紫外分光光度计测定菲的方法改良及吸附应用

李文斌，邓红艳，朱晓华，孟昭福，刘智峰，王　腾，谢　婷，张　洋

(1.西华师范大学 环境科学与工程学院，四川 南充　637009；2.西北农林科技大学 资源环境学院，陕西 杨凌　712100；

多环芳烃(PAHs)是美国环保局划定的主要污染物之一，含有两个或两个以上苯环，化学惰性强且性质稳定，其毒性随苯环数量的增多而增强[1]。多环芳烃中的菲是目前国内外研究者重点关注的污染物，它主要以地表挥发、径流和生物吸收等作用发生迁移和转化，因而易于在土壤中累积并对生态环境和人类健康造成潜在威胁[2-3]，菲的快速简便测定和污染修复是一项重大难题。若能够简化土壤中菲的测定方法，并筛选对菲具有较强吸附作用的廉价吸附材料，对于土壤污染治理工作具有参考意义。

目前测定菲含量的方法主要为高效液相色谱分离-荧光检测法，虽然测定精度较高，但在样品量较大时也存在速度慢和费用高的问题。而采用紫外分光光度计-比色法测定菲既节省时间，又广泛适用于基层工作站的快速监测，但存在挥发误差且测定含量低[4-5]。陈宝梁等[6]采用紫外分光光度计-比色法测定菲时发现，水溶液中菲浓度在1 μg/mL以内吸光度与浓度保持高度线性相关，当以甲醇作为有机载体进行菲浓度测定时，菲的最大线性范围可达到0～20 μg/mL[7]，但由于甲醇的挥发性极强，样品处理和测定过程中促使菲的耗散作用增强，造成实验误差，故菲测定过程中有机载体的选取至关重要。在筛选出快速测定菲的方法后，较好的吸附材料对于土壤菲污染修复也极其关键，目前研究者重点关注的吸附材料有生物炭[8]、改性黏土矿物[9-10]、农林废弃物[11]、菌类藻类[12]等环境材料，黏土矿物由于其廉价生态多被用于污染修复工作中。孟昭福等[13-14]最早采用两性修饰土同时修复有机、重金属污染物的方法，证明十二烷基二甲基甜菜碱(BS-12)和十八烷基二甲基甜菜碱(BS-18)修饰后的黏土对有机污染物具有较佳的吸附能力，相比未修饰土样提升了3倍左右。李彬[15]、崔晓波等[16]研究证明50%和100% BS-12修饰膨润土对苯酚的吸附量是膨润土原土的4～8倍，且吸附机制主要为分配吸附作用。

天然高岭土对菲的吸附能力很弱，采用疏水性较强的BS-14(十四烷基二甲基甜菜碱)修饰高岭土，并采用最佳的菲测定方法，可简化和快速测定BS-14修饰高岭土对菲的吸附效果，且BS-14修饰黏土廉价生态，不会对土壤环境造成二次污染，可在很大程度上缓解菲在土壤中的累积，但目前此方面研究尚未见报道。为了探索紫外分光计测定菲的最佳载体和最佳载体条件下吸附剂对菲的吸附效果，采用10%、25%的甲醇和二甲基亚砜作为有机载体，BS-14修饰高岭土作为吸附剂。研究不同有机载体下菲测定的最大线性范围和耗散率，探索BS-14修饰高岭土对菲的吸附特征及其在不同温度、pH值和离子强度条件下的吸附差异，以期为紫外分光光度计-比色法测定菲的方法改进及其在基层监测工作中的应用提供理论依据。

1　材料与方法

1.1　实验材料

供试有机载体：甲醇(AR，西陇化工股份有限公司)；二甲基亚砜(AR，天津市科密欧化学试剂有限公司)。

供试修饰剂：采用两性表面修饰剂十四烷基二甲基甜菜碱(BS-14，AR，天津兴光助剂厂生产)。结构式如图1所示。

供试黏土为高岭土，3 000目，购自阿里巴巴网广州拓亿贸易有限公司；基本理化性质为：pH=6.70、CEC=88.69 mmol/kg、TOC=0.12 g/kg。

有机污染物采用菲，纯度为95%(购于Aladdin Chemistry Co.Ltd)。

1.2　两性(BS-14)修饰高岭土的制备

BS-14修饰高岭土采用湿法[13]制备：称取一定质量的高岭土，按土水比1∶10加入预先制备好的BS-14溶液中，在40 ℃水浴中恒温反应 6 h，然后4 800 r/min离心分离10 min，倒掉上清液，制得BS-14修饰高岭土样品，用去离子水以离心分离的方式洗涤3次，烘干后研磨过60目尼龙筛得到备用样品[17]。

BS-14的需用量通过以下公式计算[18]：

W=m×CEC×M×10-6×R/b，

式中，W为BS-14的质量，g；m为需修饰高岭土的质量，g；CEC为高岭土的阳离子代换量，mmol/kg；M为BS-14的摩尔质量，g/mol；R为修饰比例；b为BS-14的含量(质量分数)。

三种样品的基本理化性质如表1所示。

表1　三种土样的基本理化特征

1.3　实验设计

1.3.1菲标线、空白实验和吸附实验

以下实验设计中，每个处理均设3个重复。

分别采用10%、25%甲醇和二甲基亚砜作为菲测定的有机载体，20%BS-14、40%BS-14和60%BS-14修饰高岭土(简写为20%BS、40%BS和60%BS高岭土)作为吸附剂，进行以下3组测定：

(1)标准曲线测定(菲原始溶液，原始吸光度值)，确定最大线性范围；

(2)空白吸附实验(未加土吸附菲，检测吸光度值)，检验实验过程菲的耗散率；

(3)吸附实验(供试土样在最佳菲测定条件下对菲的吸附效果)。

菲的浓度设0.5、1、2、5、10、15、20、25和30 μg/mL共9个质量浓度梯度，温度设为20 ℃，pH值为7。

1.3.2环境因素对供试土样吸附菲的影响

考虑的环境因素为实验温度、起始溶液pH值和背景离子强度。

温度设10、20和30 ℃(此时pH值设为7，离子强度为0.1 mol/L)。

pH值设为4、7和10(此时温度为20 ℃，离子强度为0.1 mol/L)。

离子强度设为0.01、0.1和0.5 mol/L(此时温度为20 ℃，pH值设为7)。

1.4　实验方法

1.4.1有机载体对分光法测定菲的影响

以10%、25%甲醇与二甲基亚砜作为有机载体并配置最大浓度(未析出)菲标准溶液，分别采用相应有机载体作为稀释溶剂配制不同浓度梯度的菲溶液，采用SP-2100型UV-VIS分光光度计于251 nm下比色，记录吸光度(吸光度>1的溶液进行再次稀释比色)，获得吸光度和浓度的标准曲线。

同时将不同浓度梯度的菲溶液加入50 mL玻璃离心管中，在(20±1) ℃和150 r/min条件下，恒温振荡2 h(该条件为1.4.2部分土样吸附菲的实验条件)，再次记录溶液吸光度，该吸光度为菲耗散率空白试验。

1.4.2菲吸附实验

采用批处理法，准确称取不同供试土样0.2000 g置于9个50 mL玻璃离心管中，分别加入20.00 mL不同浓度梯度的菲系列溶液(25%二甲基亚砜水溶液作为溶剂，试验结果证实为最佳载体)，在(20±1) ℃和150 r/min条件下，恒温振荡2 h(动力学实验2 h达到吸附平衡)，4 800 r/min离心15 min，分离上清液，测定上清液(全波长扫描证明该波长下脱附的BS-14对菲测定的影响可忽略)菲的质量浓度[17,19]，差减法计算供试样品对菲的平衡吸附量。

1.5　数据处理

1.5.1模型拟合

采用Henry模型拟合菲吸附等温线，该式定义为：

S=Kc，

式中，S为吸附平衡时BS修饰高岭土吸附菲的量，mmol/kg；c为吸附平衡时上清液中含有的菲浓度，mmol/L；K为表征吸附质在固相吸附剂与溶剂中的分配系数，也在一定程度上表示固相吸附剂表面与吸附质的结合能力)。

1.5.2热力学参数的计算

Henry模型中的参数K等同于吸附平衡的热力学平衡常数Ka(即表观平衡常数)，计算公式如下：

ΔG=-RTlnK，

(1)

(2)

(3)

模型拟合采用Curvexpert 1.3拟合软件以逐步逼近法进行非线性拟合；采用Sigmaplot 10.0软件进行绘图。

2　结果与讨论

2.1　不同有机载体对菲标线与空白实验的影响

图2中菲标线和空白实验结果显示，在不同有机载体条件下，菲吸光度均随着浓度的增大而增大，且在一定范围内保持线性关系，结合表2可以看出，10%和25%甲醇作为有机载体时，标线的最大线性范围分别为0～1 μg/mL和0～6 μg/mL，而空白实验(未加土)的最大线性范围分别为0～1 μg/mL和0～10 μg/mL。对于二甲基亚砜来说，10%和25%比例时，标线的线性范围最大值分别为7 μg/mL和20 μg/mL，线性范围最大值相比甲醇有数倍增加。25%二甲基亚砜作为有机载体时，空白(未加土)实验的线性范围最大值达到30 μg/mL，说明了25%二甲基亚砜作为有机载体可显著增加菲的最大测量范围。

从表2看出，各线性范围拟合结果均达极显著相关。以标准/空白的吸光度比值代表菲在空白实验中的耗散情况，则比值越大，耗散率越大，比值低于1时，越靠近1误差越小。可以看出，25%甲醇的耗散率最高，达到1.70～5.36，而10%甲醇和10%、25%二甲基亚砜耗散率差别较小，且25%二甲基亚砜的误差最低。说明25%二甲基亚砜作为有机载体，既可以增加线性测量范围，又保持了较低的菲耗散率，是紫外分光光度计-比色法测定菲的最佳选择。以上结果主要是因为菲在水溶液中的溶液度最大为1 μg/mL，加入有机载体后可以使菲的溶解度增大，而二甲基亚砜的挥发性较低，对菲的溶解性也较强，所以采用二甲基亚砜作为有机载体，不但能增强菲的溶解度，还能降低菲吸附过程中的耗散率。

2.2　最佳载体条件下BS-14高岭土对菲的吸附

25%二甲基亚砜作为载体的条件下，图3各供试BS高岭土对菲的吸附量均随菲平衡浓度的增大而增加，吸附等温线均呈直线形式。CK(高岭土)对菲的吸附能力最弱，经BS-14修饰后的高岭土对菲的吸附能力明显增强，且保持60%BS>40%BS>20%BS>CK的顺序，各BS高岭土对菲的吸附能力达CK的2.0～3.4倍(Kr)，表明随着BS高岭土表面疏水修饰模式的增强，菲的吸附能力也随之增强，这主要归因于菲在有机修饰土表面的分配吸附作用。表3中Henry模型拟合结果显示，各吸附等温线的拟合均达极显著相关，且Henry吸附模型参数K和Kr保持和吸附等温线同样的趋势。

表2　不同有机载体对菲测量范围的影响

在10 ℃、30 ℃时用Henry模型K计算表观热力学参数，结果见表3。各修饰高岭土吸附菲的表观自由能变均有ΔG<0，吸附属于自发反应，且相同BS修饰比例下30 ℃的吸附自发性更强。相同温度下，吸附自发性大小顺序表现为60%BS>40%BS>20%BS>CK，BS高岭土对菲的吸附量保持BS-14疏水修饰比例越大，吸附自发性越强的趋势。

表3同时可见，CK吸附菲的焓变值ΔH>0，表现为吸热反应，BS高岭土对菲吸附的ΔH<0，为放热反应。-ΔH保持在疏水优势(60%BS)模式下最大，此时疏水(物理)吸附能力最强，与李文斌等[18]研究BS-12修饰膨润土在疏水优势模式>疏水初现模式和离子交换模式的规律一致。说明高岭土表面的有机相不足，主要靠土样自身对菲产生微弱的吸附作用[20]。对于BS高岭土来说，随着BS修饰比例的增大，高岭土表面的有机相增大，对菲吸附的放热能力也逐渐增强，ΔH随BS修饰比例增大由正向负并且负值增大变化，证实了疏水吸附的增强。

各BS修饰高岭土吸附菲的ΔS均大于0，表现为熵增反应，ΔS数值的大小顺序为CK>20%BS>40%BS>60%BS，ΔS在BS高岭土上保持疏水优势模式下最小。说明随着BS在土样表面修饰量的增大，其表面有机相增大，吸附趋于均一化。可以发现，BS高岭土的热力学参数变化与前人关于有机污染物菲在修饰黏土上的疏水吸附机制具有一致性[21]。

表3　不同BS修饰高岭土对菲吸附等温拟合及热力学参数

注：**表示极显著相关。

2.3　环境因素对BS-14修饰高岭土吸附菲的影响

图4温度对BS高岭土吸附菲的影响可以看出，温度在10～30 ℃范围内，除CK对菲的吸附量随温度的增加有略有增大外，BS高岭土对菲的吸附均随着温度的增大而减小，表现为增温负效应。说明疏水性的菲在不同修饰模式高岭土上的吸附也主要为疏水的物理吸附作用，增温不利于吸附。菲吸附量降低幅度在BS高岭土表现为60%BS>40%BS>20%BS。该结果主要是由于菲在土样表面的疏水(物理)吸附以及不同修饰模式高岭土表面有机相的比例不同造成的，和BS修饰膨润土吸附菲受温度影响的规律完全一致[22]。

从pH对菲吸附的影响上看，除CK在pH=4和pH=7处理下差异显著、60%BS高岭土在不同pH处理下差异显著外，其余土样在不同pH处理下均无显著性差异，受pH变化影响不大。说明pH值对疏水优势模式(60%)BS高岭土吸附菲的影响较大，而对离子交换和疏水初现模式BS高岭土影响较小，这一点和疏水优势模式 (100%)BS膨润土具有一致性[19]。

离子强度对BS高岭土吸附菲的影响结果见表4。当KNO3浓度为0.01～0.5 mol/L时，3种BS高岭土对菲的吸附量均随KNO3浓度的增大呈现先增大后减小的趋势，除60%BS高岭土在不同离子强度下差异显著，其余处理均表现为离子强度在0.1 mol/L和0.01 mol/L之间差异显著，0.1 mol/L和0.5 mol/L之间、0.01 mol/L和0.5 mol/L之间差异不显著。结果显示，对于供试土样来说，离子强度仅在0.01 mol/L增加到0.1 mol/L下对菲吸附影响较大，而进一步增加离子强度(0.1 mol/L增加到0.5 mol/L)却对菲吸附影响不显著。所以BS高岭土受离子强度的影响表现为BS疏水修饰模式下最大，与BS膨润土吸附菲的结论一致[21]。

表4　pH值和离子强度对不同修饰高岭土吸附菲的影响

高岭土属于1∶1型非膨胀型的黏土，其表面仅有少量的阳离子交换点位，其表面存在少量的有机碳可对有机污染物菲产生微弱的分配吸附，同时还存在氢键与范德华力等作用[23-24]，但吸附作用较弱。

BS-14分子结构上有一个十四烷基的疏水碳链，同时具有带正电荷的季胺基和带负电荷的羧基两个亲水基团，在20%BS修饰时，BS-14主要通过离子交换方式修饰在高岭土表面，而使BS-14疏水碳链朝外，此时高岭土表面TOC含量开始增加，比表面积开始降低，此时菲的吸附还以高岭土本身的作用为主，同时存在BS-14疏水碳链微弱的分配吸附作用[25]。当BS修饰比例为40%时，BS-14在高岭土表面已经开始出现疏水碳链的结合，而使BS-14的亲水端朝外，此时40%BS高岭土对菲的吸附由高岭土和其表面修饰的BS-14共同决定，对于疏水优势模式的(60%)BS高岭土，其表面BS-14的疏水修饰已经开始占据主要修饰模式，此时菲在土样上的吸附主要是BS-14疏水相的分配吸附作用。

3　结　论

(1)10%、25%甲醇和二甲基亚砜作为有机载体时，标线的线性范围最大值分别为1、6 μg/mL和7、20 μg/mL，而空白实验(未加土)的线性范围最大值分别为1、10 μg/mL和7、30 μg/mL。菲吸附过程中25%甲醇作为有机载体时菲耗散率较高，而25%二甲基亚砜作为载体时的测量误差最低。

(2)BS高岭土对菲的吸附为分配吸附，且保持60%BS>40%BS>20%BS>CK的顺序。各BS高岭土吸附菲属于自发反应，自发性大小顺序为60%BS>40%BS>20%BS>CK。BS高岭土对菲吸附均为放热和熵增反应，但随着BS修饰比例的增大，放热增强而熵值变小。

(3)除60%BS高岭土以外，其余土样在不同pH处理下对菲的吸附均无显著性差异。离子强度仅在0.01 mol/L增加到0.1 mol/L下对菲吸附的影响较大。BS高岭土对菲的吸附为增温负效应。

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