TiO2對烏龍茶中三唑磷光催化降解作用

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,廣東廣州 510642)

烏龍茶是我國主要茶種類之一,也是一類深受大眾喜愛的茶,由于其市場需求大,烏龍茶也成為了部分地區(qū)發(fā)展經(jīng)濟的重要支柱產(chǎn)業(yè),使得烏龍茶的農(nóng)藥殘留問題引起了人們的廣泛關(guān)注[1-2]。三唑磷(Triazophos),學(xué)名O,O-二乙基-O-1-苯基-1,2,4-三唑-3-基硫代磷酸酯,是我國使用較多的一種有機磷農(nóng)藥,也是烏龍茶中常被檢出的農(nóng)藥之一,由于其水溶性高,在茶湯中更是檢出量排名第一的農(nóng)藥[3]。近年來常有關(guān)于三唑磷超標(biāo)的食品安全問題,因此如何安全有效的去除食品中殘留的三唑磷是急需解決的重要問題[4-5]。

食品中三唑磷的最大殘留量一般在0.05～0.2 mg/kg(GB 2763-2016),目前液態(tài)食品體系中農(nóng)藥殘留的去除方法主要分為物理法、化學(xué)法和生物法[6-7]這三種。物理法包括超聲波法[8]、吸附法和輻照法[9],化學(xué)法主要有水解法、氧化分解法[10]、光催化降解法[11],生物法主要是指微生物法[12],雖然這些方法對農(nóng)殘的去除有一定效果,但都存在各自的局限性,如選擇性差、降解率低、應(yīng)用范圍受到限制等[13-14]。

近年來,納米二氧化鈦(TiO2)作為一種食品添加劑,已被廣泛添加于糖果、果凍等食品中[15-16]。此外,作為一種新興的半導(dǎo)體光催化材料,納米TiO2具有無毒、性能穩(wěn)定、抗化學(xué)和光腐蝕、光催化活性高、對水污染物中有機物降解無選擇性、礦化徹底、無二次污染等優(yōu)點[17-19],在光催化降解污染物等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景[20-21]。在紫外光的照射下TiO2可產(chǎn)生具有強氧化性的物質(zhì),能將有機污染物完全氧化降解為CO2、H2O及其他無毒的無機小分子,這為烏龍茶中三唑磷等農(nóng)藥殘留的去除提供一種無污染安全可靠的降解方法奠定了基礎(chǔ)。然而,關(guān)于TiO2光催化降解三唑磷的研究還未見報道。

本文通過將納米TiO2負載到石英管上,制備成負載型TiO2光催化劑,并對所制備的光催化材料進行表征。在自制的光催化反應(yīng)器中,對烏龍茶中三唑磷進行降解,研究了三唑磷光催化降解的影響因素,以確立光催化降解茶飲料中三唑磷殘留的最佳方案,并探討了TiO2光催化降解三唑磷的途徑。為TiO2光催化降解烏龍茶飲料中三唑磷的工業(yè)應(yīng)用提供了理論和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

烏龍茶 廣州市天河區(qū)龍口東華潤萬家超市;三唑磷標(biāo)準(zhǔn)品(99.3%) 上海哈靈農(nóng)藥有限公司;納米TiO2(P25) 德國Degussa公司;聚乙烯吡咯烷酮(PVPK30) 阿拉丁試劑(上海)有限公司;氯化鈉、無水硫酸鈉、氫氟酸 廣州化學(xué)試劑廠;乙腈 天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司;正己烷 上海市國藥集團化學(xué)試劑有限公司;甲苯 天津市宏達化學(xué)試劑有限公司;所用化學(xué)試劑均為分析純。

254nm紫外燈 涿州市旭普瑞電光源制造有限公司;HB10S096型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 德國IKA集團;GC-7900型氣相色譜儀 上海天美科學(xué)儀器有限公司;GC-MS7890B-5977A型氣質(zhì)聯(lián)用儀 安捷倫科技有限公司;Merlin型場發(fā)射掃描電鏡 德國Zeiss公司;Axis Ultra DLD型X-射線光電子能譜儀 英國Kratos公司;D/Max-III A型X-射線衍射儀 日本理學(xué)電機;UV-6100S型分光光度計 上海美譜達儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 烏龍茶模擬體系的制備 將農(nóng)藥殘留檢測為空白的烏龍茶經(jīng)中藥粉碎機粉碎,過40目篩,放于干燥避光處存儲。稱取1 g茶葉放入100 mL蒸餾沸水中沖泡3 min,制成茶水比為1 g/100 mL的樣品,經(jīng)真空抽濾、冷卻后向上述待測樣品中加入0.2 mL濃度為250 mg/L三唑磷儲備液,使樣品中三唑磷殘留濃度均為0.5 mg/L。

1.2.2 納米TiO2的負載 石英管的預(yù)處理:首先將表面清洗干凈的石英管浸泡于1 mol/L的NaOH溶液中1 h,蒸餾水沖洗后再次浸泡于20%濃度的氫氟酸(HF)溶液中7 h,蒸餾水沖洗,最后在丙酮溶液中浸泡1 h,以除去石英管表面雜質(zhì)。

納米混懸液的配制:在250 mL錐形瓶中加入100 mL蒸餾水,加入一定量TiO2粉末和PVPK30,650 W超聲20 min得到TiO2納米混懸液。

將預(yù)處理好的石英管放入TiO2納米混懸液中浸泡1 h后勻速拉出,置于120 ℃電熱鼓風(fēng)干燥箱中干燥2 h,取出后置于馬弗爐中分別于300、400、500、600、700 ℃下煅燒2 h,即得到負載型TiO2。

1.2.3 三唑磷光催化降解實驗

1.2.3.1 光催化反應(yīng)裝置 本試驗所用自制光催化反應(yīng)裝置如圖1所示。由圖1可見,該反應(yīng)裝置由一個內(nèi)徑45 mm,高280 mm的桶狀不銹鋼容器、兩個蠕動泵、一根石英玻璃管和一根波長為254 nm的紫外燈管構(gòu)成。其中,桶狀不銹鋼容器的底部有一個高15 mm的卡槽,用于固定石英玻璃管。紫外燈放入管石英玻璃管內(nèi),以照射石英管的外表面TiO2光催化劑。兩個蠕動泵以800 mL/min的流速流動,以保證待測茶液與納米TiO2光催化劑充分接觸反應(yīng)。在反應(yīng)過程中,冷凝水一直循環(huán)與外部,以降低反應(yīng)過程中散發(fā)的熱量對待測茶液品質(zhì)的破壞。

圖1 光催化反應(yīng)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of photocatalytic reaction device

將1.2.2中負載納米TiO2的石英玻璃管放入反應(yīng)器,取250 mL待測樣品以蠕動泵吸入自制的光催化反應(yīng)器中,調(diào)節(jié)蠕動泵轉(zhuǎn)速為800 mL/min,打開紫外燈(光照強度26 mol/m2s),每隔一段時間進行取樣,用以檢測三唑磷農(nóng)藥含量的變化。在負載型TiO2光催化降解烏龍茶三唑磷殘留的試驗中,樣品進行3次平行測定并取其平均值。

1.2.3.2 不同煅燒溫度制備的負載型TiO2對三唑磷降解的影響 TiO2濃度0.15%(m/m,TiO2/蒸餾水)、TiO2∶PVPK30=3∶1 (m/m)為參數(shù),時間2 h,以300、400、500、600、700 ℃為變量,探究煅燒溫度對納米TiO2光催化降解烏龍茶飲料中三唑磷殘留的影響。

1.2.3.3 不同TiO2濃度制備的負載型TiO2對三唑磷降解的影響 煅燒溫度500 ℃、TiO2∶PVPK30=3∶1為參數(shù),以TiO2濃度(m/m)0.1%、0.15%、0.3%、0.6%、1%為變量,探究煅燒溫度對納米TiO2光催化降解烏龍茶飲料中三唑磷殘留的影響。

1.2.3.4 TiO2與PVPK30的含量比對三唑磷降解的影響 煅燒溫度500 ℃、TiO2濃度為0.15%(m/m,TiO2/蒸餾水)為參數(shù),以TiO2∶PVPK30的比值為變量,探究比值為1∶1、2∶1、3∶1時納米TiO2光催化降解烏龍茶飲料中三唑磷殘留的效果。對于TiO2∶PVPK30為3∶1的樣品,在反應(yīng)3、6、9、15、18、19、20 min時取樣;TiO2∶PVPK30為2∶1的樣品,在反應(yīng)3、6、9、12、15、16、17 min時取樣;TiO2∶PVPK30為1∶1的樣品,在反應(yīng)2、3、5、6、8、9、10 min時取樣分析。

1.3 分析方法

1.3.1 三唑磷檢測

1.3.1.1 樣品前處理 取1.2.4中待測樣品5 mL于50 mL離心管中,加入5 mL乙腈及過量NaCl,攪拌后取上層乙腈溶液,待凈化;在TPT固相萃取小柱中先后加入兩勺無水NaSO4和待凈化乙腈溶液,過柱后加入10 mL乙腈-甲苯(3∶1,V/V)混合液淋洗,收集全部淋洗液;用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀將淋洗液濃縮至1 mL,再用5 mL正己烷進行溶劑交換后蒸發(fā)濃縮至1 mL,過0.22 μL濾膜,待測。

1.3.1.2 色譜條件 GC條件色譜柱:TM-Pesticides 1 Column農(nóng)藥專用色譜柱(30 m×0.53 mm×1.00 μm);程序升溫:100 ℃保持2 min,15 ℃/min升至180 ℃,保持2 min,10 ℃/min升至220 ℃,保持2 min,5 ℃/min升至240 ℃,保持1 min;空氣流速150 mL/min,氫氣22 mL/min,氮氣27 mL/min;進樣量1 μL。

MS條件色譜柱:HP-5MS 30 m×0.25 mm;載氣高純He,流速1.0 mL/min,不分流進樣,離子源EI(70 eV),溫度230 ℃,采集質(zhì)量范圍35～450 amu。

1.3.1.3 繪制工作曲線 濃度為0.2、0.5、1、2、5 mg/L的三唑磷標(biāo)準(zhǔn)液,依次用GC進樣分析,繪制峰面積-濃度工作曲線。由標(biāo)準(zhǔn)曲線可得三唑磷在儀器中的響應(yīng)值與濃度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系(y=102.04x-0.7416,R2=0.9994)。

1.3.1.4 回收率和精密度 試驗所得加標(biāo)回收率為99.38%～100.60%,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為5.94%～6.66%,檢出限為0.01 mg/L。說明該方法適用于本試驗中三唑磷的測定。

1.3.2 光催化降解三唑磷指標(biāo)的測定 三唑磷的降解率根據(jù)公式:降解率(%)=(C0-C)/C0×100計算,其中C0和C分別表示三唑磷的初始濃度和t時刻的濃度。

在考察大量試驗數(shù)據(jù)及Langmuir-Hinshelwood(L-H)模型[22-23]基礎(chǔ)上,用表觀一級速率方程對實驗數(shù)據(jù)進行擬合,呈現(xiàn)較好相關(guān)性,因此本文以表觀一級速率常數(shù)K作為負載型TiO2光催化降解三唑磷效率評價的指標(biāo)。表觀一級速率方程為:ln(C/C0)=Kt,其中t為反應(yīng)時間,min;C為t時刻三唑磷質(zhì)量濃度,(mg/L);當(dāng)t=0時,C=C0;K為表觀一級速率常數(shù)(min-1)。

1.4 光催化材料的表征

通過場發(fā)射掃描電鏡(Field emission scanning electron microscopy,FESEM)對500 ℃下制備所得TiO2表面形貌進行檢測。

使用X射線衍射(X-ray diffraction,XRD)對不同溫度下制備所得的TiO2晶型結(jié)構(gòu)進行表征。XRD測試條件:Cu靶;入射波長:0.15418;掃描范圍2θ取10～80°,掃描步長0.02°,掃描速度19.2 s/步。

使用X射線光電子能譜(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)對300 ℃和500 ℃下制備所得的TiO2離子價態(tài)進行表征。XPS測試條件:真空度為5×10-9torr;單色化的A1Kα源(Mono A1Kα),能量1486.6 ev,5 mA×15 kV;以表面污染C1S(284.8 ev)為標(biāo)準(zhǔn)進行能量校正。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Origin 8.0(美國Origin Lab公司)、Excel 2013(美國Microsoft公司)、XPS PEAK4.1(RaymundW.M.Kwok,臺灣)、JADE6.0(Material Date,美國)對數(shù)據(jù)進行處理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 各因素對負載型TiO2光催化降解三唑磷的影響

2.1.1 煅燒溫度對三唑磷降解的影響 不同溫度下制備的負載納米TiO2的石英玻璃管光降解三唑磷的影響如圖2所示。由圖2可知,煅燒溫度為500 ℃時,納米TiO2光催化降解烏龍茶飲料中三唑磷殘留的效果最好,表觀一級速率常數(shù)為0.1964 min-1,反應(yīng)19 min,降解率可到98%,各曲線擬合良好(R2>0.98)。煅燒起到兩個作用,一是可以使負載的納米TiO2能更穩(wěn)固地貼合在石英玻璃管上;二是有助于改變納米TiO2的晶相。研究發(fā)現(xiàn),溫度升高,納米TiO2晶型會從銳鈦礦晶相向金紅石相轉(zhuǎn)變,當(dāng)兩者形成一定的比例時,納米TiO2會有較高的催化活性,即“混晶效應(yīng)”[24-25]。因此在500 ℃時,納米TiO2形成了最適合光催化反應(yīng)的晶相,從而使其光催化效率最高。

圖2 煅燒溫度對三唑磷降解的影響Fig.2 Effect of calcination temperatureon degradation of triazophos

煅燒溫度(℃)動力學(xué)方程表觀速率常數(shù)(min-1)決定系數(shù)R2300y=-0.1511t0.15110.990400y=-0.1702t0.17020.995500y=-0.1964t0.19640.994600y=-0.1794t0.17940.995700y=-0.1349t0.13490.985

注:y代表ln(C/C0),t為反應(yīng)時間。下同。

2.1.2 TiO2濃度對三唑磷降解的影響 不同濃度TiO2光催化降解三唑磷的效果如圖3,當(dāng)TiO2濃度為0.15%時三唑磷降解效果最好,TiO2濃度為0.1%時光催化效率也較高,而當(dāng)TiO2濃度超過0.15%時,TiO2濃度越高,光催化降解三唑磷效果反而越差。這可能是由于TiO2濃度太高,負載于石英管上形成的膜太厚,使紫外光不能完全良好地照射,甚至阻擋了一部分的紫外光的投射,導(dǎo)致光催化劑不能充分得到利用,光催化活性降低。

圖3 TiO2濃度對三唑磷降解的影響Fig.3 Effect of TiO2 concentration on degradation of triazophos

TiO2濃度動力學(xué)方程表觀速率常數(shù)(min-1)決定系數(shù)R20.1%y=-0.1952t0.19520.9960.15%y=-0.1964t0.19640.9940.3%y=-0.1256t0.12560.9900.6%y=-0.1202t0.12020.9961%y=-0.1062t0.10620.996

2.1.3 TiO2與PVPK30的含量比對三唑磷降解的影響 圖4為不同TiO2與PVPK30比值下TiO2光催化降解三唑磷效果圖。由圖4可知,PVPK30的比例越高,三唑磷降解效果越好。TiO2∶PVPK30為1∶1時光催化降解的表觀速率常數(shù)K值相比TiO2∶PVPK30為3∶1時提高了106.67%,反應(yīng)10 min三唑磷降解率可達98%以上。PVPK30作為一種高分子有機化合物,在合適的比例下,它能使TiO2在蒸餾水中形成均勻的懸浮液,并能使TiO2懸濁液更牢固地負載在石英玻璃管上,且在TiO2受紫外光照射下發(fā)生光催化反應(yīng)時增強其感光性,從多重方面增加TiO2光催化降解烏龍茶飲料中三唑磷殘留的性能[26-27]。

圖4 TiO2與PVPK30的含量比對三唑磷降解的影響Fig.4 Effect of the ratio of TiO2to PVPK30 on degradation of triazophos

TiO2∶PVPK30動力學(xué)方程表觀速率常數(shù)(min-1)決定系數(shù)R21∶1y=-0.4059t0.40590.9922∶1y=-0.2349t0.23490.9953∶1y=-0.1964t0.19640.994

2.2 三唑磷殘留的氣質(zhì)分析

圖5中a為250 mg/L三唑磷標(biāo)品的總離子流圖,18.40 min是三唑磷保留時間,b為在最佳試驗條件下(煅燒溫度500 ℃、TiO2濃度0.15%、TiO2與PVPK30比例1∶1)降解10 min后的烏龍茶總離子流圖。

圖5 三唑磷及其在烏龍茶飲料中的降解產(chǎn)物總離子流圖Fig.5 The total ion chromatogram of triazophosand its degradation products in oolong tea beverages

表4 烏龍茶中三唑磷降解產(chǎn)物的GC/MS分析結(jié)果Table 4 GC/MS analysis results of triazophos degradation products in oolong tea

對光催化降解后的烏龍茶產(chǎn)物進行GC-MS分析,檢出36種物質(zhì),其中包括酰胺類化合物、苯胺類化合物、苯-亞聯(lián)氨基及乙酯類化合物。由此可知納米TiO2光催化降解三唑磷的可能途徑為P-O酯鍵的斷裂[28]。

2.3 光催化材料的表征

圖6為500 ℃煅燒所制備負載型TiO2的掃描電鏡圖,由掃描電鏡得出TiO2的粒徑約是30～40 nm,相比XRD測量值偏大,這可能是因為TiO2在石英玻璃管上形成了部分輕微的團聚。

圖7為不同煅燒溫度下TiO2的XRD譜圖,對該圖進行分析可知,煅燒后的TiO2在2θ=25.269°、27.405°、53.905°、54.298°等處出現(xiàn)顯著的二氧化鈦衍射峰,2θ=25.269°、53.905°處為銳鈦礦晶型的衍射峰,而2θ=27.405°、54.298°處為金紅石晶型的衍射峰,且在任意兩個衍射角處,兩種晶型分峰明顯。根據(jù)Scherrer公式結(jié)合儀器相關(guān)參數(shù)與XRD分析結(jié)果分別計算出納米TiO2銳鈦礦晶相和金紅石晶相晶粒尺寸及物相質(zhì)量分?jǐn)?shù),結(jié)果見表5。表5所得納米TiO2晶粒尺寸都大于其原粒徑(21 nm),說明煅燒有助于納米TiO2晶粒的長大,且隨著煅燒溫度的增加,納米TiO2的粒徑總體呈增大趨勢。此外,隨著煅燒溫度的提高,TiO2中銳鈦礦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越小,在300～500 ℃之間,減少的幅度較小,在500～700 ℃時,銳鈦礦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)急劇減少,說明納米TiO2的晶相從銳鈦礦轉(zhuǎn)變成了金紅石礦,且溫度越高轉(zhuǎn)變越明顯。

表5 不同溫度下TiO2銳鈦礦相變化Table 5 Changes of TiO2 anatase phase with different temperatures

表6 氧和鈦元素光電子能譜分析Table 6 Photoelectron spectroscopic analysis of O and Ti

圖6 納米TiO2掃描電鏡圖Fig.6 SEM of nanometer titanium dioxide

圖8 二氧化鈦中氧(a 300 ℃,b 500 ℃)1S軌道和鈦(c 300 ℃,d 500 ℃)2P軌道X射線光電子能譜Fig.8 X-ray photoelectron spectroscopy of O1S orbital(a 300 ℃,b 500 ℃)and 2P orbital of Ti(c 300 ℃,d 500 ℃)in TiO2

圖7 不同溫度下TiO2的XRD譜圖Fig.7 XRD spectrum of TiO2 with different temperatures

圖8為300 ℃和500 ℃制備條件下TiO2的O元素和Ti元素的XPS分析圖譜,表6為O元素和Ti元素光電子能譜分析。由圖8可知,兩種元素的不同電子軌道價態(tài)的峰擬合效果均較好。由O元素的光電子能譜分析可知,相對于300 ℃,500 ℃時羥基氧的含量有所提高,而羥基氧具有極高的氧化活性,是光催化反應(yīng)中的重要氧化物質(zhì)[29-30],由此說明煅燒溫度為500 ℃時納米TiO2光催化活性較高。從Ti元素的光電子能譜分析可知,高溫煅燒使得Ti3+比例顯著上升,500 ℃時Ti3+與Ti4+含量比達到34.25∶1,相對300 ℃條件下提高了6.9倍。Ti3+2p3/2的含量從0.28提高到了1.89,Ti3+2p1/2的含量從0.14提高到了0.95,Ti3+具有不穩(wěn)定的狀態(tài),有利于納米二氧化鈦晶格內(nèi)部產(chǎn)生空穴,是納米二氧化鈦表面自由電子或空穴的捕獲中心。在TiO2的晶格中形成一定量低價態(tài)的Ti3+有利于形成晶格缺陷,尤其是氧空位的生成[31]。氧空位和低價態(tài)Ti3+分別作為電子受體和電子供體形成捕獲中心,一定程度上抑制了光生電子和空穴的快速復(fù)合,提升光催化氧化的活性[32]。

3 結(jié)論

以不同煅燒溫度、TiO2濃度和TiO2與PVPK30的含量比制備負載型TiO2光催化劑,并在自制的光催化反應(yīng)器中進行烏龍茶中三唑磷的紫外光催化降解試驗。結(jié)果表明最佳制備參數(shù)為煅燒溫度500 ℃、TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%、TiO2與PVPK30的含量比1∶1,在此條件下反應(yīng)10 min,三唑磷的降解率可達到98%。光催化降解三唑磷符合一級動力學(xué)方程,R2>0.98,擬合效果好。通過氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)對三唑磷降解產(chǎn)物進行分析可知光催化降解反應(yīng)打斷了三唑磷P-O酯鍵。

XRD和XPS分析表明:煅燒可影響納米二氧化鈦的粒徑和晶型,溫度越高,銳鈦礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)越小;500 ℃煅燒制備的負載型TiO2羥基氧和Ti3+的含量均較高。