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        氣相色譜法同時(shí)測(cè)定制藥企業(yè)廢氣中多種揮發(fā)性有機(jī)物

        2015-06-09 23:15:44姜建彪任愛玲楊麗麗
        中國環(huán)境監(jiān)測(cè) 2015年1期
        關(guān)鍵詞:二硫化碳異丙醇丁酯

        馮 媛,呂 溪,姜建彪,宋 玉,任愛玲,楊麗麗

        1.石家莊市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,河北 石家莊 050022 2.河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,河北 石家莊 050018

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        氣相色譜法同時(shí)測(cè)定制藥企業(yè)廢氣中多種揮發(fā)性有機(jī)物

        馮 媛1,呂 溪2,姜建彪1,宋 玉2,任愛玲2,楊麗麗1

        1.石家莊市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,河北 石家莊 050022 2.河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,河北 石家莊 050018

        針對(duì)典型制藥產(chǎn)品青霉素、阿莫西林、維生素C、對(duì)乙酰氨基酚生產(chǎn)過程的揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)排放特點(diǎn),建立了吸附-解吸-氣相色譜法同時(shí)檢測(cè)制藥企業(yè)廢氣中丙酮、乙酸乙酯、異丙醇、苯、甲苯、乙酸丁酯和正丁醇等7種特征VOCs的分析方法。采用活性炭采樣管采樣-二硫化碳解吸-毛細(xì)管色譜柱分離,在解吸時(shí)間30 min、柱溫35 ℃保持6 min、30 ℃/min速率升溫到200 ℃保持2 min的色譜分析條件下,各揮發(fā)性有機(jī)物可以實(shí)現(xiàn)良好的分離;7種物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)曲線相關(guān)系數(shù)為0.999 8~0.999 9,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.1%~3.2%,檢出限為0.004 mg/m3~0.014 mg/m3,7種物質(zhì)的解吸效率為83.1%~105.1%。結(jié)果表明,該方法適用于典型制藥企業(yè)固定污染源排放廢氣中特征VOCs的測(cè)定。

        氣相色譜法;制藥企業(yè)廢氣;揮發(fā)性有機(jī)物;吸附;解吸

        揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)是一類有機(jī)化合物的統(tǒng)稱,通常是指在常壓下沸點(diǎn)低于260 ℃或室溫時(shí)飽和蒸氣壓大于71 Pa的有機(jī)化合物[1]。其危害主要表現(xiàn)在2個(gè)方面:一是嚴(yán)重危害人體健康;二是VOCs在一定條件下可產(chǎn)生光化學(xué)煙霧,破壞大氣臭氧層,導(dǎo)致大氣酸性化[2]。制藥企業(yè)由于在生產(chǎn)過程中經(jīng)常要使用大量有機(jī)溶劑,因此外排尾氣中VOCs種類較多,而且溶劑揮發(fā)導(dǎo)致在生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)會(huì)產(chǎn)生大量VOCs污染[3],成為大氣中VOCs的主要污染源之一。

        課題組前期對(duì)8家典型的發(fā)酵類和化學(xué)合成類制藥企業(yè)的溶劑使用狀況進(jìn)行了調(diào)研和監(jiān)測(cè),初步研究成果表明,青霉素工業(yè)鹽、維生素C、維生素B12、阿莫西林等典型產(chǎn)品生產(chǎn)過程排放的廢氣中特征VOCs主要為丙酮、異丙醇、乙酸乙酯、乙酸丁酯、正丁醇、苯、甲苯等。目前我國VOCs污染防治基礎(chǔ)較為薄弱,技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系不健全,國內(nèi)VOCs的相關(guān)監(jiān)測(cè)方法尚不能滿足同時(shí)監(jiān)測(cè)制藥企業(yè)廢氣中多種VOCs的要求,如:用于測(cè)定環(huán)境空氣中VOCs(以罐采樣/GC-MS法和熱脫附/GC-MS法為主)的監(jiān)測(cè)方法[4-5],由于設(shè)備昂貴、監(jiān)測(cè)成本高、資金力量相對(duì)薄弱的縣、市級(jí)基層環(huán)境監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)難于普及,不便于常規(guī)監(jiān)測(cè)分析,且方法主要適用于環(huán)境空氣中微量或痕量VOCs的測(cè)定,對(duì)于高濃度的制藥工業(yè)廢氣適用性較差;針對(duì)工業(yè)廢氣和工作場(chǎng)所特定VOCs的監(jiān)測(cè)[6-8],以及單項(xiàng)采樣、單項(xiàng)分析的國家標(biāo)準(zhǔn)等[9-12],存在對(duì)制藥企業(yè)的針對(duì)性不強(qiáng)的問題。

        為此,該文建立了使用活性炭采樣管采樣-二硫化碳解吸-毛細(xì)管柱氣相色譜法定性定量分析丙酮、乙酸乙酯、異丙醇、苯、甲苯、乙酸丁酯和正丁醇等制藥企業(yè)廢氣中特征VOCs的方法。該方法應(yīng)用于制藥企業(yè)廢氣中特征VOCs的測(cè)定,具有操作方便快捷、節(jié)省時(shí)間等優(yōu)點(diǎn),取得了滿意的效果。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 儀器與試劑

        Agilent 6890N氣相色譜儀,配有FID檢測(cè)器;GH-1型活性炭采樣管(6 mm×80 mm,溶劑解吸型,分A、B段,A段100 mg活性炭,B段50mg活性炭);天平;微量注射器(5 μL,10 μL,100 μL);具塞試管(5 mL);LH-1智能空氣微塵/氣體采樣器。

        標(biāo)準(zhǔn)品:丙酮(色譜純)、異丙醇(色譜純)、乙酸乙酯(色譜純)、乙酸丁酯(色譜純)、乙醇(優(yōu)級(jí)純)、正丁醇(優(yōu)級(jí)純),二硫化碳中苯(1 000 μg/mL),二硫化碳中甲苯(1 000 μg/mL);二硫化碳(色譜純);高純氮?dú)?>99.999%);氫氣(>99.999%)。

        1.2 標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液的配制

        標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液:10 mL容量瓶中加入5 mL的二硫化碳,在恒溫恒濕(25 ℃,相對(duì)濕度50%)條件下準(zhǔn)確稱重后,向其中依次加入丙酮7.78 mg、乙酸乙酯8.80 mg、異丙醇7.81 mg、乙酸丁酯8.78 mg、正丁醇8.10 mg, 用二硫化碳定容至刻度線,得到標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液,各物質(zhì)質(zhì)量濃度:丙酮778 μg/mL,乙酸乙酯880 μg/mL,異丙醇781 μg/mL,乙酸丁酯878 μg/mL,正丁醇810 μg/mL;另有二硫化碳中苯(1 000 μg/mL)和二硫化碳中甲苯(1 000 μg/mL)的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。

        1.3 樣品處理

        1.3.1 樣品采集與保存

        采樣現(xiàn)場(chǎng)將活性炭采樣管兩端敲開,用連接管將采樣管A段與采樣儀器的采樣管連接,B段與儀器的流量計(jì)量箱和抽氣泵連接,以0.2~0.6 L/min的流量采氣,采樣時(shí)長(zhǎng)可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整,廢氣中目標(biāo)化合物含量越高采樣時(shí)間越短,一般以10~60 min為宜。采樣完畢,將采樣管兩端快速密封,盡快送回實(shí)驗(yàn)室,并于8 h內(nèi)進(jìn)行分析[13]。若不能及時(shí)分析,應(yīng)避光密閉、-20 ℃低溫保存,保存期限7 d。采集樣品的同時(shí)采集空白樣品。

        1.3.2 樣品解吸

        將活性炭采樣管的A段和B段分別取出,放入磨口具塞試管中,再向試管中準(zhǔn)確加入1.00 mL二硫化碳,蓋緊塞子,振搖1 min,控制解吸時(shí)間30 min。搖勻,解吸液轉(zhuǎn)移至氣相進(jìn)樣小瓶,準(zhǔn)備用氣相色譜儀進(jìn)行測(cè)定。

        1.4 色譜分析條件

        HP-INNOWAX型毛細(xì)管色譜柱(30 m×250 μm×0.25 μm)。

        柱溫:在35 ℃下保持6 min,以30 ℃/min速率升溫至200 ℃,保持2 min。柱流量1.0 mL/min,進(jìn)樣口溫度250 ℃,檢測(cè)器溫度300 ℃,尾吹氣流量25 mL/min,氫氣流量30 mL/min,空氣流量300 mL/min,進(jìn)樣量1 μL。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 色譜分析條件的選擇

        制藥生產(chǎn)中乙醇被經(jīng)常使用,實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)乙醇會(huì)干擾異丙醇和苯的測(cè)定。通過改變色譜柱溫條件,來消除乙醇的干擾。

        圖1為柱溫條件:50 ℃保持6 min,以30 ℃/min速率升溫至200 ℃,保持2 min,其他條件同第1.4節(jié),可見異丙醇、乙醇的分離度較差(1.26),乙醇和苯的分離度為3.57,乙醇對(duì)異丙醇存在干擾。調(diào)整初始柱溫條件為35 ℃,按照第1.4節(jié)中的條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn),色譜圖如圖2所示,異丙醇和乙醇的分離度為1.64,乙醇和苯的分離度為2.03。按照第1.4節(jié)的條件,乙醇、異丙醇和苯可以實(shí)現(xiàn)良好的分離。

        圖1 初始柱溫50 ℃時(shí)的分離情況

        圖2 初始柱溫35 ℃時(shí)的分離情況

        2.2 線性關(guān)系、檢出限和測(cè)定下限

        分別取標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液以及苯和甲苯的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)10、20、50、100、150、200 μL至10 mL容量瓶中,并用二硫化碳定容至刻度線,得到系列標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行測(cè)定。以峰面積為縱坐標(biāo),以各目標(biāo)揮發(fā)性有機(jī)物的濃度為橫坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,各目標(biāo)化合物濃度和峰面積的線性關(guān)系良好,相關(guān)系數(shù)均大于0.999,各組分線性回歸方程及相關(guān)系數(shù)見表1。

        向活性炭管中加入適量各目標(biāo)化合物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(以解吸后濃度是預(yù)估方法檢出限的2~5倍為宜),封閉活性炭管,放置,使其充分吸附。將活性炭采樣管的A、B段按第1.3.2節(jié)的條件用二硫化碳解吸,再用氣相色譜測(cè)定。分別進(jìn)行7次平行測(cè)定,計(jì)算測(cè)定結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差,按公式MDL=t(n-1, 0.99)×S計(jì)算檢出限[14]。計(jì)算樣品采氣量為10 L時(shí)的方法檢出限,以4倍檢出限作為測(cè)定下限,具體見表1。

        表1 標(biāo)準(zhǔn)曲線及檢出限、測(cè)定下限

        2.3 精密度

        在標(biāo)準(zhǔn)系列的測(cè)定范圍內(nèi)選擇低、中、高3個(gè)濃度點(diǎn),分別進(jìn)行6次測(cè)定,根據(jù)測(cè)定結(jié)果計(jì)算相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差,結(jié)果見表2。7種目標(biāo)化合物的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.1%~3.2%,精密度良好。

        表2 目標(biāo)化合物的精密度

        2.4 解吸效率

        取9支活性炭采樣管,每3支一組,分為3組,分別向每組采樣管A段中加入低、中、高3個(gè)濃度的混合標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液和苯、甲苯儲(chǔ)備溶液,封閉活性炭管,放置過夜,使其充分吸附。分別將上述活性炭采樣管的A、B段按第1.3.2節(jié)的條件用二硫化碳解吸,再用氣相色譜進(jìn)行分析。以活性炭采樣管A段中目標(biāo)化合物的含量和加標(biāo)量的比值作為解吸效率。低、中、高濃度樣品的解吸效率見表3。各目標(biāo)化合物的解吸效率均在80%以上,滿足測(cè)定的需要[15]。

        表3 目標(biāo)化合物的解吸效率

        2.5 解吸時(shí)間

        取12支活性炭采樣管,每3支一組,分為4組,分別向每組采樣管A段中加入相同濃度的混合標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液和苯、甲苯儲(chǔ)備溶液,封閉活性炭管,放置過夜,使其充分吸附。再分別將上述4組活性炭采樣管用1.0 mL二硫化碳解吸10、20、30、60 min,再用氣相色譜進(jìn)行分析??疾觳煌馕鼤r(shí)間下樣品的解吸效率,結(jié)果見表4。

        表4 不同解吸時(shí)間下目標(biāo)化合物的解吸效率

        由表4可見,當(dāng)解吸時(shí)間從10 min逐漸增至30 min時(shí),解吸效率逐漸提高。解吸時(shí)間為30 min和60 min的樣品,解吸效率相差很小(均在3%以內(nèi)),而且由于誤差的影響,對(duì)于某些物質(zhì)60 min的解吸效率甚至低于30 min的解吸效率。所以30 min的解吸時(shí)間即可滿足分析需要,選擇30 min為最優(yōu)解吸時(shí)間。

        2.6 實(shí)際樣品測(cè)定

        應(yīng)用該方法分析某制藥企業(yè)青霉素工業(yè)鹽提純結(jié)晶車間排氣筒的廢氣樣品,以0.5 L/min的流量采樣20 min。采集樣品的同時(shí)采集全程序空白樣品,同時(shí)測(cè)定,分析結(jié)果見表5。同批次進(jìn)行空白加標(biāo)分析,得出解吸效率,見表5。從表5可見,該車間排放的廢氣中含量最高的是乙酸乙酯,其次是丙酮、乙酸丁酯和正丁醇,苯和甲苯有微量檢出,未檢出異丙醇。全程序空白樣品未檢出各目標(biāo)化合物,同批次的空白加標(biāo)樣品解吸效率均在85%以上。

        表5 樣品分析結(jié)果

        注:“ND”表示未檢測(cè)到該物質(zhì)。

        該車間為青霉素工業(yè)鹽的結(jié)晶提純車間,生產(chǎn)流程:發(fā)酵得到的青霉素濾液在酸性條件下用乙酸丁酯進(jìn)行反復(fù)萃取、轉(zhuǎn)移、分離,將青霉素提取到乙酸丁酯中,再經(jīng)過水洗后進(jìn)入冷凍脫色罐,并向其中加入活性炭脫色。之后用乙酸丁酯進(jìn)行堿化萃取,再加入正丁醇進(jìn)行共沸結(jié)晶;得到的結(jié)晶液過濾,濾出的晶體用正丁醇洗滌兩次,洗后的晶體再用乙酸乙酯結(jié)晶提純后造粒,進(jìn)入干燥器得到青霉素工業(yè)鹽。可見該車間的主要VOCs排放物為乙酸乙酯、乙酸丁酯、正丁醇,這與監(jiān)測(cè)結(jié)果比較吻合,表明方法準(zhǔn)確可靠,滿足分析要求,可用于制藥企業(yè)廢氣中特征VOCs的測(cè)定。

        3 結(jié)論

        活性炭采樣管吸附采樣,二硫化碳解吸后,用毛細(xì)管柱氣相色譜法同時(shí)測(cè)定制藥企業(yè)廢氣中的特征VOCs(丙酮、正丁醇、異丙醇、乙酸乙酯、乙酸丁酯、苯和甲苯),方法操作方便簡(jiǎn)捷,線性響應(yīng)好,考察了方法的最佳解吸時(shí)間,解吸時(shí)間30 min即可滿足測(cè)定要求,可節(jié)省一定的分析時(shí)間。重點(diǎn)考察了方法的檢出限、精密度、解吸效率等性能指標(biāo),結(jié)果均較為滿意。方法可以用于制藥企業(yè)廢氣中特征VOCs的測(cè)定。

        [1] 羌寧.城市空氣質(zhì)量管理與控制[M].北京:科學(xué)出版社,2003:201.

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        [4] 魏復(fù)盛,滕恩江,池靖,等.空氣和廢氣監(jiān)測(cè)分析方法[M].4版.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2003.

        [5] HJ 644—2013 環(huán)境空氣 揮發(fā)性有機(jī)物的測(cè)定 吸附管采樣-熱脫附/氣相色譜-質(zhì)譜法[S].

        [6] 孟成名,秦文華,張瑞芹.工作場(chǎng)所空氣中丙酮、異丙醇、乙酸丁酯、三氯甲烷、乙苯、二甲苯氣相色譜同時(shí)測(cè)定法[J].工業(yè)衛(wèi)生與職業(yè)病,2012,38(6):372-374.

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        [10] GBZ/T 160.48—2007 工作場(chǎng)所空氣有毒物質(zhì)測(cè)定 醇類化合物 甲醇、異丙醇、丁醇、異戊醇、異辛醇、糠醇、二丙酮醇、丙烯醇、乙二醇和氯乙醇的溶劑解吸-氣相色譜法[S].

        [11] GBZ/T 160.63—2007 工作場(chǎng)所空氣有毒物質(zhì)測(cè)定飽和脂肪族酯類化合物 甲酸酯類、乙酸酯類和1、4-丁內(nèi)酯的溶劑解吸-氣相色譜法[S].

        [12] HJ 583—2010 環(huán)境空氣苯系物的測(cè)定 固體吸附/熱脫附-氣相色譜法[S].

        [13] HJ 584—2010 環(huán)境空氣 苯系物的測(cè)定 活性炭吸附/二硫化碳解吸-氣相色譜法[S].

        [14] HJ 168—2010 環(huán)境監(jiān)測(cè) 分析方法標(biāo)準(zhǔn)制修訂技術(shù)導(dǎo)則[S].

        [15] GBZ/T 160—2007 工作場(chǎng)所有毒物質(zhì)測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)方法[S].

        Simultaneous Determination of Multiple VOCs in Waste Gas of Pharmaceutical Industry by Gas Chromatography

        FENG Yuan1,LYU Xi2,JIANG Jian-biao1,SONG Yu2,REN Ai-ling2,YANG Li-li1

        1.Shijiazhuang Environmental Monitoring Centre,Shijiazhuang 050022,China 2.School of Environmental Science & Engineering Hebei University of Science & Technology,Shijiazhuang 050018,China

        Directing at emission characteristics of VOCs in the production process of typical pharmaceutical products such as penicillin, amoxicillin, vitamin C and 4-acetamidophenol, the analytical method for simultaneous determination of seven characteristic VOCs as acetone, ethyl acetate, isopropyl alcohol, benzene, toluene, ethyl acetate and n-butanol in waste gas of pharmaceutical industry by adsorption-desorption-GC method was established. Using activated charcoal adsorption to sample- carbon disulfide to desorb-capillary chromatographic column to separate, under the analytical conditions of maintaining the column temperature at 35 ℃ for 6 minutes and raising the temperature at the rate of 30 ℃ per minute to 200 ℃ and maintaining for 2 minutes, each volatile organic compounds can actualize good separation; the correlation coefficients of the calibration curve were from 0.999 8 to 0.999 9, relative standard deviations were from 1.1% to 3.2%, and detection limits were from 0.004 mg/m3to 0.014 mg/m3, and the desorption efficiency of seven compounds were from 83.1% to 105.1%. The result demonstrated that the method was suitable for the determination of VOCs of the stationary source emission of typical pharmaceutical industry.

        Gas Chromatography;waste gas of pharmaceutical industry;VOCs;adsorption;desorption

        2013-11-01;

        2014-04-10

        環(huán)境保護(hù)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)“制藥行業(yè)VOCs與惡臭控制技術(shù)政策研究”(201109004)

        馮 媛(1982-),女,河北石家莊人,碩士,工程師。

        X830.2

        A

        1002-6002(2015)01- 0104- 05

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