微反應(yīng)器中有機(jī)磷水樣的光催化降解及總磷在線檢測(cè)

朱曉婷 朱哲欣 葉美英

(杭州師范大學(xué)，材料與化學(xué)化工學(xué)院，杭州 31121)

1 引 言

磷是水生植物和藻類生長(zhǎng)的主要營(yíng)養(yǎng)元素之一，大量磷的存在容易導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化。水體中的磷污染主要來(lái)源于農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活污水[1,2]。在廢水和天然水中, 磷通常會(huì)以有機(jī)磷或磷酸鹽(正磷酸鹽、縮合磷酸鹽)的形式存在，總磷的量難以直接檢測(cè)，通常需要預(yù)處理。常規(guī)的總磷測(cè)定預(yù)處理方法是通過(guò)高溫高壓消解[3]、氧化消解[4]、微波消解[5]或超聲消解[6]等方法將有機(jī)磷或不同價(jià)態(tài)的無(wú)機(jī)磷轉(zhuǎn)化為正磷酸鹽[7]。這些消解方法或者需要高溫高壓條件和強(qiáng)氧化劑輔助，或者需要專業(yè)設(shè)備，操作繁瑣，二次污染嚴(yán)重。

光催化氧化技術(shù)是一種樣品預(yù)處理新技術(shù)，具有無(wú)二次污染、反應(yīng)條件溫和、反應(yīng)效率高、能量消耗低、催化劑可以重復(fù)使用、設(shè)備簡(jiǎn)單、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[8]，能使多數(shù)難降解的有機(jī)污染物完全降解。因此，光催化氧化消解法被越來(lái)越多地用于有機(jī)物的消解和環(huán)境監(jiān)測(cè)的樣品預(yù)處理中[9]。Li等[10]通過(guò)TiO2光催化氧化降解蔬菜樣品中有機(jī)磷農(nóng)藥除線磷，并用絲網(wǎng)印刷微碳電極檢測(cè)光降解產(chǎn)物。在最優(yōu)條件下，光催化降解20 min，除線磷的檢測(cè)限可達(dá)2.0 nmol/L。然而，這些方法光催化效率不高，通常需要幾十分鐘完成光催化預(yù)處理[11～13]，且所測(cè)定的樣品濃度范圍較小，不適合測(cè)定mg/L級(jí)的有機(jī)磷樣品,如環(huán)境污染水樣。Jung等[14]研制了總磷測(cè)定的芯片實(shí)驗(yàn)室，并采用光催化降解作為樣品預(yù)處理方法，標(biāo)準(zhǔn)磷酸鹽的線性范圍為0.001～0.01 mg/mL，對(duì)未知樣的檢測(cè)結(jié)果與傳統(tǒng)的總磷測(cè)定方法一致。然而，該方法需以K2S2O8作為氧化劑，且光催化反應(yīng)需要20 min以上，光催化反應(yīng)的效率不理想。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器與試劑

TS2-60型注射泵(保定蘭格恒流泵有限公司)； NSHU590B型 UV-LED光源(日本NICHIA公司)； DFZ-6020型真空干燥箱(上海精密實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)； TU-1900型雙光束紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(配流通池，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司)。

毒死蜱(99%，阿拉丁試劑有限公司)； TiO2(P25)粉末(德國(guó)Evonik Degussa公司)； 無(wú)水乙醇(中國(guó)杭州長(zhǎng)征化學(xué)試劑有限公司)； H2SO4(廣州化學(xué)試劑廠)； NaOH(杭州蕭山化學(xué)試劑廠)； 濃HCl、K2HPO4、抗壞血酸、鉬酸銨和酒石酸銻鉀 (國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)。所用試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為二次去離子水。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1標(biāo)準(zhǔn)溶液及樣品溶液的配制K2HPO4標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液(含P 50 mg/L): K2HPO4粉末于110℃干燥2 h，在置于干燥器中冷卻至室溫。稱取0.022 g于燒杯中，加水溶解，再加入1 mL H2SO4，用水稀釋至100 mL。使用時(shí)稀釋至所需濃度。毒死蜱溶液: 稱取99%毒死蜱0.0086 g，用乙醇溶解至15.2 mL，配成含50 mg/L P的儲(chǔ)備液。使用時(shí)用水稀釋至所需濃度，并用濃鹽酸HCl或NaOH 調(diào)節(jié)至所需pH值。

圖1 有機(jī)磷光催化降解及在線檢測(cè)微分析系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic illustration of microanalysis system for degradation of organic phosphorus and online detection of total phosphorus

2.2.2光催化微反應(yīng)器的制備通過(guò)光刻、濕法刻蝕、低溫預(yù)鍵合及高溫鍵合等技術(shù)加工制作微流控芯片[16](圖1)。將5% TiO2粉末溶膠在微流控芯片通道內(nèi)連續(xù)涂層5次，置于馬福爐內(nèi)，420℃處理6 h。冷卻后取出，在微通道內(nèi)壁形成了一層厚度約為2 μm的多孔TiO2薄膜[9]。以UV-LED點(diǎn)光源為紫外光源，置于芯片上方一定高度處，使紫外光斑照射芯片通道。用紫外輻照計(jì)測(cè)定芯片通道處的光強(qiáng)，調(diào)節(jié)UV-LED光源與芯片之間的距離，以保證微流控芯片所有通道都能被光源的光斑照射，且光強(qiáng)最大。芯片通道部分的面積為1.71 cm2，芯片通道長(zhǎng)210 mm,寬0.57 mm, 深0.12 mm，用于樣品消解。此時(shí)UV-LED的光照面積為6.28 cm2，光照強(qiáng)度為120 mW/cm2。

2.2.3總磷的在線檢測(cè)如圖1，用注射器將含磷的樣品溶液、抗壞血酸、鉬酸鹽分別以適當(dāng)流速注入微流控芯片的A、B、C入口。在芯片的出口D處用硅膠管(i.d. 0.5mm)導(dǎo)入紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的流通池(體積為100 μL)，對(duì)光降解后的產(chǎn)物進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。用一只注射泵調(diào)節(jié)含磷樣品注射器的流速，另一只注射泵同時(shí)調(diào)節(jié)裝有鉬酸鹽和抗壞血酸注射器的流速，使其按一定比例進(jìn)行反應(yīng)，使生成的藍(lán)色絡(luò)合物磷鉬藍(lán)濃度最大。根據(jù)國(guó)標(biāo)法[3](GB 11893-1989)，在700 nm處采用時(shí)間掃描模式測(cè)定生成的磷鉬藍(lán)的吸光度。

2.2.4國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定總磷參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法[3](GB 11893-1989)中高氯酸-硝酸的消解方法，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)磷酸鹽及池塘水樣進(jìn)行消解、稀釋、檢測(cè)。

3 結(jié)果與討論

3.1 有機(jī)磷光降解及總磷測(cè)定原理

(1)

圖2 有機(jī)磷樣品在線檢測(cè)時(shí)間掃描圖Fig.2 Online detection of photo degraded organic phosphorus sample

3.2 顯色條件優(yōu)化

3.2.1有機(jī)磷溶劑選擇大部分有機(jī)磷標(biāo)準(zhǔn)樣品都以乙醇為溶劑。然而，本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)乙醇空白溶液在700 nm處的吸光度就達(dá)到1.182(見(jiàn)圖3A(c))。而且，在毒死蜱的乙醇溶液中，隨著毒死蜱濃度升高，其降解產(chǎn)物的吸光度沒(méi)有明顯變化，如圖3B(e)所示。這可能由于發(fā)酵法生產(chǎn)乙醇的工藝中使用約2.0～3.5 g/L的磷酸鹽[19]等作為酶的營(yíng)養(yǎng)鹽，且發(fā)酵后的產(chǎn)物中包含0.11 g/g AIM(堿性可溶物)的磷酸鹽[20], 因而乙醇中含有較高濃度的磷酸鹽。為了消除乙醇中磷酸鹽的干擾，以水為溶劑對(duì)高濃度毒死蜱的乙醇溶液進(jìn)行稀釋。將總磷含量50 mg/L的毒死蜱儲(chǔ)備液(溶劑為乙醇)分別用水和乙醇稀釋100倍，均配成0.5 mg/L毒死蜱溶液。如圖3A(b) 所示，用水稀釋的毒死蜱溶液光降解后產(chǎn)物吸光度比乙醇為溶劑時(shí)同濃度的吸光度明顯降低，且吸光度隨樣品濃度升高而增大(圖3B(f))，從而消除了乙醇中磷酸鹽的干擾。

圖3 不同溶劑的有機(jī)磷溶液光降解產(chǎn)物紫外吸收光譜圖(A)及其對(duì)有機(jī)磷水樣測(cè)定的影響(B)a.1%乙醇(空白)水溶液，b. 0.50 mg/L毒死蜱水溶液，c. 乙醇，d. 0.50 mg/L毒死蜱乙醇溶液，e. 不同濃度的毒死蜱水溶液，f. 不同濃度的毒死蜱乙醇溶液Fig.3 UV-vis absoption spectra of photocatalytic degradation products in different solvents (A) and effect of solvent on organic phosphorus sample detection (B)a. 1% Ethanol in deionized water; b.0.50 mg/L chlorpyrifos in deionized water; c. Ethanol; d.0.50 mg/L chlorpyrifos in ethanol; e. Different concentrations of chlorpyrifos in deionized water； f. Different concentrations of chlorpyrifos in ethanol

3.2.2抗壞血酸和鉬酸鹽濃度鉬酸鹽與抗壞血酸的比例會(huì)影響磷鉬藍(lán)絡(luò)合物的生成，從而影響測(cè)定靈敏度。如圖4a所示，當(dāng)抗壞血酸濃度為3.0 g/L時(shí)，產(chǎn)物的吸光度值達(dá)到最大。在抗壞血酸3.0 g/L條件下，鉬酸鹽濃度為8.0 g/L時(shí)，產(chǎn)物吸光度值最高，如圖4b所示。因此，選擇抗壞血酸濃度為3.0 g/L，選擇鉬酸鹽濃度為8.0 g/L。

3.3 光催化反應(yīng)條件的優(yōu)化

3.3.1樣品液流速的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)樣品流速與抗壞血酸及鉬酸鹽流速比例為2.6∶1時(shí)，顯色反應(yīng)能夠順利進(jìn)行，并且產(chǎn)生藍(lán)色絡(luò)合物。在保持兩者流速比例不變的條件下，改變樣品液和抗壞血酸、鉬酸鹽的流速。如圖5所示，當(dāng)樣品液的流速較高時(shí)，毒死蜱在通道中停留時(shí)間太短，光催化降解不充分，顯色反應(yīng)產(chǎn)物的吸光度隨著流速增大而迅速降低。樣品液流速為300 μL/h時(shí)產(chǎn)物吸光度最大。再減小反應(yīng)液流速，產(chǎn)物吸光度反而下降，可能是部分水在光催化作用下生成H2O2而氧化抗壞血酸，導(dǎo)致吸光度下降。因此, 選擇樣品液和鉬酸鹽、抗壞血酸的流速分別為300和120 μL/h。

圖4 抗壞血酸濃度(a)及鉬酸鹽濃度(b)對(duì)降解產(chǎn)物磷鉬藍(lán)的吸光度的影響Fig.4 Effect of concentration of ascorbic acid (a) and molybdate (b) on detection of organic phosphorus sample

圖5 樣品流速對(duì)生成的磷鉬藍(lán)的吸光度的影響Fig.5 Effect of flow rate of sample on detection of organic phosphorus sample

3.3.2樣品pH值有機(jī)磷試劑在堿性條件下易水解，有利于在光降解過(guò)程中生成正磷酸鹽。然而，在堿性條件下，抗壞血酸更不穩(wěn)定，易被光降解過(guò)程中產(chǎn)生的微量O2氧化，顯色效率降低。當(dāng)樣品液pH=6.0時(shí)，毒死蜱光降解產(chǎn)物生產(chǎn)的磷鉬藍(lán)吸光度最大。因此，在進(jìn)行光催化前，選擇用稀HCl調(diào)節(jié)樣品至pH=6.0。實(shí)際水樣在測(cè)定前也將pH值調(diào)至6.0。

圖6 K2HPO4濃度與光降解產(chǎn)物吸光度關(guān)系曲線: (a)光催化降解在線檢測(cè)； (b)國(guó)標(biāo)法Fig.6 Relationship between phosphate absorbance of photodegradation products a. On-line detection after photocatalysis; b. Detection following national standard method

3.3.3檢測(cè)磷酸鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液的線性范圍在上述最佳條件下，考察了不同濃度的磷酸鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液與吸光度關(guān)系曲線，如圖6a所示，總磷含量在0.05～5.00 mg/L范圍內(nèi)吸光度與濃度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，線性回歸方程為y=0.1125x+0.1702(其中，y為吸光度，x為磷酸鹽含磷濃度)，R2=0.9904。對(duì)空白溶液測(cè)定21次，計(jì)算吸光度的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ為0.4875×10-3，根據(jù)檢出限公式(式(2))計(jì)算出檢出限為0.013 mg/L。

(2)

同時(shí)，本研究采用水質(zhì)中總磷測(cè)定的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)方法(GB 11893-1989)考察了標(biāo)準(zhǔn)磷酸鹽的總磷標(biāo)準(zhǔn)曲線，如圖6b所示，磷酸鹽濃度在0.020～0.30 mg/L范圍內(nèi)與吸光度呈良好的線性關(guān)系，線性回歸方程為y=2.345x+0.162，R2=0.985。

表1 有機(jī)磷樣品的總磷在線測(cè)定

Table 1 Online detection of the total phosphorus of organic phosphorus samples

樣品Sample總磷Total phosphorus(TP) (mg/L)A平均AAverageRSD(%, n=5)總磷計(jì)算值Calculated TP(CTP) (mg/L)測(cè)量誤差Error(E, %)毒死蜱樣品Chlorpyrifos samples0.10.1811.70.0960儊4.160.50.2232.50.469儊6.201.00.2443.80.656儊34.4池塘水樣Water sample from poolTP(pool)0.2012.00.274儊9.87a稀釋的池塘水樣(國(guó)標(biāo)法)[3]Diluted pool water sample detectedby national standard method[3]12TP(pool)0.5193.60.152-注(Note): E=(CTP-TP)TP×100%; a. 池塘水樣的測(cè)量誤差是以國(guó)標(biāo)法的測(cè)量值為總磷理論值計(jì)算而得。a. The Error of the Pool Water sample is calculated with the CTP detected following GB 11893-1989.

4 結(jié) 論

以納米TiO2涂層微流控芯片為光催化微反應(yīng)器，以UV-LED為光源，建立了有機(jī)磷光催化降解及總磷在線檢測(cè)的微分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水樣中有機(jī)磷的高效光催化降解,并用紫外流通池檢測(cè)器進(jìn)行總磷在線分析。在最佳條件下，有機(jī)磷的光催化反應(yīng)時(shí)間僅為30 s，光降解效率較為穩(wěn)定，完成一個(gè)樣品測(cè)定的時(shí)間約為15 min。本研究采用的光催化微反應(yīng)器可對(duì)含磷量為0.10～0.50 mg/L的有機(jī)磷樣品進(jìn)行在線光催化預(yù)處理，大大簡(jiǎn)化了總磷測(cè)定過(guò)程中樣品預(yù)處理操作，節(jié)省了預(yù)處理時(shí)間和所需的酸性及強(qiáng)氧化性試劑，是一種綠色、環(huán)保、簡(jiǎn)便、靈敏的總磷快速檢測(cè)方法。然而，本方法的檢測(cè)器死體積還較大(100 μL)，使得檢測(cè)時(shí)間大大增加，因此研究新的死體積小、靈敏度高的在線檢測(cè)器是下一步研究的重點(diǎn)。