液相色譜法檢測油田廢水中多環芳烴

吳永花，郭進周，王 雨，張 琦，任召言，王興華

(1. 新疆油田公司實驗檢測研究院，新疆 克拉瑪依 834000; 2. 新疆維吾爾自治區油氣田環保節能工程研究中心，新疆 克拉瑪依 834000)

0 引 言

隨著我國“水十條”和“土十條”等政策相繼出臺，對環境中各類微量乃至痕量優先控制污染物的定量檢測提出更高要求。多環芳烴（PAHs）因其持久性、三致（致突變、致癌和致畸）作用以及生物蓄積性，被美國環保署（EPA）列為優先控制污染物名錄。PAHs在環境中的持久殘留，嚴重危害生態環境和人類健康[1]，成為需要重點監控對象之一。

多環芳烴的檢測方法主要有熒光法、氣相色譜-質譜法（GC-MS）、高效液相色譜-熒光/紫外檢測法等。GC-MS法定性能力強，但對高沸點的PAHs的分析存在一定困難。液相色譜法因靈敏度高，成本低，不受樣品熱穩定性影響而被廣泛使用[2]。萃取方式主要有傳統的液液萃取、索氏提取以及近年來新發展的分散液液微萃取、超分子溶劑提取、微波輔助萃取等技術[3-7]。由于油田廢水中僅有微量的PAHs，限制了一些富集倍數較低的萃取技術的應用。同時，油田廢水中PAHs也是多種同系物的復雜混合體系，在不同介質間能夠相互遷移轉化[8]，因此，油田廢水中微量PAHs的富集和定量檢測方法需要進行深入研究。本文針對油田廢水中有較多烴類干擾的特點，對PAHs檢測過程中的萃取劑、濃縮方式、凈化條件以及色譜條件等進行了優化，建立了液相色譜法測定油田廢水中PAHs的方法，實現了油田廢水中多環芳烴的準確測定，對于油田采出水水質提升、環境風險評估、土壤污染防治及修復具有重要意義[9]。

1 實驗部分

1.1 儀器設備

高效液相色譜儀（e2695，waters 公司）；真空旋轉蒸發裝置（YRE-2000B，鄭州予華儀器制造有限公司）；離心濃縮裝置（CENTRIFAN? PE，KD Scientific公司）；固相萃取裝置（SC-12，Alltech 公司）。

1.2 試劑與標準品

乙腈：色譜純；二氯甲烷：色譜純；硅膠柱：1000 mg/6.0 mL；16種 PAHs標準品（200 mg/L）：含十六種多環芳烴的乙腈溶液，包括萘、苊、二氫苊、芴、菲、蒽、熒蒽、芘、?、苯并[a]蒽、苯并[b]熒蒽、苯并[k]熒蒽、苯并[a]芘、茚并[1,2,3-c,d]芘、二苯并[a,h]蒽、苯并[g,h,i]苝。

1.3 儀器分析條件

所用儀器為沃特世e2695高效液相色譜儀，流動相為乙腈和水，其梯度洗脫程序為：0～5 min，50%乙腈；5～20 min，50%乙腈→100%乙腈；20～28 min，100% 乙腈→50% 乙腈；28～34 min，50% 乙腈。流動相流量為1.0 mL/min，柱溫30 ℃，進樣量10 μL。

1.4 實際樣品測定

1.4.1 萃取

用量筒量取1 000 mL水樣，倒入2000 mL的分液漏斗中，加入50 mL二氯甲烷，振搖5 min，靜置分層，收集下層有機相。重復萃取兩次，合并有機相，用無水硫酸鈉進行脫水干燥。

1.4.2 濃縮

用真空旋轉蒸發裝置將1.4.1中收集的有機相濃縮至1 mL。

1.4.3 凈化

若水樣石油類小于10 mg/L時無需凈化，只需進行溶劑轉換。在1.4.2的濃縮液中加入 3 mL乙腈，濃縮至1 mL以下，如此重復3次完成溶劑轉換，再準確定容到1 mL，待測。

若水樣石油類大于10 mg/L時，在1.4.2中的濃縮液中加入5 mL正己烷，再濃縮至 1 mL以下，重復3次，最后準確定容到1 mL待凈化。用 1g硅膠柱作為凈化柱，經過活化-平衡步驟后，將濃縮液加到柱上，再用 10 mL二氯甲烷/正己烷（1+1）洗滌凈化柱，收集洗脫液并濃縮至1 mL，之后同上加入乙腈進行溶劑置換、定容，待測。

1.4.4 檢測

按照1.3中的儀器條件進行上機測試。

2 結果與討論

2.1 前處理條件的優化

2.1.1 萃取方式篩選

二氯甲烷沸點低，對各種有機物溶解度大，與水不互溶，比重相差大，易于和水相分離，成為水樣提取的首選，故本實驗選取二氯甲烷作為萃取劑進行液液萃取。由于取樣量太少會導致富集倍數不夠，本實驗液液萃取樣品量確定為1 000 mL。分散液液微萃取是微量萃取劑在分散劑作用下形成有機微液滴，均勻地分散在樣品水溶液中，從而形成水/萃取劑/分散劑乳濁液體系，目標物被萃取到有機相中，在水樣及微量萃取劑之間得到萃取平衡，最后離心分層[3]，此方法溶劑使用量少，利于環保，近年來發展較快。本論文使用1 mL乙腈作為分散劑，16 μL四氯乙烷作為萃取劑進行分散液液微萃取。通過對1 L實際水樣進行加標，對兩種萃取方式的回收率進行對比，結果如表1所示。

表1 不同萃取方式水樣加標回收結果

結果表明，加標量為 1.0 μg和 2.0 μg時，分散液液微萃取與液液萃取的回收率沒有明顯差別。但是，加標量為0.15 μg時，由于富集倍數的差異，分散液液微萃取富集后的濃度低于檢出限，回收率為0。油田廢水中PAHs濃度較低，本文選擇二氯甲烷液液萃取PAHs。

2.1.2 濃縮方式選擇

王超等[10]對旋轉蒸發和自動濃縮儀進行濃縮效果比較，發現僅依靠旋轉平底燒瓶，使瓶內壁產生很薄的萃取液膜從而加速蒸發溶劑，濃縮方式較溫和，可減少低環數PAHs的損失，顯著提高其回收率。但由于該濃縮方式蒸發速度非常慢，在日常檢測中不易推廣普及。本文通過對1 L實際水樣進行加標，研究不同濃縮方式對回收率的影響，見表2。

表2 不同濃縮方式水樣加標回收結果

結果表明，真空旋轉蒸發導致部分PAHs的回收率偏低，實驗發現主要是低環數的PAHs。離心濃縮時，不同碳數的PAHs回收率比較均勻，均在80%以上。由于離心濃縮耗時長，不利于批量樣品檢測，本文研究了真空旋轉蒸發和離心濃縮相結合的濃縮效果，先用真空旋轉蒸發濃縮萃取溶劑，再用離心濃縮進行溶劑置換，回收率也均在80%以上。這主要是由于乙腈沸點較高，需要升高溫度才能實現溶劑置換，此時在真空旋轉蒸發時，會造成部分低環數PAHs的損失。

2.1.3 凈化方式比較

油田廢水處理后，石油類一般為5 ～8 mg/L，均低于10 mg/L，考慮到石油類成分主要是烴類，可能會對PAHs的檢測有影響，本文對1 L實際水樣進行加標，對比了硅酸鎂固相萃取柱凈化和未凈化兩種方式對PAHs回收率的影響，回收率見表3。

表3 不同凈化方式水樣加標回收結果

結果表明，經過凈化后，由于固相萃取柱存在少量吸附作用，導致PAHs回收率稍低于未經過凈化的一組。未經過凈化的樣品，色譜圖前面有較多雜峰，但是均不在目標物的保留時間范圍內，不影響目標物的定量檢測。因此，本論文對外排口廢水檢測時，均不凈化，對于調儲罐，或者其他節點廢水檢測時，視石油類的含量而定。

2.2 色譜條件的優化

2.2.1 色譜柱選擇

用普通的ODS柱進行分析時，苊與芴出峰合并，苯并[ghi]苝和茚并[1,2,3-cd]芘出峰合并，16種PAHs的分離效果不理想。經過調研發現，PAHs的專用柱對16種多環芳烴化合物的分離效率遠遠高于C18柱[11]，因此，本文對ZORBAX SBC18和沃特世PAHs專用柱（PAHs 4.6 mm×250 mm×5 μm）進行分離度的對比研究，結果見圖1和圖2。

圖1 ZORBAX SB-C18色譜柱譜

圖2 沃特世PAHs專用柱譜圖

結果表明，沃特世PAHs專用柱可以實現16種PAHs的完全分離。因此，選擇沃特世PAHs專用柱對油田廢水中16種PAHs進行分離。

2.2.2 16種PAHs的定性與保留時間確認

不同的PAHs在不同波長下響應值差異很大[12]，而且16種PAHs混合標樣(一般直接購買市售混標，如果購買16種單標再配成混標，毒性強，價格貴)中含有部分雜質，在譜圖上總出峰大于16個，很難確定各物質的出峰順序和保留時間[13]。本研究通過PDA上純度的檢驗功能來確認各個峰沒有共流出組分，在不會對提取標準紫外光譜圖造成干擾的情況下，利用PDA的紫外光譜掃描得到16種PAHs的標準紫外光譜譜圖。將得到的紫外光譜圖和HJ 478—2009[14]中16種PAHs的最大吸收波長對比，從而可以建立標準譜庫，再調取3D譜圖中各個峰的紫外光譜圖，確定16種PAHs在沃特世多環芳烴專用柱上的保留時間。

確定16種PAHs的保留時間后，本文對比了安捷倫VWD檢測器和沃特世PDA檢測器的靈敏度，如圖3、圖4所示。結果表明，PDA檢測器靈敏度略低于VWD檢測器，因此本文選擇具有可調波長功能的安捷倫VWD檢測器進行樣品定量分析。

圖3 50 μg/L 時，VWD檢測器出峰情況

圖4 100 μg/L時，PDA檢測器出峰情況

2.3 標準曲線和方法的檢出限、精密度及準確度

2.3.1 標準曲線的繪制

一是圍繞新時代需求的生產升級滯后。新時代需求不斷升級，對終端產品的使用價值、品牌價值要求更高，對中間工業品的定制化、智能化、服務化需求增長。對應的生產升級必須依靠創新，但是大連企業創新能力普遍不強。一些企業常見的創新舉措就是引進吸收和拿來主義，缺乏自主創新意識和能力，熱衷通過上項目、搞基建、拼資源和更換生產設備來推進短期產出增長和掙快錢，對創新研發投入不夠。從主要城市全社會R&D經費占GDP投入強度來看，大連為2.23%，青島為2.81%，南京為3.05%，杭州為3.1%，上海為3.78%，深圳為4.1%，北京為5.78%，這也反映了大連社會創新投入的差距。

首先用乙腈將16種PAHs標準品（200 mg/L）稀釋配制成濃度為200 μg/L 的PAHs標準儲備液。移取標準儲備液1 mL至100 mL容量瓶中，用乙腈定容，配制2.0 μg/mL的標準中間液。再分別取中間液 0.25，0.5，1，2.5，5 mL至 10 mL 容量瓶，用乙腈定容，配制成濃度分別為 0.05，0.1，0.2，0.5，1.0 μg/mL的標準使用液，做標準曲線，標準曲線相關系數均＞0.999 9，結果見表4。

表4 16種多環芳烴線性方程及相關系數

選用1 mg/L的標準樣品進行中間點檢驗，由峰面積反算出其濃度，結果均在0.982～1.003之間，說明標準曲線穩定性較好。

2.3.2 準確度

空白水樣中加入16種PAHs 的標準品，添加濃度分別為 0.05 μg/L、0.15μg/L 和 1 μg/L。如表5所示，16種PAHs的平均加標回收率在65.9%～109%之間。

表5 16種多環芳烴加標回收率

2.3.3 檢出限

表6 16種多環芳烴方法檢出限μg/L

2.4 實際樣品分析

對某油田3個不同地點的廢水水樣進行PAHs分析，首先進行石油類檢測，結果見表7，均小于10 mg/L，因此無需凈化。之后，對廢水樣品進行16種PAHs的測定，如表7所示，三個地點的廢水中檢測出少量的萘和蒽，其余14種PAHs均未檢出。污水綜合排放標準（GB 8978—1996）[15]中要求苯并芘低于 0.03 μg/L，因此該油田 1#、2#、3#廢水均滿足標準要求。

表7 實際水樣測定結果

3 結束語

本文建立了液相色譜法測定油田廢水中16種PAHs的方法。該方法通過溫和的溶劑轉換模式，保證低環數多環芳烴的回收率，并對色譜條件進行了優化，利用二極管陣列檢測器的純度檢驗功能實現PAHs的準確定性，利用多環芳烴專用柱實現了各物質的完全分離。新建方法分離效果好，準確度高，可以實現油田廢水中多環芳烴的準確分析，有助于及時監測油田各節點廢水中PAHs的含量變化，為油田環保決策提供數據支撐。