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        離子液體—熱脫附—?dú)庀嗌V/質(zhì)譜法測定室內(nèi)空氣中半揮發(fā)性有機(jī)物的研究*

        2021-02-01 02:20:08王曉旭錢明媛張曉波
        環(huán)境污染與防治 2021年1期
        關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)

        王曉旭 錢明媛 張曉波

        (上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院,上海 201114)

        近年來,隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及民眾生活水平的提高,大量裝飾裝修材料、塑料制品、電子設(shè)備等被廣泛使用在居住、辦公環(huán)境中,這些材料散發(fā)的有機(jī)污染物導(dǎo)致室內(nèi)空氣質(zhì)量(IAQ)惡化程度加劇[1]。人的一生約有80%以上的時(shí)間在室內(nèi)環(huán)境中度過[2],因此IAQ對人們的健康、舒適及工作效率有著重要的影響[3]。目前,以甲醛為代表的易揮發(fā)性有機(jī)化合物(VVOCs)及苯系物為代表的揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)已得到較廣泛的關(guān)注和研究[4-6],而半揮發(fā)性有機(jī)物(SVOCs)的關(guān)注度較低,但其污染風(fēng)險(xiǎn)卻在持續(xù)上升。

        SVOCs具有高沸點(diǎn)、低飽和蒸氣壓、吸附性強(qiáng)等特點(diǎn),在室內(nèi)環(huán)境中更不易降解,存在時(shí)間更長,且可通過吸入、皮膚接觸、口入等多種方式對人體的呼吸系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)及生殖/遺傳系統(tǒng)等多方面產(chǎn)生負(fù)面影響。美國等發(fā)達(dá)國家已意識到室內(nèi)SVOCs污染問題的嚴(yán)重性,相關(guān)研究[7]已成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。但在我國,SVOCs的污染問題尚未得到足夠重視,對SVOCs污染問題的研究也相對滯后[8]。

        研究室內(nèi)空氣中SVOCs濃度時(shí)常用的采樣方法有纖維濾膜法、溶液吸收法、固體吸附法等[9-10]。固體吸附/熱脫附(TD)法在VOCs的檢測和研究中被廣泛采用,但在SVOCs的檢測方面,如何提高固體吸附劑對SVOCs的吸附效率和吸附/脫附穩(wěn)定性是亟待解決的問題。

        離子液體是一類新興溶劑,它不易揮發(fā)、溶解范圍廣且溶解能力強(qiáng)、具有良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性,將其與固體吸附劑相結(jié)合用于室內(nèi)環(huán)境中SVOCs的采樣,有利于提高吸附效率,能有效減少因有機(jī)溶劑揮發(fā)而產(chǎn)生的環(huán)境污染問題。因此,本研究以離子液體為富集劑,采用TD—?dú)庀嗌V(GC)/質(zhì)譜(MS)聯(lián)用的方法,對10個(gè)典型居室內(nèi)空氣中的SVOCs污染現(xiàn)狀進(jìn)行考察。

        1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

        1.1 設(shè)備與材料

        設(shè)備:7890A+5975C氣質(zhì)聯(lián)用儀;TD-100自動(dòng)TD儀;60 m×0.25 mm×0.25 μm色譜柱(DB-5MS);IAQ-pro Ⅱ恒流采樣器。

        離子液體:1-丁基-3-甲基咪唑雙(三氟甲磺酰)亞胺,純度≥99%。

        試劑:甲醇(色譜純),10種有機(jī)物(即2,4,5-三氯苯酚、偶氮苯、鄰苯二甲酸二甲酯、正十五烷、正十六烷、鄰苯二甲酸二乙酯(DEP)、4-溴聯(lián)苯醚、鄰苯二甲酸二丁酯、鄰苯二甲酸丁基芐基酯(BBP)、芘)混標(biāo)。

        擔(dān)體:Tenax、Carbopack B和Tenax GR粉末,均為市售產(chǎn)品。

        1.2 GC/MS條件

        GC條件:進(jìn)樣口溫度280 ℃;溶劑延遲3 min;傳輸線溫度280 ℃;不分流進(jìn)樣;載氣為氦氣(99.99%);程序升溫:初始溫度50 ℃,保持10 min,然后以5 ℃/min升到300 ℃,保持2 min。

        MS條件:電離方式為電子轟擊電離;電離能量70 eV;全掃描;離子源溫度230 ℃。

        1.3 TD條件

        一級TD:310 ℃,15 min,TD流量50 mL/min。

        二級TD:冷阱溫度-20 ℃;二級TD溫度330 ℃,5 min,阱前無分流,阱后體積比1∶30分流;傳輸線溫度330 ℃。

        1.4 樣品采集

        離子液體吸附管的制備:將離子液體與擔(dān)體以1∶15的質(zhì)量比混合均勻,并填至吸附管中,吸附管在氮?dú)饬髁?00 mL/min、老化溫度320 ℃的條件下老化30 min。經(jīng)TD—GC/MS分析后,離子液體吸附管不得有雜質(zhì)檢出。

        樣品采集:將離子液體吸附管連接至恒流采樣器上,采樣流量1.0 L/min,采樣90 min。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 擔(dān)體的選擇與處理

        市售擔(dān)體種類較多,不同擔(dān)體對有機(jī)物的吸附捕集性能有很大差別。擔(dān)體吸附性能差,極易發(fā)生穿透現(xiàn)象;吸附性能過強(qiáng),會(huì)影響后續(xù)脫附效果,從而干擾測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。為制備合適的離子液體吸附管,本研究選擇常用的3種擔(dān)體(Carbopack B、Tenax GR和Tenax TA)進(jìn)行研究。

        將3種擔(dān)體制備成離子液體吸附管后,吸取1 μL 2 000 μg/mL的10種有機(jī)物混標(biāo)注入離子液體吸附管,進(jìn)行TD—GC/MS分析。

        參考世界衛(wèi)生組織(WHO)對SVOCs的定義,在本實(shí)驗(yàn)的程序升溫條件下,保留時(shí)間在33 min后的組分屬于SVOCs的范疇。由圖1可看出,保留時(shí)間33~40 min階段,Carbopack B離子液體吸附管的豐度最高,但在保留時(shí)間40~60 min階段,Carbopack B離子液體吸附管的豐度迅速下降,遠(yuǎn)低于Tenax TA和Tenax GR離子液體吸附管,甚至有組分無法檢出,因此首先排除Carbopack B離子液體吸附管。

        圖1 3種離子液體吸附管的GC/MS圖譜Fig.1 GC/MS spectrum of three ionic liquid adsorption tubes

        進(jìn)一步對比Tenax TA和Tenax GR離子液體吸附管,將兩種離子液體吸附管的GC/MS圖譜疊加后發(fā)現(xiàn),在保留時(shí)間33~46 min階段各組分豐度基本一致。由圖2可見,保留時(shí)間在46 min后的組分,如51 min左右時(shí),Tenax TA離子液體吸附管的豐度明顯低于Tenax GR;保留時(shí)間在55 min后的組分,Tenax TA離子液體吸附管出現(xiàn)了無法檢出的情況。為盡可能多地分析SVOCs組分,因此選用Tenax GR擔(dān)體。

        圖2 Tenax TA和Tenax GR離子液體吸附管GC/MS對比圖譜Fig.2 GC/MS comparative atlas of Tenax TA and Tenax GR ionic liquid adsorption tubes

        2.2 掃描電鏡(SEM)與比表面積(BET)表征

        由圖3可見,兩種擔(dān)體樣品形貌均為球形顆粒,顆粒直徑約300 μm。相比Tenax TA粉末較光滑的表面,Tenax GR粉末表面更粗糙,具有更多的孔洞。根據(jù)BET數(shù)據(jù)顯示,Tenax TA具有15.26 m2/g的比表面積和0.14 cm2/g的孔體積,平均孔徑為35.7 nm,而Tenax GR則具有17.81 m2/g的比表面積和0.18 cm2/g的孔體積,平均孔徑為39.7 nm。因此,相比Tenax TA粉末,Tenax GR粉末可涂覆更多的離子液體。SEM和BET的表征結(jié)果與2.1節(jié)測定結(jié)果一致,證明Tenax GR粉末的吸附能力要優(yōu)于Tenax TA。

        2.3 TD條件驗(yàn)證

        選擇鄰苯二甲酸二甲酯、正十六烷、DEP和鄰苯二甲酸二丁酯4個(gè)組分來考察TD條件,主要考察一級TD溫度、一級TD時(shí)間、一級TD流量、冷阱溫度,并以脫附效率來選擇最佳TD條件,結(jié)果見表1。

        圖3 Tenax TA和Tenax GR粉末加入離子液體前后的SEM圖Fig.3 SEM pictures of Tenax TA and Tenax GR powder before and after adding ionic liquid

        考慮到SVOCs的沸點(diǎn),本實(shí)驗(yàn)選擇3種一級TD溫度,分別250、280、310 ℃。由序號1~3可見,當(dāng)其他條件一致時(shí),脫附效率隨著一級TD溫度的升高而升高,因此本實(shí)驗(yàn)選擇310 ℃為一級TD溫度。由序號3~5可見,當(dāng)一級TD時(shí)間由5 min延長到10 min時(shí)脫附效率明顯增大,再延長到15 min時(shí)脫附效率增加的趨勢很小,因此本實(shí)驗(yàn)選擇15 min為一級TD時(shí)間。由序號3、6、7可見,隨著冷阱溫度的降低,富集能力增強(qiáng),脫附效率升高,因此本實(shí)驗(yàn)選擇-20 ℃為冷阱溫度。由序號3、8、9可見,隨著一級TD流量增加,脫附效率先升后降,一級TD流量過大會(huì)影響冷阱對有機(jī)物的捕獲,因此本實(shí)驗(yàn)選擇50 mL/min為一級TD流量。

        2.4 線性方程與檢出限

        (1) 標(biāo)準(zhǔn)曲線:用甲醇作溶劑,配置10、20、50、200 mg/L混合標(biāo)準(zhǔn)溶液,分別吸取1 μL不同濃度的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液,注入離子液體吸附管中,以豐度為縱坐標(biāo),以質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo),繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

        表1 4種SVOCs混標(biāo)TD條件統(tǒng)計(jì)

        (2) 儀器檢出限:用10 mg/L的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液重復(fù)測量7次,計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差(SD),儀器檢出限(IDL)為1.645倍SD。并使用GC/MS對所得的儀器檢出限濃度加以確認(rèn),信噪比大于3∶1。

        (3) 方法檢出限:通過對樣品進(jìn)行10次標(biāo)準(zhǔn)曲線最低點(diǎn)加標(biāo)試驗(yàn)(加標(biāo)質(zhì)量濃度10 mg/L),計(jì)算SD,方法檢出限(MDL)為3倍SD。

        10種SVOCs標(biāo)準(zhǔn)曲線線性方程和檢出限見表2。

        2.5 精密度和回收率

        采用重復(fù)性實(shí)驗(yàn),在離子液體吸附管中加入1 μL混標(biāo),分別制作10、50、200 mg/L水平的平行樣各6個(gè),對分析方法進(jìn)行精密度和準(zhǔn)確度考察,結(jié)果見表3。

        表2 10種SVOCs標(biāo)準(zhǔn)曲線線性方程和檢出限

        表3 10種SVOCs污染物精密度及回收率

        表4 室內(nèi)空氣中SVOCs檢測結(jié)果1)

        2.6 室內(nèi)空氣中SVOCs驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

        選取10個(gè)典型房間進(jìn)行室內(nèi)空氣中SVOCs的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。受測房間在關(guān)閉對外門窗12 h后,恒流采樣器以1.0 L/min的速率采樣90 min,將采集完成后的離子液體吸附管按照最優(yōu)分析條件進(jìn)行定性定量分析,檢測結(jié)果見表4。除來源于木材本身且危害性較小的正十五烷和正十六烷外,室內(nèi)空氣中檢出率較高的是以鄰苯二甲酸酯類為代表的塑化劑類物質(zhì)。受采樣體積影響,部分房間內(nèi)目標(biāo)組分濃度低于方法檢出限。其中,房間1、2中SVOCs的GC/MS圖譜較有代表性,結(jié)果見圖4和圖5。這兩個(gè)房間檢出了偶氮苯、鄰苯二甲酸二甲酯、正十五烷、正十六烷、DEP和BBP,且偶氮苯、DEP和BBP濃度相對較高。

        圖4 房間1中SVOCs的GC/MS圖譜Fig.4 GC/MS atlas of SVOCs in room 1

        本次實(shí)驗(yàn)中檢出率和檢出濃度較高的DEP、BBP已先后被歐盟指令76/769/EEC及美國環(huán)境保護(hù)署列為優(yōu)先控制污染物,尤其是BBP已于2011年2月被歐盟列入化學(xué)品淘汰名單。鄰苯二甲酸酯類為內(nèi)分泌破壞性物質(zhì),并有一定的生物累積性,影響生物體內(nèi)激素的正常分泌,導(dǎo)致細(xì)胞突變、畸形、癌癥、生殖及發(fā)育損害等健康問題[11-13]。偶氮苯在WHO國際癌癥研究機(jī)構(gòu)公布的3類致癌物清單中,吸入、攝入或經(jīng)皮膚吸收后對身體有害,具刺激性作用,具致敏性。本次測試檢出了較高濃度的偶氮苯、DEP和BBP,充分說明該方法適用于對室內(nèi)空氣中SVOCs污染的發(fā)現(xiàn)和定量。

        圖5 房間2中SVOCs的GC/MS圖譜Fig.5 GC/MS atlas of SVOCs in room 2

        為尋找污染物來源,后續(xù)對疑似污染源的裝飾裝修材料分別采用氣候艙法進(jìn)行檢測,發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)房間中的典型SVOCs是由墻布和地毯所引起的。

        3 結(jié) 語

        以離子液體為富集劑、Tenax GR為擔(dān)體,使用TD—GC/MS測定目標(biāo)SVOCs,并采用標(biāo)準(zhǔn)樣品對方法進(jìn)行驗(yàn)證,對于目標(biāo)SVOCs的RSD為2.25%~8.35%,回收率為85.0%~110.2%,驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。

        該方法能應(yīng)用于測定室內(nèi)空氣中SVOCs檢測。對10間典型房間進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)室內(nèi)空氣中存在的SVOCs主要為以鄰苯二甲酸酯類為代表的塑化劑類物質(zhì),其來源為墻布、地毯等裝修材料。

        該方法操作簡單,環(huán)境友好性強(qiáng),使大規(guī)模進(jìn)行室內(nèi)空氣中SVOCs污染的調(diào)研成為可能,可為制定室內(nèi)空氣中SVOCs標(biāo)準(zhǔn)限值提供依據(jù),從而加強(qiáng)企業(yè)在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中對產(chǎn)品SVOCs釋放量的控制和管理。

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