液液萃取-分散液液微萃取-气相色谱-质谱联用测定纺织废水中痕量禁用偶氮染料

叶曦雯,何 静.,李 莹,牛增元*,张甜甜,罗 忻,邹 立,连素梅

(1.青岛海关技术中心,山东 青岛 266003;2.中国海洋大学环境科学与工程学院,山东 青岛 266100;3.石家庄海关技术中心,河北 石家庄 050051)

偶氮染料是包含一种或几种芳香族化合物偶氮基(-N=N-)的染色剂,在纺织品上应用广泛[1,2]。因部分偶氮染料在还原条件下,能分解产生24种致癌芳香胺[3]。禁用偶氮染料检测一直是国际纺织品服装贸易中最重要、最基本的安全技术要求。除纺织产品外,染料生产及纺织加工过程中偶氮染料很容易通过污水排放、生物代谢、化学降解等方式转变成芳香胺进入水循环[4],因此,水体中痕量禁用偶氮染料的监测受到了广泛关注。欧盟将芳香胺类化合物作为环境水中必须监测的优先控制污染物[5];美国和日本等将芳香胺化合物列入主要监测项目或优先监测污染物的黑名单[6,7];我国的地表水环境质量标准(GB 3838-2002)中规定集中式生活饮用水地表水源的特定项目苯胺限值为0.1 mg/L,联苯胺标准限值为0.000 2 mg/L[8];污水综合排放标准(GB 8978-1996)中规定一级排污单位的一级排放标准为苯胺类限量值1 mg/L[9]。针对纺织行业废水排放,目前已有纺织行业团体组织提出有害化学物质零排放(ZDHC)计划,该计划制定的《废水指南》中规定纺织和鞋类行业的废水中偶氮染料释放的24种芳香胺限量值为0.1 μg/L,该计划推荐的标准检测方法仅适用于纺织品检测(EN 14362-1、EN 14362-3[10,11]),其检出限为5 mg/kg,达不到ZDHC计划规定的0.1 μg/L限量要求;此外,废水基质的样品提取和净化与纺织品截然不同;目前尚无单独针对废水中偶氮染料的检测标准。故对检测技术,特别是样品的富集方法提出了新的挑战。

水体中的禁用偶氮染料或游离态芳香胺测定通常采用液液萃取[12-14]、固相萃取[15-17]、固相微萃取[18-20]、液液微萃取[21-24]等手段。单一采用传统的液液萃取和固相萃取时需要的样品量大,同时耗费大量有机溶剂,对操作人员和环境不友好[25]。且实验过程中涉及旋蒸和氮吹等操作,易损失某些芳香胺目标物,导致回收率低,且富集倍数低[26]。固相微萃取(SPME)因无需有机试剂,富集倍数较高,步骤简单而成为分析方法领域内的研究热点,但该技术对极性强的物质萃取效果不大理想[27,28]。

近年来,分散液液微萃取广泛用于环境水样中芳香胺的富集,与传统液液萃取相比,该方法集萃取及富集于一体,有机溶剂用量少,萃取时间短,具有很高的萃取效率和富集倍数[29-31]。Chiang等[32]对废水中的苯胺进行测定,其检出限为0.04～0.09 μg/L;冯文等[29]对天然水体中8种芳香胺进行测定,检出限可达0.08～0.3 μg/L;Canales等[33]对天然水体中的4种杂环芳香胺进行测定,检出限为0.7～2.9 μg/L。已有研究大多直接测定水体中的游离芳香胺,检测种类仅为5～10种[34],无法涵盖法规中限定的所有芳香胺,水体中禁用偶氮染料释放的24种芳香胺或游离态芳香胺μg/L痕量级的同时测定技术未见报道。

本文综合考察了多种方法之后,发现运用单一萃取方法均不能满足纺织废水中痕量禁用偶氮染料检测的要求,最终利用芳香胺遇酸成盐,芳香胺盐遇碱成胺的特点,先用叔丁基甲醚液液萃取,盐酸反萃取,进行预浓缩及净化;再以乙腈-氯苯体系进行分散液液微萃取,对纺织废水样品进行萃取和富集,结合GC-MS检测技术,实现了对废水中24种芳香胺的痕量检测。该方法结合液液萃取和液液微萃取两种萃取技术,一方面利用芳香胺的特性,通过液液萃取实现目标物先从水相到有机相,再从有机相到水相,达到净化、降低基质干扰的目的;另一方面,通过液液微萃取技术进一步浓缩目标物,大大降低检出限;两种萃取手段的结合有效地实现了单一萃取技术无法实现的分离、富集目的。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

气相色谱-质谱联用仪(Agilent 7890B-5977);恒温水浴装置;离心机;Milli-Q超纯水仪(美国Millipore公司);分析天平(精确至0.000 1 g);离心管:50 mL;尖底离心管:15 mL。

甲醇、甲基叔丁醚、乙腈、氯苯(色谱纯)购自Thermo公司;氯化钠、盐酸和氢氧化钠(分析纯)购自国药集团;连二亚硫酸钠溶液(200 g/L),现配现用;乙腈-氯苯(20∶1,v/v)混合液;实验用水为Milli-Q纯水系统制得的超纯水;芳香胺标准品纯度≥98%,见表1。

表1 芳香胺化合物的名称、CAS号、保留时间和特征离子Table 1 Compound names,CAS Nos.,retention times,and characteristic ions of the aromatic amines

1)The CAS Nos.97-56-3 (No.23)and 99-55-8 (No.22)are further reduced to CAS Nos.95-53-4 (No.2)and 95-80-7 (No.9).2)AZO colorants that can form 4-aminoazobenzene generate aniline (CAS No.62-53-3)and 1,4-phenylenediamine (CAS No.106-50-3)under the conditions used in this method.Due to the detection limit,only aniline can be detected.

1.2 标准储备液及标准工作液的配制

准确称取芳香胺各个标准品用甲醇稀释并定容,配制成1 000 mg/L的标准储备液,冷藏保存。使用时,根据需要用氯苯稀释成适当浓度的混合标准工作溶液。

1.3 样品还原实验

准确量取150 mL废水试样于三角烧瓶中,加入10 mL NaOH溶液,3 mL连二亚硫酸钠溶液,在(70±2)℃恒温水浴中还原30 min后取出,迅速冷却至室温。

1.4 样品萃取实验

将还原后的冷却液转移至分液漏斗中,加入30 g NaCl,用20 mL甲基叔丁醚液液萃取,收集有机相至离心管中。再分别用15 mL甲基叔丁醚萃取2次,合并3次萃取液至离心管中,加入1 mL 2 mol/L盐酸溶液,迅速振荡摇匀后静置分层。用尖头滴管吸除上层有机相层,残留在水层上面的少量甲基叔丁醚用氮气吹干后,水相层用尖头滴管移至尖底离心管内,分别用1 mL水润洗离心管2次,润洗液用尖头滴管移至尖底离心管内,随后加入1 mL 5 mol/L氢氧化钠,摇匀后用水定容至6 mL,快速加入0.84 mL乙腈-氯苯混合液,涡旋1 min后静置3 min,以6 000 r/min离心3 min。用微量进样针取下层氯苯层于含内衬管的进样瓶中,用GC-MS仪进行检测。

1.5 色谱条件及质谱条件

色谱条件 DB-5MS色谱柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm);载气及流速:氦气(纯度99.999%),流速1.0 mL/min;进样口温度280 ℃;程序升温:初始温度70 ℃,保持2 min,以8 ℃/min升至210 ℃后,保持6 min,再以10 ℃/min升至280 ℃,保持2 min,共34.5 min;不分流进样,进样量1 μL。

质谱条件 扫描方式:SIM;电离方式:EI;电离能量:70 eV;离子源温度:200 ℃;溶剂延迟3 min。仪器优化离子选择参数见表1。

2 结果与讨论

2.1 样品预处理条件的优化

2.1.1样品还原条件的优化

禁用偶氮染料的检测并非直接测定,而是通过加入还原剂,将偶氮染料还原为芳香胺,通过检测芳香胺目标物来实现[35]。已有研究表明:通常强碱性还原条件更适合样品中禁用偶氮染料的还原[36]。由于纺织加工废水生产工艺不同,基质复杂,废水样品的pH值各不相同,为此实验采用在水样中添加偶氮染料,使用HCl(0.5 mol/L)与NaOH(5 mol/L)对水样进行酸碱调节,对比了不同酸碱度环境下样品的还原情况(见表2)。实验结果表明:在碱性环境下,偶氮染料被充分还原。实际检测中,为了得到较好的还原效果,试验选择氢氧化钠+连二亚硫酸钠体系。

表2 pH对还原效率的影响Table 2 Effect of pH on reduction efficiency

ND:not detected.

2.1.2液液萃取中NaOH用量优化

芳香胺具有胺的碱性特征,酸碱性会影响芳香胺分子在水溶液中的形态,直接影响芳香胺的回收率,故液液萃取一般在碱性条件下进行[37-39]。参考纺织行业中禁用偶氮染料检测标准EN ISO 14362及SN/T 1045的用碱量,150 mL水样中需加NaOH最佳量约为0.1 mol,故实验对比了150 mL纯水基质样品(添加2,4-二氨基苯甲醚芳香胺质量浓度为20 μg/L,其余芳香胺质量浓度为5 μg/L)中 10 mol/L NaOH用量分别为5 mL和10 mL的萃取效率(见图1),结果表明:当NaOH用量为10 mL时,目标物的提取效率较优。

图1 NaOH用量对芳香胺萃取效率的影响(n=3)Fig.1 Effect of NaOH amount on extraction efficiencies of aromatic amines (n=3)The Nos.are the same as those in Table 1.

2.1.3液液萃取中盐浓度的影响

盐析效应在液液萃取过程中已被证实可降低有机物在水相中的溶解度,显著提高液液萃取效率[40-42]。考察了向反应液中加入30 g NaCl和不加NaCl对萃取效率的影响(见图2),结果表明,加入NaCl后,萃取后的甲基叔丁醚的体积较未加NaCl,体积增加近7 mL,芳香胺目标物的回收率均大幅度提高;考虑到继续增加NaCl量,溶液近饱和、不易溶解,故NaCl的添加量选定为30 g。

图2 NaCl用量对芳香胺萃取效率的影响(n=3)Fig.2 Effect of NaCl amount on extraction efficiencies of aromatic amines (n=3)The Nos.are the same as those in Table 1.

2.1.4分散液液微萃取中体系酸碱性的影响

分散液液微萃取中,萃取剂与分散剂的种类与体积是影响分散液液微萃取的重要因素,本研究参考诸寅等[43]的研究,采用最优条件(40 μL氯苯与0.8 mL乙腈)对水溶液中的芳香胺进行分散萃取,结果表明,目标化合物均能获得良好回收率,故本实验不再对分散剂与萃取剂的种类与体积进行优化。

在分散液液微萃取步骤,样液应偏碱才能将芳香胺盐碱化为芳香胺分子[44,45],以便下一步的氯苯提取,实验考察固定NaOH (5 mol/L)用量为1 mL,HCl (2 mol/L)用量分别为0.5 mL、1 mL、2 mL的实验结果。结果表明:盐酸用量为0.5 mL时,样液体系密度较大,氯苯无法下沉,无法取样;对比盐酸用量为1 mL和2 mL的萃取实验结果(见图3),可以看出,盐酸用量为1 mL时2,4-二氨基甲苯(9号)、2,4-二氨基苯甲醚(10号)和4-氨基联苯(12号)的萃取效率提高,其他芳香胺目标物无显著影响。综合分析,实验选取盐酸加入量为1 mL。

图3 HCl用量对芳香胺萃取效率的影响(n=3)Fig.3 Effect of HCl amount on extraction efficiencies of aromatic amines (n=3)The Nos.are the same as those in Table 1.

2.2 方法学考察

2.2.1方法的线性范围与检出限

在最佳萃取条件下,按1.3～1.5节实验步骤分析系列浓度梯度的芳香胺标准溶液,利用色谱峰面积y对分析物的质量浓度x(μg/L)进行线性回归,21种目标物均呈现良好的线性关系,其中13种芳香胺的线性范围为0.05～10 μg/L,7种芳香胺的线性范围为0.05～5 μg/L,2,4-二氨基苯甲醚的线性范围为20～100 μg/L,相关系数为0.996～0.999(见表3)。以2种印染废水、1种印花废水和纯水为样品基质,分别添加芳香胺混合标准溶液,按本实验方法进行检测,以3倍信噪比确定检出限,20种芳香胺的检出限可达0.05 μg/L,2,4-二氨基苯甲醚的检出限为20 μg/L。

表3 芳香胺的线性范围、线性方程、相关系数和检出限Table 3 Linear ranges,linear equations,correlation coefficients and limits of detection (LOD)of aromatic amines

The Nos.are the same as those in Table 1.y:peak area;x:mass concentration,μg/L.

2.2.2回收率及精密度

以印染、机织和印花废水为基质,分别添加0.5、1和5 μg/L 3个浓度水平的20种芳香胺混合标准溶液与50 μg/L的2,4-二氨基苯甲醚标准溶液,按照1.3～1.5节方法进行分析测定,每个水平平行测定6次。印染、机织和印花废水基质的平均回收率分别在75.6%～94.7%、84.2%～115.1%和75.9%～107.5%之间(见表4)。

表4 21种芳香胺在废水中的加标回收率和RSD (n=6)Table 4 Recoveries and RSDs of 21 aromatic amines spiked in wastewater samples (n=6)

The Nos.are the same as those in Table 1.

2.2.3实际样品分析

对采集自印染、印花、机织等12个厂家的共计24个废水样品采用本方法进行测定,同时采用液相色谱进行阳性确证[46-49]。最终在6个样品中检出2,4-二氨基苯甲醚、联苯胺、4,4′-二氨基二苯甲烷等芳香胺物质,含量范围为0.94～580 μg/L,具体结果见表5。代表性样品的检测图谱见图4和图5。

表5 实际样品中芳香胺的检测结果(n=3)Table 5 Analytical results for aromatic amines in real samples (n=3)

图4 机织废水样品中芳香胺的色谱图Fig.4 Chromatograms of aromatic amines in a weaving water sample

图5 印染废水样品中芳香胺的色谱图Fig.5 Chromatograms of aromatic amines in a dyeing water sample

表6 本文方法与其他分析方法的比较Table 6 Comparison of this method with other analytical methods

DLLME-SFO:dispersive liquid-liquid microextraction based on solidification of floating organic drop;MEPS:microextraction by packed sorbent;PTFE:polytetrafluoroethylene;WCX:weak cation exchange;IL-DLLME:ionic liquid based dispersive liquid-liquid microextraction;LLE-DLLME:liquid-liquid extraction-dispersive liquid-liquid microextraction.* mg/L

2.3 与其他方法的比较

本方法与文献方法的比较见表6。本方法同时检测24种芳香胺,能涵盖法规要求的全部目标物。除2,4-二氨基苯甲醚外的芳香胺检出限均可达到0.05 μg/L,显著低于当前的其他方法。相比而言,本方法利用芳香胺特性,结合液液萃取和液液微萃取,大大提升了浓缩倍数,减少了有机溶剂使用量,使检出限更低,有效消除了基质效应,方法简单易行,适用于纺织废水中的偶氮染料检测。

3 结论

本研究建立了一种能满足ZDHC要求的纺织废水中禁用偶氮染料检测的分析方法。根据芳香胺的特性,有效地利用液液萃取和分散液液微萃取相结合的前处理手段,使目标物分离效果好,富集倍数优,实现了单一萃取方法无法达到的富集倍数,同时节省了样品使用量和有机溶剂消耗量,对环境友好。