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三维荧光光谱法在苯酚水污染事故监测中的应用

2019-08-06袁静沈薇戴源孙小平王志刚

环境与发展 2019年4期
关键词:苯酚水污染

袁静 沈薇 戴源 孙小平 王志刚

摘要:建立了三维荧光光谱法直接测定地表水污染事故中苯酚的监测方法。方法最低检出限0.006 mg/L,相对标准偏差RSD在0.3%~4.7%之间,加标回收率在93.0%~103% 之间,线性范围为0.040~1.50 mg/L。对苯酚浓度高于0.040 mg/L的污染样品可快速定性、定量测定,对苯酚浓度低于0.040 mg/L的污染样品可快速给出参考浓度。

关键词:三维荧光光谱法;苯酚;水污染

中图分类号:X832 文献标识码:A 文章编号:2095-672X(2019)04-0-03

Abstract:The determination method of phenol in water pollution accidents was studied.It based on the three-Dimensional fluorescence spectrometry.The method detection limit was 0.006 mg/L, the relative standard deviation was between 0.3%-4.7%, the recovery rate was between 93.0%-103%.The measurement range of phenol was between 0.040 mg/L-1.50 mg/L.The method could detect the phenol concetration rapidly when the sample phenol concetration was higher than 0.040 mg/L. It could indicate the phenol reference concentration when the sample phenol concetration was lower than 0.040 mg/L.

Key words:Three-Dimensional Fluorescent spectroscopy;Phenol;Water pollution

酚类化合物具有致癌、致畸、致突变的潜在毒性。长期饮用被酚类污染的水,会出现头昏、出疹、瘙痒、贫血及各种神经系统病症,因此挥发酚类是水质评价的一个重要指标。苯酚是重要的有机化工原料,也是我国含酚废水中有毒有害物质的主要成分。美国环境保护署(EPA)已把苯酚列入129种优先控制污染物和65种有毒污染物之列,我国也把苯酚列入“中国环境优先污染物”黑名单之中。水体苯酚的检测方法主要有4-氨基安替比林分光光度法[1]、气相色谱法[2]、气相色谱-质谱法(GC-MS)[3]、液相色谱法[4][5]等。分光光度法主要用于测定挥发性的酚类,需经过蒸馏、萃取等前处理去除干扰,操作费时费力。气相色谱法、气相色谱-质谱法、液相色谱法可以很好地分离酚类化合物并得到较低的检出限,但大多需经过固相萃取、液液萃取、衍生化等复杂的前处理技术分离、富集酚类化合物,操作复杂费时,适合测定痕量浓度。传统的酚类检测方法在地表水发生突发性挥发酚污染事故时,操作复杂、检测时间长,对需要时刻监测的污染情况显得力不从心。荧光法由于其测量时间短、灵敏度高、操作简便快速等优点,受到了广泛的关注。但由于实际水体成分复杂,荧光法易受环境因素影响,测定结果并不理想,如何提取出目标物的荧光信息、去除背景干扰是荧光光谱法准确测量的首要条件。目前荧光法测定水中苯酚主要采用荧光淬灭法[6]、荧光增敏法[7]、数学分离法[8]等去除背景干扰提取特征信息达到测定苯酚的目的,直接测定法有采用pH调节法[9]、蒸馏法[10] 、浊点萃取法[11]前处理后荧光光度计直接测定。

普通荧光分析所测得的光谱是二维谱图,包括固定激发波长而扫描发射(即荧光测定)波长所获得的发射光谱,和固定发射波长而扫描激发波长所获得的激发光谱。但是,实际上荧光强度应是激发和发射这两个波长变量的函数。描述荧光强度同时随激发波长和发射波长变化的关系图谱,即为三维荧光光谱。三维荧光光谱的表示形式有等角三维投影图和等高线光谱图。在一个多组分体系的三维荧光光谱图中,每种组分有独立吸收和发射的特定光谱,这一光谱区被限制在一个矩形范围内,这样,通过一次扫描便有可能监测体系中的全部组分[12]。因此,三维荧光光谱能获得激发波长与发射波长同时变化的荧光强度信息,包含的光谱信息更丰富,具有指纹性,可完成混合体系中多组分的定性、定量分析。

本文建立了三维荧光光谱法直接测定地表水污染事故中苯酚的方法,与传统标准方法、文献方法相比,测定过程简单、快速,对苯酚浓度在100.0 mg/L以下的苯酚水污染事故的模拟测定结果令人满意,能够满足地表水污染事故中苯酚的应急监测。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

F-4600 型荧光分光光度计(日本日立);1 cm石英比色皿;苯酚标准溶液(1000 mg/L, 国家标准物质标准样品信息中心)。

1.2 F-4600型荧光光度计主要工作参数

激发光源:150W氙弧灯;PMT 电压:700 V;信噪比>110;扫描波长范围:Ex =220~480 nm,Em =240~600 nm;激发波长步长λEx = 5 nm,发射波长步长λEm = 1 nm;响应时间:自动;掃描速度:2400 nm/min。

1.3 实验方法

移取10.0 mL苯酚标准溶液于1000 mL容量瓶中,用去离子水定容并混合均匀,配制成苯酚标准使用液。在5个100 mL容量瓶中分别加入0.40 mL、0.80 mL、1.50 mL、5.00 mL、10.0 mL、15.0 mL标准使用液,用经0.45 μm玻璃纤维滤膜抽滤、不含酚类的新鲜地表水(稀释水)定容并混匀,所得苯酚标准系列浓度分别为0.040、0.080、0.150、0.500、1.00、1.50 mg/L。采集100mL待测样品,经0.45 μm玻璃纤维滤膜抽滤,弃去20mL初滤液后收集滤液待测。分别扫描稀释水、标准系列及待测样品滤液,在λEx/λEm =270 nm/296 nm 处读取苯酚特征峰荧光强度,并将标准系列及待测样品滤液原始荧光强度扣除稀释水原始荧光强度后除以超纯水在λEx/λEm=350 nm/398 nm处的拉曼散射值进行归一化处理。将标准系列归一化荧光强度值与苯酚标准系列浓度线性回归,得到工作曲线方程,待测样品滤液归一化荧光强度值代入工作曲线方程计算样品中苯酚浓度。全波段扫描测定时间:10min;苯酚波段扫描测定时间:5min。

2 结果与讨论

2.1 光谱预处理及拉曼归一化处理

样品的三维荧光光谱包含瑞利散射和拉曼散射。瑞利散射和拉曼散射信号强,会影响污染物三维荧光光谱的信息分析。为了清晰反映污染物的三维荧光光谱特征,采用Delaunay三角形内插值法对原始数据进行预处理,以消除瑞利和拉曼散射的影响。此外,为消除仪器系统误差,将三维荧光光谱的所有原始数值扣除试验空白值后进行拉曼归一化处理,即苯酚原始荧光强度扣除空白值后除以超纯水在λEx/λEm=350 nm/398 nm处的拉曼散射值。试验空白值指工作曲线标准系列的稀释水在苯酚特征峰处的原始荧光强度。

2.2 苯酚三维荧光光谱特征峰的选择

扫描含苯酚标准物质的纯水溶液得到水溶液中苯酚的三维荧光光谱图,经光谱预处理后的三维荧光光谱等高线图如图1所示, 苯酚在λEx/λEm =270 nm/296 nm 处荧光发射峰最强,实验中将λEx/λEm =270 nm/296 nm作为苯酚的特征峰。

2.3 背景干擾

天然水体中含有类蛋白、类腐殖酸、类富里酸等物质,与苯酚的特征峰位置有光谱重叠,会对苯酚产生光谱干扰;天然水体中含有的颗粒物对荧光信号有散射,会导致荧光信号强度下降。实验发现,纯水中苯酚标准曲线方程为y=140.7x+1.11,相关系数r=0.99997;未经过滤的瘦西湖水中苯酚工作曲线方程为y=63.3x-0.5531,相关系数r=0.997。天然水体中苯酚工作曲线的斜率比纯水中的标准曲线斜率约降低了55%,显示天然水体的背景干扰不可忽视。不考虑水体背景值的影响,直接以标准曲线计算天然水体中的苯酚浓度将使测定结果偏低55%左右。文献多以加入荧光增敏剂提高苯酚的荧光强度[7]、样品预蒸馏法 [10]、萃取法[11]或者运用数学方法分离出苯酚光谱建立数学模型后再计算出测定结果[8]的方法去除背景干扰。本文将不含酚类的地表水样品经0.45 μm玻璃纤维滤膜抽滤后作为工作曲线稀释水,有效去除了颗粒物的散射干扰及其他有机物的背景干扰。将去离子水、长江水、饮用水源地的原水、瘦西湖湖水及古运河河水样品经0.45 μm玻璃纤维滤膜抽滤后作为工作曲线的稀释水分别制作工作曲线,归一化后的工作曲线方程见表1,不同来源的稀释水制作的苯酚工作曲线方程相关系数均较好,以不同河流地表水为稀释水制作的工作曲线斜率相对标准偏差为4.8%,较去离子水作稀释水的标准曲线斜率约低12.7%,表明经过滤后的地表水背景与去离子水依然有一定区别,但过滤后不同来源的地表水背景值对苯酚信号值的影响差别较小。因此当发生苯酚水污染事故时,可以将本地其中一种未被挥发酚污染的洁净地表水抽滤后作为稀释水制作苯酚的工作曲线。

2.4 工作曲线稀释水的选择及样品空白的扣除

采集未受酚类污染的当地地表水,经0.45 μm玻璃纤维滤膜抽滤,扫描后在苯酚特征峰位置读取荧光强度,扣除去离子水在苯酚特征峰位置的荧光强度后归一化,将归一化后的荧光强度值代入以去离子水为稀释水的标准曲线方程,未检出苯酚的视为该样品不含酚类,可以作为工作曲线的稀释水。工作曲线稀释水在苯酚特征峰位置的原始荧光强度作为标准系列及样品测定中的空白试验值。该方法可快速初步判断地表水是否被酚类污染。

2.5 pH值对苯酚荧光特性的影响

苯酚具有弱酸性,在酸性和碱性条件下的存在形式不同,pH值对其荧光强度的影响很大。强碱性条件下,苯酚以C6H6O5-形式存在,该形式不产生荧光;强酸性条件下,苯酚的羟基吸附H+成正离子,减少了苯环上的共轭π电子密度,荧光强度减弱。王欢博等[13]研究了不同pH值对苯酚荧光特性的影响,当pH值在2~6时,苯酚的荧光较强且基本保持不变,在pH为8~11时,荧光逐渐减弱;在pH≥14时基本无荧光。分别测定pH=4、6、7、8、8.5、9时0.200 mg/L的苯酚水溶液,归一化后荧光强度分别为:24、25、26、25、23、22,相对标准偏差为5.9%,pH在4~8时,苯酚荧光强度变化不大,pH>8.5后,荧光强度下降明显。地表水pH值大多在7~8.5之间,无需调节pH值,可以直接测定;对pH>8.5的样品需调节pH后测定。

2.6 其他酚类的干扰

由于三维荧光光谱具有指纹特性,不同类的物质的荧光特征峰位置不同,对苯二酚、二氯苯酚、一氯苯酚等二元酚及氯代苯酚衍生物在三维荧光光谱中可以很好地与苯酚分离,5倍的对苯二酚、二氯苯酚、一氯苯酚对测定结果没有影响;0.200 mg/L的邻甲基苯酚、间甲基苯酚、对甲基苯酚在λEx/λEm =270 nm/296 nm处有荧光强度,归一化后荧光强度分别为:24、27、21,这三种甲基酚为一元挥发性酚,三维荧光不能分别定性,但可以归为挥发性酚类,统一以苯酚计。

2.7 方法检出限

重复测定11次工作曲线最低点浓度,根据公式MDL=t(n-1,0.99)×S计算方法检出限(其中n=11时,t=2.764)[14],苯酚的方法检出限为0.006 mg/L,测定下限为0.025 mg/L。但由于天然水体背景复杂,干扰严重,实际工作中,水体苯酚浓度在0.040 mg/L以上时荧光信号稳定可靠,测定值可以作为定性、定量的依据;低于0.040 mg/L时荧光信号不稳定,可靠性差,测定值可以作为参考值。

2.8 标准样品测定

采用本方法测定挥发酚标准样品200352、200353,测定结果见表2。表2可知,两个标准样品的测定结果均在标准样品的不确定度范围内,RSD在5%以下,方法的准确度和精密度均较好。

2.9 实际样品测定

采集瘦西湖、古运河、京杭大运河、长江等地表水样品,加入一定量的苯酚标准使用液,模拟苯酚水污染样品,按照实验方法测定样品及加标,样品扫描后荧光强度出现饱和或者超过工作曲线最高点,用工作曲线稀释水稀释后测定,将归一化荧光强度代入瘦西湖水为稀释水制作的工作曲线计算样品浓度及加标回收率,测定结果见表3。表3可见,方法的相对标准偏差RSD在0.3%~3.1%之间,加标回收率在93.0%~103%之间,具有较好的准确度和精密度。试验中,工作曲线的稀释水与样品并非来源同一条河流,但并不影响方法的准确度和精密度。

3 结论

建立了三维荧光光谱法直接测定地表水污染事故中苯酚的方法。该方法前处理简单,无需添加任何化学试剂,方法线性范围宽,精密度、准确度好,操作简便快速,配套活塞式自清洁型的水体自动进样模块后可实现在线自动化测定。对苯酚浓度在0.040 mg/L以上的地表水可快速定性、定量测定,对苯酚浓度在0.040 mg/L以下的地表水可快速给出苯酚参考浓度,能满足地表水污染事故中苯酚原位快速定性、定量的监测。

参考文献

[1]环境保护部.HJ 503-2009:水质挥发酚的测定 4-氨基安替比林分光光度法[S].北京:中国环境科学出版社,2009.

[2]张明时,王爱民.溴化衍生气相色谱法测定环境水体中痕量苯酚[J].分析化学,1999,27(1):63-65.

[3]朱铭洪.固相萃取-气相色谱质谱法测定饮用水中的18种酚类化合物[J].中国卫生检验杂志,2015,23(5):1129-1131.

[4]黄尧,王小文,薛科社等.高效液相色谱荧光检测法测定环境水体中的苯酚的实验研究[J].环境科学与管理,2013,38(7):122-125.

[5]张建玲,赵辉,邸尚志.固相萃取-高效液相色谱法测定饮用水中酚类化合物和2,4-滴[J].环境化学,2006,25(2):240-241.

[6]任凯,田丰收,王小倩等. 酶催化荧光法测定环境水样中的痕量苯酚[J].分析试验室,2014,33(8):913-915.

[7]曾凡蓉,席永清,张淑青等.荧光光度法测定环境水样中的苯酚和对苯二酚[J].分析试验室,2007,26(5):76-79.

[8]吳根华,何池洋,陈荣.人工神经网络用于荧光分析法同时测定苯酚和间苯二酚的含量[J].光谱学与光谱分析,2002,22(5):813-815.

[9]冯立娟,辛长波.荧光法直接测定环境水中痕量苯酚[J].光谱实验室,2002,19(2):267-269.

[10]王才,顾斌,袁琳等.荧光分光光度法测定天然水中的挥发酚[J].中国环境监测,1999,15(1):37-39.

[11]王红艳,王聪,苏永祥等.浊点萃取-荧光光度法测定水中的苯酚[J].中国无机分析化学,2015,5(3):11-15.

[12]许金钩,王尊本.荧光分析法[M].北京:科学出版社,2006: 154-155.

[13]王欢博,张玉钧,肖雪等.苯酚三维荧光光谱特征参数影响因素的研究[J].中国环境科学,2010,30(8):1032-1037.

[14]环境保护部.HJ168-2010:环境监测分析方法标准制修订技术导则[S].北京:中国环境科学出版社,2010.

收稿日期:2019-02-27

基金项目:中国科学院科技服务网络计划(STS)项目(KFJ-SW-STS-170);江苏省环境监测科研基金项目(1701);扬州市科技计划项目(YZ2014218)

作者简介:袁静(1971-),女,汉族,本科学历,高级工程师,研究方向为环境监测。

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