胡敏酸对粪固醇的吸附特性

黄 碧 彤, 薛 文 平, 徐 恒 振, 马 新 东, 张 晓 蕾

( 1.大连工业大学 轻工与化学工程学院, 辽宁 大连 116034;2.国家海洋环境监测中心, 辽宁 大连 116023 )

0 引 言

沉积物对非离子性有机化合物的吸附主要与矿物类型和有机质含量有关,且主要由沉积物有机质控制[1]。胡敏酸(HA)是沉积物有机质的重要组成部分,它含有多种功能团,如羧基、酚羟基等,属于一种可变电荷有机胶体,具有很高的反应活性,使之成为环境中有机化合物重要的配体和聚沉剂,对化合物在环境中的迁移、转化和生物有效性起着十分重要的调节作用[2-3]。

粪固醇普遍存在于人类及各种动物粪便中,受粪便污染的水体,可通过检测不同粪固醇的含量及其比值来鉴别污染的来源及程度。粪固醇具有很强的亲脂疏水特性,排入水体中的粪固醇较易被悬浮颗粒与有机物吸附而沉降,致使沉积物有机质中比水体中富集了更多的粪固醇[4-5]。而胡敏酸作为沉积物有机质的主要成分,其对粪固醇的吸附起着重要作用。

以往国内外有关粪固醇环境行为的研究中,对生活污水、粪便中粪固醇的研究较多,对于土壤和沉积物中粪固醇的环境行为研究相对较少[6-8]。本文主要研究粪固醇在胡敏酸上的吸附特性及环境因素对吸附过程的影响,为探究粪固醇在环境中分配、迁移规律提供依据,进而为粪固醇作为环境监测指示物提供理论支撑。

1 实 验

1.1 仪器与试剂

1.1.1 实验仪器

Agilent 6890/5973N气相色谱-质谱联用仪,TDL-5Z离心机,RE-2000旋转蒸发器,SHZ-Ⅲ循环水真空泵,KQ-250DE数控超声波清洗机器,DHG-9053A电热恒温鼓风干燥机,DKZ-450B电热恒温振荡器。

1.1.2 实验试剂

二氯甲烷、正己烷,色谱级和分析级,Tedia of USA；甲醇、氢氧化钠、盐酸,均为分析纯,天津科密欧；无水硫酸钠,分析纯,天津科密欧,650 ℃ 下活化4 h,干燥器中保存；硅胶,层析用,国药集团化学试剂有限公司,100～200目,550 ℃ 下马弗炉中加热4 h,干燥器中保存；中性氧化铝,层析用,国药集团化学试剂有限公司,100～200目,450 ℃下马弗炉中加热4 h,干燥器中保存。

1.1.3 标准溶液

粪醇(coprostanol)、粪酮(coprostanone)、24-甲基粪醇(24-methyl coprostanol)、24-乙基粪醇(24-ethyl coprostanol),纯度为98%,美国Sigma公司；胆固醇(cholesterol)、二氢谷甾醇(sitostanol),纯度为99%,美国Sopelco公司。

分别取6种标准品各1 mg,加入1 mL正己烷充分溶解,从中取0.3 mL溶液于10 mL容量瓶中,加入正己烷准确定容于10 mL,即配成质量浓度为30 μg/mL的6种粪固醇混合标准溶液,置于冰箱0 ℃冷藏。

1.2 胡敏酸的提取制备

本实验所用的沉积物样品采自大连湾附近海域,沉积物经室温风干后剔除杂物,磨碎过60目筛。取沉积物溶于0.1 mol/L氢氧化钠溶液,间歇搅拌,离心后收集上清液,反复提取,直至上清液清亮,用50%盐酸在pH 2.0左右分离胡敏酸沉淀。将沉淀放入恒温干燥机,在30 ℃下干燥,研磨后过80目筛备用。

1.3 粪固醇吸附液的制备

取几种动物(草食动物、肉食动物、杂食动物)粪便15 g放入大烧杯中,加入50 mL萃取剂二氯甲烷-甲醇溶液(体积比2∶1),超声20 min,离心,取上层溶液,反复萃取3次,混合3次所得溶液。加入100 mL氢氧化钠-甲醇溶液(体积比5∶95)皂化,放入恒温振荡器中,以80 ℃振荡2 h。将溶液置于分液漏斗中,加入150 mL水、二氯甲烷-甲醇溶液(体积比4∶1)进行反萃取,充分振荡摇匀后静置,接取下层组分,用旋转蒸发器蒸干,溶于甲醇溶剂备用。

1.4 吸附实验

设置6个时间点,分别为3、6、9、12、18、24 h,每个时间点设置两个平行样。准确称取1.00 g胡敏酸于离心管中,加入2.0 mL粪固醇吸附液和30 mL水。密封后放入25 ℃恒温振荡器中振荡,每到达时间点取出相应的样品。以2 500 r/min的速率离心4 min,去除上清液。加入20 mL二氯甲烷-甲醇溶液萃取剂(体积比2∶1),用铝箔纸封口,超声萃取20 min,离心后将上清液转移至鸡心瓶中,旋转蒸发,浓缩至1 mL。

过层析柱除杂净化,填柱为下层硅胶(4 g)、中层中性氧化铝(2 g)、上层无水硫酸钠(1 g),用正己烷活化层析柱,加入样品,用45 mL二氯甲烷-甲醇(体积比9∶1)溶液淋洗,收集淋洗液,旋转蒸发,用正己烷置换并蒸发至近干,定容至1.0 mL,4 ℃保存,待GC/MS测定。

1.5 等温吸附实验

准确称取1.00 g胡敏酸于离心管中,加入30 mL水,分别加入0.4、0.8、1.2、1.6、2.0、2.4 mL 粪固醇吸附液,每个浓度设置两个平行样。密封后放入25 ℃恒温振荡器中振荡,24 h后取出样品,余下实验方法同“1.4”。

1.6 因素影响实验

1.6.1 温度因素

准确称取胡敏酸1.00 g于离心管中,加入2.0 mL 粪固醇吸附液和30 mL水。分别置于0、15、25、35、45 ℃条件下,每个温度设置两个平行样。每隔4 h间歇振荡,24 h后取出样品,余下实验方法同“1.4”。

1.6.2 盐度因素

准确称取胡敏酸1.00 g于离心管中,加入2.0 mL 粪固醇吸附液和盐度分别为0、11、16、21、32 g/L的水30 mL,每个盐度设置两个平行样。密封后放入25 ℃恒温振荡器中振荡,24 h后取出样品,余下实验方法同“1.4”。

1.6.3 pH因素

准确称取胡敏酸1.00 g于离心管中,加入2.0 mL粪固醇吸附液和pH分别为2.17、5.04、7.25、10.22、12.7的水30 mL,每个pH设置两个平行样。密封后放入25 ℃恒温振荡器中振荡,24 h 后取出样品,余下实验方法同“1.4”。

1.7 仪器参数

Agilent 6890/5973N气相色谱-质谱联用仪配备色谱柱,HP-5 ms,30 m×0.25 mm×0.25 μm；载气,高纯氦气；体积流量,1 mL/min；进样口温度,260 ℃；进样方式,无分流进样；进样量,1 μL；程序升温:起始温度为60 ℃,以15 ℃/min速率升至250 ℃,以1 ℃/min速率升至280 ℃,以5 ℃/min速率升至300 ℃,保持10 min[9]。离子源,EI源；接口温度,280 °C。

2 结果与讨论

2.1 吸附平衡时间的确定

不同吸附时间胡敏酸吸附粪固醇的质量分数及其初始质量分数见表1。胡敏酸对6种粪固醇的吸附率如图1所示。由表1和图1可以看出,胡敏酸对粪固醇的吸附规律基本一致,经历了快速吸附、减速吸附和平衡吸附3个阶段。在0～12 h吸附量随时间快速增加,吸附速率较快；12～20 h吸附量增加缓慢；20 h后吸附量基本不随时间增加,吸附达到平衡。考虑吸附需要一定的稳定时间,统一采用24 h作为胡敏酸吸附粪固醇的吸附平衡时间。

表1 粪固醇在胡敏酸上的吸附质量分数和初始质量分数

图1 胡敏酸对6种粪固醇的吸附率

2.2 吸附等温曲线

用线性吸附模型、Freundlich吸附模型的对数式、Langmuir吸附模型分别对胡敏酸吸附粪固醇的数据进行拟合,3种模型方程式[10]如下:

qe=KDCw+a

lgqe=lgKF+nlgCw

1/qe=1/(KLQmCw)+1/Qm

式中,KD为平衡分配系数；Cw为上清液中粪固醇的质量分数,μg/g；a为常数。KF和n为Freundlich模型中的常数,与吸附容量和吸附强度有关,通常n=1,表示为线性分配等温线；n<1,表示为非线性等温线；n值越小表示等温线的非线性越大[11]。KL为表征吸附表面强度的常数,与吸附健合能有关；Qm为最大吸附量,μg/g。拟合结果见表2。

表2 粪固醇在胡敏酸上吸附的3种吸附等温线拟合参数

由表2可以看出,粪醇和二氢谷甾醇的吸附过程用Freundlich方程拟合效果较好,相关系数R2分别为0.945 8和0.988 7；粪酮的吸附过程用Langumir方程拟合的结果较好,相关系数R2为0.994 8；其余3种粪固醇用线性方程拟合结果较好。6种粪固醇的Freundlich模型的拟合结果中n<1,说明6种粪固醇的吸附过程均是非线性的,并且胆固醇的n值最小,即胆固醇在胡敏酸上的吸附比其他5种粪固醇表现出较强的非线性,这是可能由于胆固醇的疏水性更强所导致的。

2.3 因素影响实验

2.3.1 温 度

考察了0、15、25、35、45 ℃时胡敏酸对6种粪固醇的吸附规律,如图2所示。由图2可见,胡敏酸对粪固醇吸附的分配系数Kd随温度升高而降低,表明此反应与大多数吸附反应一致,是放热反应。应用Gibbs方程计算各热力学函数:

ΔG=-RTlnK

ΔG=ΔH-TΔS

lnK=-ΔH/RT+ΔS/R

式中,ΔG为吸附的标准自由能改变量,kJ/mol；ΔH为标准吸附热,kJ/mol；ΔS为吸附的标准熵变量,J/(mol·K)；R为气体摩尔常数,J/(mol·K)；T为绝对温度,K；K为平衡吸附系数。各参数见表3。

图2 温度对Kd的影响

表3 粪固醇在胡敏酸上吸附的热力学参数

由表3可知,ΔG<0,说明该吸附反应自发进行,随温度的升高,吸附自由能绝对值减小,因此低温更有利于吸附；ΔH<0,说明该吸附反应是一个放热过程,这与前面的结果相一致；ΔS<0,说明吸附反应是熵减少的过程。从表3中可以看出,二氢谷甾醇的ΔG在不同温度条件下均比其他5种粪固醇的值低,说明胡敏酸对二氢谷甾醇吸附的自发性较高；而胆固醇和24-甲基粪醇的ΔH与ΔS均比其他4种粪固醇的值高,说明胡敏酸对二者吸附需要的热能少且熵增值大,即意味着胡敏酸对二者的吸附力小,活动性大,不易吸附。

2.3.2 盐 度

考察了盐度分别为0、11、16、21、32 g/L时胡敏酸对6种粪固醇的吸附规律,结果见图3。

图3 盐度对Kd的影响

由图3可以看出,随着盐度的增大,胡敏酸吸附粪固醇的Kd增加,胡敏酸吸附粪酮的Kd变化较为明显,盐度由0上升到32 g/L的过程中,Kd增大了88.38%；而其他粪固醇Kd的增大范围为14.38%～58.02%。

2.3.3 pH

考察了pH分别为2.17、5.04、7.25、10.22、12.7时胡敏酸对6种粪固醇的吸附规律,结果如图4所示。

图4 pH对Kd的影响

由图4可以看出,pH对胡敏酸吸附粪固醇的Kd影响基本一致。当pH为7.25时,Kd达到最大；pH小于7.25时,Kd随着pH的增大而增加；pH大于7.25时,Kd随着pH的增大而减少。原因是胡敏酸为溶于碱而不溶于酸的物质[12],当反应条件趋向碱性环境时,部分胡敏酸溶解而导致吸附减小,Kd降低。

3 结 论

胡敏酸对粪固醇的吸附经历了快速吸附、减速吸附和平衡吸附3个阶段,以24 h作为胡敏酸吸附粪固醇的吸附平衡时间。用Freundlich方程拟合粪醇和二氢谷甾醇在胡敏酸上的吸附过程,粪酮的吸附过程用Langumir方程拟合的结果较好,其余3种粪固醇用线性方程拟合,6种粪固醇的吸附过程均是非线性的。胡敏酸对粪固醇吸附的分配系数随温度升高而降低,吸附反应自发进行,是一个放热且熵减少的过程。胡敏酸对粪固醇吸附的分配系数随着盐度的增大而增加,当pH为7.25时胡敏酸吸附粪固醇的Kd达到最大。

[1] CHEFETZ B, DESHMUKH A P, HATCHER P G. Pyrene sorption by natural organic matter[J]. Environmental Science & Technology, 2000, 34(14):2925-2930.

[2] PARENT M E, VELEGOL D.E.Coliadhesion to silica in the presence of humic acid[J]. Colloids and Surfaces B:Biointerfaces, 2004, 39(1/2):45-51.

[3] 张增强,张一平,朱兆华. 镉在土壤中吸持的动力学特征研究[J]. 环境科学学报, 2000, 20(3):370-375.

[4] REEVES A D, PATTON D. Faecal sterols as indicators of sewage contamination in estuarine sediments of the Tay Estuary, Scotland:an extended baseline survey[J]. Hydrology and Earth System Sciences, 2005, 9(1/2):81-94.

[5] IAN D B, MATTHEW J, LOCKHEART, et al. The origin of faeces by means of biomarker detection[J]. Environment International, 2002, 27(8):647-654.

[6] 王雪艳. 粪甾醇作为海岸排污口监测指标的研究[D].大连:大连海事大学, 2007.

[7] PENG Xianzhi, ZHANG Gan, MAI Bixian, et al. Tracing anthropogenic contamination in the Pearl River estuarine and marine environment of South China Sea using sterols and other organic molecular markers[J]. Marine Pollution Bulletin, 2005, 50(8):856-865.

[8] BJORKHEM I, GUSTAFSSON A. Mechanism of microbial transformation of cholesterol to coprostanol[J]. European Journal Biochemistry, 1971, 21(3):428-432.

[9] 詹叶敬,徐恒振,张明,等. 粪固醇在粗胡敏素上吸附特性研究[J]. 沈阳化工大学学报, 2011, 25(2):110-116.

[10] JUANG R S, SHAO H J. A simplified equilibrium model for sorption of heavy metals ions from aqueous solutions on chitosan[J]. Water Research, 2002, 36(12):2999-3008.

[11] 刘峙嵘,周利民,韦鹏,等. 胡敏素在水溶液中吸附镍[J]. 石油化工高等学校学报, 2007, 20(2):5-8.

[12] SPARK K M, WELLS J D, JOHNSON B B. Characteristics of the sorption of humic acid by soil minerals[J]. Australian Journal of Soil Research, 1997, 35(1):103-112.