高效液相色谱法检测羊粪水热碳制备过程中多环芳烃的含量

许卫兵 赵敏智 付国瑞 张 加 蒲陆梅

（甘肃农业大学理学院，甘肃兰州 730070）

畜禽粪便是一种动物生产副产品，在我国其年产量可达2.5亿t[1]。由畜禽粪便排放造成的环境问题已经引起人们的广泛关注。因此，寻找一种环境友好的畜禽粪便处理方法成为一项紧迫的任务[2-4]。目前，通过水热法将畜禽粪便转化为碳材料正受到人们越来越多的关注，该方法被认为是一种高效的管理和利用畜禽粪便的方法[5-6]。水热碳是由生物质及其组分为原材料，以水为溶剂与反应介质在高温缺氧条件下经水热反应得到的以碳为主体、含氧官能团丰富的固体产物[7]，具有来源广泛、成本低廉、反应条件温和、不需添加催化剂和表面活性剂等特点。水热碳作为一种新型环境功能材料，其在电极材料[8-9]、催化剂载体[10-11]和土壤改良剂[12-13]等方面表现出巨大的应用潜力，近年来受到国内外研究人员的广泛关注。

然而，水热碳在制备过程中因发生氧化和缩合等反应而产生有毒害作用的多环芳烃（polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs）[14-15]，多环芳烃具有致癌性和生物累积性，且生物降解率非常低[16]，易在生物体内运输和积累，造成人类的畸形和癌症[17]。因此，探究畜禽粪便水热碳制备过程中多环芳烃含量的变化规律，在水热碳制备过程中降低多环芳烃的含量，从而降低其使用过程中潜在的毒害效果对畜禽粪便资源化利用至关重要。

国内外常有关于水热碳的报道。如Lang等[18]利用氧化钙辅助水热法制备了猪粪水热碳，研究了该水热碳中多环芳烃的含量、分布规律和毒性，结果表明，在200℃、氧化钙添加量为15%时多环芳烃的含量最低，比未添加样品降低了73.57%，可见氧化钙辅助水热法是抑制多环芳烃形成和降低毒性的一种有效方法。Peng等[19]对城市生活垃圾及其相应的水热碳中重金属和游离多环芳烃（PAHs）进行了研究，结果表明，当温度从160℃升高至240℃时，多环芳烃的含量不断降低，证实了理想的温度确实可以减少城市生活垃圾水热碳中总多环芳烃的含量。Li等[20]利用乙醇辅助水热法处理城市污水污泥，提取其中的多环芳烃进行检测，该研究结果表明，随着温度的升高，多环芳烃的含量逐渐下降，这是由于高温可以加速多环芳烃的降解以及转化。罗 飞等[21]以油菜饼粕为原料，分别在300℃、500℃和700℃条件下缺氧缓慢热解制备生物炭，研究了该生物炭和生物油中多环芳烃的生成、分配及毒性特征，结果表明，多环芳烃的含量随温度的升高而降低，生成的多环芳烃以低环多环芳烃为主，绝大部分分布于生物油中，生物炭中残留量较少。胡艳军等[22]在N2条件下采用不同升温速率对城市污泥进行加热裂解，之后测定其中多环芳烃的含量，结果表明，以20℃/min的升温速率升高至700℃时多环芳烃的含量最高，采用40℃/min的升温速率升高至500℃时多环芳烃的含量最低，进一步说明温度对多环芳烃含量的影响显著。但这些研究并没有对固液比和反应时间进行系统的讨论。

本试验采用水热法制备了羊粪水热碳，并利用高效液相色谱法对羊粪水热碳制备过程中的多环芳烃含量进行了检测。通过对不同固液比、反应时间和反应温度的研究，寻找降低多环芳烃含量的最佳条件，为制备低多环芳烃含量的畜禽粪便水热碳提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 供试样品。采用羊粪作为代表性畜禽粪便，由甘肃农业大学动物科学技术学院提供，在60℃下干燥24 h后，将其粉碎，过200目筛，最后密封保存于干燥器中备用。

1.1.2 供试试剂。正己烷和乙腈，均为分析纯，购自成都市科隆化学品有限公司；硅胶粉，购买于大连科达分子筛有限公司；中性氧化铝和无水硫酸钠，购自上海易恩化学技术有限公司；16种多环芳烃标准溶液（200 mg/L），购自北京北方伟业计量技术研究院。

1.1.3 供试仪器。供试仪器有紫外检测器、安捷伦1260荧光检测器、C18反相液相色谱柱、电热恒温鼓风干燥箱（上海跃进医疗器械有限公司生产）、离心机（德国Sigma离心机公司生产）、BS224S分析天平（德国Sartorius公司生产）、氮吹仪（TTL-DCⅡ型，上海德兆仪器仪表有限公司生产）。

1.2 水热碳的制备

精确称取一定质量的羊粪粉末于烧杯中，分别加入一定量的蒸馏水，设置不同的固液比（1∶4、1∶8、1∶12、1∶24）， 搅拌均匀后装入内衬聚四氟乙烯的高压水热釜中。将水热釜置于一定温度（140、160、180、200、220℃）的烘箱中加热反应特定时间（5、10、15 h），待完全冷却后取出，在8 000 r/min条件下离心10 min分离混合物，弃去上清液，用蒸馏水洗涤沉淀3次。将沉淀转移至表面皿，在50℃烘箱中烘干24 h。

1.3 多环芳烃的测定

16种多环芳烃分为双环多环芳烃（NAP）、三环多环芳烃（ACY、ACE、FLU、PHE 和 ANT）、四环多环芳烃（FLA、PYR、BaA 和 CHR）、五环多环芳烃（BbF、BkF、BaP 和 DahA）和六环多环芳烃（BghiP 和 InP）。Lang等[18]测定了羊粪水热碳中的16种多环芳烃，具体方法：取0.5 g水热碳置于索氏提取器中，用二氯甲烷萃取24 h，之后将提取液在旋转蒸发仪上浓缩至干，用正己烷溶解后通过硅胶柱，硅胶柱自下而上分别为12 cm硅胶颗粒、6 cm中性氧化铝和2 cm无水硫酸钠。之后用15 mL正己烷、70 mL正己烷+二氯甲烷混合溶液（正己烷∶二氯甲烷=7∶3）除去浓缩液中的杂质，之后在氮气流下将混合液浓缩至干，最后用1 mL正己烷溶解用于分析测定。

1.4 仪器工作条件

流动相A为超纯水，流动相B为乙腈，柱温为35℃，流速1.2 mL/min，紫外检测器波长220 nm，进样量10 μL。梯度洗脱程序见表1。

表1 梯度洗脱程序

1.5 数据处理

采用Origin 8.6进行数据统计分析，运用单因素方差分析法检验羊粪水热碳中PAHs含量的差异显著性，选择Duncan′s新复极差法进行比较。

2 结果与分析

2.1 绘制标准曲线

将购买的16种多环芳烃标准品用乙腈分别稀释至 1、5、10、20、50 mg/L 直接上机测试，所得结果如图1所示。出峰顺序及时间为萘（8.326 min）、苊烯（10.313 min）、芴 （12.168 min）、苊（16.825 min）、菲（18.700 min）、蒽（20.591 min）、荧蒽（25.490 min）、芘（28.507min）、（33.104 min）、苯并[a]蒽（34.325 min）、苯并[b]荧蒽（35.377 min）、苯并[k]荧蒽（37.190 min）、苯并[a]芘（37.780 min）、二苯并[a，h]蒽（38.482 min）、苯并[g，h，i]苝 （39.558 min）、茚并 [1，2，3-c，d]芘（39.880 min）。

将PAHs混合标准溶液分别配制成 1、5、10、20、50 mg/L 5个浓度的系列标准溶液，根据含量范围选取5个点绘制标准曲线。从表2可以看出，PAHs标准溶液的线性关系较好，线性相关系数均＞0.999 0。

表2 PAHs混合标准溶液的线性方程和相关系数

2.2 固液比对多环芳烃含量的影响

为了探究固液比对水热碳中多环芳烃含量的影响， 制备了 1∶4、1∶8、1∶12 和 1∶24 等 4 种不同固液比的水热碳。如图2所示，当水热碳的固液比不断减小时，三环和四环多环芳烃的含量基本没有变化，三环多环芳烃的含量为25%～30%，四环多环芳烃的含量为64%～68%，五环多环芳烃的含量在4%左右，六环多环芳烃含量在2%左右，三环和四环多环芳烃占比较大，但总多环芳烃的含量不断降低，由310.21 mg/L下降至200.04 mg/L。

从表3可以看出，随着水的比例逐渐增加，苊烯、苊、蒽、荧蒽、芘、、苯并[b]荧蒽、二苯并[a，h]蒽和茚并[1，2，3-c，d]芘的含量逐渐降低，这是由羊粪的比例逐渐降低造成的。但固液比1∶12和1∶24的水热碳中多环芳烃的含量相差较小，固液比1∶24的水热碳中有些多环芳烃甚至比固液比1∶12的水热碳中多环芳烃含量高，可能是因为水的比重过大，导致羊粪与水无法完全反应，为了节约资源，选取固液比为1∶12进行下一步试验。

表3 不同固液比制备的水热碳中多环芳烃的含量单位：（mg·L-1）

2.3 温度对多环芳烃含量的影响

将固液比设置为1∶12，其他条件与上述方法均保持一致，设置温度为 140、160、180、200、220 ℃，探究温度对水热碳中多环芳烃含量的影响。从图3可以看出，三环多环芳烃的含量随温度升高呈下降趋势，四环和五环多环芳烃呈升高趋势，三环和四环多环芳烃占比较大。

从表4可以看出，随着温度的升高，多环芳烃的含量整体上呈下降的趋势，但140℃条件下多环芳烃的含量偏低，可能是因为温度较低，碳化反应没有反应完全，导致羊粪中的多环芳烃没有完全释放出来。比较200℃和220℃下多环芳烃的含量，可以看出含量差距并不大，200℃时有的多环芳烃的含量甚至比220℃时多环芳烃的含量低。因此，选择200℃为最佳温度进行下一步试验。

表4 不同温度制备的水热碳中多环芳烃的含量

2.4 反应时间对多环芳烃含量的影响

选取最佳固液比1∶12、最佳温度200℃，在不同反应时间下制备水热碳，以探究反应时间对水热碳中多环芳烃含量的影响。选取5、10、15 h等3个时间梯度进行试验，其余条件均与上述相同。从图4可以看出，三环多环芳烃含量变化不大，稳定在20%左右；四环多环芳烃含量先升高后降低，是所有多环芳烃中占比最大的；五环多环芳烃比重为10%～20%；六环多环芳烃仍然较少，为1%～3%。

从表5可以看出，反应时间从5 h增加到10 h，水热碳中多环芳烃的含量下降；当反应时间从10 h增加到15 h后，水热碳中多环芳烃的含量升高，可能是反应时间过长多环芳烃累积造成的。因此，最佳反应时间是10 h。

表5 不同反应时间制备的水热碳中多环芳烃的含量

3 结论

本文以羊粪为原料，通过水热法制备了水热碳，并利用高效液相色谱法对水热碳制备过程中多环芳烃含量的变化规律进行了监测，结果发现，羊粪水热碳制备过程中多环芳烃以低环（三环和四环）多环芳烃为主，高环（五环和六环）多环芳烃含量较低，这可能与羊粪本身的成分有关。试验调控发现，在固液比为1∶12、反应时间为10 h、温度为200℃条件下制备羊粪水热碳，可以有效减少制备过程中多环芳烃的含量。