葫芦脲聚合膜的制备及其在水体被动采样技术中的应用

赵嵩山，杨先海，魏梦碧，刘会会

(南京理工大学环境与生物工程学院，江苏 南京 210094)

药品与个人护理品(PPCPs)作为一类新兴环境污染物受到了广泛关注，PPCPs种类繁多、性质各异，它们可以通过多种途径进入环境中，从而对生态环境和人类健康产生潜在危害。三氯生(TCS)由于其高效的广谱杀菌性，广泛应用于肥皂、牙膏、沐浴露等日常护理品中。TCS通过生活污水，医疗或工业废水、养殖业废水和垃圾渗滤液等途径进入自然水体，导致其在环境中较高的检出率[1]。研究表明，TCS具有很强的内分泌干扰效应，会损害鱼类的发育和繁殖健康。在光催化作用下，TCS会转化为毒性更强的2,8-二氯二苯并对二噁英，并在水生生物中富集，最终危害人类健康[2-3]。三氯卡班(TCC)作为TCS的替代品逐渐被引入日用品中，在环境中也被频繁检出。研究表明，TCC会破坏藻类的细胞膜，影响其生物功能和组成结构[4]，进而破坏水生生态系统；TCC在泥螺体内富集以后，可以促进其胚胎细胞的产生[5]；TCC可以增加人体细胞中由睾酮控制的基因表达，导致前列腺增大[6]。

准确获取环境中PPCPs的浓度，对于评估其带来的环境风险、制定管控措施具有重要意义。要测定环境中污染物的浓度，第一步是采集适量的环境样品。传统上，样品的采集方式是抓取式采样(主动采样)，其核心步骤为：样品采集-提取-净化-浓缩-仪器分析[7]。主动采集的水样体积有限，这增加了水体中处于痕量水平的新兴污染物的监测难度。近年来发展起来的被动采样技术在很大程度上克服了以上缺点，它利用目标物质在环境介质与吸附相之间的逸度差，基于分子扩散或渗透原理使目标物质富集在吸附相上[8]。与主动采样技术相比，被动采样不需要电力或动力系统，溶剂使用量少，受环境中杂质的干扰小[9-10]。

任何一个被动采样装置的核心部分都是用来捕获目标物的结合相。环状大分子物质(如冠醚、环糊精、环芳烃、葫芦脲)具有疏水性的空腔，可以作为目标物的载体或渗透通道，利用分子间作用力或空间构型匹配，实现对目标物的采集。为了对比不同环状大分子的功效，首先以葫芦脲分子为基体，以醋酸纤维素为载体，制备葫芦脲聚合膜；其次，通过序批式吸附实验考察葫芦脲聚合膜对TCS和TCC的吸附性能；最后，将葫芦脲聚合膜用于自行研制的被动采样装置，研究其测定TCS和TCC的可行性。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

仪器：Agilent Technologies 1260高效液相色谱仪(美国Agilent公司)；JSM-6380型扫描电子显微镜(日本电子株式会社)；TGA/SDTA851型热重分析仪(上海梅特勒-托利多公司)；Nicolet is10型红外光谱仪(美国Thermo Fisher公司)。

试剂：甘脲(98%，分析纯)、乙二醛(40%的水溶液)、多聚甲醛和六亚甲基二异氰酸酯(99%，分析纯)都购于阿拉丁公司；三氯生(97%，色谱纯)、三氯卡班(98.7%，色谱纯)、过硫酸钾(99.5%，分析纯)和丙酮(99.5%，分析纯)都购于麦克林公司；二丁基二月桂酸锡(90%，化学纯)和醋酸纤维素(98%，分析纯)都购于国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器分析条件

Poroshell 120液相色谱柱(150 mm×4.6 mm×4 μm，美国Agilent公司)；柱箱温度为40 ℃；进样量为10 μL；TCS检测波长为281 nm；TCC检测波长为265 nm；流动相为甲醇-水(V∶V=3∶1)；TCC和TCS的出峰时间分别为7.2和8.0 min。

1.3 葫芦脲膜的制备

葫芦脲膜由甘脲和多聚甲醛聚合、分离纯化后制得[11]。(1)将葫芦脲在酸性条件下被过硫酸钾氧化为羟基葫芦脲，具体步骤为：①三口圆底烧瓶中加入葫芦脲、过硫酸钾和纯水，85 ℃反应8 h，反应过程中需通入氮气去除溶解的氧气；②冷却至室温，减压浓缩，加入丙酮析出白色沉淀，过滤得到的固体为粗羟基葫芦脲；③继续用二甲基甲酰胺溶解固体至固体不再减少，析出的絮状白色固体为纯度较高的羟基葫芦脲[12]。(2)利用羟基葫芦脲制备葫芦脲膜，具体步骤为：①取适量的醋酸纤维素与羟基葫芦脲置于具塞锥形瓶中，加入二甲基甲酰胺，在40 ℃水浴中恒温搅拌，静置去除气泡；②将瓶内溶液倒在玻璃板上，用玻璃棒推膜，浸于去离子水中，得到厚度约为0.1 mm的膜。

1.4 葫芦脲膜的表征

(1) 傅里叶红外光谱。真空干燥除去膜样品中的水分，膜样品置于硒化锌(ZnSe)原件上，光以45°入射，累计扫描32次，扫描范围500～4 000 cm-1。

(2) 扫描电镜。先将干燥后的样品粘在样品座上的导电胶带上，然后将样品座置于蒸金室中镀金，最后进行扫描电镜测试。测试条件：加速电压为10.0 kV，放大倍数为300倍。

(3) 热重分析。将聚合膜干燥，剪切至0.001 g大小，称量后置于坩埚中。热重分析的加热速度设定为10 ℃/min，氮气流速为100 mL/min，将膜从50 ℃加热至700 ℃，记录聚合膜的质量变化。

1.5 葫芦脲膜的吸附性能研究

1.5.1 吸附动力学实验

将1 cm2的葫芦脲膜或醋酸纤维素膜加入20 mL含有2 mg/L TCS或0.5 mg/L TCC的溶液中，将样品放到25 ℃、150 r/min条件下振荡0.5～60 h，每个样品设3个平行样。待吸附完成后取出膜，使用10 mL甲醇超声萃取3次，氮吹浓缩至1 mL，测定膜上的吸附量。准二级动力学模型方程为：

(1)

式中：Qe——吸附平衡时的吸附量，mg/g；Qs,t——t时刻的吸附量，mg/g；K2——吸附速率常数，g/(mg·min)；t——吸附时间，h。

1.5.2 等温吸附实验

将1 cm2的葫芦脲膜或醋酸纤维素膜加入含有TCS和TCC的20 mL溶液中，其中TCS的质量浓度范围设置为0.5～4 mg/L，TCC的质量浓度范围设置为0.1～0.8 mg/L。每个质量浓度设3个平行，在25 ℃、150 r/min下振荡36 h，待吸附平衡后取出膜，用10 mL甲醇超声萃取3次，氮吹浓缩至1 mL，测定膜上的吸附量。Freundlich等温吸附模型方程为：

(2)

式中：Qe——吸附平衡时的吸附量，mg/g；Ce——吸附平衡时溶液中化合物的质量浓度，mg/L；Kf——吸附常数，反映膜的吸附容量；1/n——吸附指数，反映膜表面异质程度及对化合物的吸附强度，1/n越小，说明吸附性能越好。

1.6 葫芦脲膜的采样装置研发

魏梦碧等[13]基于薄膜梯度扩散原理，以环糊精聚合膜为结合相，琼脂糖胶膜为扩散相，玻璃纤维滤膜为保护相，以不锈钢滤网为保护套，研发了一种新型动力学被动采样装置。为了对比不同环状大分子的功效，现以葫芦脲膜替代环糊精膜，采用相同的采样装置，来采集并测定水体中TCS和TCC的浓度。

考虑到自然水体中含有盐离子和有机质，本实验的模拟水样中含有10 mg/L腐殖酸和10 mmol/L氯化钠。配置2 L含有0.5 mg/L TCS和 0.1 mg/L TCC的模拟水样，每个水样中悬挂放置一个采样装置，容器被密封并遮挡避光。每个样品设置2个平行，保持室温(25±3) ℃，磁力搅拌器转速为400 r/min。采样7 d后取出采样装置，将其拆卸，取出葫芦脲膜，用30 mL甲醇萃取3次，每次超声30 min，合并萃取液，氮吹浓缩至1 mL，测定膜上目标物的富集量。利用1.5的定量方法，反推溶液中的化合物浓度。同时，采用固相萃取法测定溶液中实际的化合物浓度。

1.7 pH值、离子强度、可溶性有机质对采样装置性能的影响

考察了3种环境因素(pH值、离子强度和可溶性有机质)对被动采样装置性能的影响。其中pH值设定为5，7，9，采用缓冲溶液配制；离子强度的影响采用1，10和100 mmol/L的氯化钠溶液考察；可溶性有机质的影响采用0.1，1，10 mg/L的腐殖酸溶液考察。

实验室内分别配置上述9种条件下的水样，都含有0.5 mg/L TCS和0.1 mg/L TCC。将采样装置悬挂放置到2 L上述样品中，密封避光。样品中化合物定量方法同1.5。

1.8 葫芦脲膜采样装置的野外应用

在南京市秦淮河布设采样点S1(32.073oN，118.735oE)和S2(31.966oN，118.822oE)。每个采样点布设2个采样器，用浮球、尼龙绳和水泥砖将采样器安置在水面以下1 m。采样时间为7 d(2019年9月9日—16日)，野外环境温度19～27 ℃。采集结束后，取出采样装置，放入冰袋，带回实验室。然后拆卸、取出葫芦脲膜，纯水冲洗1次，放入甲醇萃取3次，氮吹浓缩至1 mL，测定膜上的吸附量。利用1.5的定量方法，反推溶液中的化合物浓度。同时，采样结束时，用主动采样方法原位采集10 L水样，放入棕色玻璃瓶，带回实验室。水样经过过滤后，用固相萃取方法萃取水样，甲醇洗脱、氮气浓缩、定容至1 mL，测定目标化合物的浓度。

1.9 质量控制和质量保证

文献[13]曾证明采样装置的部件，如不锈钢网、玻璃纤维滤膜、琼脂凝胶扩散膜、不锈钢螺丝、聚四氟乙烯垫圈等对TCC和TCS都没有明显的吸附作用。实验表明，实验中所用的纯水、溶剂、膜中都不含有TCC和TCS。吸附实验和被动采样研究中所有的样品都设置3个平行。

目标物在葫芦脲膜上的洗脱效率通过以下步骤进行测定：将1 cm2的葫芦脲膜加入含有0.2和4 mg/L的TCS溶液，以及含有0.05和0.8 mg/L的TCC溶液中，每个样品设3个平行样，将样品放到25℃、150 r/min条件下振荡36 h。待吸附完成后，计算目标物的洗脱效率。

2 实验结果与讨论

2.1 葫芦脲膜的表征结果

2.1.1 红外光谱分析

制备的醋酸纤维素膜和葫芦脲膜的红外光谱见图1。由图1可见，醋酸纤维素膜的主要特征峰是：1 369 cm-1处为—CH3变角振动峰，1 030 cm-1处为C—O伸缩振动峰，3 000～3 200 cm-1处为O—H伸缩振动峰。而葫芦脲膜除了具有醋酸纤维素膜的特征峰以外，在3 450 cm-1左右出现了葫芦脲上NH的特征峰，这证实了葫芦脲分子的存在。

图1 醋酸纤维素膜和葫芦脲膜红外光谱

2.1.2 扫描电子显微镜分析

采用扫描电子显微镜观察聚合膜表面的形态结构。图2(a)(b)为醋酸纤维素膜和葫芦脲膜的扫描电镜图。对比可以看出加入葫芦脲分子使膜材料的表面结构发生变化，膜表面更加致密。

图2 醋酸纤维素膜和葫芦脲膜扫描电镜图

2.1.3 热重分析

通过热重分析仪考察膜的热稳定性。醋酸纤维素膜和葫芦脲膜的热重分析见图3，由图3可见，2种膜在300 ℃之前基本没有降解，在300 ℃左右开始降解，300～400 ℃质量快速损失，在400 ℃之后损失变慢。醋酸纤维素膜的总质量损失为85%，葫芦脲膜的总质量损失为80%，这说明葫芦脲膜具有更好的热稳定性。

图3 醋酸纤维素膜和葫芦脲膜的热重分析

2.2 葫芦脲膜对TCS和TCC吸附性能分析

2.2.1 吸附动力学

TCS和TCC在醋酸纤维素和葫芦脲膜上的吸附量随时间的变化趋势见图4(a)(b)。

图4 醋酸纤维素膜和葫芦脲膜对TCS和TCC的吸附动力学曲线

由图4可见，TCS吸附较快，24 h就能达到吸附平衡；而TCC的吸附较TCS慢，在36 h才能达到平衡。动力吸附数据用准二级动力学模型拟合，拟合结果见表1。由表1可见，模型拟合的相关系数R2均>0.96，这说明准二级动力学模型能很好地描述膜对2种目标化合物的吸附行为。

通过对比2种膜的拟合参数可以看出，醋酸纤维素膜的吸附速率(K2)均>葫芦脲膜的吸附速率，说明葫芦脲分子的引入减慢了化合物在膜中的扩散速率。这是由于葫芦脲分子堵塞了膜的孔道，使得膜更加致密，这与之前扫描电镜观察结论一致。然而，对比Qe可以看出，葫芦脲膜的吸附能力是醋酸纤维素膜吸附能力的3倍，这说明葫芦脲分子的引入增强了膜的吸附容量，其原因可能是葫芦脲分子增加了膜中羟基的数量，使得膜与目标化合物之间的氢键作用增强。此外，葫芦脲的疏水性空腔会包络目标化合物，使得更多的化合物被膜截留下来，使吸附作用更强。

表1 吸附动力学数据和等温吸附数据的模型拟合参数

2.2.2 等温吸附

醋酸纤维素膜和葫芦脲膜对TCS和TCC的等温吸附数量无法用Langmuir方程拟合，这说明吸附过程不是单分子吸附。2种膜对TCS和TCC的等温吸附Freundlich方程拟合结果见图5(a)(b)，由图5可见，Freundlich模型拟合效果较好，拟合参数见表1。由拟合参数可见，模型拟合的相关系数R2均>0.96，这说明Freundlich等温吸附模型能很好地描述膜对2种目标化合物的吸附行为。

图5 醋酸纤维素膜和葫芦脲膜对TCS和TCC的等温吸附拟合结果

表1的拟合参数中，Kf反映膜的吸附容量，对比数据可以看出，葫芦脲膜对TCS的吸附容量是醋酸纤维素膜的10倍，对TCC的吸附容量是醋酸纤维素膜的4倍，这说明葫芦脲分子的引入大大增加了膜的吸附能力，这与吸附动力学中的结论一致。1/n是吸附指数，其值越小，说明膜对化合物的吸附强度越大。通过对比可以看出，对于2种化合物，葫芦脲膜的吸附强度都大于醋酸纤维素膜。进一步证明葫芦脲分子所带来的氢键作用和包络作用，对于提高膜的吸附性能具有很大的贡献。

2.3 目标物在葫芦脲膜上的洗脱效率

在水中目标物浓度较低和较高的情况下，吸附膜均能获得较高的洗脱效率是对吸附膜的重要要求之一。洗脱实验结果见表2，由表2可知，经过36 h等温吸附以后，TCS在低浓度下的洗脱效率为115%，在高浓度下的洗脱效率为91.4%；TCC在低浓度下的洗脱效率为112%，在高浓度下的洗脱效率为109%。这说明甲醇作为这2种目标物的洗脱试剂，均能得到较高的洗脱效率。

表2 不同浓度的目标物在葫芦脲膜上的洗脱效率

2.4 葫芦脲膜采样装置的室内验证

图6(a)(b)为葫芦脲膜采样装置用于监测水样中TCS和TCC的示意图，其定量公式为：

(3)

式中：Cw——外界环境中目标化合物质量浓度，mg/L；D——目标物在扩散层的扩散系数，cm2/s；M——扩散膜上的目标化合物质量，μg；A——采样器接触基质的窗口面积，cm2；t——采样时间，s；Δg——扩散层厚度，cm；d——扩散边缘层厚度，cm。采样装置扩散系数可由修正过的Othmer-Thakar公式[14]计算得到，其中TCS的扩散系数为7.08×10-6cm2/s,TCC的扩散系数为5.83×10-6cm2/s；目标物在葫芦脲膜上的吸附量经由甲醇萃取、氮吹、浓缩等前处理过程，最后由液相色谱测得；采集窗口面积为0.196 cm2，采集时间为7 d，扩散层厚度和边界层厚度之和采用经验值0.02 cm[15-16]。

图6 被动采样装置和采样装置应用体系示意图

根据公式(3)，由采样装置采集监测到的模拟溶液中ρ(TCS)为0.516 mg/L，ρ(TCC)为0.078 6 mg/L。此外，本研究还用传统的固相萃取法将剩余模拟溶液进行前处理，由此得到的ρ(TCS)为0.467 mg/L,ρ(TCC)为0.068 2 mg/L。原始配置的含有0.5 mg/L TCS和0.1 mg/L TCC的模拟水样中，被动采样装置得到的化合物回收率为79%～103%，固相萃取方法得到的化合物回收率为68%～93%，2种方法都得到了良好的测定结果。将被动采样方法与固相萃取方法得到的浓度进行显著性分析(成对t检验)，均得到p>0.05，所以被动采样方法与传统的固相萃取方法测定的结果相吻合，无显著性差异，这证实了该被动采样装置用于测定水环境中TCS和TCC的可行性。

2.5 不同环境因素对采样装置采样性能的影响

环境因素对采样结果的影响是考察采样装置工作稳定性的依据。现考察了3种环境因素，即pH值、离子强度、可溶性有机质对葫芦脲膜采样装置的影响。不同实验条件下，测量TCS和TCC模拟水样得到的质量浓度和回收率见表3。

表3 不同环境因素对采样装置采样性能的影响

由表3可见，3个不同pH值条件下，TCS的回收率为97.8%～108.4%，TCC的回收率为87.9%～95.6%，这说明pH值对被动采样装置的工作性能影响不大，这主要是因为目标化合物TCS和TCC属于中性化合物，不易随着酸碱度的改变而解离。3个不同离子强度条件下，TCS的回收率为97.6%～101.6%，TCC的回收率为87.2%～96.7%，这说明离子强度对被动采样装置工作性能的影响也不大。离子强度的作用主要是影响目标物在溶液中的溶解度，本实验TCS和TCC的浓度设置都远小于各自的溶解度，而且被动采样装置测定的是自由溶解态的目标物，所以离子强度对采样结果无影响。3个不同可溶性有机质的条件下，TCS的回收率为82.4%～102.8%，TCC的回收率为78.6%～86.5%，这说明可溶性有机质对被动采样装置工作性能的影响也不大。可溶性有机质主要是通过络合作用减少溶液中自由溶解态的目标物，由表3可见，10 mg/L腐殖酸条件下，2个目标物的回收率略低，这可能是由于有机质的络合作用所致。然而，对不同有机质条件下的数据进行显著性分析(成对t检验)，p> 0.05，无显著性差异，因此有机质的影响也可以忽略。这证实了所研制的被动采样装置在不同的环境因素下都具有良好的工作稳定性。

2.6 葫芦脲膜采样装置的野外应用

为了进一步验证采样装置用于环境监测的可行性，现将采样装置布设到南京市秦淮河的2个采样点，野外监测到的目标物浓度见表4。将主动采样方法和被动采样方法得到数据进行成对t检验，得到的p=0.609(>0.05)，说明2种方法得到的数据没有显著性差异，证实了该被动采样装置用于监测实际水体中TCS和TCC的可行性。

由表4可知，不管是TCS还是TCC，S2点位目标物的浓度都>S1点位的浓度。结合野外背景勘察发现，S1点位于秦淮河和长江的汇合处，水流较急，水深较大，水面较宽，可能由于稀释作用，使得目标物浓度低。而S2位于南京市内，水流速度较小，水深和河面宽度也比S1小，周围有居民区、服装厂和工业园。TCC和TCS都属于杀菌剂，日常洗漱用品中均含有，人口密集地区排放更多，而且S2的水利条件不利于污染物的扩散，因此监测到了更高浓度的TCC和TCS。

表4 主动采样和被动采样方法得到的野外环境中目标物质量浓度 ng/L

3 结语

以醋酸纤维素为载体，制备了葫芦脲聚合膜，红外光谱、扫描电镜、热重分析结果表明，葫芦脲分子确实被引入到膜中，该膜具有良好的致密性和热稳定性。以TCS和TCC为模型化合物，序批式吸附实验表明，葫芦脲膜比醋酸纤维素膜具有更强的吸附容量和吸附强度，这主要归因于葫芦脲分子带来的氢键作用和包络作用，证实了葫芦脲分子在吸附化合物中的重要贡献。对模拟水样测定时，得到的化合物回收率为79%～103%，而且在不同环境因素下都具有良好的工作稳定性，证实了以葫芦脲膜为结合相的被动采样技术监测这2种物质的可行性，进一步证明环状大分子在环境监测领域将具有广阔的应用前景。