水样中丙烯腈(酸)快速测定方法的研究

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(浙江工业大学 生物与环境工程学院，浙江 杭州 310014)

建立准确、快速检测废水中丙烯腈的方法是研究废水中丙烯腈降解的重要手段.国内外检测废水中丙烯腈方法较多，目前使用最广泛的是气相色谱法.我国环境保护行业标准(HJ/T 73—2001)《水质丙烯腈的测定——气相色谱法》采用填充柱及FID检测器直接进样气相色谱法测定废水中的丙烯腈，但其无法实现完全分离(分离度<1.5)，还尚存较多不足之处.后崔凤艳以毛细管柱Rtx—624气相色谱法分析丙烯腈产品中的杂质，比国家标准法(GB/T 7717.12—2008)分析时间缩短了5～15 min[1]；胡小芳等则建立并优化了测定水中的丙烯腈的自动顶空气相色谱法，检出限可达到0.02 mg/L[2]；王铁钢等采用毛细管柱PEG—20M气相色谱法检测丙烯腈的生物催化产物，可在4 min内同时检测到底物丙烯腈、产物丙烯酰胺以及副产物丙烯酸，较适用于大量样品的快速定量检测[3].由于具体样品的特殊性以及实验仪器的差异，对丙烯腈生物降解研究中的定量测定条件往往需比较调整后方可确定.基于自主培养的产腈水解酶的降解菌催化降解丙烯腈模拟废水的实验，其可一步催化丙烯腈生成相应的丙烯酸，故分别采用顶空气相色谱法(HS—GC)和直接进样气相色谱法(GC)两种方法来检测生物降解水样中的丙烯腈和产物丙烯酸，并对结果进行对比分析，确定出了能同时快速测定水样中丙烯腈与丙烯酸浓度的检测方法，为后续课题的研究打好基础.

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

Agilent 6890 N气相色谱仪(美国Agilent公司)，配备7683 B型自动进样器及工作站；40 mL顶空测定瓶(美国Agilent公司)配聚四氟乙烯涂层的硅橡胶隔垫；07 HWS—2数显恒温磁力搅拌器(杭州仪表电机有限公司)；TDZ 5—WS多管架自动平衡离心机(长沙湘仪离心机仪器有限公司)；100 μL微量进样针.丙烯腈(分析纯)；丙烯酸(化学纯).

1.2 实验方法

生物降解废水样品：配制500 mg/L的丙烯腈废水，加入一定量的降解菌液，在500 mL反应器中，于30 ℃，300 r/min的条件下进行生物降解实验，并定时取样.

HS—GC：取水样25 mL到预处理过(洗净后120 ℃下烘2 h)的顶空瓶中，滴加6 mol/L的HCl终止反应，加入3 g NaCl后先用聚四氟乙烯膜封口后加盖旋紧并摇匀，置于50 ℃恒温水浴中平衡30 min后，用100 μL的微量进样针迅速从顶空瓶上部抽取100 μL气体进样，用GC测定丙烯腈的浓度.

GC：取2 mL水样至5 mL的离心管中，并滴加6 mol/L HCl终止反应，后于5 000 r/min离心10 min，取上清液经0.45 μm滤膜过滤后用GC法通过外标法定量测定丙烯腈和丙烯酸浓度.

1.3 标准样品制备

在100 mL的容量瓶中准确移取1.85 mL的丙烯腈溶液，加水定容摇匀，该丙烯腈储备液质量浓度为15 g/L.分别取0.17，0.33，0.67，1.00，1.33，1.67 mL至50 mL的容量瓶中，加水定容配成50，100，200，300，400，500 mg/L的丙烯腈标准溶液；同理配制质量浓度50～500 mg/L的丙烯酸标准溶液.取上述标准溶液采用1.2中相应的实验方法，并以峰面积对相应的标准含量作标准曲线，样品与标准曲线比较，根据保留时间定性，峰面积定量.

2 结果与讨论

2.1 顶空气相色谱法测定生物降解水样

2.1.1 色谱条件的优化

采用HP—5毛细管色谱柱(30.0 m×320 μm×0.25 μm)检测生物降解水样中的丙烯腈和丙烯酸，丙烯腈有较高的响应值，保留时间为2.55 min，丙烯腈的峰形略微拖尾，但丙烯酸却无响应，也未检测到丙烯酸的色谱峰.色谱条件优化后确定进样口温度180 ℃，柱箱温度80 ℃(4 min)，FID检测器温度180 ℃，不分流进样，载气使用高纯氮气，氮气流量40 mL/min，氢气流量40 mL/min，空气流量450 mL/min，在此条件下，可得到较好的丙烯腈色谱峰.

2.1.2 顶空条件的优化

影响顶空气相色谱法的因素包括顶空水浴温度、水浴时间、装液体积和盐析作用.

顶空的水浴温度会影响气液分配常数和色谱响应值，为考察顶空时水浴温度的影响规律，分别取水浴温度为40，45，50，55，60 ℃，水浴时间30 min，顶空体积25 mL，进样量为100 μL，结果见图1.随着水浴温度的上升，反应液中更多的丙烯腈释放到顶空瓶上部，使得丙烯腈的响应值也逐渐升高，灵敏度增加[4]，水浴温度达到50 ℃时，丙烯腈的响应值最大，则最佳的水浴温度为50 ℃.相关研究中最佳的水浴温度为40～80 ℃不等[5-7]，本实验水浴温度50 ℃即能达到满意效果.但温度高于50 ℃时，水蒸汽的含量增大会严重影响顶空的平衡稳定性和毛细管柱，也造成丙烯腈的峰面积稍有降低.

图1 水浴温度的影响

水浴时间即待测物气液两相达到平衡的时间，其主要由待测物的挥发性和水浴温度决定[8].在水浴温度50 ℃时，考察了水浴时间在10～60 min时对丙烯腈峰面积的影响，结果见图2.水浴刚开始时，丙烯腈的峰面积较低，随着水浴时间的增加，丙烯腈的峰面积明显增大.当水浴30 min时，响应值达到最大值，即丙烯腈的富集已达到平衡，因此最佳的水浴时间为30 min.水浴时间继续增长，因瓶中的丙烯腈在气液两相间已达到平衡，故丙烯腈的峰面积基本无明显升高.

图2 水浴时间的影响

为考察装液体积对丙烯腈峰面积的影响，在40 mL的顶空瓶中分别盛装反应液体积为10，15，20，25，30 mL，结果见图3.当装液体积小于20 mL时，瓶内的丙烯腈含量较低，顶空瓶上方的丙烯腈富集量无法达到平衡，丙烯腈的响应值也较低；当装液体积大于20 mL时，顶空瓶中气体蒸汽压达到饱和，继续增大装液体积对于丙烯腈的响应值没有增长的作用.但当装液体积小于25 mL时，顶空瓶过轻会在水浴过程中处于漂浮的状态，顶空瓶有一部分会裸露在空气中，会影响到水浴的效果，因此选择最佳装液体积为25 mL.

图3 装液体积的影响

盐析作用通过在溶液中加入无机盐类来改变挥发性组分的分配系数[9]，能提高顶空气相色谱法的检测灵敏度.在顶空瓶中分别加入0，1，2，3，4，5 g NaCl，考察盐析作用对丙烯腈响应值的影响，结果可见图4.随着溶液中NaCl的增加，丙烯腈的峰面积呈现上升趋势，因加入NaCl后会使得丙烯腈的溶解度降低，而NaCl质量加入到3 g后，丙烯腈的峰面积增大速度变缓，此时丙烯腈基本已富集于顶空瓶上方，最终确定NaCl加入量为3 g.

图4 盐析作用的影响

2.1.3 技术指标分析

HS—GC测定中，丙烯腈标准系列线性范围50～500 mg/L，以峰面积对浓度做线性曲线，得线性方程：y=3.425x-8.088，相关系数：r=0.986 1.以信噪比为3计算出丙烯腈的检出限，以信噪比为10计算出丙烯腈的定量限(表1),在优化实验条件下，加入一定量的丙烯腈，采用HS—GC重复测定5次，计算得样品的加标回收率及相对标准偏差见表1.

表1 HS—GC法的回收率、相对标准偏差、检出限及定量限的结果

2.2 直接进样气相色谱法测定生物降解水样

2.2.1 色谱条件的优化

比较HP—5、HP—FFAP、HP—INNOWAX等不同的毛细管色谱柱检测生物降解水样中的丙烯腈和丙烯酸，非极性HP—5毛细管柱仅对丙烯腈有较高的响应值，而对丙烯酸无响应；极性较强的HP—FFAP和HP—INNOWAX毛细管柱对丙烯腈和丙烯酸都有较好的响应值，分离效果好，故本实验采用HP—FFAP毛细管柱(30.0 m×320 μm×0.25 μm).对色谱条件进行优化，确定进样口温度260 ℃，柱箱温度190 ℃(4 min)，FID检测器温度260 ℃，采用分流进样，进样量0.2 μL，分流比50∶1.

2.2.2 技术指标分析

采用直接进样GC法，丙烯腈的保留时间为1.87 min，丙烯酸的保留时间为2.37 min，丙烯腈和丙烯酸的分离度R>1.5，丙烯腈和丙烯酸的色谱峰峰形均良好(图5)，能实现3 min内同时检测样品中的待测物.对比王铁钢等4 min内检测生物降解水样[3]，检测时间进一步缩短，能满足水样中丙烯腈的分析需求[10]，也适用于大量生物降解实验样品的快速定量检测.

图5 生物降解实验的气相色谱图

直接进样GC法中丙烯腈和丙烯酸的标准系列线性范围50～500 mg/L，以峰面积对浓度做线性曲线，丙烯腈的线性方程：y=0.037x+0.216 4，相关系数：r=0.999 3；丙烯酸的线性方程：y=0.015 5x+0.004 3，相关系数：r=0.994 7.由此可见：GC法中丙烯腈和丙烯酸都表现出良好的线性关系，相关系数r都高于0.99.以信噪比为3计算处检出限，以信噪比为10计算出定量限(表2),在优化实验条件下，加入一定量的丙烯腈和丙烯酸，重复测定5次，计算得样品的加标回收率及相对标准偏差见表2.

2.3 不同检测方法的对比

对比两种检测方法，HS—GC对丙烯酸无响应，虽可尝试不断提高水浴的温度，但易导致大量水蒸汽进入毛细管柱，对毛细管的性能和寿命影响极大，另外由于丙烯酸沸点高(141 ℃)，挥发性小，无法在顶空瓶中富集，故顶空气相色谱法检测不到丙烯酸物质；而直接进样GC法可在3 min内同时检测到丙烯腈和丙烯酸，并实现完全分离.两种方法的相关技术参数对比见表3，两种方法的准确度和精密度均较好，而直接进样GC法中保留时间和相关系数优于HS—GC法，检出限和定量限也比HS—GC法高.

表2 GC法的回收率、相对标准偏差、检出限及定量限的结果

表3 不同检测方法的技术参数对比

HS—GC法也存在着较多的问题和缺点，如进样针筒因外界环境温度的影响，每次进样时针筒外壁温度差异大，进而引起进样气体量变化；HS—GC法是手动进样，进样针的针芯会由于抽拉的摩擦力导致针芯的松动和针筒内压力突变，使待测物质的响应数值重复性极差；另外还无法避免手动进样时的操作误差.然而，直接进样GC法配备有自动进样器，使得待测物的线性关系、灵敏度及准确性都远超HS—GC法.

采取上述方法用于丙烯腈实际废水检测时，由于丙烯腈实际废水的污染物成分复杂，存在着其他的有机物和无机盐，COD和TN含量也很高[11-12]，可能会对检测的数据造成影响.采用HS—GC时废水中的挥发性物质和盐分会对顶空效果和丙烯腈的响应值造成影响，后续测定时应针对这些问题重新配置标准曲线并添加对照试验；但采用直接进样GC法基本不会受到实际废水中成分的影响，完全适用于丙烯腈实际废水的大量样品快速定量检测.

3 结 论

在自主培养的含腈水解酶的降解菌催化降解丙烯腈的实验过程中，分别采用顶空气相色谱法(HS—GC)

和直接进样气相色谱法(GC)两种方法来检测生物降解水样中的丙烯腈和产物丙烯酸.确定了HS—GC的色谱条件和顶空条件，采用毛细管柱HP—5检测到丙烯腈的保留时间为2.55 min，但丙烯酸无响应值，并确定了水浴温度50 ℃，水浴时间30 min，装液体积25 mL，加入3 g NaCl，该方法中丙烯腈的峰形有些拖尾，线性关系较差，准确度较低.当采用毛细管柱HP—FFAP直接进样GC法可在3 min内同时检测到丙烯腈和丙烯酸，并能实现完全分离，两种待测物的线性关系、准确度和精细度也都较好.通过对两种检测方法对比分析，直接进样GC法优于HS—GC法，因此确定采用以HP—FFAP为分析柱、直接自动进样检测的气相色谱法快速定量的测定样品中丙烯腈的残留浓度及丙烯酸的生成浓度，同时也能满足生物降解实验中大量样品的快速定量检测.

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