強酸性電解水降解對硫磷動力學模型及降解產物研究

2018-07-11 13:15:24烏云達來郝建雄劉海杰

食品工業科技 2018年12期

烏云達來,梁鐸,郝建雄,劉海杰

(1.呼和浩特民族學院環境工程系,內蒙古呼和浩特 010051;2.河北科技大學生物科學與工程學院,河北石家莊 050018;3.中國農業大學食品科學與營養工程學院,北京 100083)

對硫磷(Parathion,O,O-二乙基-O-4-硝基苯基硫代磷酸酯)是我國使用較為廣泛的一種有機除蟲藥劑。對硫磷屬于高毒類有機磷農藥,能抑制乙酰膽堿酯酶,使乙酰膽堿積聚,從而引起神經功能紊亂,導致機體損害或死亡[1]。盡管對硫磷等有機磷類高毒農藥從2007年1月1日起被全面禁止使用,并于2008年初全部停止生產[2]。個別地區使用高毒、高殘留農藥而造成急性中毒事件時有發生[3-5]。因此,探索如何降低或降解果蔬中農藥殘留成為亟待解決的問題。

近幾年,酸性電解水(Electrolyzed oxidizing water,EOW)作為一種新型消毒劑已廣泛應用于農業、牙科、醫療以及食品工業上[6]。EOW一般分為強酸性電解水(Strong acidic electrolyzed water,AcEW,pH<3.0)和微酸性電解水(Slightly acidic electrolyzed water,SAEW,pH為5.0～6.5)。EOW因容易制備、生產成本低、對人體和環境無害等特點[7],在消除降解果蔬農藥殘留領域,具有廣闊的應用前景。研究證明EOW具有消除農藥殘留的效果。郝建雄等[8-9]研究顯示,有效氯質量濃度(available chlorine concentration,ACC)為70 mg/L的AcEW可以在30 min內降解蔬菜表面的乙酰甲胺磷、氧化樂果、敵敵畏59%～70%以上。Lin等[10]用50 mg/L ACC的AcEW和堿性電解水清洗各種蔬菜的甲胺磷和樂果,其降解率范圍為5.2%～89.3%。盡管大量的研究證實了EOW降解農藥的效果,但對有機磷農藥的降解規律、降解產物及降解途徑的研究卻鮮有報道。

因此本研究以對硫磷為研究對象,進一步深入研究AcEW對對硫磷的降解規律和分析其降解產物。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

對硫磷標準品(1.0 mg/mL) 由中國計量科學研究院提供;乙腈、甲醇、二氯甲烷、丙酮 DIKMA公司生產,分析純。

CE-7001強酸性電解水發生裝置廣州賽愛環境保護技術開發有限公司;GC/MS-QP2010氣質聯用色譜儀島津公司;CNWBOND HC-C18固相萃取柱(500 mg/3 mL)、HP-5MSUI色譜柱惠普公司;Thermo Orion 5 star型pH/電導率/ORP綜合測試儀 Thermo公司;RE-52AA旋轉蒸發器上海振捷實驗設備有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 AcEW的制備 AcEW的制備方法參照烏云達來等的方法[11],并稍作改進。在不同發生條件下從電解水發生器產生的強酸性電解水(AcEW),使用稀HCl調節pH達到所需pH,通過蒸餾水稀釋方法獲得實驗所需的有效氯濃度(ACC)。制備所得電解水的理化指標見表1。

表1 電解水理化指標Table 1 Chemical parameters of different electrolyzed water

1.2.2 對硫磷的降解實驗取5.0 mL不同理化指標的酸性電解水,加入100 μL對硫磷(100.0 mg/L),使溶液中的最終農藥達到約2.0 mg/L,在漩渦振蕩器中漩渦振蕩5 s,靜置至指定反應時間,然后立即加入0.5 mmol/L的硫代硫酸鈉100 μL,振蕩30 s,終止其降解反應。降解實驗結束后經固相萃取提取、凈化,通過氣相色譜儀測定農藥殘留量。

1.2.3 AcEW降解對硫磷產物分析采用上述1.2.2的方法,使用AcEW(pH2.8、ACC 10 mg/L)對初始濃度為2 mg/L的對硫磷進行了降解實驗,并在反應時間為1 min和10 min時取樣,經GC-MS分析降解產物。

1.2.4 有機磷農藥的提取與凈化有機磷農藥的提取及凈化,采取固相萃取方法。參照NY/T 761-2004以及Yao等的方法[12],并略作改進。CNWBOND HC-C18固相萃取柱(500 mg/3 mL)依次用5.0 mL乙腈、5.0 mL甲醇和10.0 mL水預處理,將樣品用0.1 mol/L HCl調節pH到2.0,取樣品溶液過固相萃取柱,過完柱后真空干燥柱30 min,用5 mL的甲醇洗脫2次,收集洗脫液。洗脫液減壓濃縮,用二氯甲烷定容至1.0 mL作為供試品溶液。

1.2.5 指標檢測方法 AcEW樣品的pH和氧化還原電位(oxidation reduction potential,ORP)采用Thermo Orion 5 star型pH/電導率/ORP綜合測試儀(Thermo 公司)進行測定,ACC 采用碘量法進行測定[13]。對硫磷的檢測和對硫磷降解產物的分析參照NY/T 761-2004采用氣相色譜-質譜聯用(GC-MS)方法進行。氣相色譜檢測條件為:色譜柱HP-5MSUI(長度30 m,直徑0.25 mm,壁厚0.25 μm);載氣:高純氦氣(99.999%);柱流量:1.5 mL/min,采用恒壓控制模式;進樣量:1.0 μL,進樣方式:不分流進樣;進樣口溫度230 ℃;色譜柱升溫程序:35 ℃初溫保持1 min,8.0 ℃/min的速度升至190 ℃,再2.0 ℃/min的速度升至220 ℃,20 ℃/min的速度到280 ℃,保持1.63 min。質譜條件:電子轟擊離子源(EI),單四級桿質量分析器,離子源溫度200 ℃,接口溫度250 ℃;檢測方式:全掃描,掃描質量范圍40～400 m/z。

對硫磷殘留率的計算方法:

1.3 降解動力學模型的建立

一級動力學模型在總體上描述了農藥降解的一般規律[14-15]。在模擬的水溶液內AcEW降解有機磷農藥的體系中,假設AcEW和水中的有機磷農藥是符合Hamaker模型[16]的,即反應主要和農藥濃度、AcEW所含的ACC有關。則化學反應的關系式可以表示為:

OP+AcEW→product(s)

式(1)

公式(1)中,OP表示有機磷農藥(Organophosphorus Pesticide,OP),AcEW表示強酸性電解水。根據Hamaker公式,在反應過程中的有機磷農藥的反應速度可以表示為:

式(2)

即二級反應動力學方程(公式2)。其中,kapp是降解反應的二級動力學速率常數,[OP]是有機磷農藥的濃度,而[HOCl]是AcEW中的ACC。如果AcEW中的ACC的總量遠遠超過農藥的總量(過量),在一定時間內其ACC保持不變,則反應變成一級反應。對方程(2)積分后可得公式(3):

(d[OP])/dt=-kapp[HOCl][OP]

式(3)

式(4)

kobs=kapp[HOCl]

式(5)

可以看到,以t對ln([OP]t/[OP]0)作圖可以得到一條直線,該直線的斜率為kobs(公式4),即:一級動力學模型的速率常數(公式5)。

從公式(5)和公式(6)可以推算得到公式(7)。

HOCl→H++OCl-

式(6)

式(7)

1.4 數據處理

數據處理采用SPSS 16.0軟件(Statistical Product and Service Solutions,SPSS)。每組實驗重復三次,結果以平均值±標準差表示。處理間差異采用鄧肯氏(Duncan’s test)多重比較,顯著性水平為p<0.05。

2 結果與分析

2.1 模擬水溶液中不同AcEW對對硫磷的降解效果

如圖1所示,在3種不同ACC的AcEW溶液中,隨著時間延長,對硫磷含量均不斷降低,降解效果也明顯升高。當反應時間到5 min時,除了2 mg/L ACC處理組以外,5 mg/L和10 mg/L ACC處理中對硫磷的降解率已達到99%以上。AcEW對對硫磷的降解效果還與ACC有直接關系。在反應時間為1 min,反應溫度為(23±1) ℃條件下,隨著ACC增加AcEW對對硫磷的降解效果也增加,當ACC為2 mg/L時,AcEW對對硫磷的降解率為45.4%;ACC為5 mg/L時,降解率為68.2%;當ACC達到10 mg/L時,對降解率已達到92.0%以上。因此,AcEW對對硫磷的降解作用與其自身的ACC濃度和反應時間有直接關系。

圖1 AcEW在水溶液內對對硫磷的降解效果(23±1 ℃)Fig.1 Effect of AcEW treatment on the degradation of parathion in a model system(23±1 ℃)

2.2 模擬水溶液中不同AcEW對對硫磷的降解效果

2.2.1 一級動力學模型的建立在AcEW降解對硫磷的實驗中,對硫磷的初始濃度為2 mg/L(6.8 μmol/L),ACC為2 mg/L(38 μmol/L)。AcEW的ACC與對硫磷的摩爾濃度比例為5.58∶1,有效氯已相對過量,滿足了一級動力學反應模型的條件。以ln([OP]t/[OP]0)對反應時間t(min)作圖,并且根據公式(4)計算斜率,即為一級動力學速率常數(kobs)。AcEW 降解對硫磷的一級動力學模擬圖如圖2所示,其反應方程式為:

圖2 AcEW降解體系中對硫磷的一級動力學模型圖(23±1 ℃,ACC 2 mg/L)Fig.2 The first order kinetics of parathion in AcEW(23±1 ℃,ACC 2 mg/L)

經統計軟件分析,對硫磷在該條件下反應速率常數為kobs=0.594±0.029 min-1(或9.9±0.39 s-1),決定系數R2為0.972,該條件下的半衰期為T1/2=1.16 min(或70.1 s)。

2.2.2 二級動力學模型的建立由公式(4)和(5)中看出一級動力學速率常數kobs=kapp[HOCl],因此kobs隨著AcEW的ACC的不同而變化。結果顯示,對硫磷在不同ACC的AcEW(23±1 ℃,pH2.8)的降解效果遵守一級動力學模型(見圖3),并且隨著ACC的增加其一級動力學速率常數Kobs也有所增加。2、5、10 mg/L ACC相對應的Kobs分別為(9.90±0.39)×10-3、(17.61±2.03)×10-3、(38.46±1.45)×10-3s-1(見表2),并且其相對應的半衰期分別為70.0±6.0、39.4±1.4、18.0±1.0 s。

表2 AcEW降解對硫磷的一級動力學參數(23±1 ℃)Table 2 Linear model for the degradation kinetics of parathion in AcEW(23±1 ℃)

圖3 不同ACC的AcEW降解對硫磷的一級動力學模型圖(23±1 ℃)Fig.3 Degradation kinetics of parathion fitted to the linear model in different ACC level AcEW(23±1 ℃)

由公式(6)和公式(7)可以得出,kapp與pH有直接關系。Acero等[18]、Duirk等[19]在使用次氯酸鹽降解有機磷農藥時發現,每個pH都有相應的kapp,并計算出了每個pH的kapp值。在pH6.0～9.0之間,隨著次氯酸鹽溶液pH的增加,其kapp值相應減少。即次氯酸鹽溶液在ACC相同情況下,隨著溶液pH降低,其降解效率增加。在本次實驗中,以kobs作為Y軸,以ACC作為X軸作圖,進一步考察其線性關系,如果有線性關系,可認為反應符合二級動力學模型,其斜率就是二級動力學速率常數kapp。結果顯示,ACC與kobs之間具有線性關系(圖4),并且AcEW在(23±1) ℃、pH2.8條件下對對硫磷的降解反應中,其二級動力學速率常數kapp=(217.9±7.6)M-1S-1,R2=0.991(表3)。

圖4 ACC與Kobs的關系(23±1 ℃)Fig.4 The Relationships of ACC and kobs(23±1 ℃)

表3 AcEW降解對硫磷的二級動力學參數(23±1 ℃)Table 3 The second order kinetics parameters of pesticides(23±1 ℃)

根據二級動力學速率常數kapp,可以推測出對硫磷在pH2.8 AcEW中的二級動力學方程為:

2.3 對硫磷的降解產物分析

初始濃度為2 mg/L對硫磷經過pH2.8、ACC 10 mg/L AcEW降解后,當反應時間1 min的總離子流見圖5,圖中除了對硫磷以外還有發現4-硝基苯酚和對氧磷。對硫磷、4-硝基苯酚、對氧磷的保留時間分別為26.913 min、18.291 min和25.191 min。經NIST 05質譜庫驗證確定為對硫磷、4-硝基苯酚和對氧磷(匹配度>90%)(圖6～圖8)。與1 min的情況相比,反應10 min時總離子流中沒有發現對硫磷(圖9),說明對硫磷已經降解完畢,并且降解物4-硝基苯酚和對氧磷的含量明顯增加。4-硝基苯酚和對氧磷的保留時間分別為18.288 min和25.185 min。經NIST 05質譜庫驗證確定為4-硝基苯酚和對氧磷(匹配度>90%)。

圖5 對硫磷降解產物總離子流圖(AcEW,ACC 10 mg/L,反應時間 1 min)Fig.5 The TIC spectra of parathion(AcEW,ACC 10 mg/L,Treat time 1 min)

圖6 對硫磷質譜圖(RT=26.913 min)Fig.6 GC/MS spectra of CPO(RT=26.913 min)注：A:實際檢測質譜圖,B:NIST 05質譜庫數據。

圖7 4-硝基苯酚質譜圖(RT=18.291 min)Fig.7 GC/MS spectra of 4-nitrophenol(RT=26.913 min)注：A:實際檢測質譜圖,B:NIST 05質譜庫數據。

圖8 對氧磷質譜圖(RT=25.191 min)Fig.8 GC/MS spectra of paraoxon(RT=25.191 min)注：A:實際檢測質譜圖,B:NIST 05質譜庫數據。

圖9 對硫磷降解產物總離子流圖(AcEW,ACC 10 mg/L,反應時間 10 min)Fig.9 The TIC spectra of parathion(AcEW,ACC 10 mg/L,Treat time 10 min)

關于對硫磷在各種降解方法中產生的降解產物4-硝基苯酚和對氧磷的報道有很多。Duirk等[19]在研究次氯酸鹽降解有機磷農藥規律時認為對硫磷降解后會產生對氧磷;Wu等使用紫外和紫外/H2O2處理對硫磷時發現了共8種降解產物,其中4-硝基苯酚和對氧磷的含量最高[20];Yao等[21]超聲波處理對硫磷后分析其降解產物,檢測到的10種降解產物中4-硝基苯酚和對氧磷的含量最高,分別占母體對硫磷總量的20%和10%。在臭氧降解對硫磷的研究中對氧磷也是主要的降解產物[22]。

農藥的降解過程中是很復雜的化學過程,本實驗的總離子流圖里發現了很多降解產物,但某些成分因無法確定其化學結構,未能在本論文里進行詳細討論。有些降解產物可能在提取過程中因不易溶于提取溶劑或在其它提取過程中被流失,從而在質譜分析中可能會出現響應值較低或沒有響應。

2.4 降解途徑分析

AcEW的主要有效成分為HOCl,HOCl具有很強的氧化性和親電子性質[19,23]。AcEW是通過電解NaCl溶液而產生的,電解過程中除了產生HOCl,還產生·OH等自由基,在AcEW的殺菌機理方面Koseki[24]等和Xiong[25]等明確了AcEW中的有效氯,主要是HOCl所產生的·OH是殺滅微生物的主要物質;雖然臭氧也可以產生·OH,但高HOCl濃度的AcEW所產生的高含量·OH相比臭氧溶液是更為有效的殺菌物質。

光催化降解有機磷農藥過程中·OH攻擊有機磷農藥的P=S鍵而把原來的P=S鍵轉換成P=O鍵,這是光催化降解有機磷農藥的一個反應特性[26-27]。Davi等在紫外線/太陽光催化降解毒死蜱的研究中認為其降解產物由·OH引起的[28]。在AcEW降解農藥是個復雜的化學反應過程,作者認為AcEW把對硫磷降解成對氧磷和對硝基苯酚可能與HOCl和·OH共同參與的結果。如下為對硫磷在AcEW中降解途徑的假設(圖10)。

圖10 對硫磷在AcEW中的降解途徑假設Fig.10 Proposed degradation pathways of main parathion in AcEW

首先從對硫磷到對氧磷的途徑,可能有兩種途徑;一是HOCl的作用而產生對氧磷[17],即HOCl攻擊(1)的P=S鍵,把-H加到S上,-OCl加到P上,然后進一步反應產生含磷-硫-氧環的中間產物(4),產物(4)丟失S而產生對氧磷(5);另一個產生對氧磷的途徑可能是·OH的作用而引起的[24,29],即·OH攻擊(1)的P=S鍵,-OH加到P上,產生中間產物(3),中間產物(3)進一步脫氫產生磷-硫-氧環的中間產物(4)。