光谱参数法快速识别石油烃污染场地水体特征

2021-03-09 10:11赵航正虞敏达单光春郑一鸣张亚茹何小松
光谱学与光谱分析 2021年3期
关键词:系物光谱水体

马 妍,赵航正,虞敏达,崔 骏,单光春,郑一鸣,张亚茹,何小松*

1. 中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院,北京 100083 2. 中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室,北京 100012 3. 中国环境科学研究院国家环境保护地下水污染模拟与控制重点实验室,北京 100012

引 言

石油是不可或缺的能源,也是炼油厂和石油化工产业的原材料,用于生产燃料、合成聚合物和石化产品。石油在开采、运输、储存和加工过程中都可能泄漏和含油废水直接排放等问题导致水体污染。由于石油中含有大量有毒有害物质,如苯、甲苯、萘和蒽都可以致癌、致畸和致突变,这引起了人们对水体石油污染的关注[1]。此外,当污染物和水体中可溶性有机质(DOM)相互作用后,会影响污染物的溶解、吸附/解吸、生物有效性、毒性以及迁移特性[2]。快速准确识别石油污染程度及分布特征,将有助于高效修复此类水体污染。

绝大数石油类组分均具有π键和孤对电子等不饱和结构的发色基团,其可以吸收紫外或可见光,而其中共轭体系(如苯环)的强吸收基团吸光后又可产生荧光。基于此特性,可采用紫外-可见光(UV-Vis)、同步荧光和三维激发-发射矩阵(EEM)光谱来快速获取有机物的含量、组成及结构信息[3]。目前已有学者基于光谱开发对石油组分定量的新技术,以经济高效的方式估算石油烃浓度和多环芳烃(PAHs)浓度。例如,使用平行因子法处理EEM图谱可以对多环芳烃进行定性定量分析[4],EEM图谱类色氨酸区域的荧光强度与生物需氧量(BOD)有很好的线性相关[5]。已有研究证明光谱图的荧光峰位置可以辨认有机物[6]。然而,石油进入水体环境中经过长时间的转化,光谱图变得更为复杂。到目前为止,还没有学者在实际石油污染场地证实光谱能否监测水体中石油组分变化。

本研究以典型石油污染场地为研究对象,运用气相/液相色谱-质谱(GC/LC-MS)结合紫外吸收光谱(UV-Vis)、同步荧光光谱和EEM光谱研究水体中溶解有机物的组成和状况,并使用多元线性回归证明水质参数与光谱参数的相关关系,以期为地下水石油污染修复提供关键信息和设计合适的污染物快速检测设备提供新工具。

1 实验部分

1.1 样品采集

2019年9月,从甘肃省庆城县石化老厂区采集水体样品,该地区地下水按照赋存条件和埋藏特征主要分为河谷潜水和碎屑岩类孔隙裂隙承压水。河谷潜水含水层主要为第四系砂砾层孔隙潜水,含水层一般只有0.5~2 m厚,含水层岩性主要为细砂和砂砾石,渗透系数在0.1~2.7 m·d-1之间; 碎屑岩类孔隙裂隙承压水的赋水介质为细砂与中粗砂岩,含水层厚度大于300 m; 采样点如图1,P1—P9为河谷潜水,深度为14~16 m,其中P1在石油污染场地西北方1.1 km处,为附近居民饮水井,没有受到石油污染。C10为碎屑岩类孔隙裂隙承压水,深度约为100 m。S11为马莲河河水。使用棕色玻璃瓶(1 L)采集地下水用于挥发性有机物(VOCs)和石油烃组分分析,所有样品储存在装有冰袋的避光容器中连夜运送至实验室。按照《水和废水检测分析方法(第四版)》规定进行采集,运输,储存和分析水样,以尽量减少成分变化。样品到达实验室后立即进行有机物分析,随后进行其他参数测定。

图1 研究区域及采样点示意图Fig.1 Location of the study area and sampling sites

1.2 理化指标分析

1.3 光谱学表征

UV-Vis采用Evolution 3000分光光度计表征,以超纯水作为空白,用1 cm的石英比色皿在200~600 nm波长范围内进行测定,计算SUVA254,A200~240,A240~400和A253/203[7]; 同步荧光光谱和EEM光谱采用日立F-7000荧光光谱仪进行表征,同步荧光光谱扫描范围为200~600 nm,Δλ为55 nm,计算S250~308,S308~363和S363~595; EEM光谱的激发波长(Ex)的扫描范围为200~450 nm,发射波长(Em)的扫描范围为280~550 nm,扫描速度为2 400 nm·min-1,响应时间为0.5 s。激发和发射光的带通均为5 nm,以P1样品为空白,扣除瑞利散射和拉曼散射,计算β∶α,HIX,BIX和FI[7]。EEM光谱划分为五个激发-发射区域[8],区域Ⅰ(芳香蛋白Ⅰ): Ex/Em=200~250 nm/300~330 nm; 区域Ⅱ(芳香蛋白Ⅱ): Ex/Em=200~250 nm/330~380 nm; 区域Ⅲ(富里酸): Ex/Em=200~250 nm/380~550 nm; 区域Ⅳ(微生物副产物): Ex/Em=250~450 nm/280~380 nm; 区域Ⅴ(类腐殖酸): Ex/Em=250~450 nm/380~550 nm,并进行荧光区域积分(FRI),FRI是基于EEM光谱面积与荧光强度的积分,获得该区域体积,对EEM图谱进行了定量分析。所有样品均在室温下进行测定。

1.4 数据处理

使用数据统计软件SPSS 25.0对光谱参数和水质指标进行相关性和多元线性回归分析,使用Excel 2019计算光谱参数,使用Origin 2020进行图表绘制和光谱图区域积分,使用ArcGIS 10.7绘制采样点分布图。

2 结果与讨论

2.1 研究区水体光谱特征

对研究区水体进行了光谱表征,可以更快速便捷地获取水体有机物的特征。图2显示了研究区水体UV-Vis及其参数的计算结果,可以看出P1和S11在220 nm处有吸收峰,即硝酸盐吸收峰; P7和P9在233 nm处有吸收峰,说明该处水体含有大量共轭醛或共轭酮; P5水体在233和283 nm处有吸收峰,说明该处水体含有大量苯酚类物质。由于水体中DOM官能团众多且相互之间存在着干扰,UV-Vis并没有表现出很多的吸收峰,吸光度都随着波长急剧下降。研究区水体SUV254,A200~240,A240~400和A253/203参数表明受污染水体中有机物都表现出老化状态,即有机物分子结构复杂、含有大量芳香族化合物且含有大量的羟基、羰基、羧基和酯类等取代基,表明受污染潜水中有机物稳定性强,降解性差; 由于硝酸盐在220 nm处有吸收峰,导致P1和S11的A200~240值较高。

同步荧光表征结果与UV-Vis表征结果类似,如图3,都表明了石油污染物处在老化状态。与UV-Vis表征结果不同的是,同步荧光参数结果表现出受污染潜水中也含有大量低

图2 污染场地水体UV-Vis(a)及其参数,SUV254(b); A200~240和A240~400 (c); A253/203(d)Fig.2 UV-Vis (a) and its parameters of water in contaminated site,(b) parameters SUV254; (c) A200~240,A240~400; (d) A253/203

图3 污染场地水体同步荧光光谱(a)及其参数,(b) I325/257和I360/275; (c) S363~595,S250~308,S308~363

分子量、结构简单的有机物,多环芳烃类有机物最多的是1~2环的,次之是3~4环,4环以上有机物最少,这与检测结果一致。

由于该场地水体中DOM主要是石油污染物,而不是天然DOM,因此使用天然DOM不能较好解释样品EEM光谱图分区结果。基于分区结果,如图4中P2-P9,C10,S11将样品EEM光谱图可以分为4种。(1)P2,P5和P9表现出Ⅱ和Ⅳ区明显荧光峰,Ⅰ区存在肩峰,其EEM荧光光谱图表现出DOM主要是石油污染物,已有研究表明[15],Ex/Em=228/340 nm附近的荧光峰与萘系物有密切关系,说明P2,P5和P9样品主要为萘系物污染,与GC/LC-MS检测结果一致; (2)P3,P4,P6,P8和C10样品表现出Ⅱ区最高荧光峰,Ⅰ,Ⅲ,Ⅳ和Ⅴ都存在肩峰,有报道[9],Ex/Em=256/363 nm附近的荧光峰与菲系物有密切关系,说明P3,P4,P6,P8和C10样品主要为萘系物和菲系物污染,与GC/LC-MS检测结果一致; (3)P7样品EEM光谱图与其他污染样品EEM光谱图不同,表现出在Ⅰ和Ⅳ区有明显荧光峰,Ⅴ区存在肩峰,先前研究表明[6],Ex/Em=260/280 nm处荧光值与苯系物有很强的相关性,说明P7样品主要为苯系物污染,与GC/LC-MS检测结果一致; (4)由于S11样品并没有受到石油污染,其EEM光谱图主要是天然DOM,Ⅱ区出现明显荧光峰,Ⅳ和Ⅴ区出现肩峰,说明样品中含有大量类色氨酸物质。据报道[10],Ex/Em=280/345 nm附近荧光与1环和2环芳烃化合物有关,Ex/Em=240/375 nm附近荧光与3环芳烃化合物有关,Ex/Em=220/400 nm附近与3环和4环芳烃化合物有关,Ex/Em=260/440 nm附近与5环芳烃化合物有关,与本研究结果类似。EEM光谱参数图4(a,b)说明了所有污染样品中的有机物都经过了长时间的生物转化,但不同污染样品的生物转化程度和腐殖化程度不同,如P6样品有机物腐殖化程度最高,P2样品有机物腐殖化程度最低。有研究表明[11],有机物腐殖化程度越高,越难降解,说明P6样品中的有机物很难降解。

使用三维荧光区域积分法(FRI)对化合物进行半定量分析,可以快速有效地定量有多个荧光峰和荧光区域的化合物。从图4(c)可以看出,P1和S11样品的各区域体积占比类似,说明P1和S11样品中有机物有同一来源或者相互连通; 所有样品样本Ⅳ和Ⅴ区体积都占总积分体积的50%以上,说明样品中微生物对有机物进行降解,产生大量羟基、羰基、羧基和烷氧基等官能团,与UV-Vis检测结果类似。

2.2 光谱参数识别石油污染水体

图4 污染场地水体三维荧光图P2-P9,C10-C11及其参数HIX与β∶α(a),BIX和FI(b),Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ和Ⅴ(c)

图5 光谱参数与环境因子的相关性Fig.5 Correlation between spectral parametersand environmental factors

表示不同石油烃组分。

对不同碳链长度的石油烃C6-C9组分采用UV-Vis参数S308~363,SUVA254和三维荧光光谱Ⅰ区指示; C10-C14组分和总石油烃(TPH)浓度采用三维荧光Ⅳ区快速指示; C15-C28和C29-C40可采用三维荧光Ⅰ区体积快速指示,拟合效果好显著性差异均小于0.01。浓度与光谱参数进行多元线性回归分析。结果表明,不同碳链长度的石油烃都可以用光谱参数进行多元线性拟合,且拟合效果较好,显著性均小于0.01。C10-C40和TPH的浓度均可以使用FRI进行定量分析,因此,可以通过利用石油污染水体的光谱参数对石油烃浓度和组成进行预测,利于评估水体石油污染状况,便于管理人员对水体石油污染进行控制。并且已有传感器形式的三维荧光设备可以实时获取水体EEM光谱图[12],使实时原位获得水体的石油烃组成和浓度成为可能。

c(C6-C9)=-947.869+2.278×S308~363-32 014.257×

SUVA254-0.002×Ⅰ

R2=0.962,p<0.001

c(C10-C14)=4.210+0.000 3×Ⅳ

R2=0.588,p<0.01

c(C15-C28)=-2 011.123+0.006×Ⅰ

R2=0.913,p<0.001

c(C29-C40)=-79.432+0.000 4×Ⅰ

R2=0.935,p<0.001

TPH=-2 007.155+0.005×ⅣR2=0.786,p<0.001

2.3 光谱参数法在石油污染水体快速检测应用的可能行及展望

本研究在实际场地证明了光谱参数法可以估计水体石油污染状况和对水体石油污染做出预警。PAHs是石油中主要的荧光物质,虽然单个PAH荧光强度与其浓度呈线性关系,如果存在多种PAHs会导致EEM光谱重叠,不能对其中一个PAH进行分析。本研究试图通过GC/LC-MS测定的苯系物浓度与其EEM光谱中特征荧光峰的峰值进行相关性分析,但没有得到很好的一致性,见表1。可能是由于(1)多种苯系物的EEM光谱特征荧光峰相互影响[13]; (2)水体中苯系物浓度过高会造成特征荧光峰红移[14]。总之,具有2个苯环的PAHs和具有多个苯环的PAHs的EEM图谱明显不同,并且根据实际污染场地证明了EEM图谱不同区域的积分体积与GC/LC-MS数据有很好的相关性; 因此,光谱参数法可以很好地估计和预测水体的石油污染状况,R2=0.786,p<0.001。

表1 GC-MS结果与光谱特征峰值相关性分析Table 1 Correlation analysis between GC-MS resultsand spectral characteristic peak value

由于石油污染水体中多种PAHs的EEM图谱相互重叠,光谱参数法无法对单个PAH进行定量分析。虽然EEM图谱比TOC或UV-Vis分析更具特异性,但不能与GC/LC-MS分析的准确性相比。EEM图谱具有(1)更灵敏(它可以同时分析数千种化合物,而不是单个化合物); (2)成本低(<60元/样本); (3)时间短(从处理样本到测试完成仅需十几分钟); (4)结合液相萃取,光谱参数法可以为石油有关的PAHs提供了一种简便的测定方法[15]。这种方法可应用于暴露风险评估和环境监测中的来源解析研究。

3 结 论

(1)UV-Vis、同步荧光和EEM参数表现出水体中含有大量芳香族化合物,有机物分子结构复杂,含有大量的羟基、羰基、羧基和酯类等取代基,且有机物经过了长时间的生物转化;

(2)苯系物、萘系物和菲系物的三维荧光光谱图明显不同。主要以苯系物污染水体的三维荧光表现出Ⅰ和Ⅳ区荧光峰,Ⅴ区存在肩峰,主要以萘系物污染样品的三维荧光光谱图表现出Ⅱ和Ⅳ区明显荧光峰,Ⅰ区存在肩峰,主要以萘系物和菲系物污染样品的三维荧光光谱图表现出Ⅱ区最高荧光峰,Ⅰ,Ⅲ,Ⅳ和Ⅴ都存在肩峰;

(3)证明了光谱参数可以快速指示石油污染。S308~363,SUVA254和三维荧光光谱中Ⅰ区体积可以快速指示石油烃C6-C9组分浓度,三维荧光光谱中Ⅳ区体积可以快速指示石油烃C10-C14和TPH浓度,三维荧光光谱中Ⅰ区体积可以快速指示石油烃C15-C28和C29-C40浓度。本研究结果可以为水体石油污染快速检测和预警提供指导和支持。

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