丁春生，章夢青，鄒邦文，李乃軍

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蘇氨酸氯化生成飲用水中消毒副產(chǎn)物三氯丙酮的機(jī)制

丁春生，章夢青，鄒邦文，李乃軍

（浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014）

摘要:為了考察飲用水中消毒副產(chǎn)物三氯丙酮（TCAce）的形成過程和影響因素，采用氣相色譜-質(zhì)譜法，以甲基叔丁基醚為萃取劑，1,2-二溴丙烷為內(nèi)標(biāo)物，建立了消毒副產(chǎn)物三氯丙酮（TCAce）的測定方法。以 L-蘇氨酸為前體，考察在不同反應(yīng)條件下三氯丙酮的生成效果，并探討了TCAce的形成途徑。結(jié)果表明:TCAce的生成量在堿性條件下高于中性和酸性條件，在5.5～8.5的pH范圍內(nèi)，隨著pH的增大而逐漸提高。在試驗(yàn)條件下，當(dāng)氯投加量由5.46 ml增加到21.84 ml時(shí)，TCAce的生成量隨投氯量的增加而增加。當(dāng)前體物L(fēng)-蘇氨酸投加量由59.6 mg·L-1增加到476.4 mg·L-1時(shí)，TCAce的生成量隨投加量的增大而減小，當(dāng)反應(yīng)溫度由10℃增加到30℃時(shí)，TCAce的生成量隨之增加。HClO氯化L-蘇氨酸形成TCAce的過程包含7個(gè)步驟，包括取代、氧化、氨基重氮化和還原等復(fù)雜的過程。

關(guān)鍵詞：色譜；溶劑萃?。蝗缺?；前體；過程控制；形成機(jī)制

引 言

在飲用水處理中采用氯作為消毒劑會產(chǎn)生多種消毒副產(chǎn)物[1-3]，如生成三鹵甲烷、鹵乙酸、鹵代硝基甲烷等，這些消毒副產(chǎn)物對人體有致癌、致畸和致突變作用[4-7]。隨著水源污染問題日益突出，需要嚴(yán)格控制常規(guī)氯化消毒副產(chǎn)物如三鹵甲烷(THMs)、鹵乙酸( HAAs) 等在飲用水中的含量。氯代丙酮（CAces）是THMs形成過程中的重要中間產(chǎn)物[8]，其中三氯丙酮（TCAce）發(fā)生堿催化水解生成 THMs(CHCl3)。同時(shí)，氯代丙酮本身也是DBPs，廣泛存在于飲用水中，早有研究發(fā)現(xiàn)，二氯丙酮（DCAce）和三氯丙酮（TCAce）的細(xì)胞毒性和基因遺傳毒性較強(qiáng)，能夠破壞DNA和染色體，具有致癌、致畸和致突變作用[9]。

目前，國內(nèi)外較缺乏有關(guān)氯代丙酮（CAces）形成機(jī)理和控制方法的研究。因此系統(tǒng)地研究CAces形成過程及控制方法，將促進(jìn)飲用水安全領(lǐng)域的發(fā)展。DBPs的前驅(qū)物種類眾多[10]，一些小分子有機(jī)物如氨基酸等是原水中前驅(qū)物質(zhì)的重要來源[11-12]，氨基酸類化合物是水體中廣泛存在的污染物[13]。有研究發(fā)現(xiàn)水體中的氨基酸是氯代丙酮類消毒副產(chǎn)物的前體[14-16]，蘇氨酸是一種常見的氨基酸，廣泛地應(yīng)用于有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域[17]。本文將以L-蘇氨酸為前體，考察TCAce的形成過程和影響因素，并探討TCAce的形成途徑。

1　試驗(yàn)部分

1.1 試劑、材料與儀器

試劑與材料:L-蘇氨酸、氫氧化鈉、鹽酸、氯化銨、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鉀和無水硫酸鈉均為分析純試劑，混標(biāo)（內(nèi)含TCAce）標(biāo)準(zhǔn)品、甲基叔丁基醚和1,2-二溴丙烷均為市售色譜純試劑。

試驗(yàn)所用儀器主要為:島津國際貿(mào)易（上海）有限公司GC-MS QP2010plus型氣質(zhì)聯(lián)用儀；Hach公司Sension 3型pH測定儀；dragon公司1000 μl移液槍；華利達(dá)HYG- II Refrigerator shaker型恒溫振蕩器；Sartorius公司BS223S型電子天平；寧波新芝生物科技有限公司超聲波掃頻清洗機(jī)。

1.2 溶液配制

1.2.1 配制L-蘇氨酸溶液 用電子天平稱取0.1191 g 的L-蘇氨酸固體，將其溶于去離子水中，并加去離子水至1000 ml，即得到119.1 mg·L-1的L-蘇氨酸溶液。

1.2.2 配制磷酸緩沖溶液 分別用電子天平稱取14.58 g的磷酸氫二鈉和3.53 g的磷酸二氫鉀，并加蒸餾水至1000 ml，振蕩至全部溶解后，所得緩沖溶液的pH即為7.0。

1.2.3 配制氯化銨溶液 用電子天平稱取1.0698 g 的NH4Cl固體，并加蒸餾水至50 ml。粉末全部溶解后，所得的溶液為21.396 g·L-1。

1.2.4 配制目標(biāo)物三氯丙酮 該試驗(yàn)中選用的TCAce標(biāo)準(zhǔn)液濃度為2.0 mg·ml-1，選用甲基叔丁基醚對 TCAce標(biāo)準(zhǔn)液稀釋，稀釋后濃度達(dá)到 20 μg·ml-1，放于棕色瓶中避光冷藏保存。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用液液萃取(LLE)和GC-MS進(jìn)行檢測[18]。取不同濃度的L-蘇氨酸溶液（59.6、119.1、238.2、476.4 mg·L-1），加入50 ml的pH=7.0的磷酸緩沖溶液，分別控制溶液的pH（5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5）、投氯量（5.46、10.92、16.38、21.84 ml）和溫度（10、20、30℃），定容至1000 ml，此時(shí)記為反應(yīng)開始時(shí)間。取反應(yīng)液100 ml至錐形瓶中，一定時(shí)間后（5、10、20、30、50、70、100、160、240 min），加入氯化銨溶液終止反應(yīng)，氯化銨的投加量約為初始投氯量的2倍，快速振蕩錐形瓶，取樣分析。

1.4 分析方法

1.4.1 水樣的預(yù)處理

（1）取25 ml水樣置于萃取瓶中，用電子天平稱取已在600℃的馬弗爐中烘2 h的無水硫酸鈉8 g倒入萃取瓶中，放在振蕩器 (720 r·min-1) 上振蕩，至全部溶解。

（2）移取2 ml MTBE萃取劑（內(nèi)標(biāo)1,2-二溴丙烷濃度為150 μg·L-1）于上述已經(jīng)加入水樣的萃取瓶中，然后放在上述已經(jīng)調(diào)好振蕩速度的振蕩器上振蕩5 min，振蕩結(jié)束后取下靜置5 min待其分層。

（3）移取適量的（0.5～1 ml）上層液體（即醚層）于1 ml的樣品瓶中，密封后放入GC-MS中分析。

1.4.2 分析條件

（1）色譜條件:進(jìn)樣口的溫度為150℃,檢測器的溫度為250℃，柱頭壓為109.2 kPa，離子源采用EI電子源，電子能量70 eV；溶劑延遲時(shí)間5 min，不分流進(jìn)樣1 μl。

（2）升溫程序:柱箱初始溫度為35℃，保持5 min；然后以20℃·min-1的速率升高至120℃；再以 30℃·min-1的速率升高至 160℃；最后以 20 ℃·min-1的速率升高至180℃，并保持5 min。

（3）色譜條件:色譜柱為Rtx-5毛細(xì)管色譜柱，載氣為高純氦氣，定量離子TCAce為m/z 43（參考離子m/z 117），1,2-二溴丙烷為m/z 41，采用SIM模式定量TCAce測定濃度。

1.4.3 繪制工作曲線 用20 μg·ml-1混標(biāo)溶液配制濃度為5、10、20、40、70、100 μg·L-1的標(biāo)準(zhǔn)溶液用于校正，并采用GC-MS對這6個(gè)樣品進(jìn)行分析。按以上試驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以響應(yīng)值-濃度繪制TCAce的工作曲線。內(nèi)標(biāo):將1,2-二溴丙烷溶解于甲基叔丁基醚（MTBE）中，進(jìn)行稀釋得到ρ=150 μg·L-1的標(biāo)準(zhǔn)溶液。最后所得到標(biāo)準(zhǔn)曲線相關(guān)系數(shù)大于0.99，因此該標(biāo)準(zhǔn)曲線的直線線性良好。

圖1和圖2是100 μg·L-1的含TCAce的消毒劑混標(biāo)在SIM模式下的氣相色譜圖。

圖1　TCAce在GC-MS中的色譜圖Fig.1 Chromatogram of TCAce on GC-MS

圖2　內(nèi)標(biāo)1,2-二溴丙烷在GC-MS中的色譜圖Fig.2 Chromatogram of TSTD on GC-MS

由圖1和圖2可知，TCAce的保留時(shí)間為6.558 min，內(nèi)標(biāo)1,2-二溴丙烷（TSTD）的保留時(shí)間為6.765 min，TCAce和內(nèi)標(biāo)得到了較好的分離。每個(gè)定性的組分的濃度根據(jù)其所產(chǎn)生的峰面積與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)所產(chǎn)生的峰面積的比進(jìn)行定量。

2　結(jié)果與討論

2.1 三氯丙酮形成的影響因素

2.1.1 pH對反應(yīng)過程的影響 在 L-蘇氨酸投加量為119.1 mg·L-1，投氯量為21.84 ml，T=20℃，pH=5.5～8.5的條件下，考察pH對L-蘇氨酸氯化生成TCAce的影響，所得結(jié)果如圖3所示。

圖3　pH對L-蘇氨酸氯化生成TCAce的影響Fig.3 Effect of pH on TCAce formation

從圖3可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，TCAce的生成濃度逐步升高，反應(yīng)的前30 min是快速生成階段，TCAce的生成量基本上可以達(dá)到總量的80%～90%，30～70 min是慢速生成階段，70 min以后TCAce的生成基本停止。同時(shí)pH越大，TCAce的生成濃度也越大，在達(dá)到堿性條件時(shí)，TCAce的生成量明顯升高。這主要是因?yàn)榇温人岬娜跛嵝远a(chǎn)生的氧化和取代反應(yīng)。

HClO是弱酸，在水中部分電離，因此在不同pH條件下溶液中HClO和ClO-的分布不同，當(dāng)pH 為5.5時(shí)，HClO和ClO-的分布系數(shù)分別為0.99，0.88；當(dāng)pH增加至8.5時(shí)，HClO和ClO-的分布系數(shù)分別為0.08和0.99[19]。HClO和ClO-在化學(xué)反應(yīng)中不僅有氧化作用而且也會有取代作用。

從式（1）和式（2）可知，標(biāo)準(zhǔn)電極電位HClO/Cl-比 ClO-/Cl-的高[20]。因此，HClO主要存在于酸性條件下，因此對于L-蘇氨酸而言氧化作用強(qiáng)于取代作用；溶液中ClO-主要存在于堿性條件，ClO-的氧化能力不是很強(qiáng)，因此L-蘇氨酸取代作用強(qiáng)于氧化作用。所以，當(dāng)pH升高TCAce生成量也會隨之增加[21]。

2.1.2 投氯量對反應(yīng)過程的影響 在pH=7.0，投加L-蘇氨酸119.1 mg·L-1，T=20℃，加氯5.46～21.84 ml時(shí)，考察投氯量對L-蘇氨酸生成TCAce的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4　投氯量對L-蘇氨酸氯化生成TCAce的影響Fig.4 Effect of chlorine dosage on TCAce formation

從圖4可知，反應(yīng)進(jìn)行70 min后，氯的投加量由5.46 ml按5.46 ml幅度增加到21.84 ml時(shí)，生成的TCAce漸漸增大，分別為4.069、10.328、17.580 和21.680 μg·L-1?？赡艿脑蛑皇请S著氯投加量的增加，會氯化越來越多的L-蘇氨酸，因此生成更多的TCAce[22]。

2.1.3 溫度對形成過程的影響 當(dāng)投加 L-蘇氨酸119.1 mg·L-1，加氯21.84 ml，pH=7.0，T=10～30℃時(shí)，考察溫度的變化對L-蘇氨酸氯化生成TCAce的影響，結(jié)果見圖5。

從圖5中可知，反應(yīng)進(jìn)行70 min后，當(dāng)溫度從10℃增加到30℃時(shí)，生成的TCAce越來越多，分別為8.858、17.580和18.239 μg·L-1。這主要是因?yàn)殡S著溫度增加，分子動(dòng)能也會增加，不同分子之間發(fā)生碰撞的概率也會越大，因此，生成的TCAce就越多。所以，溫度對L-蘇氨酸氯化形成TCAce的過程有很大的影響，在10～30℃范圍內(nèi)，當(dāng)溫度逐漸升高TCAce的生成量也越來越多[23]。

圖5　溫度對L-蘇氨酸氯化生成TCAce的影響Fig.5 Effect of reaction temperature on TCAce formation

2.2 TCAce的形成

生成TCAce的反應(yīng)過程如下。

前3步的反應(yīng)為L-蘇氨酸被HClO取代生成三氯代L-蘇氨酸

然后式（6）生成的產(chǎn)物繼續(xù)和HClO反應(yīng)，碳鍵斷裂

最后兩步反應(yīng)為式（7）生成的產(chǎn)物首先氨基重氮化，然后再還原成H原子，最終生成TCAce

L-蘇氨酸氯化生成TCAce的路徑如下[24]

3　結(jié) 論

（1）在L-蘇氨酸氯化生成TCAce過程中，pH、投氯量、溫度和L-蘇氨酸投加量都是TCAce生成的重要影響因素。TCAce的生成量在堿性條件下比中性和酸性條件下高，隨著pH的增大而逐漸提高。當(dāng)投氯量由5.46 ml增加到21.84 ml時(shí)，TCAce的生成量隨著投氯量的增加而增加。在L-蘇氨酸氯化形成TCAce的過程中溫度起著非常重要的作用，從10～30℃溫度逐漸升高TCAce的生成量越來越大。

（2）HClO氯化L-蘇氨酸形成TCAce首先是HClO與L-蘇氨酸發(fā)生取代反應(yīng)，L-蘇氨酸被取代生成三氯代 L-蘇氨酸；然后，三氯代 L-蘇氨酸被HClO氧化；接著，上一步的反應(yīng)產(chǎn)物在HClO的作用下碳鍵斷裂；最后，上一步反應(yīng)產(chǎn)物中的氨基重氮化后再被還原，生成TCAce。

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2015-12-15收到初稿，2016-04-08收到修改稿。

聯(lián)系人及第一作者:丁春生（1965—），男，博士，教授。

Receievd date: 2015-12-15.

中圖分類號:X 131.2；R 123.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:0438—1157（2016）07—3010—06

DOI:10.11949/j.issn.0438-1157.20151906

基金項(xiàng)目:浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（Y5110339）；浙江省公益性技術(shù)應(yīng)用研究計(jì)劃項(xiàng)目（2012C23055）。

Corresponding author:Prof. DING Chunsheng, dingcs99@163.com supported by the Natural Science Foundation of Zhejiang Province (Y5110339) and the Public Welfare Technology Applied Research Projects of Zhejiang Province(2012C23055).

Mechanism of chlorination of threonine disinfection by-product trichloroacetone in drinking water

DING Chunsheng, ZHANG Mengqing, ZOU Bangwen, LI Naijun
(College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, Zhejiang, China)

Abstract:In order to inspect the process of L-threonine chloride to TCAce and its influencing factors, a novel method using methyl tertiary butyl ether (MTBE) as extractant and 1,2-dibromopropane as internal standard for the determination of the disinfection by-products trichloroacetone (TCAce) by gas chromatography mass spectrometry(GC-MS) was described.The formation process of TCAce and its influencing factors were discussed with L- threonine as the precursor during the chloramination process.It was indicated from the formation process that the TCAce amount produced increased with the increase of pH value from 5.5 to 8.5. Under the experimental conditions, it was also shown that when the chlorine dosage increased from 5.46 to 21.84 ml, the TCAce formation amount increased. It was also shown that when the L-threonine dosage increased from 59.6 to 476.4 mg·L-1, the TCAce formation amount decreased. Temperature affected the TCAce formation from L-threonine a lot, especially in the range of 10—30℃. The TCAce formation amount increased with the increase of temperature. The formation process of TCAce chlorided by L-threonine contained substitution, oxidation reaction, amino diazotation, reduction and a series of complicated reaction.

Key words:chromatography; solvent extraction; TCAce; precursor; process control; formation mechanism