超声波萃取/气相色谱(GC-FID)测定土壤中的总石油烃(TPH)

油类物质从来源上一般可分为三大类:一是矿物油, 指天然石油 (原油) 及其炼制产品, 由碳氢化合物组成。二是动植物油脂, 来自动物、植物和海洋生物, 主要由各种三酰甘油组成, 并含有少量的低级脂肪酸脂、磷脂类、甾醇类等。三是香精油, 有某些植物提馏而得的挥发性物质, 主要成分是一些芳香烃或萜烯烃等。各种油类的化学性质完全不同, 多数动植物油能作为营养源供人们食用, 并且被消化和吸收, 而矿物油和香油精非但不能食用, 而且对人体有害[1~2]。

本方法针对的是矿物油, 即总石油烃 (TPH) 的测定。用于测量土壤中沸点较高 (170℃~430℃) 、碳数在C10~C35的石油烃类, 包括柴油烃类、煤油类等。

国际国内对于土壤中的总石油烃 (TPH) 特别是土壤中沸点较高 (170℃~430℃) 、碳数在C10~C35的石油烃类的标准方法及文献均为红外分光光度法为主, 本文使用方法参照美国马萨诸塞州的州方法操作, 使用超声波萃取[3], 气相色谱法分析。

1 方法原理

土壤用二氯甲烷萃取后, 用带氢火焰离子化检测器 (FID) 的气相色谱仪检测。以正构烷烃C10~C35混合物作为标准样品, 对相同色谱条件下样品中C10到C35之间的所出的色谱峰进行积分, 从而获得定量结果。

2 实验部分

2.1 样品制备

因土壤样品含有较多的水分, 所以, 为准确称重, 须干燥处理。但只可采取自然风干或真空冷冻干燥等方式, 不可直接于日光下曝晒或高温烘干, 以防所测组分的损失。空白样品为经环己烷提取的石英砂。

样品制备:取土壤样品约100g, 自然风干, 粉碎后过80~100目筛, 装棕色玻璃瓶待用。

2.2 仪器与试剂

气相色谱仪:安捷伦Agilent7890A气相色谱仪 (美国) , FID检测器, 数据处理系统。

色谱柱:HP~5;柱长30m;内径0.32mm;膜厚0.25μm。

分液漏斗:1000m L, 活塞上不得使用油性润滑剂, 使用聚四氟乙烯活塞。

试剂:纯水, 二氯甲烷 (农残级) , 正构烷烃标准溶液液:含C10~C35等正构烷烃的混合物 (美国Supelco公司) 。

2.3 样品萃取

称取土样 (如15g) 至烧杯中, 再加入40m L二氯甲烷, 用超声波处理器萃取5min (萃取功率>4 0 0W, 恒定) , 取出上清液, 重复上述步骤共3次, 合并上清液;最后用萃取液冲洗萃取探头、样品容器各3次, 上清液、冲洗液及萃取后的土壤样, 过5~8厘米厚无水硫酸钠层, 进行固液分离, 收集滤液于氮吹管中。氮吹浓缩仪设置温度30℃, 小流量氮气将萃取液浓缩至近干, 用二氯甲烷定容至约1.0m L。用滴管转移至2m L样品瓶中, 待分析。

2.4 标准曲线的配制

根据样品实际情况配制至少5个浓度的标准使用液, 其中一点的浓度应略高于方法检出限, 其余4点的浓度能覆盖实际水样中总石油烃 (TPH) 的浓度, 或在GC的线性范围之内。

2.5 色谱条件

载气 (氮气) 流速:2m L/min;空气流速:3 0 0 m L/m i n;氢气流速:3 0 m L/m i n, 尾吹气流速:28m L/min。分流进样, 分流比1∶5;进样量:1μL。柱温程序:40℃保持0.5min, 以15℃/min的速率升至290℃, 保持5min。进样口温度:300℃;检测器温度:300℃。

2.6 结果与计算

用注入正构烷烃标准使用液的方法来校准仪器系统, 标准使用液的分析条件与样品的完全相同。利用其平均响应因子和石油烃类的色谱峰总面积, 计算样品中石油烃类的浓度。

在绘制标准曲线时, 每个正构烷烃响应因子的相对标准偏差 (%RSD) 应≤20%, 方可认定所制定的标准曲线合格, 可以使用每个正构烷烃响应因子的平均值进行计算。

2.6.1 每个正构烷烃的响应因子

用下列公式计算每个正构烷烃的响应因子:

其中:Fi为第i个正构烷烃的响应因子;

C i为注射进色谱柱中的烷烃的质量 (ng) ;

Ai为第i个正构烷烃的峰面积。

2.6.2 每个正构烷烃的平均响应因子

用下列公式计算5个浓度 (1.00mg/L、2.50mg/L、5.00mg/L、10.0mg/L、20.0mg/L) 校正标准中每个正构烷烃响应因子的平均值:

其中:Fi, mean为第i个正构烷烃的平均响应因子;

n为标准使用液系列的浓度水平数, 本方法中, n为5。

2.6.3 T PH校正标准响应因子

其中:Fa为TPH校正标准响应因子;

m为用于计算的正构烷烃的数目。

2.6.4 样品定量积分范围及土样中石油烃类浓度

样品中TPH的积分时间段是正构烷烃校正标准中C10的色谱峰起始时间至C35的色谱峰结束时间。以峰面积定量, 峰的积分条件与正构烷烃校正标准的完全相同。

石油烃类浓度 (mg/kg) =[ (Ax/Fa) (Vt/V i) ]/M土

其中:Ax为样品中C10~C35之间所有色谱的面积;

Fa为T PH校正标准响应因子, 1/μg;

Vi为GC的进样体积, μL;

Vt为浓缩后待进样的提取物体积m L;

M土为土样质量g。

3 结果与讨论

3.1 标准色谱图及标准响应因子

10.0mg/L石油烃类标准色谱图见图1, 正构烷烃的峰面积及各自的响应因子见表1。

3.2 检出限、精密度和准确度

方法检出限按下述公式计算:MDL=S×t (n~1, 0.99) (如果连续分析7个样品, 在9 9%的置信区间, t 6, 0.9 9=3.1 4 3) , 其中:S为平行测定的标准偏差, t (n~1, 0.99) 为置信度为99%、自由度为n~1时的t值。n为重复分析的样品数。

样品体积为15g, 浓缩至1.0m L进样时, 本方法检出限为0.4mg/kg。

3.3 准确度

在实验室配制的7个空白土壤样品15g中加入石油烃类标准物质0.5μg, 做回收率试验, 结果表明石油烃类加标回收率在80.0%~97.7%。

3.4 实际样品测定

实验中分别选取土壤中石油烃类标准样品 (基体为土壤, 《土壤环境污染状况专项》课题样品) , 进行实际样品测定试验, 结果见表2。

分析结果表明, 本方法测定土壤实际样品准确度及精密度均达到要求。

3.5 质量保证和控制

(1) 所用的色谱分离条件要保证正构烷烃中组分与溶剂二氯甲烷基线分离, 最后一个C35峰应在较短时间 (30min) 内出峰。

(2) 在绘制标准曲线时, 每个正构烷烃响应因子的相对标准偏差 (%RSD) 应≤20%, 方可认定所制定的标准曲线合格, 可以使用每个正构烷烃响应因子的平均值进行计算。

用下列公式计算浓度校正标准中每个正构烷烃响应因子的相对标准偏差:

其中:SD为标准偏差;

Fi, mean为每个正构烷烃的响应因子的平均值。

(3) 第i个正构烷烃的平均响应因子Fi, mean与TPH校正标准响应因子Fa的相对偏差应在±20%之内, 用下列公式计算计算Fi, mea n与Fa的相对偏差:

如果有D%超出±20%时, 需对GC进行检查, 尤其检查样品进样歧视方面的问题, 如进样衬管受污染或存在活化点、色谱柱在进样口安装得不合适、进样技术有问题 (尤其是手动进样时) 、色谱柱受污染、进样口有裂缝等。另外, 正构烷烃混合标样未完全溶于溶剂也会造成D%超出±20%[4]。

综上所述, 气相色谱法测定土壤中沸点较高 (170℃~430℃) 、碳数在C10~C35的石油烃类, 前处理方法简便, 定量结果准确, 灵敏度高。国内尚未见类似方法的报道。

摘要：建立了利用超声波萃取和GC-FID技术, 对土壤中的石油烃类进行分析。通过对检出限、精密度、准确度的测定, 该方法操作简单、结果准确。

关键词：土壤,总石油烃,超声波萃取,气相色谱

参考文献

[1] 魏复盛, 徐晓白, 阎吉昌, 等.水和废水监测分析方法指南 (下册) [M].北京:中国环境科学出版社, 1997:416.

[2] GB/T16488～1996, 水质、石油类和动植物油的测定[S].

[3] EPA3550C Ultrasonic Extraction US.

[4] EPA8015C NONHALOGENATED ORGANICS USING GC/FID.