快速溶剂萃取-气相色谱法测定土壤中石油烃(C10～C40)

赵昌平,冯小康,朱 强

(苏州国环环境检测有限公司,苏州 215000)

随着工业的发展,石油的需求量逐年增大,对其进行开采、运输、加工等越来越频繁,故石油对环境造成的污染已不容忽视。石油由烷烃、多环芳烃、烯烃的混合物组成[1],石油烃是其最主要的成分。石油烃根据性质及沸点分为挥发性石油烃和可萃取石油烃[2]。2018年生态环境部和国家市场监督管理总局联合发布了GB 36600-2018《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准》,将可萃取石油烃(C10～C40)作为较为重要的污染物指标纳入其中;环境生态部在2019年发布挥发性石油烃(C6～C9)和可萃取石油烃(C10～C40)测定方法标准。石油烃污染已经得到社会的重视。石油烃具有致癌、致畸、致突变等特性,对植物、水和土壤也具有很大的危害[3]。为了解土壤污染的潜在风险,合理开展石油污染土壤监测和修复工作,需要建立一种高效快捷的土壤中石油烃含量的测定方法。

土壤中可萃取石油烃(C10～C40)的萃取方法有快速溶剂萃取、超声萃取、振荡萃取、索氏萃取等,每种方法都有其特定的优点,而快速溶剂萃取几乎集合了其他萃取方法的所有优点,经济、高效、环保。石油烃的测定方法主要有气相色谱法[4]和红外分光光度法[5]。使用红外分光光度法不能完全准确反映土壤中石油烃的成分信息,还可能出现假阳性结果;气相色谱法分离效果好、定量定性更准确、分析速率快、机械化程度高。本工作采用气相色谱法测定土壤中石油烃(C10～C40)的含量。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

Agilent GC 8890型气相色谱仪,配火焰离子化检测器(FID);ALPHA 1-4 LD plus型冷冻干燥仪;Thermo ASE 350型加压流体萃取仪;Multi Vap-10型氮吹浓缩仪;SPE 1000-4型全自动固相萃取仪。

石油烃(C10～C40)标准储备溶液:1 000 mg·L-1。

正己烷、二氯甲烷(均用无水硫酸钠在450℃下灼烧4 h)均为色谱纯。

1.2 仪器工作条件

1)萃取条件 萃取剂为丙酮与正己烷以体积比1∶1组成的混合液;萃取温度100 ℃;萃取压力1.03×107～1.38×107Pa;萃取时间8 min;正己烷淋洗体积为15%池体积;氮气吹扫60 s;静态萃取1次。

2)色谱条件 DB-5HT 石英毛细管色谱柱(30 m×0.32 mm,0.10μm);进样口温度320℃,检测器温度330 ℃;载气为氮气,流量1.5 mL·min-1;分流进样,分流比10∶1,进样量1μL。柱升温程序:初始温度60 ℃,保持1 min;以15 ℃·min-1速率升温至325 ℃,保持2 min。

1.3 试验方法

将采集好的土壤样品在4 ℃下密封、避光冷藏保存,运回实验室后放入冷冻干燥仪脱水。干燥后的样品经研磨机磨碎,均化处理成约1 mm 的颗粒。称取约10.0 g土壤样品颗粒,放入加压流体装置的萃取池中,按萃取条件运行设备,仪器自动收集萃取液,将萃取液氮吹浓缩至约1 mL。

在用固相萃取仪进行净化前,首先将Florisil固相萃取柱安装在固相萃取仪上,用移液枪移取10 mL正己烷与二氯甲烷以体积比1∶1组成的混合液加入Florisil柱,静置5 min。缓慢打开控制阀,流出正己烷-二氯甲烷混合液,继续移取10 mL正己烷活化Florisil柱,弃去流出液。等柱上正己烷近干时,关闭控制阀,将浓缩液转移至Florisil柱中,缓慢打开控制阀,收集流出液,用少许正己烷洗涤浓缩瓶,转移至Florisil柱,再用少许正己烷淋洗Florisil柱,合并所有收集液,继续浓缩至1.0 mL,按色谱条件进行测定。

2 结果与讨论

2.1 净化和吸附

石油烃(C10～C40)是指能被丙酮或正己烷萃取且不被硅酸镁吸附,在气相色谱上保留时间介于正癸烷(包含)与正四十烷(包含)之间的有机化合物。试验将土壤样品萃取、进化、浓缩、定容后,用带FID的气相色谱仪测定其中石油烃(C10～C40)。根据保留时间定性,外标法定量。在实际样品分析过程中,不同碳原子数的C10～C40的烃在气相色谱上的响应可能存在一定的差异,而且标准品中的不同碳原子数的C10～C40的烃在气相色谱上的响应与实际土壤样品中的石油烃(C10～C40)在气相色谱上的响应可能也存在差异。因此,Florisil柱的净化和吸附可以减小由于标准溶液中的石油烃(C10～C40)组成与实际样品中的石油烃(C10～C40)组成的差异所造成的测定误差。

2.2 萃取条件的选择

按试验方法对加标的土壤样品进行分析,采用四因素三水平正交设计试验方法,分别考察了萃取剂、萃取时间、萃取温度和萃取次数等4个因素对土壤中石油烃(C10～C40)回收率的影响[4-5]。

根据“相似相溶”原理,萃取剂尽量与待测物极性相近并且对样品具有渗透力[6]。试验采用二氯甲烷、丙酮与正己烷以体积比1∶1组成的混合液、正己烷等3种不同极性的有机溶剂作为萃取剂,萃取时间为5,8,10 min,萃取温度为80,100,120 ℃,萃取次数为1,2,3,每个水平下取3 个平行样进行测定。

正交试验结果见表1。

表1 正交试验结果Tab.1 Results of orthogonal test

由表1可知:四因素中影响程度由大到小依次为萃取剂、萃取温度、萃取时间和萃取次数。当二氯甲烷作为萃取剂时,目标物的萃取效果较好,回收率最高;丙酮与正己烷以体积比1∶1组成的混合液作为萃取剂同样可以得到很好的萃取效果,这是由于丙酮极性较大,无法萃取样品中非极性组分,而正己烷极性较小,对非极性组分的溶解能力大,两者形成了互补。在实际操作过程中,二氯甲烷作为萃取剂在净化方面的难度远大于其他萃取剂。二氯甲烷溶解力强,能够萃取更多的物质,但是也正因如此,在质谱测定时对石油烃(C10～C40)的定性分析和定量分析造成干扰,而且在实际土壤处理过程中,二氯甲烷萃取的土壤颜色深、杂质多、净化难度大,严重时可能使柱效减低,并污染检测器。因此,从经济、环保、高效的角度考虑,试验选择萃取剂为丙酮与正己烷以体积比1∶1组成的混合液。

表1中萃取温度为100 ℃时,石油烃(C10～C40)的回收率最高,继续升高萃取温度至120 ℃时,石油烃(C10～C40)的回收率反而降低。试验选择萃取温度为100 ℃。

由表1 还可知:萃取时间为8 min 时石油烃(C10～C40)的回收率高于萃取时间为5 min时的石油烃(C10～C40)回收率;萃取时间为10 min时石油烃(C10～C40)的回收率无明显提高。试验选择萃取时间为8 min。萃取次数对回收率的影响较小。试验选择循环次数为1。

2.3 色谱柱的选择

HP-5石英毛细管色谱柱(30 m×0.32 mm,0.25μm)属于非极性色谱柱,性能优异、通用性强、应用范围广泛,柱温度为0～325 ℃,固定相为5%(质量分数)苯基-甲基聚硅氧烷。DB-5 HT 石英毛细管色谱柱(30 m×0.32 mm,0.10μm)属于非极性高温柱,色谱柱能耐较高的温度,柱温度为0～400 ℃,固定相与HP-5 相同,分离高沸点化合物时,流出时间和出峰时间更快。

试验考察了HP-5石英毛细管色谱柱(30 m×0.32 mm,0.25μm)和DB-5 HT 石英毛细管色谱柱(30 m×0.32 mm,0.10μm)对石油烃(C10～C40)标准溶液测定的影响。石油烃(C10～C40)标准溶液的色谱图见图1。

图1 石油烃(C10～C40)标准溶液的色谱图Fig.1 Chromatograms of petroleum hydrocarbons(C10～C40)standard solution

由图1 可知:与HP-5 石英毛细管色谱柱(30 m×0.32 mm,0.25μm)相比,DB-5 HT 石英毛细管色谱柱(30 m×0.32 mm,0.10μm)在进行石油烃(C10～C40)测定时性能更优异,其出峰时间更快但并没有影响峰的分离效果,效率高,高温下稳定性好,实际样品分析中柱流失较少。试验选用DB-5HT 石英毛细管色谱柱(30 m×0.32 mm,0.10μm)。

使用DB-5 HT 石英毛细管色谱柱(30 m×0.32 mm,0.10μm)测定石油烃(C10～C40)时,由于柱温度较高,柱流失较显著,导致色谱图中基线上升,因此石油烃(C10～C40)的实际峰面积等于总峰面积减去柱流失的面积。另外,一些化合物不能被色谱分离导致在色谱图上出现“驼峰”,这些“驼峰”是不同油品的特征峰。

2.4 土壤基质影响

土壤种类繁多,为评价不同基质对石油烃(C10～C40)吸附能力的差异,按试验方法分别对石英砂样品、沙土样品和黏土样品进行加标回收试验,平行测定3次。结果表明:石英砂样品的回收率为95.0%～112%,沙土样品的回收率为83.0%～101%,黏土样品的回收率为81.0%～102%。由此可见,试验考察的3 种土壤基质对石油烃(C10～C40)测定影响不大。

2.5 标准曲线和检出限

用微量注射器分别移取0,8.00,25.0,50.0,100,300μL的1 000 mg·L-1石油烃(C10～C40)标准溶液,用正己烷稀释、混匀,配制成0,248,775,1 550,3 100,9 300 mg·L-1的石油烃(C10～C40)标准溶液系列。按色谱条件对上述标准溶液系列进行测定,以石油烃(C10～C40)的质量浓度为横坐标,以确定的保留时间窗内总峰面积为纵坐标,绘制标准曲线。结果表明:石油烃(C10～C40)的线性范围在9 300 mg·L-1以内,线性回归方程为y＝6.010x-97.10,相关系数为0.999 9。

按试验方法对含160 mg·L-1石油烃(C10～C40)的空白加标样品平行测定10次,按公式(1)计算检出限:

式中:XMDL为方法的检出限;t(n-1,0.99)为99%的置信区间内,自由度为n-1时的t值,t(9,0.99)＝2.821;s为标准偏差。

计算得出检出限为2 mg·kg-1。

2.6 准确度和精密度

按试验方法对空白土壤样品进行加标回收试验,平行测定6次,计算回收率和测定值的相对标准偏差(RSD),结果见表2。

表2 准确度和精密度试验结果(n＝6)Tab.2 Results of tests for accuracy and precision(n＝6)

由表2可知:回收率为87.5%～96.0%,RSD 为1.2%～4.5%。

2.7 样品分析

按试验方法对某电子厂采集的8个点位的土壤样品进行分析。结果表明:此地土壤中石油烃(C10～C40)含量均未超出建设用地土壤污染风险管控标准(GB 36600-2018)的限制要求。

本工作建立了快速溶剂萃取-气相色谱法测定土壤中石油烃(C10～C40)的分析方法。本方法具有操作简便、快捷、溶剂用量少、经济环保、准确度高等优点,本方法适用于土壤中石油烃(C10～C40)的测定。