PT-GC-CAFS聯用技術測定污水處理廠外排水中烷基汞殘留量

高蘭蘭，徐 浩，楊 瓊，戴 剛

貴州省環境監測中心站，貴州 貴陽 550081

PT-GC-CAFS聯用技術測定污水處理廠外排水中烷基汞殘留量

高蘭蘭，徐 浩，楊 瓊，戴 剛

貴州省環境監測中心站，貴州 貴陽 550081

建立了吹掃捕集-氣相色譜-冷原子熒光(PT-GC-CAFS)聯用技術、多功能自動進樣器進樣測定污水處理廠外排水中烷基汞殘留量的方法。用烷基化試劑直接衍生，吹掃捕集吸附/富集，以PEG20M填充柱為分離柱，用冷原子熒光作為檢測器進行測定，整體分析工作在10 min內完成。在所選實驗條件下，方法對所測甲基汞、乙基汞的線性相關系數分別為0.999 9、1.000，最低檢出限分別為0.002、0.003 ng/L，相對標準偏差為1.4%～10.2%，2.3%～9.7%；在不同質量濃度水平上進行加標回收率實驗，甲基汞的回收率為93.7%～101.7%，乙基汞為94.1%～103.6%。該方法用于污水處理廠外排水中烷基汞殘留量的分析測定，結果令人滿意。

吹掃捕集;氣相色譜；冷原子熒光；烷基汞；殘留量；污水處理

從2007年起，環境監測部門開始開展污染源監督性監測工作，在《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)環境監測項目中，烷基汞是污水處理廠向環境排放的一類污染物，屬必測指標。烷基汞(甲基汞、乙基汞)屬有機汞，揮發性很強，熱穩定性差。有機汞系親脂類化合物，在水體中含量低，很多分析水中烷基汞的現行方法均需要花費大量的時間去富集，給工作造成很大的難度。在標準分析方法中，主要采用含硫化合物進行富集萃取，鹽酸、氯化鈉溶液解析，甲苯萃取烷基汞，氣相色譜法[1]或改進的氣相色譜法[2-3]分析烷基汞。在分析過程中，由于分析預處理花時間進行多步處理，且使用有毒物質(如甲苯)，不利于工作人員身體健康。同時，在樣品處理過程中，烷基汞上的烷基可能被其他基團取代而導致烷基汞的揮發性降低，且鹽酸、氯化鈉溶液解析過程也易造成烷基汞上基團Cl·脫落而導致烷基汞的檢測能力和分析靈敏度降低，增加水體中烷基汞的分析難度。為解決這一問題，研究者們進行了多種分析技術研究嘗試，改進烷基汞的分析方法。已報道關于烷基汞分析的文獻很多，主要是高效液相色譜-原子熒光法[2,4]、萃取富集-HPLC法[5-6]、β-環糊精交聯樹脂富集氫化-原子熒光法[7]、固相萃取-毛細管氣相色譜-原子熒光法[8]、高效液相分離-在線紫外光輻射氫化物-冰蒸汽-原子熒光法[9]、高效液相串聯ICP-MS法[10]、液液微萃取-毛細管電泳法[11]、超臨界流體吸附法[12]等，分析技術得到很大的改進和提高，但樣品仍然需要進行分析預處理或復雜的樣品富集過程，未達到簡化分析步驟、節約分析時間的目的。吹掃捕集-氣相色譜-冷原子熒光(PT-GC-CAFS)聯用技術替代復雜樣品前處理，建立了簡便、省時、準確度與精密度令人滿意且適于環境水體中烷基汞含量測定的分析方法，并對貴州遵義市南郊、遵義市北郊、畢節市、安順市、六盤水市等污水處理廠中的烷基汞殘留量進行測定。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

PT-GC-CAFS聯用技術：吹掃捕集模塊(Hg Speciation Purge&Trap)，氣相色譜分離模塊(Hg Speciation GC&Pyrolysis)，系統配置填充柱(填料為PEG20M，0.5 m)，冷原子熒光檢測模塊(Atomic Fluorescence Spectrophotometer)，72位多功能自動進樣器(Auto Sampler)，蒸餾模塊(Methyl Distillation System，烷基汞含量高或樣品基體干擾嚴重時用)，統稱全自動烷基汞分析系統(BROOKS RAND)。工作站為MERX-M軟件。

試劑:甲醇(色譜醇，美國)；甲酸(分析純，美國)；CuSO4·5H2O、氫氧化鈉、鹽酸、冰醋酸(分析純，中國上海)；實驗用水(Millipore超純水儀制備)；甲基汞標準溶液及標準樣品、乙基汞標準溶液及標準樣品(國家標準物質中心)；乙基化、丙基化試劑(BROOKS RAND，MERX公司)；氬氣(純度大于99.999%，中國貴州)；氮氣(純度不低于99.999 9%，中國貴州)。

乙基化、丙基化試劑是指在樣品分析前為提高烷基汞的揮發能力、在烷基汞上增加乙基或丙基等烷基基團的衍生化試劑。

無汞超純水的制備：取經Millipore超純水儀制備的電導率超過18.2 MΩ·cm(25 ℃)的超純水1 500 mL倒入2 L潔凈的玻璃蒸餾器中，依次加入3～5 mL 10%HNO3溶液，5 mL質量分數20%的KMnO4溶液，加沸珠數個，加塞，蒸餾制得無汞超純水。

1.2 標準溶液配制

移取超純水加至100 mL棕色容量瓶中，用微量移液槍移取750 μL醋酸，加入不同體積的甲基汞、乙基汞標準儲備液，再加125 μL乙基化或者丙基化試劑，用無汞超純水定容至100 mL，得甲基汞、乙基汞的質量濃度為0.5、1.0、5.0、10.0、50.0、100、500、1 000 ng/L的標準系列。分析前分別用40 mL標準棕色樣品瓶裝滿，蓋好中空無汞膠墊，旋緊，標記標號，待測。

1.3 樣品采集及處理

樣品采集及儲存：樣品采集執行HJ/T 91—2002技術規定，采樣點設在采集污水處理設施外排口處，樣品儲于10 L聚乙烯塑料桶中，加10 mL 0.01 g/mL CuSO4溶液，用2 mol/L HCl溶液和6 mol/L氫氧化鈉溶液調節pH為3，低溫(低于4 ℃)運回實驗室，低溫保存，待分析。

樣品處理：視水樣中烷基汞含量，取10～30 mL水樣加至40 mL標準棕色樣品瓶中，用微量移液槍移取300 μL醋酸緩沖液，再加50 μL乙基化或者丙基化試劑，用無汞超純水加滿樣品瓶，蓋好瓶蓋，標記標號，待測。

由于污染較為嚴重的工業廢水或水中懸浮物較多的樣品，其基體干擾較為嚴重，若直接采用PT-GC-CAFS聯用技術分析樣品，其樣品中的高分子化合物或懸浮物易造成分析系統堵塞，同時易造成吹掃捕集的捕集阱富集能力降低或損壞。故在分析時盡量采用蒸餾模塊先蒸餾濃縮于鹽酸氯化鈉溶液中富集后，再采用上述前處理方法進行處理。

1.4 儀器條件

乙基化條件：氣相色譜柱溫度設為 40 ℃；吹掃捕集的(懸子流量計)的流速設定，吹掃流速為50 mL/min，干燥流速為40 mL/min，氣相色譜柱流速為32 mL/min。分析時間為5 min；加熱時間為9.9 s；吹掃時間為5 min；干燥時間為3 min；冷原子吸收檢測器條件設定，光電倍增管電壓(PMT)690 V，信號漂移(補償電壓)35 524 V，儀器噪音低于50 μV。

丙基化條件：氣相色譜柱溫度設為 44 ℃；吹掃捕集(懸子流量計)的流速設定，吹掃流速為50 mL/min，干燥流速為40 mL/min，氣相色譜柱流速為40 mL/min。分析時間為10 min；加熱時間為9.9 s；吹掃時間為9 min；干燥時間為4 min。冷原子吸收檢測器條件設定，光電倍增管電壓(PMT)為690 V，信號漂移為35 524 V，儀器噪音低于100 μV。

2 結果與討論

2.1 分析行為

烷基汞分析時，根據2種情況(加烷基化試劑、未加烷基化試劑)對標準溶液按第1.4節分析方法測定烷基汞，得到2種不同的分析行為，其中加有烷基化試劑的標準溶液分析與氣相色譜分析烷基汞行為相似，分析譜圖見圖1。處理及分析全部時間可在10 min內完成。

1.Hg0；2.甲基汞；3.乙基汞。

與國家標準[1]的前處理方法相比，樣品處理簡單，分析時間短，既能保證待測組分的分析靈敏度，又能確保其分析的穩定性和準確度。同時，整個過程不用有毒物質硫代乙醇酸和致癌物苯或甲苯，有效保護了分析人員的身體健康。

2.2 分析方法的檢出限、重現性、回收率

按第1.2節配制烷基汞標準系列，在儀器工作條件下測定，分別以各組分濃度為橫坐標，對應的峰高響應值為縱坐標，繪制標準曲線，烷基汞分析的線性范圍、線性回歸方程及相關系數見表1。根據《環境監測 分析方法標準制定修訂技術導則》(HJ 168—2010)中檢出限確定方法，采用PT-GC-CAFS聯用技術進行連續7次重復空白實驗，將測定結果換算成樣品中的濃度，計算該分析方法條件下的方法檢出限MDL，結果見表1。從表1可以看出，甲基汞、乙基汞的分析方法檢出限分別為0.002、0.003 ng/L，與文獻[1-3]相比，本方法的分析濃度范圍較寬、檢出限低，可有效提高組分的分析靈敏度。

表1 烷基汞的線性范圍、線性回歸方程及相關系數

對甲基汞、乙基汞質量濃度(相同)分別為1.0、50、100 ng/L的標準系列進行6次平行測定，甲基汞的重現性(RSD)為1.4%～10.2%，乙基汞的重現性(RSD)為2.3%～9.7%。同時，向超純實驗用水中加入甲基汞、乙基汞標準液(質量)濃度均分別為10、200 ng/L，加標回收，平行測試，在低濃度水平上，10 ng/L時甲基汞的回收率為95.4%～101.7%，乙基汞為95.5%～103.6%；200 ng/L時，甲基汞的回收率為93.7%～99.1%，乙基汞為94.1%～96.2%。分析結果表明，PT-GC-CAFS聯用技術測定水中烷基汞具有令人滿意的加標回收率和分析相對標準偏差，分析方法的運用具有一定可靠性。

2.3 方法準確性驗證

按第1.3節進行處理，按第1.4節分析方法分析標準物質，同時采用標準分析方法分別進行分析測試6次，將2種方法的所測結果折算回標準溶液稀釋前的濃度，以驗證方法的準確性，結果見表2。

表2 PT-GC-CAFS聯用技術與國標方法分析標準樣品的結果

注：GBW08675、GBW(E)085124均溶于1.5 mL甲醇中制得。

從表2可以看出，烷基汞分別采用標準方法和本研究方法進行分析測試，所有重復測定的結果均在標準樣品允許的誤差控制范圍之內，相對而言，本方法的相對標準偏差要小一些。說明該方法的分析結果與標準方法幾乎沒有差異，方法的分析準確性可靠。

2.4 樣品分析及基質加標實驗

分別對貴州省遵義市南郊、遵義市北郊、畢節市、安順市、六盤水市等污水處理廠外排水中烷基汞(甲基汞、乙基汞)進行分析測試，結果見表3。其中用畢節市、安順市污水處理廠外排水中分別加入甲基汞、乙基汞，控制加入量為1.0 ng/L進行烷基汞的基質加標實驗，平行分析10次，測定結果見表4。

表3 部分污水處理廠中烷基汞分析結果

表4 烷基汞基質加標測定結果(n=10)

從表3中可以看出，只有污水處理廠在正常運行的情況下，外排水中烷基汞的質量濃度低于10 ng/L，低于標準方法的檢測濃度檢出下限，標準方法的測定結果均為未檢出。

從表4可知，測定正常運行污水處理廠的外排水中烷基汞的加標回收率良好，分析技術的穩定性優良。在測定次數為10的條件下，實驗測定甲基汞的加標回收率為95%～101%，測定結果的相對偏差為0.78%～3.45%；乙基汞的回收率及測定結果的相對偏差則分別為98%～100%、1.03%～3.12%。

從分析結果看，實際用于分析的污水處理廠外排水中甲基汞質量濃度在5 ng/L以下，但均高出方法檢出限100倍左右，且在實際分析時濃度線性范圍(見表1)之內，說明采用該方法分析水中的烷基汞具有一定的可靠性。污水處理廠在正常運行情況下，外排水中烷基汞的質量濃度很低，低于標準方法的檢測濃度下限10 ng/L，故采用正常運行的污水處理廠外排水中烷基汞，分析結果為未檢出；但由于本方法的方法檢出限很低、靈敏度高，在一定程度上彌補了標準方法本身存在的方法局限性。

2.5 PT-GC-CAFS聯用技術特點

用本方法分析烷基汞時，取樣量為10～30 mL，加微量的醋酸和微量的烷基化試劑后，用無汞水定容至40 mL，吹掃捕集在線富集。采用傳統方法分析烷基汞時，文獻[1]取樣量為1 L，富集時間約為30 min，洗脫、二次富集及萃取等約需20 min，平均耗時約50 min。文獻[2]和文獻[3]采用改進的巰基棉管或巰基棉萃取固相柱低流速富集，上樣體積分別為1、5 L，富集后還需對目標物進行洗脫、萃取和濃縮，整個過程耗時大約70、55 min。PT-GC-CAFS聯用技術與之相比，具有明顯優越性，見表5。從表5可以看出，與標準方法相比，PT-GC-CAFS聯用技術具有以下優點：

1)無樣品預處理，未使用有毒有害物質，有效保護分析工作人員的身體健康；傳統方法在樣品預處理階段使用硫代乙醇酸、苯或甲苯和二氯化汞等，分別用于Nishi法[1-3]制備巰基棉、目標物質萃取和保護色譜分析中使用的色譜柱，若保護措施不當，易造成分析工作人員的健康危害。

表5 方法前處理優越性比較

注：預處理時間是根據方法預處理的相關參數及步驟統計算出的平均耗時。

2)采用在線小體積樣品分析，既可節約樣品又可降低樣品采集階段的勞動負荷，同時降低實驗室工作人員的勞動強度；而傳統方法或改進的傳統方法均需要對大體積的樣品進行富集、洗脫、萃取及濃縮，步驟較多，耗時，同時增加樣品采集的難度，特別是文獻[3]每次分析至少需要5 L樣品，客觀上增加烷基汞的分析難度。

3)改進后的標準方法，雖富集方式有所改變，但富集時樣品流速過快，不利于巰基棉對目標物質的完全富集，特別是水樣中烷基汞的濃度低于方法下限時，烷基汞的檢出含量為未檢出(見表2)，無法客觀反應含低濃度烷基汞樣品的真實狀況。

4)采用鹽酸氯化鈉溶液從巰基棉上解析出烷基汞時，烷基汞上基團Cl·易發生脫落，同時采用氣相色譜分析時，溫度過高(如汽化室溫度大于200 ℃)易造成烷基汞分解，最終導致烷基汞的檢測能力下降，分析靈敏度降低。

3 結論

PT-GC-CAFS聯用技術與標準方法相比，無樣品預處理，不會造成分析組分損失，方法簡便、節時省力，準確度與精密度令人滿意，樣品分析結果穩定，同時克服了因烷基汞熱穩定性差導致分析靈敏度低等缺陷。自環境監測部門開展重點污染源監督性監測以來，污水處理廠被列為重點污染源，烷基汞是一類污染物，屬必測指標。2015年全國環境部門對近15 000家重點監控企業每季度進行監督性監測，其中污水處理廠近3 800家，環境監測部門工作任務繁重，分析任務工作量劇增。以貴州省為例，已建和在建的污水處理廠近120家，國控已運行的污水處理廠83家，而實際有實力、有資質完成烷基汞分析任務的環境監測站不多，在不增進專業技術人員和改進分析技術的情況下，采用國家標準方法來完成其監督性監測工作任務，將會花費大量的時間、使用大量的有毒物質對樣品進行預處理，一方面加重分析人員工作任務，另一方面增加分析人員的身體健康風險。簡便、無樣品預處理、不使用有毒有害物質、節時省力，且分析方法檢出限低、數據分析結果可靠等特點，有關部門可以考慮將PT-GC-CAFS聯用技術方法列為今后分析檢測地表水、地下水、工業廢水、城市污水等環境水體中烷基殘留量的方法之一。

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Determination of the Alkyl Mercury Residue in External Drainage of Partial of Sewage Treatment Plants by Purging Capture-Gas Chromatography-Cold Atomic Fluorescence Spectrometry

GAO Lanlan， XU Hao， YANG Qiong， DAI Gang

Guizhou Province Environmental Monitoring Centre, Guiyang 550081, China

A confirmative method was developed with purge and trap-GC separation-cold atomic fluorescence spectrophotometer (PT-GC-CAFS) to detect the residues of alkyl mercury in external drainage of sewage treatment plants by multifunctional automatic sampler. Using direct derivative alkyl mercury by Alkylating reagent, adsorption/enrichment by PT, with PEG20M packed column for separation column, and with cold atomic fluorescence spectrophotometer as a detector to detect mercury in environmental water samples, the overall analysis of the work to be done within 10 min. The method showed that good linear correlation coefficient of methyl mercury′s and ethyl mercury′s was 0.999 9 and 1.000, the relative standard deviation was (RSD=1.4%-10.2%)and (RSD=2.3%-9.7%), respectively.With different quality levels to Standard addition recovery test sample, the recovery rate of methyl mercury was 93.7%-101.7%, ethyl mercury was 94.1%-103.6%. The method was applied to determine the alkyl mercury residue in external drainage samples of sewage treatment plants.The results were satisfactory.

PT；GC；CAFS;alkyl Mercury;residue;sewage treatment plant

2015-01-19;

2015-07-07

貴州省自然科學基金資助項目(黔科合J字[2012]2207號)

高蘭蘭(1980-)，女，貴州貴陽人，學士，工程師。

X830.2

A

1002-6002(2016)01- 0098- 06