毛细管电泳法测定染料厂废水中10种苯胺类化合物

(六盘水师范学院 化学与材料工程学院,六盘水 553004)

随着印染技术的发展,作为印染过程中的重要中间体——苯胺类化合物[1-3]应用也越来越广泛。苯胺类化合物在环境中具有长期的残留性,会造成地下水与地表水污染[4-6],对人体健康具有“致癌、致畸、致突变”的危害,其被美国列为优先控制的129种污染物之一。保护环境,实现对含苯胺类化合物废水的有效治理已成为世界范围内环境保护领域急需解决的难题。因此,如何有效测定废水中苯胺类化合物已经成为一个重要研究课题。目前分离测定苯胺类化合物最常用的方法是高效液相色谱法[7-9],但色谱柱价格昂贵、溶剂消耗量大、分析时间长等缺点限制了其在苯胺类化合物分离测定中的应用。毛细管电泳法[10-11]是一类以毛细管为分离通道、以高压直流电场为驱动力的新型液相分离技术,在苯胺类化合物的分离测定领域有着广泛的应用前景。苯胺类化合物本身紫外吸收不强,直接测定灵敏度低,背景电解质干扰明显,严重影响测定效果。为克服以上不足,采用柱前或柱后衍生是一种行之有效的手段。尽管荧光衍生化中应用的试剂较多[12-14],但最常用的主要有丹磺酰氯、4-氯-7-硝基苯并-1,2,3-恶二唑、N,N-二丁基-1-氨基萘-5-磺酰氯、邻苯二甲醛、1,2-亚萘基苯并咪唑-6-磺酰氯、6-N-甲基苯胺基萘-2-磺酰氯、2-对磺酰氯-3-苯基吲哚和8-甲氧基喹啉-5-磺酰氯等。为提高荧光衍生试剂的测定灵敏度,试验中使用了以吖啶酮为母体环的具有强荧光量子效率的10-乙基吖啶酮-2-磺酰氯(EASC)试剂,与苯胺类化合物反应产生具有较强蓝色荧光的磺酰胺类衍生物。由于EASC 分子内同时含有氮氧杂原子并具有三环并联的高共轭体系,因此其具有更强的光致发光性质,与未使用衍生试剂的毛细管电泳法测定苯胺类化合物的分析方法[15-18]相比,使用衍生试剂后方法的灵敏度得到较大提高。本工作采用毛细管电泳法测定染料厂废水中10种苯胺类化合物的含量,本方法具有高效、快速、灵敏度高等优势。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

Agilent HP-3D 型毛细管电泳仪。

10 种苯胺类化合物的混合标准储备溶液:1.0×10-4mol·L-1,分别称取适量的磺胺、苯胺、对硝基苯胺、对氨基苯胺、邻甲苯胺、N,N-二甲基苯胺、联苯胺、二苯胺、邻联甲苯胺、2,4,5-三甲基苯胺的标准品,用乙腈稀释混合而成。使用时,用乙腈稀释配制至所需浓度的混合标准溶液。

10-乙基吖啶酮-2-磺酰氯(衍生试剂)溶液:1.0×10-3mol·L-1,称取8.1 mg的10-乙基吖啶酮-2-磺酰氯,溶于25 mL无水乙腈。

分离缓冲溶液:15 mmol·L-1四硼酸钠缓冲溶液(十二烷基硫酸钠浓度为20 mmol·L-1,pH 为9.0)。

乙腈为色谱纯。

1.2 电泳条件

石英熔融毛细管柱(58.5 cm×75μm,有效柱长50 cm);新毛细管柱在使用前依次用0.1 mol·L-1盐酸溶液,0.1 mol·L-1氢氧化钠溶液、水在100 kPa下各冲洗10 min,然后在20 kV 的电压下平衡。每次开机时依次用水、0.1 mol·L-1盐酸溶液、水、0.1 mol·L-1氢氧化钠溶液、水和分离缓冲溶液分别冲洗5,5,5,2.5,2.5,2.5 min;两次运行之间,毛细管依次用0.1 mol·L-1氢氧化钠溶液、水和分离缓冲溶液各冲洗2 min。柱温25 ℃,分离电压20 kV,进样压力4 kPa,进样时间5 s,检测波长235 nm。

1.3 试验方法

1.3.1 衍生化

向安瓿瓶中加入10种苯胺类化合物混合标准溶液20 mL,1.0×10-3mol·L-110-乙基吖啶酮-2-磺酰氯溶液80 mL,于60℃水浴中反应3 min进行衍生化,所得溶液用乙腈稀释2倍后进样10 mL,按电泳条件进行测定。

1.3.2 样品预处理

移取某染料厂废水样品100 mL,经0.22μm 微孔滤膜过滤后冷藏。

测定前移取适量过滤后的样品,按上述操作进行衍生化后,按电泳条件进行测定。

2 结果与讨论

2.1 毛细管电泳分离行为

按试验方法对10种苯胺类化合物的混合标准溶液进行测定,其电泳谱图见图1。

由图1可知:经10-乙基吖啶酮-2-磺酰氯柱前衍生的10种苯胺类化合物在12 min内可实现快速高效的基线分离和测定。

图1 10种苯胺类化合物混合标准溶液的电泳谱图Fig.1 Electropherogram of mixed standard solution of 10 aniline compounds

2.2 分离条件的选择

2.2.1 四硼酸钠缓冲溶液的浓度

试验考察了四硼酸钠缓冲溶液(pH 为8.8)的浓度依次为5,10,15,20,25 mmol·L-1时对10种苯胺类化合物保留时间和分离度影响,结果见图2。

图2 四硼酸钠缓冲溶液的浓度对10种苯胺类化合物保留时间和分离度影响Fig.2 Effect of concentration of Na2 B4 O7 buffer solution on retention time and resolution of 10 aniline compounds

由图2 可知:四硼酸钠缓冲溶液的浓度在10 mmol·L-1以内时,10 种苯胺类化合物的保留时间较长,分离度均较低;四硼酸钠缓冲溶液的浓度为15 mmol·L-1,10种苯胺类化合物的保留时间最短,分离度最高,分离效果较好;继续增加四硼酸钠缓冲溶液的浓度,10种苯胺类化合物的分离效果无明显改善。试验选择四硼酸钠缓冲溶液的浓度为15 mmol·L-1。

2.2.2 四硼酸钠缓冲溶液的酸度

试验考察了15 mmol·L-1四硼酸钠缓冲溶液的酸度依次为8.8,8.9,9.0,9.1,9.2时对10种苯胺类化合物保留时间和分离度影响[19-20],结果见图3。

图3 四硼酸钠缓冲溶液的酸度对10种苯胺类化合物保留时间和分离度影响Fig.3 Effect of acidity of Na2 B4 O7 buffer solution on retention time and resolution of 10 aniline compounds

由图3可知:随着pH 的增加,10 种苯胺类化合物的保留时间变短,分离度明显改善;当pH 为9.0时,10种苯胺类化合物实现了高效分离;继续增加pH,10种苯胺类化合物的分离效率呈下降趋势。试验选择四硼酸钠缓冲溶液的酸度为pH 9.0。

2.2.3 表面活性剂及其浓度

表面活性剂可以起到改善电渗流,提高分离效果的作用[21-22]。

试验考察了十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基硫酸钠这两种表面活性剂对10种苯胺类化合物测定的影响。结果表明:加入十六烷基三甲基溴化铵对10种苯胺类化合物的分离没有明显影响;加入十二烷基硫酸钠后,10种苯胺类化合物的出峰时间减少,峰形得到改善。试验选择表面活性剂为十二烷基硫酸钠。

试验进一步考察了十二烷基硫酸钠的浓度依次为10,15,20,25,30 mmol·L-1时对10 种苯胺类化合物保留时间和分离度影响,结果见图4。

图4 十二烷基硫酸钠的浓度对10种苯胺类化合物保留时间和分离度影响Fig.4 Effect of concentration of SDS on retention time and resolution of 10 aniline compounds

由图4 可知:十二烷基硫酸钠浓度为20 mmol·L-1时,10 种苯胺类化合物的分离效果最好。试验选择十二烷基硫酸钠的浓度为20 mmol·L-1。

2.3 标准曲线和检出限

按试验方法对10种苯胺类化合物的混合标准溶液系列进行测定,以10种苯胺类化合物的浓度为横坐标,对应的峰面积为纵坐标绘制标准曲线。10种苯胺类化合物的线性范围、线性回归方程和相关系数见表1。

根据3倍信噪比计算方法的检出限(3S/N),结果见表1。

表1 线性范围、线性回归方程、相关系数和检出限Tab.1 Linearity ranges,linear regression equations,correlation coefficients and detection limits

2.4 样品分析

取染料厂废水样品3份,一份按试验方法进行分析,其电泳谱图见图5。

由图5可知:染料厂废水中含有磺胺、对硝基苯胺、邻甲苯胺、N,N-二甲基苯胺、二苯胺、邻联甲苯胺等6种苯胺类化合物,各组分测定值见表2。

按试验方法对另两份染料厂废水样品进行加标回收试验,计算回收率和测定值的相对标准偏差(RSD),结果见表2。

由表2可知:回收率为97.6%～102%,RSD 为1.4%～3.1%。

图5 染料厂废水样品的电泳谱图Fig.5 Electropherogram of wastewater sample of dyestuff plant

表2 样品分析结果(n＝5)Tab.2 Analytical results of the samples(n＝5)

表2 (续)

本工作建立了毛细管电泳法测定染料厂废水中10种苯胺类化合物的分析方法,利用10-乙基吖啶酮-2-磺酰氯对10种苯胺类化合物进行柱前衍生,克服了传统的间接紫外法测定苯胺的诸多缺点,在较短时间内实现了目标物的高效基线分离。本方法线性范围宽、重现性好、操作简便、干扰小,是一种快速测定工业废水中苯胺类化合物的方法。