趙嵩山,楊先海,魏夢碧,劉會會
(南京理工大學(xué)環(huán)境與生物工程學(xué)院,江蘇 南京 210094)
藥品與個人護理品(PPCPs)作為一類新興環(huán)境污染物受到了廣泛關(guān)注,PPCPs種類繁多、性質(zhì)各異,它們可以通過多種途徑進入環(huán)境中,從而對生態(tài)環(huán)境和人類健康產(chǎn)生潛在危害。三氯生(TCS)由于其高效的廣譜殺菌性,廣泛應(yīng)用于肥皂、牙膏、沐浴露等日常護理品中。TCS通過生活污水,醫(yī)療或工業(yè)廢水、養(yǎng)殖業(yè)廢水和垃圾滲濾液等途徑進入自然水體,導(dǎo)致其在環(huán)境中較高的檢出率[1]。研究表明,TCS具有很強的內(nèi)分泌干擾效應(yīng),會損害魚類的發(fā)育和繁殖健康。在光催化作用下,TCS會轉(zhuǎn)化為毒性更強的2,8-二氯二苯并對二噁英,并在水生生物中富集,最終危害人類健康[2-3]。三氯卡班(TCC)作為TCS的替代品逐漸被引入日用品中,在環(huán)境中也被頻繁檢出。研究表明,TCC會破壞藻類的細(xì)胞膜,影響其生物功能和組成結(jié)構(gòu)[4],進而破壞水生生態(tài)系統(tǒng);TCC在泥螺體內(nèi)富集以后,可以促進其胚胎細(xì)胞的產(chǎn)生[5];TCC可以增加人體細(xì)胞中由睪酮控制的基因表達,導(dǎo)致前列腺增大[6]。
準(zhǔn)確獲取環(huán)境中PPCPs的濃度,對于評估其帶來的環(huán)境風(fēng)險、制定管控措施具有重要意義。要測定環(huán)境中污染物的濃度,第一步是采集適量的環(huán)境樣品。傳統(tǒng)上,樣品的采集方式是抓取式采樣(主動采樣),其核心步驟為:樣品采集-提取-凈化-濃縮-儀器分析[7]。主動采集的水樣體積有限,這增加了水體中處于痕量水平的新興污染物的監(jiān)測難度。近年來發(fā)展起來的被動采樣技術(shù)在很大程度上克服了以上缺點,它利用目標(biāo)物質(zhì)在環(huán)境介質(zhì)與吸附相之間的逸度差,基于分子擴散或滲透原理使目標(biāo)物質(zhì)富集在吸附相上[8]。與主動采樣技術(shù)相比,被動采樣不需要電力或動力系統(tǒng),溶劑使用量少,受環(huán)境中雜質(zhì)的干擾小[9-10]。
任何一個被動采樣裝置的核心部分都是用來捕獲目標(biāo)物的結(jié)合相。環(huán)狀大分子物質(zhì)(如冠醚、環(huán)糊精、環(huán)芳烴、葫蘆脲)具有疏水性的空腔,可以作為目標(biāo)物的載體或滲透通道,利用分子間作用力或空間構(gòu)型匹配,實現(xiàn)對目標(biāo)物的采集。為了對比不同環(huán)狀大分子的功效,首先以葫蘆脲分子為基體,以醋酸纖維素為載體,制備葫蘆脲聚合膜;其次,通過序批式吸附實驗考察葫蘆脲聚合膜對TCS和TCC的吸附性能;最后,將葫蘆脲聚合膜用于自行研制的被動采樣裝置,研究其測定TCS和TCC的可行性。
儀器:Agilent Technologies 1260高效液相色譜儀(美國Agilent公司);JSM-6380型掃描電子顯微鏡(日本電子株式會社);TGA/SDTA851型熱重分析儀(上海梅特勒-托利多公司);Nicolet is10型紅外光譜儀(美國Thermo Fisher公司)。
試劑:甘脲(98%,分析純)、乙二醛(40%的水溶液)、多聚甲醛和六亞甲基二異氰酸酯(99%,分析純)都購于阿拉丁公司;三氯生(97%,色譜純)、三氯卡班(98.7%,色譜純)、過硫酸鉀(99.5%,分析純)和丙酮(99.5%,分析純)都購于麥克林公司;二丁基二月桂酸錫(90%,化學(xué)純)和醋酸纖維素(98%,分析純)都購于國藥集團化學(xué)試劑有限公司。
Poroshell 120液相色譜柱(150 mm×4.6 mm×4 μm,美國Agilent公司);柱箱溫度為40 ℃;進樣量為10 μL;TCS檢測波長為281 nm;TCC檢測波長為265 nm;流動相為甲醇-水(V∶V=3∶1);TCC和TCS的出峰時間分別為7.2和8.0 min。
葫蘆脲膜由甘脲和多聚甲醛聚合、分離純化后制得[11]。(1)將葫蘆脲在酸性條件下被過硫酸鉀氧化為羥基葫蘆脲,具體步驟為:①三口圓底燒瓶中加入葫蘆脲、過硫酸鉀和純水,85 ℃反應(yīng)8 h,反應(yīng)過程中需通入氮氣去除溶解的氧氣;②冷卻至室溫,減壓濃縮,加入丙酮析出白色沉淀,過濾得到的固體為粗羥基葫蘆脲;③繼續(xù)用二甲基甲酰胺溶解固體至固體不再減少,析出的絮狀白色固體為純度較高的羥基葫蘆脲[12]。(2)利用羥基葫蘆脲制備葫蘆脲膜,具體步驟為:①取適量的醋酸纖維素與羥基葫蘆脲置于具塞錐形瓶中,加入二甲基甲酰胺,在40 ℃水浴中恒溫攪拌,靜置去除氣泡;②將瓶內(nèi)溶液倒在玻璃板上,用玻璃棒推膜,浸于去離子水中,得到厚度約為0.1 mm的膜。
(1) 傅里葉紅外光譜。真空干燥除去膜樣品中的水分,膜樣品置于硒化鋅(ZnSe)原件上,光以45°入射,累計掃描32次,掃描范圍500~4 000 cm-1。
(2) 掃描電鏡。先將干燥后的樣品粘在樣品座上的導(dǎo)電膠帶上,然后將樣品座置于蒸金室中鍍金,最后進行掃描電鏡測試。測試條件:加速電壓為10.0 kV,放大倍數(shù)為300倍。
(3) 熱重分析。將聚合膜干燥,剪切至0.001 g大小,稱量后置于坩堝中。熱重分析的加熱速度設(shè)定為10 ℃/min,氮氣流速為100 mL/min,將膜從50 ℃加熱至700 ℃,記錄聚合膜的質(zhì)量變化。
1.5.1 吸附動力學(xué)實驗
將1 cm2的葫蘆脲膜或醋酸纖維素膜加入20 mL含有2 mg/L TCS或0.5 mg/L TCC的溶液中,將樣品放到25 ℃、150 r/min條件下振蕩0.5~60 h,每個樣品設(shè)3個平行樣。待吸附完成后取出膜,使用10 mL甲醇超聲萃取3次,氮吹濃縮至1 mL,測定膜上的吸附量。準(zhǔn)二級動力學(xué)模型方程為:
(1)
式中:Qe——吸附平衡時的吸附量,mg/g;Qs,t——t時刻的吸附量,mg/g;K2——吸附速率常數(shù),g/(mg·min);t——吸附時間,h。
1.5.2 等溫吸附實驗
將1 cm2的葫蘆脲膜或醋酸纖維素膜加入含有TCS和TCC的20 mL溶液中,其中TCS的質(zhì)量濃度范圍設(shè)置為0.5~4 mg/L,TCC的質(zhì)量濃度范圍設(shè)置為0.1~0.8 mg/L。每個質(zhì)量濃度設(shè)3個平行,在25 ℃、150 r/min下振蕩36 h,待吸附平衡后取出膜,用10 mL甲醇超聲萃取3次,氮吹濃縮至1 mL,測定膜上的吸附量。Freundlich等溫吸附模型方程為:
(2)
式中:Qe——吸附平衡時的吸附量,mg/g;Ce——吸附平衡時溶液中化合物的質(zhì)量濃度,mg/L;Kf——吸附常數(shù),反映膜的吸附容量;1/n——吸附指數(shù),反映膜表面異質(zhì)程度及對化合物的吸附強度,1/n越小,說明吸附性能越好。
魏夢碧等[13]基于薄膜梯度擴散原理,以環(huán)糊精聚合膜為結(jié)合相,瓊脂糖膠膜為擴散相,玻璃纖維濾膜為保護相,以不銹鋼濾網(wǎng)為保護套,研發(fā)了一種新型動力學(xué)被動采樣裝置。為了對比不同環(huán)狀大分子的功效,現(xiàn)以葫蘆脲膜替代環(huán)糊精膜,采用相同的采樣裝置,來采集并測定水體中TCS和TCC的濃度。
考慮到自然水體中含有鹽離子和有機質(zhì),本實驗的模擬水樣中含有10 mg/L腐殖酸和10 mmol/L氯化鈉。配置2 L含有0.5 mg/L TCS和 0.1 mg/L TCC的模擬水樣,每個水樣中懸掛放置一個采樣裝置,容器被密封并遮擋避光。每個樣品設(shè)置2個平行,保持室溫(25±3) ℃,磁力攪拌器轉(zhuǎn)速為400 r/min。采樣7 d后取出采樣裝置,將其拆卸,取出葫蘆脲膜,用30 mL甲醇萃取3次,每次超聲30 min,合并萃取液,氮吹濃縮至1 mL,測定膜上目標(biāo)物的富集量。利用1.5的定量方法,反推溶液中的化合物濃度。同時,采用固相萃取法測定溶液中實際的化合物濃度。
考察了3種環(huán)境因素(pH值、離子強度和可溶性有機質(zhì))對被動采樣裝置性能的影響。其中pH值設(shè)定為5,7,9,采用緩沖溶液配制;離子強度的影響采用1,10和100 mmol/L的氯化鈉溶液考察;可溶性有機質(zhì)的影響采用0.1,1,10 mg/L的腐殖酸溶液考察。
實驗室內(nèi)分別配置上述9種條件下的水樣,都含有0.5 mg/L TCS和0.1 mg/L TCC。將采樣裝置懸掛放置到2 L上述樣品中,密封避光。樣品中化合物定量方法同1.5。
在南京市秦淮河布設(shè)采樣點S1(32.073oN,118.735oE)和S2(31.966oN,118.822oE)。每個采樣點布設(shè)2個采樣器,用浮球、尼龍繩和水泥磚將采樣器安置在水面以下1 m。采樣時間為7 d(2019年9月9日—16日),野外環(huán)境溫度19~27 ℃。采集結(jié)束后,取出采樣裝置,放入冰袋,帶回實驗室。然后拆卸、取出葫蘆脲膜,純水沖洗1次,放入甲醇萃取3次,氮吹濃縮至1 mL,測定膜上的吸附量。利用1.5的定量方法,反推溶液中的化合物濃度。同時,采樣結(jié)束時,用主動采樣方法原位采集10 L水樣,放入棕色玻璃瓶,帶回實驗室。水樣經(jīng)過過濾后,用固相萃取方法萃取水樣,甲醇洗脫、氮氣濃縮、定容至1 mL,測定目標(biāo)化合物的濃度。
文獻[13]曾證明采樣裝置的部件,如不銹鋼網(wǎng)、玻璃纖維濾膜、瓊脂凝膠擴散膜、不銹鋼螺絲、聚四氟乙烯墊圈等對TCC和TCS都沒有明顯的吸附作用。實驗表明,實驗中所用的純水、溶劑、膜中都不含有TCC和TCS。吸附實驗和被動采樣研究中所有的樣品都設(shè)置3個平行。
目標(biāo)物在葫蘆脲膜上的洗脫效率通過以下步驟進行測定:將1 cm2的葫蘆脲膜加入含有0.2和4 mg/L的TCS溶液,以及含有0.05和0.8 mg/L的TCC溶液中,每個樣品設(shè)3個平行樣,將樣品放到25℃、150 r/min條件下振蕩36 h。待吸附完成后,計算目標(biāo)物的洗脫效率。
2.1.1 紅外光譜分析
制備的醋酸纖維素膜和葫蘆脲膜的紅外光譜見圖1。由圖1可見,醋酸纖維素膜的主要特征峰是:1 369 cm-1處為—CH3變角振動峰,1 030 cm-1處為C—O伸縮振動峰,3 000~3 200 cm-1處為O—H伸縮振動峰。而葫蘆脲膜除了具有醋酸纖維素膜的特征峰以外,在3 450 cm-1左右出現(xiàn)了葫蘆脲上NH的特征峰,這證實了葫蘆脲分子的存在。
圖1 醋酸纖維素膜和葫蘆脲膜紅外光譜
2.1.2 掃描電子顯微鏡分析
采用掃描電子顯微鏡觀察聚合膜表面的形態(tài)結(jié)構(gòu)。圖2(a)(b)為醋酸纖維素膜和葫蘆脲膜的掃描電鏡圖。對比可以看出加入葫蘆脲分子使膜材料的表面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,膜表面更加致密。
圖2 醋酸纖維素膜和葫蘆脲膜掃描電鏡圖
2.1.3 熱重分析
通過熱重分析儀考察膜的熱穩(wěn)定性。醋酸纖維素膜和葫蘆脲膜的熱重分析見圖3,由圖3可見,2種膜在300 ℃之前基本沒有降解,在300 ℃左右開始降解,300~400 ℃質(zhì)量快速損失,在400 ℃之后損失變慢。醋酸纖維素膜的總質(zhì)量損失為85%,葫蘆脲膜的總質(zhì)量損失為80%,這說明葫蘆脲膜具有更好的熱穩(wěn)定性。
圖3 醋酸纖維素膜和葫蘆脲膜的熱重分析
2.2.1 吸附動力學(xué)
TCS和TCC在醋酸纖維素和葫蘆脲膜上的吸附量隨時間的變化趨勢見圖4(a)(b)。
圖4 醋酸纖維素膜和葫蘆脲膜對TCS和TCC的吸附動力學(xué)曲線
由圖4可見,TCS吸附較快,24 h就能達到吸附平衡;而TCC的吸附較TCS慢,在36 h才能達到平衡。動力吸附數(shù)據(jù)用準(zhǔn)二級動力學(xué)模型擬合,擬合結(jié)果見表1。由表1可見,模型擬合的相關(guān)系數(shù)R2均>0.96,這說明準(zhǔn)二級動力學(xué)模型能很好地描述膜對2種目標(biāo)化合物的吸附行為。
通過對比2種膜的擬合參數(shù)可以看出,醋酸纖維素膜的吸附速率(K2)均>葫蘆脲膜的吸附速率,說明葫蘆脲分子的引入減慢了化合物在膜中的擴散速率。這是由于葫蘆脲分子堵塞了膜的孔道,使得膜更加致密,這與之前掃描電鏡觀察結(jié)論一致。然而,對比Qe可以看出,葫蘆脲膜的吸附能力是醋酸纖維素膜吸附能力的3倍,這說明葫蘆脲分子的引入增強了膜的吸附容量,其原因可能是葫蘆脲分子增加了膜中羥基的數(shù)量,使得膜與目標(biāo)化合物之間的氫鍵作用增強。此外,葫蘆脲的疏水性空腔會包絡(luò)目標(biāo)化合物,使得更多的化合物被膜截留下來,使吸附作用更強。
表1 吸附動力學(xué)數(shù)據(jù)和等溫吸附數(shù)據(jù)的模型擬合參數(shù)
2.2.2 等溫吸附
醋酸纖維素膜和葫蘆脲膜對TCS和TCC的等溫吸附數(shù)量無法用Langmuir方程擬合,這說明吸附過程不是單分子吸附。2種膜對TCS和TCC的等溫吸附Freundlich方程擬合結(jié)果見圖5(a)(b),由圖5可見,F(xiàn)reundlich模型擬合效果較好,擬合參數(shù)見表1。由擬合參數(shù)可見,模型擬合的相關(guān)系數(shù)R2均>0.96,這說明Freundlich等溫吸附模型能很好地描述膜對2種目標(biāo)化合物的吸附行為。
圖5 醋酸纖維素膜和葫蘆脲膜對TCS和TCC的等溫吸附擬合結(jié)果
表1的擬合參數(shù)中,Kf反映膜的吸附容量,對比數(shù)據(jù)可以看出,葫蘆脲膜對TCS的吸附容量是醋酸纖維素膜的10倍,對TCC的吸附容量是醋酸纖維素膜的4倍,這說明葫蘆脲分子的引入大大增加了膜的吸附能力,這與吸附動力學(xué)中的結(jié)論一致。1/n是吸附指數(shù),其值越小,說明膜對化合物的吸附強度越大。通過對比可以看出,對于2種化合物,葫蘆脲膜的吸附強度都大于醋酸纖維素膜。進一步證明葫蘆脲分子所帶來的氫鍵作用和包絡(luò)作用,對于提高膜的吸附性能具有很大的貢獻。
在水中目標(biāo)物濃度較低和較高的情況下,吸附膜均能獲得較高的洗脫效率是對吸附膜的重要要求之一。洗脫實驗結(jié)果見表2,由表2可知,經(jīng)過36 h等溫吸附以后,TCS在低濃度下的洗脫效率為115%,在高濃度下的洗脫效率為91.4%;TCC在低濃度下的洗脫效率為112%,在高濃度下的洗脫效率為109%。這說明甲醇作為這2種目標(biāo)物的洗脫試劑,均能得到較高的洗脫效率。
表2 不同濃度的目標(biāo)物在葫蘆脲膜上的洗脫效率
圖6(a)(b)為葫蘆脲膜采樣裝置用于監(jiān)測水樣中TCS和TCC的示意圖,其定量公式為:
(3)
式中:Cw——外界環(huán)境中目標(biāo)化合物質(zhì)量濃度,mg/L;D——目標(biāo)物在擴散層的擴散系數(shù),cm2/s;M——擴散膜上的目標(biāo)化合物質(zhì)量,μg;A——采樣器接觸基質(zhì)的窗口面積,cm2;t——采樣時間,s;Δg——擴散層厚度,cm;d——擴散邊緣層厚度,cm。采樣裝置擴散系數(shù)可由修正過的Othmer-Thakar公式[14]計算得到,其中TCS的擴散系數(shù)為7.08×10-6cm2/s,TCC的擴散系數(shù)為5.83×10-6cm2/s;目標(biāo)物在葫蘆脲膜上的吸附量經(jīng)由甲醇萃取、氮吹、濃縮等前處理過程,最后由液相色譜測得;采集窗口面積為0.196 cm2,采集時間為7 d,擴散層厚度和邊界層厚度之和采用經(jīng)驗值0.02 cm[15-16]。
圖6 被動采樣裝置和采樣裝置應(yīng)用體系示意圖
根據(jù)公式(3),由采樣裝置采集監(jiān)測到的模擬溶液中ρ(TCS)為0.516 mg/L,ρ(TCC)為0.078 6 mg/L。此外,本研究還用傳統(tǒng)的固相萃取法將剩余模擬溶液進行前處理,由此得到的ρ(TCS)為0.467 mg/L,ρ(TCC)為0.068 2 mg/L。原始配置的含有0.5 mg/L TCS和0.1 mg/L TCC的模擬水樣中,被動采樣裝置得到的化合物回收率為79%~103%,固相萃取方法得到的化合物回收率為68%~93%,2種方法都得到了良好的測定結(jié)果。將被動采樣方法與固相萃取方法得到的濃度進行顯著性分析(成對t檢驗),均得到p>0.05,所以被動采樣方法與傳統(tǒng)的固相萃取方法測定的結(jié)果相吻合,無顯著性差異,這證實了該被動采樣裝置用于測定水環(huán)境中TCS和TCC的可行性。
環(huán)境因素對采樣結(jié)果的影響是考察采樣裝置工作穩(wěn)定性的依據(jù)?,F(xiàn)考察了3種環(huán)境因素,即pH值、離子強度、可溶性有機質(zhì)對葫蘆脲膜采樣裝置的影響。不同實驗條件下,測量TCS和TCC模擬水樣得到的質(zhì)量濃度和回收率見表3。
表3 不同環(huán)境因素對采樣裝置采樣性能的影響
由表3可見,3個不同pH值條件下,TCS的回收率為97.8%~108.4%,TCC的回收率為87.9%~95.6%,這說明pH值對被動采樣裝置的工作性能影響不大,這主要是因為目標(biāo)化合物TCS和TCC屬于中性化合物,不易隨著酸堿度的改變而解離。3個不同離子強度條件下,TCS的回收率為97.6%~101.6%,TCC的回收率為87.2%~96.7%,這說明離子強度對被動采樣裝置工作性能的影響也不大。離子強度的作用主要是影響目標(biāo)物在溶液中的溶解度,本實驗TCS和TCC的濃度設(shè)置都遠(yuǎn)小于各自的溶解度,而且被動采樣裝置測定的是自由溶解態(tài)的目標(biāo)物,所以離子強度對采樣結(jié)果無影響。3個不同可溶性有機質(zhì)的條件下,TCS的回收率為82.4%~102.8%,TCC的回收率為78.6%~86.5%,這說明可溶性有機質(zhì)對被動采樣裝置工作性能的影響也不大。可溶性有機質(zhì)主要是通過絡(luò)合作用減少溶液中自由溶解態(tài)的目標(biāo)物,由表3可見,10 mg/L腐殖酸條件下,2個目標(biāo)物的回收率略低,這可能是由于有機質(zhì)的絡(luò)合作用所致。然而,對不同有機質(zhì)條件下的數(shù)據(jù)進行顯著性分析(成對t檢驗),p> 0.05,無顯著性差異,因此有機質(zhì)的影響也可以忽略。這證實了所研制的被動采樣裝置在不同的環(huán)境因素下都具有良好的工作穩(wěn)定性。
為了進一步驗證采樣裝置用于環(huán)境監(jiān)測的可行性,現(xiàn)將采樣裝置布設(shè)到南京市秦淮河的2個采樣點,野外監(jiān)測到的目標(biāo)物濃度見表4。將主動采樣方法和被動采樣方法得到數(shù)據(jù)進行成對t檢驗,得到的p=0.609(>0.05),說明2種方法得到的數(shù)據(jù)沒有顯著性差異,證實了該被動采樣裝置用于監(jiān)測實際水體中TCS和TCC的可行性。
由表4可知,不管是TCS還是TCC,S2點位目標(biāo)物的濃度都>S1點位的濃度。結(jié)合野外背景勘察發(fā)現(xiàn),S1點位于秦淮河和長江的匯合處,水流較急,水深較大,水面較寬,可能由于稀釋作用,使得目標(biāo)物濃度低。而S2位于南京市內(nèi),水流速度較小,水深和河面寬度也比S1小,周圍有居民區(qū)、服裝廠和工業(yè)園。TCC和TCS都屬于殺菌劑,日常洗漱用品中均含有,人口密集地區(qū)排放更多,而且S2的水利條件不利于污染物的擴散,因此監(jiān)測到了更高濃度的TCC和TCS。
表4 主動采樣和被動采樣方法得到的野外環(huán)境中目標(biāo)物質(zhì)量濃度 ng/L
以醋酸纖維素為載體,制備了葫蘆脲聚合膜,紅外光譜、掃描電鏡、熱重分析結(jié)果表明,葫蘆脲分子確實被引入到膜中,該膜具有良好的致密性和熱穩(wěn)定性。以TCS和TCC為模型化合物,序批式吸附實驗表明,葫蘆脲膜比醋酸纖維素膜具有更強的吸附容量和吸附強度,這主要歸因于葫蘆脲分子帶來的氫鍵作用和包絡(luò)作用,證實了葫蘆脲分子在吸附化合物中的重要貢獻。對模擬水樣測定時,得到的化合物回收率為79%~103%,而且在不同環(huán)境因素下都具有良好的工作穩(wěn)定性,證實了以葫蘆脲膜為結(jié)合相的被動采樣技術(shù)監(jiān)測這2種物質(zhì)的可行性,進一步證明環(huán)狀大分子在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域?qū)⒕哂袕V闊的應(yīng)用前景。