%~104%。當(dāng)DOC濃度大于100 mg/L時(shí),加標(biāo)回收率發(fā)生明顯降低,且加標(biāo)量越大,下降越顯著。
表2 不同DOC濃度條件下振蕩法測(cè)定AOX回收率Table 2 The recovery of AOX under different DOC concentration by batch method
對(duì)比表1和表2可見(jiàn),雙柱法測(cè)定AOX受DOC影響較小,各實(shí)驗(yàn)條件下AOX回收率偏差均未超過(guò)10%,因此,在使用雙柱法時(shí),DOC的影響可以不予考慮。振蕩法受DOC影響顯著,加標(biāo)回收率隨DOC濃度的升高逐步降低。振蕩法DOC濃度小于100 mg/L時(shí),各實(shí)驗(yàn)條件下的AOX回收率偏差均未超過(guò)10%,影響較小;DOC濃度大于100 mg/L時(shí),偏差超出10%。因此,將100 mg/L作為DOC對(duì)AOX測(cè)定具有影響的限值更為合理。
該實(shí)驗(yàn)雙柱法和振蕩法所使用的分析條件相同,但在相同DOC濃度條件下(特別是AOX濃度較高時(shí)),振蕩法測(cè)定的回收率遠(yuǎn)低于雙柱法,表明在此實(shí)驗(yàn)條件下振蕩法中活性炭對(duì)AOX吸附效率遠(yuǎn)低于雙柱法。為弄清原因,筆者從活性炭的吸附速率和吸附容量2個(gè)角度考察振蕩法中DOC的影響。
表3為DOC濃度為500、1 000 mg/L時(shí),延長(zhǎng)振蕩法反應(yīng)時(shí)間得到的測(cè)定結(jié)果。由表3可知,振蕩時(shí)間為1、12 h時(shí),加標(biāo)回收率變化未超過(guò)10%,說(shuō)明1 h振蕩時(shí)間已經(jīng)達(dá)到吸附與解析平衡。DOC沒(méi)有明顯影響活性炭的吸附速率,即吸附速率不是導(dǎo)致AOX回收率下降的主要原因。
表3 不同振蕩時(shí)間AOX回收率Table 3 The recovery of AOX in different shaking time
圖1為DOC濃度為1 000 mg/L,AOX加標(biāo)量為40 μg,使用振蕩法在改變活性炭用量條件下測(cè)得的加標(biāo)回收率值。
圖1 不同質(zhì)量的活性炭對(duì)AOX回收率的影響Fig.1 The recovery of AOX with differentquality activated carbon
由圖1可知,隨著活性炭質(zhì)量的增加,AOX的回收率顯著上升,當(dāng)活性炭用量從10 mg增加到100 mg時(shí),加標(biāo)回收率從31%上升到87%。實(shí)際上,在飲用水和廢水的各種深度處理技術(shù)中,活性炭吸附是最成熟有效的方法之一,被譽(yù)為從水中去除多種有機(jī)物的“最佳實(shí)用技術(shù)”[11],即活性炭在吸附AOX的同時(shí),也會(huì)對(duì)其他有機(jī)物進(jìn)行吸附。研究表明廢水中AOX的吸附符合Langmuir吸附等溫模型[12]。根據(jù)Langmuir吸附理論,每一個(gè)吸附位點(diǎn)只能吸附一個(gè)吸附質(zhì)分子,吸附是單分子層。DOC基體和AOX在活性炭表面競(jìng)爭(zhēng)吸附。當(dāng)活性炭總量一定,即吸附容量不變的情況下,DOC濃度遠(yuǎn)高于AOX的濃度時(shí),DOC占據(jù)了活性炭表面的有效吸附位點(diǎn),導(dǎo)致AOX有效吸附位點(diǎn)不足,吸附效率下降。因此,DOC的競(jìng)爭(zhēng)造成活性炭對(duì)AOX的吸附容量下降是導(dǎo)致AOX回收率下降的主要原因。在活性炭用量為100 mg時(shí),與雙柱法中2個(gè)石英小柱的活性炭總量基本相同,振蕩法的回收率為87%,仍低于雙柱法(104%)。這可能是由于與振蕩法相比,雙柱法過(guò)濾速率可控,且沒(méi)有轉(zhuǎn)移等步驟帶來(lái)的損失,吸附效率較高,這也與胡雄星等[13]的研究結(jié)果一致。值得注意的是由于活性炭本身也有一定量的AOX,若采用增加活性炭的方法消除干擾,需要在實(shí)際分析時(shí)取用等量的活性炭做全程序空白加以扣除,而且受樣品小柱容量的限制,不能無(wú)限增加活性炭的用量。因此盡管增加活性炭用量可以在一定程度上減小DOC對(duì)AOX測(cè)定的影響,但基于實(shí)際效果和可操作性方面考慮,不是最優(yōu)選擇。
表2中,DOC濃度為1 000 mg/L,加標(biāo)量為40 μg時(shí),加標(biāo)回收率為72.1%;DOC濃度為100 mg/L,加標(biāo)量為5 μg時(shí),加標(biāo)回收率為96.6%,相當(dāng)于稀釋10倍后加標(biāo)回收率從72.1%上升到96.6%,由此可知對(duì)樣品進(jìn)行稀釋是振蕩法測(cè)定AOX時(shí)減小DOC影響的有效方式。這主要是因?yàn)樵诨钚蕴靠偭恳欢ǖ那闆r下,活性炭的吸附容量未變,而將樣品稀釋后,AOX以及與AOX競(jìng)爭(zhēng)吸附的DOC基體減少了,使得活性炭對(duì)AOX的吸附更加完全,提高了加標(biāo)回收率。
因此,DOC對(duì)AOX測(cè)定的影響,主要是由高濃度DOC基體的競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致活性炭對(duì)AOX吸附容量的下降引起的。雙柱法由于有2個(gè)吸附柱串聯(lián),吸附容量是振蕩法的2倍,因此雙柱法受到DOC影響較小,在該實(shí)驗(yàn)條件下,僅改變了AOX在2個(gè)吸附小柱之間的分配,總加標(biāo)回收率變化不大。振蕩法中由于活性炭吸附容量相對(duì)較小,DOC對(duì)AOX影響相對(duì)較大。
在有機(jī)鹵代物中,有機(jī)溴與人類的聯(lián)系非常緊密。飲用水消毒副產(chǎn)物、醫(yī)療廢水、印染紡織、醫(yī)藥造紙等領(lǐng)域都有有機(jī)溴的身影。研究表明,溴代有機(jī)消毒副產(chǎn)物(Br-DBPs)比常規(guī)氯代消毒副產(chǎn)物(Cl-DBPs)的毒性高幾十到幾百倍,會(huì)對(duì)人類健康造成更大的威脅[14]。由于有機(jī)氯代物與有機(jī)溴代物理化性質(zhì)存在差異,DOC對(duì)它們的影響也可能存在差別。圖2為不同DOC濃度條件下振蕩法測(cè)定有機(jī)氯與有機(jī)溴的回收率情況。
圖2 不同DOC濃度條件下振蕩法測(cè)定AOX的回收率Fig.2 The recovery of AOX by batch methodunder different DOC concentration
由圖2可知,隨著DOC濃度的增大,有機(jī)氯的回收率逐步下降。DOC濃度未超過(guò)150 mg/L時(shí),有機(jī)氯的加標(biāo)回收率集中在99%~90%,DOC超過(guò)150 mg/L,回收率下降明顯,當(dāng)DOC濃度達(dá)到1 000 mg/L時(shí),回收率只有72%。相對(duì)而言,有機(jī)溴變化程度較小,DOC濃度未超過(guò)500 mg/L時(shí),回收率集中在80%~86%,DOC濃度達(dá)到1 000 mg/L時(shí),回收率才降低到73%,表明有機(jī)氯更容易受到DOC的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明,相同實(shí)驗(yàn)條件下,振蕩法測(cè)定有機(jī)溴的回收率低于有機(jī)氯,這可能是由于有機(jī)溴化物在燃燒過(guò)程中分別分解成元素溴或溴的高價(jià)態(tài)氧化物,這部分AOX不能被檢出,導(dǎo)致測(cè)定結(jié)果偏低[15]。
為檢驗(yàn)實(shí)際水樣中DOC對(duì)AOX測(cè)定的影響,選用城市污水處理廠和印染廠調(diào)節(jié)池生產(chǎn)廢水作為典型實(shí)際樣品進(jìn)行研究。按照前文方法,污水處理廠廢水與印染廠處理廢水中DOC含量分別為67.0、609 mg/L,AOX含量分別為0.06、1.32 mg/L。
由于印染廠調(diào)節(jié)池生產(chǎn)廢水AOX濃度相對(duì)較高,且顏色較深,基體復(fù)雜,分別取5、25 mL印染廠廢水樣品,定容至100 mL,再分別采用雙柱法和振蕩法進(jìn)行樣品前處理后測(cè)試AOX含量,探討DOC對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響,測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知,當(dāng)印染廠調(diào)節(jié)池廢水樣品取樣量為25 mL,DOC濃度為152 mg/L時(shí),經(jīng)振蕩法處理后AOX檢測(cè)濃度僅為取樣量5 mL時(shí)的69.8%,經(jīng)雙柱法前處理則為90.9%,但柱2/柱1由4.5%上升到43.8%,說(shuō)明隨著DOC濃度上升,振蕩法測(cè)定結(jié)果顯著下降,雙柱法受到DOC影響較小,但柱1的穿透現(xiàn)象加劇。
分別另取50 mL 污水廠廢水樣品,加入不同體積的DOC儲(chǔ)備液及30 μg對(duì)氯苯酚標(biāo)準(zhǔn)溶液,并定容到100 mL,再分別采用雙柱法和振蕩法對(duì)上述樣品進(jìn)行前處理,測(cè)定不同DOC濃度下不同基體加標(biāo)樣品的AOX濃度,計(jì)算加標(biāo)回收率,探討不同DOC濃度下實(shí)際樣品基體加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)效果,測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知,污水廠調(diào)節(jié)池廢水樣品經(jīng)振蕩法前處理后測(cè)得的DOC基體濃度為100 mg/L時(shí)的加標(biāo)回收率與未加DOC基體(DOC為34 mg/L)時(shí)測(cè)得的回收率變化不大,分別為90.6%和88.8%,當(dāng)DOC基體濃度進(jìn)一步升高到800 mg/L時(shí),加標(biāo)回收率降至78.4%;雙柱法在3種基體濃度下回收率集中在99.6%~105%,但隨著DOC濃度增大,柱2/柱1的穿透則由0.88%上升到28.6%。
表4 實(shí)際水樣測(cè)試結(jié)果Table 4 Test results of actual water samples
綜上所述,實(shí)際樣品測(cè)試結(jié)果與模擬樣品測(cè)試結(jié)果基本類似,隨著DOC濃度的增大,雙柱法前處理模式受到DOC影響較小,但AOX在柱2中的比例顯著增加時(shí),柱1的穿透現(xiàn)象加?。徽袷幏ㄇ疤幚砟J皆贒OC濃度高于100 mg/L時(shí),AOX的測(cè)定受到DOC影響較大,測(cè)定結(jié)果及加標(biāo)回收率均顯著下降。
該研究從前處理方式、吸附速率、吸附容量和不同模式化合物等角度,系統(tǒng)考察了DOC對(duì)微庫(kù)侖法測(cè)定水樣中AOX的影響。研究表明,高濃度DOC基體的吸附競(jìng)爭(zhēng)會(huì)導(dǎo)致活性炭的AOX吸附容量下降。在DOC濃度小于1 000 mg/L時(shí)雙柱法前處理模式受DOC影響較小,AOX加標(biāo)回收率集中在94.0%~104%。在DOC濃度小于100 mg/L時(shí),振蕩法前處理模式受DOC影響較小,AOX回收率集中在92.0%~104%,但隨著DOC濃度的升高,加標(biāo)回收率顯著降低。雖然增大活性炭用量可在一定程度上減小DOC對(duì)AOX測(cè)定的影響,但合理稀釋樣品是最簡(jiǎn)單高效的辦法。不同種類的有機(jī)鹵代物測(cè)定受到DOC的影響不同,有機(jī)溴受DOC影響程度小于有機(jī)氯。
中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)2022年3期