气相色谱法快速测定环境水中叔丁醇的含量

胡宇锋 ,邓建军 ,王文倩 ,金敏瑛 ,唐佳伟,3 ,张春晖∗ ,彭 悦,刘奥玲

(1.中国矿业大学(北京),北京 100083;2.邯郸钢铁集团有限责任公司,邯郸 056015;3.国家能源投资集团煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室,北京 102211)

叔丁醇又被称为三甲基甲醇或2-甲基-2-丙醇,是一种沸点为82.42 ℃的弱极性小分子有机物[1]。叔丁醇能以任意比例与水混溶[2],且能溶解于多种有机溶剂中,广泛应用于农药以及精细化学品生产等工业领域[3]。作为工业材料,叔丁醇多来源于石化工业中醚类物质的降解[4],所以在石油化工废水中能检测到叔丁醇的存在[5]。因叔丁醇结构稳定,其空间阻碍效应使水中生物需氧量(BOD)接近于零,导致废水的生化和化学降解成为难以解决的问题[6-7]。同时由于叔丁醇沸点较低,水中的叔丁醇易扩散到空气环境中,对人体的眼睛、皮肤、黏膜和呼吸道产生刺激和毒害[8]。然而,我国目前还未发布有关叔丁醇的卫生标准。因此,对环境水中叔丁醇的检测及去除展开研究尤为重要。

目前,环境水中有机物的检测方法主要有气相色谱法[9-10]和气相色谱-质谱联用法[11-12]。但这些方法多是对卤代烃、腈、苯类和醛类物质的测定,对水溶性极好的醇类物质的检测方法研究较少。文献[8]采用气相色谱法对工作场所空气中叔丁醇进行了分离和检测,标准曲线相关系数为0.999 9,检出限为3.1 mg·L-1;文献[13]利用活性炭管采集结合气相色谱法对作业场所空气中叔丁醇等4种醇类进行了检测,结果4 种醇类的质量浓度在5.0～5 300 mg·L-1内与其对应的峰面积呈线性关系,检出限为1.5～1.6 mg·L-1,可为制定作业场所空气中叔丁醇等醇类物质的卫生标准提供方法依据。然而对环境水中叔丁醇的检测目前国内外鲜有研究。因此,建立一种环境水中叔丁醇含量的检测方法,对进一步研究水中叔丁醇的去除以及关于叔丁醇卫生标准的建立具有重要的现实意义。

基于此,本工作选用气相色谱仪为检测仪器,采用单一变量法对萃取剂、色谱柱、升温速率、载气流量等色谱条件进行选择,确立最优的检测条件。之后,以峰面积外标法对叔丁醇定量,建立低浓度叔丁醇的标准曲线,通过质量控制确保检测结果的精确度和检出限,以期建立一种成本较低、操作简单、快速的环境水中叔丁醇检测方法。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

GC-2010 Plus型气相色谱仪,配氢火焰离子化检测器(FID);SF-TGL-21A 型超速离心机;SHA-C型恒温振荡器;KQ5200B 型超声波清洗仪;DZG-6090型真空干燥箱。

叔丁醇标准储备溶液:移取一定量的叔丁醇,用二氯甲烷配制成质量浓度为800μg·L-1的标准储备溶液,密封并低温冷藏保存,试验中以二氯甲烷为溶剂配制成所需质量浓度。

叔丁醇为色谱纯(纯度大于99%);正己烷、二氯甲烷均为优级纯(纯度大于99%);试验用水为二次蒸馏水。

1.2 仪器工作条件

Rtx-Wax色谱柱(30 m×0.25 mm,0.25μm);载气为高纯氮气,载气流量15 mL·min-1;汽化温度180 ℃,检测器温度250 ℃;进样体积0.5μL;分流进样,分流比为30∶1;柱升温程序:初始温度30 ℃,保持5 min,然后以5 ℃·min-1速率升温至100 ℃,保持10 min。

1.3 试验方法

取废水水样10 mL,加入5 mL 二氯甲烷进行萃取,在摇床上振荡1 h,以转速10 000 r·min-1离心5 min,重复萃取2次,取有机层液体进入气相色谱仪分析,按仪器工作条件进行测定,以保留时间定性,峰面积定量。

采用外标标准曲线法对样品中的叔丁醇进行定量分析,按公式(1)计算样品中所含叔丁醇的质量浓度:

式中:ρ样品为样品溶液中所含叔丁醇的质量浓度,μg·L-1;A样品为样品溶液中所含叔丁醇的相应峰面积;ρ对照品为对照品溶液中所含叔丁醇的质量浓度,μg·L-1;A对照品为对照品溶液中所含叔丁醇的相应峰面积。

2 结果与讨论

2.1 萃取剂选择

叔丁醇的沸点为82.42 ℃,极性为3.4,属弱极性化合物。查阅文献后发现,正己烷是一种常用的萃取剂[14],对非极性化合物和弱极性化合物都有较好的萃取效果,沸点为69 ℃[15],低于叔丁醇的沸点;二氯甲烷的沸点为39.75 ℃[16],比叔丁醇的沸点低,极性为3.1,与叔丁醇极性相似,萃取后易于浓缩。故初步选用正己烷和二氯甲烷作为叔丁醇的萃取剂,分离色谱图分别见图1(a)、1(b)。

由图1可见:当选择正己烷为萃取剂时,叔丁醇的保留时间为3.837 min,正己烷的保留时间为4.342 min,分离度较小,不利于分析;当选择二氯甲烷做萃取剂时,叔丁醇保留时间为3.837 min,附近无杂峰,二氯甲烷的保留时间为1.734 min,与叔丁醇完全分离,不会干扰分析结果。因此,试验选择二氯甲烷作为萃取剂。

图1 使用不同萃取剂时的气相色谱图Fig.1 GC chromatograms with the different extractants

2.2 色谱条件优化

2.2.1 色谱柱

色谱柱对混合物的分离主要取决于色谱柱中固定相的选择性和极性[17]。试验考察了不同色谱柱对叔丁醇与二氯甲烷分离效果的影响。Rtx-5色谱柱(30 m×0.25 mm,0.25μm)的固定相为交联键合的5%二苯基-95%二甲基聚硅氧烷,是弱极性色谱柱,常用于半挥发性污染物等物质的分离[18];Rtx-Wax色谱柱(30 m×0.25 mm,0.25μm)的固定相为交联键合的聚乙二醇,主要用来分离游离酸、醇类、精油、二甲苯、芳香族化合物、苯乙烯等物质[19]。因此试验在选择离子监测(SIM)模式下,考察了这两种色谱柱对叔丁醇与二氯甲烷的分离效果,结果见表1。

由表1 可知:使用Rtx-5 色谱柱(30 m×0.25 mm,0.25μm)测定叔丁醇与二氯甲烷的混合溶液时,叔丁醇的保留时间为2.270 min,二氯甲烷的保留时间为1.970 min,二者色谱峰距离近,且周围杂峰较多,不利于分析;使用Rtx-Wax 色谱柱(30 m×0.25 mm,0.25μm)测定叔丁醇与二氯甲烷混合溶液时,二者保留时间分别为3.836,1.743 min,分离度较好,二氯甲烷定量离子峰旁有少量杂质峰,而叔丁醇定量离子峰附近没有杂峰。因此选定Rtx-Wax 色谱柱(30 m×0.25 mm,0.25μm)作为试验中使用的色谱柱。

表1 不同色谱柱分离效果比较Tab.1 Comparison of separation effect by the different chromatographic columns

2.2.2 柱升温程序

由于叔丁醇和萃取剂二氯甲烷的沸点均较低,且二者极性相近,因此气相色谱柱选择程序升温,所选升温程序需同时兼顾分离时间及分离度。试验首先将初始温度设定为30 ℃,保持5 min,然后以10 ℃·min-1速率升温至100 ℃,保持10 min,所得分离色谱见图2(a)。由2(a)可见:叔丁醇的保留时间为3.900 min,在4.559 min处有杂峰出现,与叔丁醇的保留时间较接近;二氯甲烷的保留时间为1.763 min,有2个并肩杂峰,推测这是升温速率较快所致,不利于结果的分析。

进一步降低升温速率,将初始温度设定为30 ℃,保持5 min,以5 ℃·min-1速率升温至100 ℃,保持10 min,分离色谱见图2(b)。由图2(b)可见:在此升温程序下,二氯甲烷和叔丁醇的保留时间分别为1.743,3.836 min,原升温程序中4.559 min 处的峰消失,在2.583 min 时出现新的峰,此峰的响应面积很小,二氯甲烷附近有2个并肩杂峰,但不会对叔丁醇浓度的测定造成干扰。因此试验确定柱升温程序如下:30 ℃保持5 min,以5 ℃·min-1速率升温至100 ℃,保持10 min,在此升温程序下,一次分析时间为28 min。

2.2.3 载气流量

载气流量过高会降低分离效能,载气流量过低会影响色谱峰峰形。试验在固定上述已优化色谱条件下,考虑到安全性以及成本因素,选择氮气作为载气并考察了载气流量对分析结果的影响。参考相关文献[20-23],对于FID 检测器,氮气作载气,流量通常选择在1～60 mL·min-1时分离效果较好。因此,初步设置载气流量为30 mL·min-1,对应的参数为:压力103.4 kPa,总流量53.5 mL·min-1,色谱柱流量1.63 mL·min-1,线速36.0 cm·s-1,所得分离色谱图见图3(a)。由图3(a)可见:二氯甲烷的保留时间为1.743 min,附近有2个杂质峰,同时在2.583 min 时有杂峰;叔丁醇保留时间为3.837 min。由此可得,所选载气流量偏高。

为了消除二氯甲烷附近的杂峰,保证试验结果的准确度,尝试降低载气流量,设置载气流量为15 mL·min-1,对应的参数为:压力101.2 k Pa,总流量28.3 mL·min-1,色谱柱流量1.58 mL·min-1,线速35.3 cm·s-1,此时的分离色谱图见图3(b)。由图3(b)可见:二氯甲烷保留时间为1.786 min,附近有2 个杂峰;叔丁醇保留时间为3.810 min,附近无杂峰,2.583 min时的峰消除,出峰效果良好。因此试验选择载气流量为15 mL·min-1。

2.3 标准曲线和检出限

取800μg·L-1叔丁醇标准储备溶液,以二氯甲烷为溶剂稀释配制质量浓度依次为10.0,25.0,50.0,100,200,400,800μg·L-1的叔丁醇标准溶液系列,按仪器工作条件进样测定,每个质量浓度平行测定3次。以叔丁醇的峰面积为纵坐标,其对应的质量浓度为横坐标,进行线性拟合绘制标准曲线,结果表明:叔丁醇的质量浓度在10.0～800μg·L-1内与其峰面积呈线性关系,线性回归方程为y＝420.1x-316.5,相关系数为0.999 2。

以3倍信噪比(S/N)计算方法的检出限(3S/N)为2.65μg·L-1,以10倍信噪比计算测定下限(10S/N)为10.6μg·L-1。

2.4 方法的准确度和精密度

分别取质量浓度为100,200,400μg·L-1的叔丁醇标准溶液分散在超纯水中,按试验方法进行萃取和色谱分析,每组平行测定6次,得到空白加标回收率和测定值的相对标准偏差(RSD),结果见表2。

表2 准确度和精密度试验结果(n＝6)Tab.2 Results of tests for accuracy and precision(n＝6)

由表2可知:叔丁醇的加标回收率为82.3%～93.5%,且RSD 均小于15%,可以满足对环境水中叔丁醇定量分析的要求。

分别取质量浓度为25.0,50.0,100,200,400μg·L-1的叔丁醇标准溶液,按试验方法进行色谱分析。由同一操作人员在同一仪器上平行测定6次,对得到的数据计算RSD,以考察重复性;由同一操作人员在2台仪器上各测试6次,对所得12个数据计算RSD,以考察再现性,结果见表3。

表3 精密度试验结果Tab.3 Results of test for precision

由表3 可见:当叔丁醇的质量浓度不小于50.0μg·L-1时,不同质量浓度叔丁醇标准溶液的RSD 均小于10%,可以满足研究工作的实际需求。

本工作采用气相色谱检测技术,通过对萃取剂和色谱条件的选择,建立了一种操作简单、快速、成本较低的环境水中叔丁醇含量的检测方法。通过考察不同条件下叔丁醇与萃取剂的分离效果,确定了最优的试验条件和仪器工作条件。对该方法的线性、检出限、测定下限、准确度和精密度等进行考察发现,本工作建立的分离检测方法可以满足较低的环境水中叔丁醇的测定,为实际应用提供了一种可行的方法。