废水中三苯含量

废水中三苯含量的气相色谱分析吕先勇（09339018）许腾朱虹宇龙东洋（中山大学化学与化学工程学院，应用化学（理化检验技术）,广州，510275）摘要废水中含有三苯(苯、甲苯和二甲苯)，三苯毒性很大，是生活饮用水、地表水质量标准和污水排放标准中控制的有毒物质指标。废水中的三苯使用内标法标定，以N2为载气，经过CS2溶剂萃取，萃取液经过毛细管色谱柱分离、氢火焰离子化检测器（FID）检测，记录色谱图，从而进行定量分析。实验测得废水样品中“三苯”含量分别为：苯5.262mg/L，甲苯5.665mg/L，二甲苯14.285mg/L，均符合国家标准。此法用于测定废水中三苯的含量，具有操作简单、准确度高、灵敏度高、重现性好、线性范围宽等优点。关键字废水气相色谱内标法三苯（苯、甲苯、二甲苯）毛细管柱1.引言苯、甲苯及二甲苯俗称三苯，其中二甲苯有三种异构体，即间二甲苯、对二甲苯和邻二甲苯。目前,随着工业生产的发展,苯系物特别是三苯被广泛用作化工原料,这样就造成石油化工、农药、有机化工、炼焦化工等行业的排放废冰中含有较多的苯系物,成为河流、空气和地下饮用水中有机污染物的重要来源。近来的研究表明苯系物中苯、甲苯、二甲苯是强致癌物,被称作“芳香杀手”，对中枢神经系统和造血机能产生严重危害,因此苯、甲苯、乙苯、对二甲苯、间二甲苯、邻二甲苯6种苯系物已列人我国水环境优先控制污染物“黑名单”中,所以开展水环境中苯系物的监测工作意义十分重大，建立简便、快速、高效的水体环境中苯系污染物分析方法研究至关重要[1]。色谱是一种物理化学的分析分离方法，即利用不同物质在两相（固定相和流动相）中具有不同的分配系数（或吸附系数），当两相作相对运动时，这些物质在两相中反复多次分配（即组分在两相之间进行反复多次的吸附、脱附或溶解、挥发过程）从而使各物质得到完全分离。常用的色谱有气－固色谱、气－液色谱等等，更加高级的还有色谱仪与其他检测仪器连用，例如：使用气相－质谱连用，可以直接用于检测未知物，而单独使用气相色谱只能是通过与已知样的谱图进行比较，从而对物质定性检测，不能用于未知物的检测。本实验使用的就是气相色谱法。现在常用的三苯分析方法为硝化比色法[2]和气相色谱法[3]。气相色谱法（gaschromatography简称GC）是一种分离和分析方法，在分析化学、有机化学、生物化学等领域有着非常广泛的应用。该法利用不同物质在不同相态的选择性分配，以流动相对固定相中的混合物进行洗脱，混合物中不同的物质会以不同的速度沿固定相移动，最终达到分离的效果，并根据保留时间定性、峰面积或峰高进行定量。气相色谱法具有分离效率高、分析速度快、检测灵敏度高、样品用量少、选择性好、多组分同时分析、易于实现自动化的优点，主要适用于气体和易挥发物质的分离分析。定量分析的方法有归一法、标准曲线法、内标法、标准加入法等，不同的方法各有优点，各有适用范围。当我们要分析的样品不能全部出峰，或者我们只需要分析其中某些谱峰时，一般采用内标法。本实验中采用了内标法定量。通过内标物与标准物的面积比，可以算出相对定量校正因子，进而可以算出组分的含量。式中fi'、fS'分别为组分i和内标物S的质量校正因子：Ai、AS分别为组分i和内标物S的峰面积,也可以用峰高代替面积[4]。2.实验部分2.1仪器与试剂2.1.1仪器Aglilent4890D型气相色谱仪；氢火焰离子化检测器（FID）；毛细管色谱柱：HP5，以聚氧化硅烷-聚乙二醇为固定相（30m×0.25mm×0.25μm）；1μL、5μL微量进样器；色谱工作站。气相色谱条件：汽化温度为200℃；检测器温度为250℃；载气（N2）总量为40mL.min-1，分流比为30：1；氢气和空气流量分别为30mL.min-1和300mL.min-1；程序升温：初始温度40℃，保持2min，升温速率为20℃min-1并升至150℃；进样量0.5～1μL。2.1.2试剂苯、甲苯、二甲苯、正己烷均为色谱纯；乙酸乙酯、二硫化碳为分析纯。各组分标准溶液：于6个5-10mL血清瓶中分别称取苯、甲苯、间二甲苯、对二甲苯、邻二甲苯和正己烷各0.02-0.03g，加入5.0mL乙酸乙酯溶解、摇匀，于冰箱内保存（准备室配制）。2.2实验方法2.2.1加有基准物的混合标准溶液配制在一个5-10mL血清瓶中预先放入约2mL乙酸乙酯，分别准确称取苯、甲苯、间二甲苯、对二甲苯、邻二甲苯和正己烷0.02-0.03（准确至0.0002g）于血清瓶中，用乙酸乙酯溶解并稀释至5mL，摇匀。2.2.2废水样品前处理取废水样100mL，加入5μL内标物正己烷，于100mL分液漏斗中,,溶解后,加5.0mL二硫化碳萃取3min，静止分层，弃去水相。2.2.3定性分析参照仪器操作使用说明书，启动仪器，设定色谱分析条件等，使仪器进入正常工作状态。待色谱基线平直后分别将三苯单标依次进样，记下每种物质的保留时间，作为混合标准以及样品测定的对照定性依据。2.2.4相对校正因子fi’的测定注入1μL混合标准溶液，以各纯组分的保留时间与混合标样中色谱图中各色谱峰对照定性。并计算以正己烷为基准物的相对定量校正因子fi’。2.2.5样品测定注入1μL步骤2中萃取后样品溶液，以各纯组分的保留时间与样品色谱图中各色谱峰对照定性。并依据内标法计算样品含量。3.结果与讨论3.1数据记录与结果计算表1.基准物的色谱数据物质正己烷苯甲苯对二甲苯邻二甲苯保留时间/min2.0852.6073.7155.0655.323表2.混样的色谱数据峰号峰名保留时间/min峰高/uV峰面积/uV·s5正己烷2.08244413.82472926.8446苯2.61584576.398142799.5639甲苯3.74059670.70385790.32812对二甲苯5.06573509.156117205.86713邻二甲苯5.33275668.797122787.969表3.废水样品的色谱数据峰号峰名保留时间/min峰高/uV峰面积/uV·s2正己烷2.082284226.156318818.0004苯2.57345141.33261887.3015甲苯3.72341713.71559464.1026对二甲苯5.04873246.641108542.7977邻二甲苯5.32340510.06359564.168数据处理：=0.659g/mL样品中正己烷的质量：=×=0.659×106μg/mL×5.00×10−3mL=3295μg进样样品中正己烷质量：=×V进样==0.659校正因子′的计算：′=（1）其中As为混样中正己烷的峰面积，为内标物的质量，即进样中正己烷（混样）的质量；Ai为待测组分（混样）的峰面积，mi为待测组分（混样）的质量。表4混样中的三苯含量测量结果苯甲苯对二甲苯邻二甲苯峰面积/uV·s61887.30159464.102108542.79759564.168正己烷峰面积/uV·s72926.844混样中含量/μg·5mL-123500253003260031200混样中正己烷含量/μg·5mL-133200校正因子′0.83410.93460.65971.1506表5样品中的三苯含量测量结果苯甲苯对二甲苯邻二甲苯校正因子′0.83410.93460.65971.1506峰面积/uV·s61887.30159464.102108542.79759564.168峰面积/uV·s318818样品中各组分含量Pi/mg·L-1106.699114.874148.01141.662进样中正己烷质量/μg0.659样品中含量Wi/mg·L-15.2625.6657.2996.986其中,=′×（2）Wi==（3）3.4结果分析结果测得废水中苯、甲苯、对二甲苯、邻二甲苯的含量分别为5.262mg/L、5.665mg/L、7.299mg/L、6.986mg/L，则二甲苯的含量为14.285mg/L。国家标准（国标GB5749-2006）是：苯≤0.01mg/L；甲苯≤0.71mg/L；二甲苯≤0.5mg/L[4]。可见，苯、甲苯和二甲苯均已超标，不符合国家标准。3.5讨论1.实验中采用程序升温的方式，目的是通过程序升温，可以使沸点相差较大的混合物在合适的温度下获得好的分离度，则使具有不同沸点的苯、甲苯、邻二甲苯、对二甲苯得到很好的分离，并提高分离速度和检测灵敏度；内标法可以扣除色谱条件的微小变化、进样量的变化、基体等因素的影响。在此实验条件下因为检测周期短等因素，不能分离间二甲苯和对二甲苯，所以假如样品中有间二甲苯，则实验中的对二甲苯的谱峰有可能是对二甲苯和间二甲苯的叠加。2.检测器的温度一般要高于柱温，因为这样子可以避免分离开的组分在检测器再次冷凝，影响峰形。3.本实验在测定甲苯标准液的时候，保留时间在3.715min，而测定混标的时候，甲苯的保留时间是在3.740min。这两者之间数据相差较大，可能原因是前一次测定甲苯标样的时候，还没开始之前就将产品滴加进去，所以有可能导致测定甲苯标样的时候，保留时间出现的偏差较大。对照表1与表2的数据可发现，各组分标准物的保留时间与混标各样品的保留时间有所偏差，这可能是跟操作人员的操作有关，如进样的速度。4.实验采用内标法，而不采用外标法，原因在于，每次样品分析的色谱条件（检测器的响应性能，柱温，流动相流速及组成，进样量，柱效等）很难完全相同，因此容易出现较大误差。此外，标准工作曲线绘制时，一般使用欲测组分的标准样品（或已知准确含量的样品），而本实验中纯的三苯很难得到，因此无法用外标法进行测定。4.参考文献[1]贾雪艳,张洪林.液-液萃取毛细管柱气相色谱法测定水体中苯系物(J).北京教育学院学报,2008,3(5)：47-48[2]林专红.硝化比色法测定空气中甲苯的分析质量评价.《理化检验：化学分册》2002年第38卷第12期,631-633[3]刘红强，何艳，靳慧霞.工业废水中苯的高效液相色谱分析（J），河南城建高等专科学校学报，2002，（01）[4]陈六平，邹世春.现代化学实验与技术。北京：科学出版社，2007[5]中华人民共和国国家环境保护局.中华人民共和国国家标准,水质苯系物的测定-气相色谱法.GB11890-89.实验思考（1）什么是程序升温？答：所谓程序升温是指通过一定程序的控制，使色谱柱升温，如本实验采用的升温为：初始温度40℃，保持2min，升温速率为20℃min-1并升至150℃。通过程序升温，可以使沸点相差较大的混合物在适合的温度下获得好的分离度，并提高分析速度（2）检测器的温度一般要高于柱温，为什么？答：检测器温度应高于柱温，以免分离开的组分在检测器再次冷凝，影响峰形。（3）为什么有时要采取双柱定性？色谱分析中引入定量校正因子的作用是什么？答：不同的物质在同一根柱子上可能会有相同的保留时间，但在两根不同极性的柱子上一般不可能会有相同的保留时间，因此采用双柱能够定性出某些难以分离的物质。加入定量校正因子的作用，作为定量计算的依据。（4）毛细管气相色谱分析中，进样时有时候需要采取分流方式，为什么？答：使用毛细管柱时，由于柱内固定相的量少，柱对样品的容量要比填充柱低，为防止柱超载，要使用分流进样器进行分流进样方式。样品注入分流进样器气化后，只有一小部分样品进入毛细管柱，而大部分样品都随载气由分流气体出口放空。（5）气相色谱分析中，若要提高分离度需要控制哪些实验条件？若要缩短分析时间需要控制哪些实验条件？答：气相色谱中，若要提高分离度需控制的实验条件：样品的前处理、载气流量的大小、柱子的选择、进样口温度、进样方式、程序升温等。若要缩短分析时间，应控制：柱温、固定液与载体重量之比、栽气速度等。