（市政工程专业论文）壬基酚聚氧乙烯醚生物降解特性研究.pdf

摘要 摘要 壬基酚聚氧乙烯醚作为一种商用非离子表面活性剂，在各行业中应用广泛并 随工业废水和生活污水进入到环境中。其在环境中的小分子降解产物具有较强的 生物积累性和毒性，并且具有内分泌干扰性。在对其小分子降解产物进行环境调 查及降解研究的同时，有必要对它们的前体物质在污水中的降解进行研究。 本文通过实验建立了各种聚合度壬基酚聚氧乙烯醚的总量快速测定和不同 聚合度的色谱分离测定方法，并在此方法基础上，通过实验室静态模拟实验，分 别考察了壬基酚聚氧乙烯醚在好氧反应和厌氧反应中的降解产物种类、降解程度 和聚合度的变化，并将实验结果进行了对比分析，为针对壬基酚聚氧乙烯醚的去 除的污水处理工艺的优化提供了理论依据。 各种聚合度壬基酚聚氧乙烯醚总量测定方法采用反相液相色谱法进行分析， 荧光检测器检测，将壬基酚聚氧乙烯醚看作一个整体进行定量，采用亲水亲脂 平衡固相萃取柱对水样进行前处理，采用超声波萃取对污泥样品进行处理。方法 具有良好的准确度、精密度，不同浓度样品回收率均在9 0 左右。不同聚合度壬 基酚聚氧乙烯醚色谱分离检测方法采用正相液相色谱法，对于平均聚合度为1 0 的标准样品，可以检测到聚合度1 2 0 的壬基酚聚氧乙烯醚，各聚合度物质的分 离性良好。 通过等负荷添加实验和等量添加实验对比研究了壬基酚聚氧乙烯醚在好氧 。 反应和厌氧反应中的降解。在好氧和厌氧反应中，活性污泥对壬基酚聚氧乙烯醚 的吸附去除作用较强，反应过程中中间聚合度物质降解较快，并且均有壬基酚、 壬基酚一乙氧基醚、壬基酚二乙氧基醚等小分子降解产物生成，这些小分子降解 产物在厌氧环境中降解缓慢而得到了积累，而在好氧条件下，它们和母体一样容 易降解。 关键词壬基酚聚氧乙烯醚；高效液相色谱；固相萃取；生物降解 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s tr a c t a sac o m m e r c i a ln o n i o n i cs u r f a c t a n t ，n o n y l p h e n o ie t h o x y l a t e si sa p p l i e dw i d e l y i na l ls e c t o r s ，a n di tc a ne n t e ri n t ot h ee n v i r o n m e n tw i t ht h ei n d u s t f i a lw a s t e w a t e ra n d d o m e s t i cs e w a g e 。i t sd e g r a d a t i o np r o d u c t sa r ee n d o c r i n ed i s r u p t o r sw h i c hc o u l d a c c u m u l a t ei nw a t e ra n da r ep o i s o n o u st oh u m a nb e i n g s t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt o s t u d yt h ed e g r a d a t i o nl a wo ft h e i rp r e c u r s o ri ns e w a g e t h r o u g he x p e r i m e n t s ，t h em e t h o d sa r ee s t a b l i s h e df o rq u a n t i t a t i v ea n a l y z i n g t o t a la m o u n to fn o n y l p h e n o le t h o x y l a t e sa n dd i f f e r e n td e g r e e so ft h e m b a s e do ni t ，t h e d e g r a d a t i o np r o d u c t ，d e g r a d a t i o nd e g r e e sa n dt h ec h a n g eo fd e g r e e sa r ei n s p e c t e d t h r o u g hs i m u l a t i v ee x p e r i m e n t s i na e r o b i ca n da n a e r o b i cc o n d i t i o n s a n dt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r ec o m p a r e dw h i c hp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sf o r o p t i m i z a t i o no fs e w a g et r e a t m e n t q u a n t i t a t i v ed e t e r m i n a t i o no fn o n y l p h e n o le t h o x y l a t e sa r eu s i n gr e v e r s e dp h a s e l i q u i dc h r o m a t o g r a p h ya n a l y s i sa n df l u o r e s c e n c ed e t e c t o rt e s t ，h y d r o p h i l i c 1 i p o p h i l i c b a l a n c es o l i dp h a s ee x t r a c t i o nf o rp r e t r e a t m e n to fw a t e rs a m p l e s ，s a m p l e so fs l u d g e a r ep r e t r e a t e dw i t hu l t r a s o n i ce x t r a c t t h ea c c u r a c ya n dp r e c i s i o no fm e t h o dm e e tt h e r e q u i r e m e n t sa n dt h er e c o v e r yr a t ef o rs a m p l e si sa l la b o v e9 0 d i f f e r e n td e g r e e so f n o n y l p h e n o le t h o x y l a t e sa r ed e t e r m i n e db yn o r m a lp h a s el i q u i dc h r o m a t o g r a p h y f o r t h es a m p l e so fa v e r a g e10d e g r e e s ，t h ed e g r e e sa t t r i b u t ef r o m1t o2 0a r et e s t e da n d c o u l db ew e l ls e p a r a t e d d e g r a d a t i o np a t h w a yo fn o n y l p h e n o le t h o x y l a t e si na e r o b i ca n da n a e r o b i c c o n d i t i o n sa r ei n v e s t i g a t e dt h r o u g hs a m el o a da n ds a m ed o s a g ee x p e r i m e n t s i n a e r o b i ca n da n a e r o b i cc o n d i t i o n s ，t h ea d s o r p t i o no ft h ea c t i v a t e ds l u d g ei s s t r o n g ，t h e m i d d l ed e g r a d a t i o np r o d u c t sc o u l da l s ob e q u i c k l yd e g r a d e d ，g e n e r a t i n gs m a l l m o l e c u l e s ，j u s ta sn p , n p l e oa n dn p 2 e o t h e yc a l lb ea c c u m u l a t e ds l o w l yi na n a e r o b i c c o n d i t i o n sa n db ee a s yt od e g r a d e di na e r o b i cc o n d i t i o n s k e yw ordsn o n y l p h e n o le t h o x y l a t e s ；h i g hp e r f o r m a n c el i q u i dc h r o m a t o g r a p h y ；s o l i d p h a s ee x t r a c t i o n ；b i o d e g r a d a b l e i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j s 宝王些太堂或其它教育机构- 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 鼢喊吼 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j e 立工业太堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：防曦 导师签名却肄吼p g 岁 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 环境激素 随着工业的高度发展，全球人工合成的化学品的种类和年产量在急剧增长， 目前，全球已合成各种化学物质约1 0 0 0 万种，每年新合成化学物质约1 0 万种， 这些化学物质在生产、存储、运输和使用过程中，不可避免地进入了环境，引起 环境污染。尤其是具有持久性、生物积累性和远距离迁移能力的有机物质，对环 境、生态和人类健康造成了一定的负性效应，其中包括环境激素类物质。 “环境激素”( e n v i r o n m e n t a lh o r m o n e ) 也译作“环境荷尔蒙”。学术上命名为“内 分泌干扰物”( e n d o c n n ed i s r u p t e r 或e n d o c r i n ed i s r u p t i n gc h e m i c a l s ) ，是指外源性 干扰人和动物体内激素合成、释放、运输、代谢机能的化学物质【l 】。这类物质具 有类似雌激素活性，其主要危害表现为：引起乳腺癌、子宫内膜病变、睾丸肿瘤、 前列腺癌等疾病，使生物体出现雄性雌性化、男性生殖能力下降、下垂体甲状腺 亢进、免疫系统障碍、神经行为异常等症状【2 捌。目前，已知的环境激素至少有 7 0 多种，多由于人类的生产和生活活动而释放到环境中，按照它们的一般用途 可分为8 类【4 】，见表1 1 。 表1 1 国内外已检测出的可能干扰内分泌的化学物质 类型 外因性干扰内分泌的化学物质 除草剂 2 , 4 ，5 一三氯联苯氧基乙酸、2 ，4 一二氯联苯氧基乙酸、杀草强、莠去津、甲草 胺( 草不绿) 、除草醚、草克净 杀虫剂 六六六、对硫磷、西维因、d d d 、d d t 、d d e 、氯丹、羟基氯丹、超九氯、 三氯杀螨剂、狄氏剂、硫丹、七氯、环养七氯、马拉硫磷、甲氧滴滴涕、毒杀 芬、灭多威 杀菌剂代森锰锌、代森锰、代森联、代森锌、六氯苯、福美锌、苯菌灵 防腐剂五氯酚、三丁基锡、三苯基锡 塑料增塑 邻苯二甲酸双( 2 乙基) 己酯( d e h p ) 、邻苯二甲酸苄酯( b b p ) 、邻苯二甲酸- - i e 剂 丁酯( d b p ) 、邻苯_ - - q j 酸双环已酯( d c h p ) 、邻苯二甲酸双二已酯( d e p ) 、已二 酸双2 乙基已酯、邻苯二甲酸二丙酯 洗涤剂c 5 c 9 烷基苯酚、壬基苯酚、4 辛基苯酚 副产物 二恶英类( d i o x i n e s ) 、呋喃类( f u r a n s ) 、苯并( a ) 芘、八氯苯乙烯、对硝基甲苯、 苯乙烯二( 或三) 聚体 其他化合 双酚c a ) 、多氯联苯类( p c b s ) 、多溴联苯类( p b b s ) 、甲基汞、镉及其络合物、 物 铅及其络合物 北京工业大学工学硕士学位论文 1 1 2 壬基酚 壬基酚( n o n y l p h e n o l ，n p ) 也是一种环境内分泌干扰物，其分子式为 c 9 h 1 9 c 6 h 4 0 h ，是一类主要由4 壬基酚( p a r a n o n y l p h e n o l ，p n p ) 组成的各种异构 体的混合物，是精细化工的重要原料和中间体，用于生产非离子表面活性剂、防 腐剂、着色剂、矿物浮选剂、树脂改性剂、纺织助剂、抗静电剂和油田用乳化剂。 在化工、轻工、电子仪表、机电、冶金、建筑等现代科学技术的各个领域中得到 了广泛的应用。据报道目前世界壬基酚的生产量约为3 5 万t ，我国约为2 2 万t 【5 】， 消费量约为2 万吨，其中的7 0 应用于合成洗涤剂。 壬基酚具有类雌激素效应。英国学者h a r r i e s 等人发现某河流下游的水体中 鱼的雌性化与上游污水处理厂排放的污水中含有高浓度的壬基酚有关【6 】；奥地利 学者l a h n s t e i n e r 发现水环境中壬基酚浓度为2 8 0n g l 至7 5 0 n g l 时，红鳟鱼 ( s a l m og a i r d n e r ir i c h a r d s o n ) 雄鱼精子数量减少，质量下降 7 1 ；范奇元等发现壬基酚 会损伤雄性大鼠的生殖系统 8 1 ；有研究发现，低浓度的4 壬基酚就能对动物的生 殖系统产生有害影响，而生物富集作用则使这种影响加剧【9 】；研究 1 0 1 表明水中 壬基酚浓度为l o g l 是引起生殖异常的浓度阈值，并以此作为制定环境标准的 依据。 水体中的壬基酚难于降解，具有生物积累性 i ，因此其在水环境中可以广 泛存在。文献 1 2 】显示，美国境内的3 0 多条河流中，壬基酚最高含量为0 6 r , g m 。 b e n n i e 等人【1 3 】对加拿大3 3 条河流1 9 9 4 - - 1 9 9 5 年间的壬基酚的含量进行了调查， 发现壬基酚的含量介于0 0 1 - 0 9 2 i t g l ，而湖水中壬基酚的浓度可达0 9 r t g m ，湖 底淤泥中的含量则可高达7 2 m g k g 。我国的一些湖泊、江河中也检出了壬基酚。 经调查，太湖水中壬基酚的含量平均为1 6 i t g l t l 4 】。邵兵等人【1 5 】对嘉陵江和长江 重庆段的河流进行调查发现，河流水样中壬基酚最高浓度发生在7 月，达 6 8 5 i t g l ，而以此为水源的自来水厂水样中壬基酚最高浓度达到了2 7 r t g l 。 1 1 3 壬基酚聚氧乙烯醚 壬基酚主要用于合成壬基酚聚氧乙烯醚( n o n y l p h e n o le t h o x y l a t e s 。n p n e o ) ， 并不会直接被排放到环境中，因此环境中的壬基酚主要是由排放到环境中的壬基 酚聚氧乙烯醚降解所生成。 壬基酚聚氧乙烯醚是全球第二大商用非离子表面活性剂烷基酚聚氧乙烯 ( a l k y l p h e n o le t h o x y l a t e s ，a p i 正o ) 的主要品种。我国年产a p n e o 约5 0 万t ，占全球 的1 0 【l6 1 ，其中壬基酚聚氧乙烯醚( n p r 也o ) 大约占8 0 ，其余主要是辛基酚聚氧 乙烯醚( o p n e o ) 。壬基酚聚氧乙烯醚由壬基酚和环氧乙烷加合而成，主要作为家 庭洗涤剂、工业用洗涤剂、分散剂、乳化剂等，在纺织、皮革、农药、塑料、建 材、橡胶及造纸等行业中应用广泛 1 7 】。使用后的壬基酚聚氧乙烯醚随工业废水和 第1 章绪论 生活污水大量排放到了污水处理厂，甚至直接进入水体【l s 】。 壬基酚聚氧乙烯醚本身易降解，在自然环境及城市污水处理厂中，n p n e o 生物分解，最后以壬基酚的氧乙烯醚和氧乙烯乙酸低聚物以及壬基酚( n p ) 残留 于水体及土壤环境中【1 她2 1 。近年的研究表明，与n p n e o 相比，其小分子降解 产物壬基酚( n p ) 、壬基酚一乙氧基醚( n p l e o ) 和壬基酚二乙氧基醚( v a e e o ) 较难继续降解【2 3 1 ，且具有较强的生物积累性和毒性 2 4 1 。而文献 2 5 证实n p l e o 、 n p 2 e o 等短链降解产物亦具有内分泌干扰性。因此对n p 的环境调查及降解研 究不能仅限于n p 本身，还应该考虑到它的前体物质n p n e o 在不同条件下的降 解特性、降解产物及降解程度，为有效控制它们在污水处理系统和自然环境中的 积累提供全面的理论依据。 1 2 国内外研究现状 目前，关于壬基酚聚氧乙烯醚的研究多集中在对其检测方法的开发、环境本 底的调查、在污水处理系统过程中的迁移转化规律和生物降解机制研究等方面。 1 2 1 检测方法 对于壬基酚聚氧乙烯醚及其降解产物的测定方法，目前国内外多采用高效液 相色谱法测定壬基酚聚氧乙烯醚，气相色谱质谱联用法测定壬基酚及短链壬基酚 聚氧乙烯醚【2 6 1 。侯绍刚 2 7 】等建立了复杂基体水样中壬基酚聚氧乙烯醚及其小分 子降解产物的固相萃取正相高效液相色谱荧光检测方法，测定了生活污水水 样，检测到了n p n e o ( n = l - - 1 2 ) 及壬基酚。刘欣【2 8 】等建立了测定短链壬基酚聚 氧乙烯醚的正相高效液相色谱紫外检测方法。邵到2 6 】等利用伪反相色谱理论建 立了固相萃取高效液相色谱荧光检测方法改善了高效液相色谱法对壬基酚聚 氧乙烯醚各个聚合度物质之间的分离性，并对嘉陵江和长江重庆段的壬基酚聚氧 乙烯醚污染情况进行了调查。 1 2 2 环境本底调查 关于壬基酚聚氧乙烯醚环境本底调查国内外均有相关报道。这些调查研究表 明，许多国家的环境水体甚至水源均受到了一定程度的壬基酚聚氧乙烯醚及其降 解产物的污染。并且水体中壬基酚聚氧乙烯醚及其降解产物在沉积物及水生生物 体内得到积累【2 9 彤】。由于环境中的n p n e o 大部分通过城市污水处理系统进入到 环境，因此国内外对壬基酚聚氧乙烯醚及其降解产物在城市污水处理系统中的分 布和降解途径的研究较多。 n a y l o r 等【3 5 】对美国9 个不同的污水处理厂进行了考察，发现污水厂进水中 n t n e o 的最高浓度达3 3 7 m g l ，n p 最高浓度达0 9 7 8m g l ，处理后排放水中 n p n e o 在0 0 0 5m g l - - 。0 2 6m g l 之间，n p 浓度在0 0 0 1m g l 6 - - 0 1 5m g l 之间， n p 和n p n e o 的去除率都大于9 0 ，且气候影响不大，冬季与夏季的差别仅2 北京工业大学工学硕士学位论文 5 。a b e l 等 3 5 】对瑞士的5 个污水处理厂研究的结果是n p n e o 的去除率 约为8 0 。 马兴杰等【1 6 】对北京市某一污水处理厂的污水处理过程中n p n e o 不同聚合度 的浓度分布进行了研究，发现污水处理厂的进出水中均有n p 和n p n e o ( n = 1 2 3 ) 检出，其中n p 2 e o 的浓度最高，其次分别为n p 和n p l e o ，并认为n p 是在进入污水处理厂之前生物降解的产物，而非产生于污水处理过程中。该污水 厂对n p 及n p n e o 的去除率为7 1 ，其中污泥吸附对去除起很大的作用。 候绍刚、孙红文【37 j 对中国北方4 个城市污水处理厂进出水和其中2 个城市污 水处理厂污泥样品中的n p n e o 及其代谢产物的浓度水平、分布情况进行了调查， 发现在4 个城市污水处理厂的进出水及其中2 个污水处理厂的污泥中均检测到了 不同浓度的n p n e o 及其代谢产物。n p n e o 在各城市污水处理厂都得到了一定程 度的降解，去除率为2 3 3 8 7 7 1 1 。但n p n e o 并未完全矿化，出水中含有较 高浓度的小分子代谢产物n p 、n p l e o 和n p 2 e o ，并有累积趋势，污泥对n p n e o 及其代谢产物有良好的吸附性能因而污泥中含量较高。 1 2 3 污水处理系统中的迁移转化 对于城市污水处理系统中壬基酚聚氧乙烯醚的迁移转化规律，一般认为是： 由不同乙氧基链长的混合物组成的n p n e o 有可能在污水管网的厌氧条件下由于 微生物的降解作用向短链方向移动【l6 】；而其乙氧基链在污水厂处理过程中逐步缩 短，生成短链的产物如n p 2 e o 、n p l e o 以及最终产物n p 3 8 】。最近的研究指出也 有可能是通过“中心裂变”方式降解，即乙氧基长链从苯环上脱落，直接生成 n p 】e o 和n p 3 9 1 。在污水厂的各个处理过程中，羟基还可能被氧化形成羧酸化产 物n p n e c ，同时烷基链也可能被氧化形成c a p n e c 删；在污泥的厌氧消化过程 中n p n e o 的乙氧基容易被微生物降解下来，生成n p 2 e o 和n p l e o ，最终生成 n p ，n p 在好氧条件下才能降解【4 1 1 ，因此在厌氧消化过程中长链的n p n e o 的降 解非常彻底，且降解的末端产物n p 得到了积累【4 2 1 。而也有少数研究认为，羧酸 化产物n p n e c 也可能大量存在于污泥中【4 3 即】。可见污水的好氧处理及污泥的厌 氧消化过程都是壬基酚聚氧乙烯醚降解的降解途径，然而对于在不同降解途径下 壬基酚聚氧乙烯醚的降解程度及降解产物差异并没有明确的报道。 1 2 4 降解规律研究 对于壬基酚聚氧乙烯醚的降解研究国内外主要集中在微生物降解方面【4 5 1 。吴 伟等 4 6 】对水环境中各种属的微生物对壬基酚聚氧乙烯醚的单一降解效果和特性 进行了研究。研究表明芽孢杆菌( b a c i l l u ss p ) 、假单胞茵( p s e u d o m o n a ss p ) 、诺 卡氏菌( n o c a r d i as p ) 和假丝酵母( c a n d i d as p ) 4 菌均能够在复杂的水环境中有效 地降解壬基酚聚氧乙烯醚。赵建亮等【4 7 】对n p n e o 的降解途径和n p n e o 中苯环 4 第1 章绪论 的降解进行了研究，认为n p n e o 中的苯环1 0d 内难以降解，短e o 链n p n e o 在环境中易积聚，对环境造成危害。 另外程沧沧等【4 8 】研究了壬基酚聚氧乙烯醚的光降解，研究表明以波长为3 6 5 n l i l 的1 2 5w 紫外灯为光源在t i 0 2 催化、酸性条件下，加入一定量的h 2 0 2 ，光 照4h 后浓度为5 0m g l 的壬基酚聚氧乙烯醚溶液降解率可达4 5 6 4 。 1 2 5 毒理效应及风险性评价 关于壬基酚聚氧乙烯醚的毒理效应以及其进入水环境后的风险性评价国内 外研究的不多。吴伟等对壬基酚聚氧乙烯醚及其降解产物的毒理效应进行了相关 研究【4 9 , 5 0 l ，认为壬基酚聚氧乙烯醚具有一定的急性毒性但远远低于其降解产物壬 基酚的毒性，并建议壬基酚聚氧乙烯醚在水环境中的允许浓度为：0 ( n p n e o ， n = 1 0 ) o 6 0m g l 。 综上所述，国内外对壬基酚聚氧乙烯醚的相关研究表明，使用后的大部分 n p n e o 在城市污水处理系统中通过微生物降解生成小分子产物n p 、n p l e o 、 n p 2 e o ，其中n p 2 e o 不易继续降解，因此浓度最高；n p l e o 容易继续降解成最 终产物n p ，因此浓度最低。n p l e o 、n p 2 e o 与n p 一样都具有较母体更强的急 性毒性和内分泌干扰作用。在城市污水处理系统中壬基酚聚氧乙烯醚及其小分子 降解产物并没有得到彻底的去除，它们当中的小部份随处理出水进入到受纳水体 造成污染，大部分则吸附在污泥中进入到污泥消化系统，在厌氧环境中继续降解 或者直接被排放。n p n e o 在城市污水处理系统中的生物降解规律国外有很多报 道，但对于n p n e o 分别在污水的好氧处理系统和污泥的厌氧消化系统中的降解 产物种类及量的差异、小分子降解产物的最终归趋不明确；而国内仅对n p n e o 及其降解产物在城市污水处理系统中的分布进行了调查，因此有必要加强对壬基 酚聚氧乙烯醚好氧和厌氧生物降解特性的对比研究，明确不同条件下壬基酚聚氧 乙烯醚的代谢途径和降解产物，为壬基酚聚氧乙烯醚污染控制提供基础数据。 1 3 课题研究内容与研究意义 1 3 1 研究目的和意义 本课题根据国内外研究的现状和实验室现有条件，以壬基酚聚氧乙烯醚以及 其小分子降解产物n p 、n p l e o 、n p 2 e o 为研究对象，通过污水中壬基酚聚氧乙 烯醚好氧和厌氧生物降解特性对比研究，系统分析污水中壬基酚聚氧乙烯醚在好 氧和厌氧环境下的代谢途径和降解产物，提出不同条件下的壬基酚聚氧乙烯醚生 物降解特性，探索污水中壬基酚聚氧乙烯醚的去除途径和处理技术，为壬基酚聚 氧乙烯醚污染控制对策制定和城市污水处理工艺设计、运行、管理提供基础数据。 5 北京工业大学工学硕士学位论文 曼i | 1 曼皇曼! 皇皇詈鼍篁曼苎皇兰皇詈! ! ! ! 曼詈! 鼍詈! 詈詈皇詈詈曼詈詈皇皇量! 詈皇皇詈墨! 曼皇富詈鼍! 曼! 皇詈曼! 詈皇置詈鼍皇! 曼! 鼍詈詈皇皇量詈暑一 1 3 2 研究内容 以壬基酚聚氧乙烯醚以及其降解产物n p 、n p l e o 、n p 2 e o 为研究对象，建 立和完善壬基酚聚氧乙烯醚及其降解产物的检测分析方法；实验室模拟研究污水 中壬基酚聚氧乙烯醚分别在好氧和厌氧的条件下的降解规律，对比壬基酚聚氧乙 烯醚分别在好氧和厌氧条件下的降解速率以及降解程度。 1 4 课题来源 本研究为国家自然科学基金项目“污水处理厂泥区废液有机污染物形成机制 与控制技术研究”( 项目编号5 0 7 7 8 0 0 4 ) 和北京市自然科学基金面上项目：“污 水厂泥区废液环境激素污染负荷分析与处理技术研究”( 项目编号8 0 8 2 0 0 6 ) 一 部分。 6 第2 章壬基酚聚氧乙烯醚的检测和样品预处理方法确定 第2 章壬基酚聚氧乙烯醚的检测和样品预处理方法 悯疋 2 1 引言 环境样品中壬基酚聚氧乙烯醚为痕量组分，属于多种同分异构体、多种聚 合度的同系混和物，且样品基质成分复杂，分离富集与定量测定难度较大，因 此根据实验室现有的条件建立有效的壬基酚聚氧乙烯醚及其不同代谢产物的测 定方法是整个实验研究工作的基础。 目前国内外多采用正相高效液相色谱法以实现不同聚合度的壬基酚聚氧乙 烯醚的色谱分离。对于高聚合度的壬基酚聚氧乙烯醚，此类方法在定量测定时 需要其相应聚合度的纯物质标准品，过程繁琐、耗时长，不易实现n p n e o 的总 量测定。而各种聚合度的壬基酚聚氧乙烯醚具有类似的生物效应，因此，在污 染控制和环境样品检测中，有时可以将不同聚合度、不同同分异构体的壬基酚 聚氧乙烯醚看作一个整体进行考虑，以实现快速定量。 本课题根据色谱分离理论和壬基酚聚氧乙烯醚的结构性质，将不同聚合度 的壬基酚聚氧乙烯醚看作一个整体，采用反相液相色谱法进行定量；在实验室 现有条件基础上，利用正相液相色谱法建立了各聚合度物质的检测分离方法， 以考察目标物质在降解实验过程中的聚合度的变化；采用气相色谱质谱联用对 小分子降解产物n p 、n p l e o 和n p 2 e o 进行检测。 ， 2 2 方法原理 2 2 1 测定方法介绍 在现有的实验室条件下和已有的研究基础上，采用固相萃取法对污水、污 泥样品进行预处理，采用反相高效液相色谱法分析测定n p n e o 总量，正相高效 液相色谱法对各聚合度n p n e o 进行分离，气相色谱法测定n p 、n p l e o 、n p 2 e o 。 2 2 1 1 高效液相色谱法介绍 高效液相色谱法( h i g hp e r f o r m a n c el i q u i dc h r o m a t o g r a p h y ，h p l c ) 是在经典 液相色谱法的基础上，于6 0 年代后期引入了气相色谱理论而迅速发展起来的。 它与经典液相色谱法的区别是色谱柱填料颗粒小而均匀，小颗粒具有高柱效， 但会引起高阻力，需用高压输送流动相，故又称高压液相色谱法( h i g hp r e s s u r e l i q u i dc h r o m a t o g r a p h y ，h p l c ) 。又因分析速度快而称为高速液相色谱法( h i g h s p e e dl i q u i dc h r o m a t o g r a p h y ，h s l p ) 。也称现代液相色谱。 高效液相色谱法适于分析高沸点不易挥发的、受热不稳定易分解的、分子 量大、不同极性的有机化合物、生物活性物质和多种天然产物、合成的和天然 7 北京工业大学工学硕七学位论文 的高分子化合物，涉及石油化工产品、食品、合成药物、生物化工产品及环境 污染物等，约占全部有机化合物的8 0 。而其余2 0 的有机化合物，包括永久 性气体，易挥发低沸点及中等分子量的化合物，只能用气相色谱法进行分析。 高效液相色谱法按分离机制的不同分为液固吸附色谱法、液液分配色谱法、 离子交换色谱法、离子对色谱法及分子排阻色谱法。其中液液色谱法按固定相 和流动相的极性不同可分为正相色谱法( n p c ) 和反相色谱法( r m c ) 。正相色谱法， 是采用极性固定相( 如聚乙二醇、氨基与腈基键合相) ，流动相为相对非极性的 疏水性溶剂( 烷烃类如正已烷、环已烷) ，常加入乙醇、异丙醇、四氢呋喃、三 氯甲烷等以调节组分的保留时间，用于分离中等极性和极性较强的化合物( 如酚 类、胺类、羰基类及氨基酸类等) 。反相色谱法一般用非极性固定相( 如c 1 8 、 c 8 ) ，流动相为水或缓冲液，常加入甲醇、乙腈、异丙醇、丙酮、四氢呋喃等 与水互溶的有机溶剂以调节保留时间，适用于分离非极性和极性较弱的化合物。 高效液相色谱中，是利用样品组分在固定相和流动相间分配的微小差异而 达到分离的目的，为了描述分配过程和评价色谱柱效能，需要有一系列的色谱 参数和基础理论，通过优化这些色谱参数找出最佳的分离条件。本文仅介绍实 验涉及到的色谱参数。 ( 1 ) 色谱图和峰参数 色谱 ( c h r o m a t o g r a m ) ：样品流经色谱柱和检测器，所得到的信号一时间曲 线，又称色谱流出曲线( e l u t i o np r o f i l e ) 。 基线( b a s el i n e ) ：经流动相冲洗，柱与流动相达到平衡后，检测器测出一段 时间的流出曲线。j 般应平行于时间轴。 噪音( n o i s e ) ：基线信号的波动。通常因电源接触不良或瞬时过载、检测器 不稳定、流动相含有气泡或色谱柱被污染所致。 色谱峰( , p e a k ) ：组分流经检测器时响应的连续信号产生的曲线。流出曲线上 的突起部分。 峰高( p e a kh e i g h t ，仞：峰的最高点至峰底的距离。 峰宽( p e a kw i d t h ，聊：峰两侧拐点处所作两条切线与基线的两个交点间的 距离。 半峰宽( p e a kw i d t ha th a l f - h e i g h t ，) ：峰高一半处的峰宽。 ( 2 ) 定性参数 死时间( d e a dt i m e ，t o ) ：不保留组分的保留时间。即流动相( 溶剂) 通过色 谱柱的时间。在反相h p l c 中可用苯磺酸钠来测定死时间。 保留时间( r e t e n t i o nt i m e ，酝) ：从进样开始到某个组分在柱后出现浓度极大 值的时间。 调整保留时f 司( a d j u s t e dr e t e n t i o nt i m e ，f k ) ：扣除死时间后的保留时间，t r = 第2 章壬基酚聚氧乙烯醚的检测和样品预处理方法确定 t r t o 。在实验条件( 温度、固定相等) 一定时，f k 只决定于组分的性质，因此， f k ( 或玖) 可用于定性。 ( 3 ) 柱效参数 理论塔板数( t h e o r e t i c a lp l a t en u m b e r ，肋：理论塔板数n 是反映物质在固定 相和流动相中动力学特性的重要色谱参数，用于定量表示色谱柱的分离效率( 简 称柱效) 。理论塔板数的定义为n = 5 5 4 ( t r w h 2 ) 2 。n 取决于固定相的种类、性质 ( 粒度、粒径分布等) 、填充状况、柱长、流动相的种类和流速及测定柱效所用 物质的性质。 ( 4 ) 相平衡参数 容量因子( c a p a c i t yf a c t o r ，妁：化合物在两相间达到分配平衡时，在固定相 与流动相中的量之比。其表示一个组分在固定相中停留的时间( f 么) 是不保留 组分保留时间( 幻) 的几倍。k = o 时，化合物全部存在于流动相中，在固定相 中不保留，t r = 0 ；k 越大，说明固定相对此组分的容量越大，出柱慢，保留时 间越长。在液相色谱中，k r 与固定相、流动相性质及柱温有关，而与流速和 柱尺寸无关。后，的改变可以通过调节流动相的极性实现。对正相色谱来讲，流 动相极性增加，k 诫小；反相色谱则相反，流动相极性增大，尼增大。 选择性因子( s e l e c t i v i t yf a c t o r ，6 c ) ：相邻两组分的容量因子之比。a 又称为相 对保留时间( 美国药典) 。要使两组分得到分离，必须使a 1 。a 与化合物在 固定相和流动相中的分配性质、柱温有关，与柱尺寸、流速、填充情况无关。 从本质上来说，a 的大小表示两组分在两相间的平衡分配热力学性质的差异， 即分子间相互作用力的差异。 ( 5 ) 分离参数 分离度( r e s o l u t i o n ，r ) ：相邻两峰的保留时间之差与平均峰宽的比值。也叫 分辨率，表示相邻两峰的分离程度，r = 2 ( t r j t r y ) ( w 1 + w 2 ) 。当r = 1 时，两 峰基本分离，裸露峰面积为9 5 4 ，内侧峰基重叠约2 。r = 1 5 时，裸露峰面 积为9 9 7 。贬1 5 称为完全分离。中国药典规定尺应大于1 5 。 提高分离度有三种途径：增加塔板数。方法之一是增加柱长，但这样会 延长保留时间、增加柱压。更好的方法是降低塔板高度，提高柱效。增加选 择性。当a = 1 时，r - - 0 ，无论柱效有多高，组分也不可能分离。一般可以采 取以下措施来改变选择性：a 改变流动相的组成及p h 值：b 改变柱温；c 改 变固定相。改变容量因子。这常常是提高分离度的最容易方法，可以通过调 节流动相的组成来实现。k 趋于o 时，r 也趋于0 ；后增大，r 也增大。但后，不 能太大，否则不但分离时间延长，而且峰形变宽，会影响分离度和检测灵敏度。 一般k 在1 1 0 范围内，最好为2 5 ，窄径柱可更小些。 9 北京工业大学工学硕士学位论文 2 2 1 2 固相萃取 固相萃取( s o l i dp h a s ee x t r a c t i o n ，s p e ) 是一种建立在传统的液液萃取基础 之上，结合物质相互作用的相似相溶机理和高效液相色谱、气相色谱的固定相 基本知识逐渐发展起来的样品前处理技术。与液液萃取方法相比，s p e 具有有 机溶剂用量少、便捷、安全、高效等特点。 s p e 大多数用来处理液体样品，萃取、浓缩和净化其中的半挥发性和不挥 发性化合物，也可用于固体样品，但必须先处理成液体。固相萃取包过程括柱 子的活化( c o n d i t i o n i n g ) ，上样( l o a ds a m p l e ) ，淋洗( r i n s e ) ，洗脱( e l u t i o n ) 等几个 步骤。 2 2 2 壬基酚聚氧乙烯醚的液相色谱分离原理 2 2 2 1 壬基酚聚氧乙烯醚的结构性质 壬基酚聚氧乙烯醚( n p n e o ) 产品是具有不同聚合度( n ) 的混合物，结构式 见图1 1 。其中聚合度( n ) 为分子中加成的环氧乙烷数，一般壬基酚聚氧乙烯醚 产品n - - 9 , - 1 2 。壬基酚聚氧乙烯醚的亲水基为由羟基和醚键构成的环氧乙烷 ( e o ) ，以及在分子端基的一个羟基，因此其亲水性很小，要使分子有足够的亲 水性，必须增加环氧乙烷加成的分子数1 1 _ ，即产品含的醚键越多，亲水性越好。 因此可通过结合不同的环氧乙烷分子数目来调节亲水性。一般得到的环氧乙烷加 成产物都是具有不同聚合度( n ) 的混合物，通常n 是一个平均值。 c g h l go ( c h 2 c h 2 0 ) nh 图2 1 壬基酚聚氧乙烯醚( n p n e o ) 的结构式 壬基酚聚氧乙烯醚的疏水基为苯环上的壬基，由于壬基具有不同的同分异 构体，因此根据其支链结构的不同，相同聚合度的壬基酚聚氧乙烯醚亦具有不 同的疏水性。 2 2 2 2 壬基酚聚氧乙烯醚的色谱分离 由于壬基酚聚氧乙烯醚分子中存在亲水性的乙氧基及疏水性的壬基，因此 在正相和反相液相色谱法中，壬基酚聚氧乙烯醚具有不同的分离原理和保留特 性，可以实现各种聚合度的总量分析和不同聚合度的分离。 在正相液相色谱法中，色谱柱固定相为极性，流动相为疏水性溶剂，因此 溶质壬基酚聚氧乙烯醚的分离是以其亲水结构的差异为依据的。当不同聚合度 的壬基酚聚氧乙烯醚随疏水性溶剂通过极性固定相时，由于亲水性的不同，它 们在极性固定相上的保留作用不同，被疏水性溶剂洗脱下来所需要的时间就不 同，因此就以不同的亲水性逐一被分离出来，即实现了不同聚合度壬基酚聚氧 乙烯醚的分离。目前国内外大多数的壬基酚聚氧乙烯醚的分离检测方法就是基 第2 章壬基酚聚氧乙烯醚的检测和样品预处理方法确定 于这个原理，因此对于此种方法，获取各聚合度的壬基酚聚氧乙烯醚纯物质是 其定性和定量的前提。 在反相液相色谱法中，色谱柱固定相为非极性，流动相为亲水性溶剂，溶 质的分离是以它们的疏水结构差异为依据的。对于不同聚合度的壬基酚聚氧乙 烯醚来说，它们的疏水性差异取决于壬基支链的不同结构，因此，当它们通过 非极性的固定相时，具有不同壬基支链结构的壬基酚聚氧乙烯醚因疏水性不同 而被分离开。而不同聚合度的壬基酚聚氧乙烯醚因具有相同支链结构的壬基， 其保留行为相同，各种聚合度物质可作为一个整体实现分离。根据这个原理， 在实现与基体杂质分离的前提下，可以实现不同聚合度的壬基酚聚氧乙烯醚总 量的快速定性及定量分析。 2 3 测定方法的建立 通过实验，优化液相色谱仪的各项参数设置以及样品预处理的操作条件。 2 3 1 实验材料 2 3 1 1 实验仪器 a g i l e n t1 1 0 0 系列液相色谱仪( h p l c ) ，包括荧光检测器( f l d ) 、紫夕l - ( u v ) 检测 器及化学工作站，z o r b a xe c l i p s ex d b c 18 ( 4 6 xl5 0 m m5 1 - t m ) 色谱柱，美国 a g i l e n t 公司；w a t e r s t b o n d a p a kn h 2 色谱柱；1 2 歧管固相萃取装置，1 2 - p r o t v i s i p r e p t ms p ev a c u u mm a n i f o l d ，s p e 大容量进样装置，v i s i p r e p t ml a r g e v o l u m es a m p l e r ，美国s u p e l c o 公司；氮吹仪，n v a p t m ，m o d e l1 1 1 型，美国 o r g a n o m a t i o na s s o c i a t e si n c 公司；漩涡混和器，q l 9 0 1 型，其林贝尔仪器制造有 限公司；超声波清洗器，h s 31 2 0 型，天津东科仪器设备有限公司；p i p e t t e 移液器， g i l s o np 2 0 0 ，p 1 0 0 0 型，法国吉尔森公司。 2 3 1 2 实验试剂、标准品及耗材 甲醇、二氯甲烷、正己烷、异丙醇( 色谱纯，f l u k e ) ，娃哈哈纯净水；n p 2 e o 、 n p l o e o 标准品( 2 、1 0 为平均聚合度，东京化成) ；w a t e r so a s i s h l b 固相萃 取柱( 3 0 i _ t g x 6 0 m g x 3 m l ，美国) ；高纯氮气，9 9 9 9 9 。 2 3 2 反相液相色谱法色谱条件优化 2 3 2 1 柱效测试 色谱柱在使用前，先对其按照色谱柱出厂报告中的条件( 出厂测试所使用的 条件是最佳条件1 进行柱性能测试，并将结果保存起来，作为今后评价柱性能变 化的参考。本实验使用美国a g i l e n t 公司e c l i p s ex d b c 一1 8 ( 4 6 x 1 5 0