利用TLC-FID對(duì)土壤中石油烴進(jìn)行分離測(cè)定

李 翔，曾令儀，王 乾，崔樹陽(yáng)，蔡凌霄，李 懌，白正偉

(中石化煉化工程(集團(tuán))股份有限公司洛陽(yáng)技術(shù)研發(fā)中心，河南 洛陽(yáng) 471000)

石油及其制品與人類的生產(chǎn)、生活密不可分，隨著石油的大量開采、加工、運(yùn)輸和使用，形成了各種各樣的石化污染場(chǎng)地[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每生產(chǎn)1 t的石油，就有約2 kg的石油進(jìn)入土壤和地下水環(huán)境當(dāng)中[2]。石油是一種由多種烴類及少量其他非烴類有機(jī)物組成的復(fù)雜混合物，其中石油烴含量超過(guò)90%[3-4]。我國(guó)生態(tài)環(huán)境部分析標(biāo)準(zhǔn)將石油烴分為C6～C9和C10～C40兩類，不再區(qū)分飽和烴和芳烴[5]，且現(xiàn)有的檢測(cè)方法均只能得出石油烴的總體含量，而無(wú)法進(jìn)一步得出各類石油烴的含量。事實(shí)上，對(duì)于相同碳原子數(shù)的石油烴，芳烴的毒性遠(yuǎn)大于飽和烴，且芳烴在環(huán)境中分解/分化的時(shí)間較長(zhǎng)[6]。此外，在進(jìn)行石化污染場(chǎng)地修復(fù)之前，往往需要明確污染物的類型及其污染程度，從而選擇合適的修復(fù)方法和工藝[2]。因此，按照傳統(tǒng)的石油烴檢測(cè)方法進(jìn)行分析，難以對(duì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和污染場(chǎng)地修復(fù)有實(shí)質(zhì)性的指導(dǎo)，甚至可能得出錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)論，造成資源和時(shí)間的浪費(fèi)[1]。

棒狀薄層色譜-氫火焰離子化檢測(cè)器(TLC-FID)是一種新型的固-液吸附色譜技術(shù)，廣泛應(yīng)用于生物、醫(yī)藥和石油化工等領(lǐng)域。TLC-FID具有簡(jiǎn)便、快速、污染少、費(fèi)用低、試劑用量少等優(yōu)點(diǎn)。目前，有關(guān)TLC-FID用于原油族組成分析的研究已有報(bào)道[7-9]，該方法依據(jù)原油中不同組分的極性將原油分成飽和烴、芳烴、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)4種組分，但鮮有該方法用于環(huán)境污染監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的報(bào)道。本研究使用TLC-FID對(duì)石化污染場(chǎng)地土壤樣品中的石油烴進(jìn)行分類檢測(cè)，并結(jié)合石油烴(C10～C40)總含量的測(cè)定結(jié)果，考察經(jīng)不同程度化學(xué)氧化處理后的土壤樣品中各類烴組分含量的變化，從而明確氧化劑的作用方式和作用效果，進(jìn)而指導(dǎo)氧化劑的篩選和污染土壤的治理過(guò)程。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料、試劑與儀器

餾分油：將拉比原油進(jìn)行實(shí)沸點(diǎn)蒸餾，根據(jù)切割點(diǎn)溫度不同得到14種不同餾程范圍的餾分油樣品，分別標(biāo)記為D01～D14。

母土：采集于某廢棄煉油廠不同位置的2份土壤樣本，土質(zhì)均為粉質(zhì)黏土，分別標(biāo)記為樣品Ⅰ和樣品Ⅱ。

試劑：甲苯(西隴科學(xué)股份有限公司產(chǎn)品，分析純)，正庚烷(天津市大茂化學(xué)試劑廠產(chǎn)品，分析純)，過(guò)硫酸鈉(天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司產(chǎn)品，分析純)，試驗(yàn)用水(實(shí)驗(yàn)室自制超純水)。

試驗(yàn)儀器：分析天平，MK-6S型棒狀薄層色譜儀(IATROSCAN公司生產(chǎn))，硅膠薄層色譜棒，展開槽，干燥箱，0.5 μL微量注射器，Speed Extractor E-916型加壓流體萃取裝置(BUCHI Labortechnik AG公司生產(chǎn))。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1樣品制備

(1)餾分油樣品的制備

稱取0.5 g餾分油樣品于1.5 mL棕色樣品瓶中，用1.0 mL甲苯充分溶解。

(2)土壤樣品中石油烴的提取

樣品前處理：除去母土中的異物，研磨，100目過(guò)篩，凍干備用。

化學(xué)氧化處理：準(zhǔn)備6個(gè)具塞錐形瓶，向每個(gè)錐形瓶中加入20.0 g水，再分別加入0，0.2，0.6，1.2，2.0，3.0 g過(guò)硫酸鈉，待過(guò)硫酸鈉溶解后向每個(gè)錐形瓶中加入10.0 g凍干土，于60 ℃下振搖3 d后取出凍干。

樣品萃?。悍Q取一定質(zhì)量(約4 g)的氧化處理后凍干樣品，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《土壤和沉積物有機(jī)物的提取加壓流體萃取法》(HJ 783—2016)[10]將土壤樣品中的石油烴用甲苯萃取濃縮至1 mL，保存于1.5 mL棕色樣品瓶中。

1.2.2模擬蒸餾測(cè)定

參照標(biāo)準(zhǔn)《Standard Test Method for Boiling Range Distribution of Petroleum Fractions by Gas Chromatography》(ASTM D2887—2016)[11]測(cè)定餾分油樣品和土壤樣品中石油烴的模擬蒸餾收率。

1.2.3TLC-FID測(cè)定

硅膠薄層色譜棒活化：調(diào)節(jié)空氣和氫氣流量分別為2.0 L/min和160.0 mL/min，點(diǎn)火后將裝有色譜棒的棒架放入TLC-FID儀中，設(shè)置掃描速率為200 mm/min，對(duì)色譜棒進(jìn)行活化，待基線平穩(wěn)后方可進(jìn)行點(diǎn)樣。

點(diǎn)樣：將棒架置于點(diǎn)樣板上，用0.5 μL微量注射器吸取制備好的樣品，于色譜棒原點(diǎn)處進(jìn)行點(diǎn)樣，點(diǎn)樣次數(shù)不超過(guò)5次，點(diǎn)樣寬度不超過(guò)2 mm，點(diǎn)樣完成后于室溫下自然晾干。

一次展開：將色譜棒置于裝有正庚烷的展開槽中，待溶劑前沿到達(dá)100 mm處時(shí)取出色譜棒，置于60 ℃干燥箱中烘干1 min；二次展開：將色譜棒置于裝有甲苯的展開槽中，待溶劑前沿到達(dá)50 mm處時(shí)取出色譜棒，并置于60 ℃干燥箱中烘干1 min。

FID檢測(cè)：使用與色譜棒活化時(shí)相同的條件進(jìn)行餾分油樣品或石油烴樣品的FID掃描，得到組分色譜圖，積分計(jì)算峰面積。假設(shè)各組分的峰面積與進(jìn)樣中各組分的質(zhì)量成正比，且各組分響應(yīng)因子相同，采用歸一化法分別計(jì)算樣品中飽和烴(SH)、芳烴(AH)和膠質(zhì)+瀝青質(zhì)(C+A)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)WSH，WAH，WC+A，計(jì)算式如下：

(1)

式中：Wi為餾分油樣品或石油烴樣品中組分i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；Ai為色譜圖中組分i的峰面積；ASH，AAH，AC+A分別為色譜圖中飽和烴、芳烴、膠質(zhì)+瀝青質(zhì)的峰面積；i為SH，AH，C+A中的一種。

1.2.4石油烴總含量測(cè)定

參照標(biāo)準(zhǔn)《土壤和沉積物石油烴(C10～C40)的測(cè)定氣相色譜法》(HJ 1021—2019)[12]測(cè)定經(jīng)不同程度化學(xué)氧化處理后的土壤樣品中石油烴(C10～C40)的總含量。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

所有樣品均平行測(cè)定5次，結(jié)果表示為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差”的形式。使用SPSS 23.0統(tǒng)計(jì)軟件中的Duncan模型對(duì)結(jié)果進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA)，以p<0.05為顯著性檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 模擬蒸餾質(zhì)量收率

為了確定所研究樣品的組分分布情況，分別對(duì)各個(gè)餾分油樣品和土壤樣品中的石油烴進(jìn)行模擬蒸餾測(cè)定，結(jié)果如表1和表2所示。

表1 餾分油樣品的模擬蒸餾結(jié)果

表2 土壤樣品中石油烴的模擬蒸餾結(jié)果

對(duì)于餾分油樣品，所列餾程為根據(jù)實(shí)沸點(diǎn)蒸餾切割點(diǎn)定義的溫度范圍。從表1可以看出：切割點(diǎn)溫度低于395 ℃的樣品在其餾出溫度范圍內(nèi)具有較高的模擬蒸餾收率，說(shuō)明此時(shí)實(shí)沸點(diǎn)蒸餾的分離效果較好；相比之下切割點(diǎn)溫度高于395 ℃的樣品的收率較低，但總體滿足試驗(yàn)要求。表2結(jié)果表明，Ⅰ、Ⅱ兩份土壤樣品中所含的石油烴組分均主要集中在餾程為300～545 ℃的餾分段。

2.2 TLC-FID方法適用范圍的確定

TLC-FID最大的缺陷在于樣品在點(diǎn)樣和展開過(guò)程中會(huì)發(fā)生不可避免的損失，這種損失包括兩種：一種是揮發(fā)損失，即易揮發(fā)物質(zhì)在經(jīng)歷點(diǎn)樣、溶劑蒸發(fā)、展開等一系列操作后，在進(jìn)入氫火焰離子化檢測(cè)器(FID)之前就已揮發(fā)，從而使響應(yīng)值降低；另一種是殘留損失，是指一些重組分在通過(guò)FID后仍未分解，殘留在薄層棒上，使響應(yīng)值降低[13]。當(dāng)儀器條件和操作條件一定時(shí)，揮發(fā)損失主要與樣品本身和所選溶劑、展開劑的沸點(diǎn)和極性有關(guān)。樣品與溶劑、展開劑的沸點(diǎn)越低，極性越相似，則在點(diǎn)樣和展開階段就更容易因共揮發(fā)而產(chǎn)生損失。而殘留損失的程度主要與樣品本身的性質(zhì)有關(guān)，沸點(diǎn)較高和極性較強(qiáng)的物質(zhì)更容易殘留在薄層棒上，這就使該方法的適用范圍受到一定限制。因此,本研究對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中樣品的損失進(jìn)行了評(píng)估，對(duì)方法的適用范圍進(jìn)行了界定。

2.2.1點(diǎn)樣和展開過(guò)程中樣品的損失

分別對(duì)3種濃度相同的餾分油樣品(餾程分別為200～220 ℃，325～350 ℃，520～540 ℃)依次進(jìn)行點(diǎn)樣、一次展開和二次展開，測(cè)定不同試驗(yàn)階段樣品中各組分的峰面積，結(jié)果如表3所示。其中，AT=ASH+AAH+AC+A，代表SH，AH，C+A的總面積。

表3 餾分油樣品在點(diǎn)樣、一次展開和二次展開后的各組分峰面積

由表3可以看出，在點(diǎn)樣量相同的情況下，餾分油沸點(diǎn)越高，樣品中各組分的峰面積越大。這說(shuō)明較低沸點(diǎn)的樣品在燃燒進(jìn)入FID之前就已經(jīng)大量損失。假設(shè)餾程520～540 ℃的樣品在點(diǎn)樣后完全回收，則餾程200～220 ℃的樣品僅在點(diǎn)樣后就損失了接近90%。通過(guò)比較同一樣品不同階段的總峰面積可以看出，展開過(guò)程中的損失主要發(fā)生在一次展開過(guò)程。這是因?yàn)橄鄬?duì)于二次展開，一次展開過(guò)程中樣品需要擴(kuò)散更遠(yuǎn)的距離，且耗時(shí)更長(zhǎng)[14]。二次展開損耗的樣品量很小，甚至餾程520～540 ℃樣品的總峰面積和飽和烴峰面積有升高趨勢(shì)。這一現(xiàn)象在其他相關(guān)研究中也有出現(xiàn)[14]，可能是因?yàn)槎握归_劑的存在延緩了重組分的流失。

2.2.2樣品沸點(diǎn)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

為了驗(yàn)證本方法對(duì)測(cè)定不同沸點(diǎn)樣品組成的適用性，分別對(duì)不同餾出溫度的餾分油依次進(jìn)行溶解、點(diǎn)樣、一次展開和二次展開，并計(jì)算各組分相應(yīng)的FID響應(yīng)峰面積，再根據(jù)歸一化法計(jì)算其WSH，WAH，WC+A。同時(shí)，為了評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性，測(cè)定每個(gè)樣品未進(jìn)行展開時(shí)的峰面積響應(yīng)值，通過(guò)計(jì)算展開前后總峰面積的回收率(R)，評(píng)估展開過(guò)程對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響，結(jié)果如表4所示。

表4 餾分油樣品的石油烴組成及展開回收率

從表4可以看出：由于沸點(diǎn)小于300 ℃的5個(gè)餾分段的樣品展開回收率R過(guò)低，因此測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確度不高，且相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)較大；而沸點(diǎn)大于300 ℃的餾分段的樣品測(cè)定結(jié)果重復(fù)性較好，R相對(duì)較高，說(shuō)明展開過(guò)程中樣品損失較少，結(jié)果可信度較高。因此，本方法僅適用于對(duì)沸點(diǎn)大于300 ℃的石油烴的分離測(cè)定。而對(duì)于沸點(diǎn)較低的石油烴的族組成測(cè)定需要引入損失校正因子[15]，由于不同污染場(chǎng)地的污染物組成區(qū)別很大，因此損失校正因子不具有通用性，本研究不再進(jìn)行討論。

2.3 化學(xué)氧化處理對(duì)土壤中石油烴組成的影響

通過(guò)向污染土壤中添加不同量的過(guò)硫酸鈉來(lái)模擬不同程度的化學(xué)氧化修復(fù)，通過(guò)測(cè)定修復(fù)后土壤中的石油烴組成可以判斷該類型化學(xué)氧化劑的作用方式和作用效果。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法HJ 1021—2019測(cè)定土壤樣品中石油烴的總含量，根據(jù)該石油烴總含量和通過(guò)TLC-FID測(cè)得的石油烴中各組分含量可間接計(jì)算土壤樣品中各組分的含量，從而驗(yàn)證化學(xué)氧化的實(shí)際效果。其中，過(guò)硫酸鈉加入量為加入過(guò)硫酸鈉的質(zhì)量與凍干污染土質(zhì)量的百分比，土壤樣品中各組分(飽和烴、芳烴和膠質(zhì)+瀝青質(zhì))的含量基于凍干污染土的質(zhì)量計(jì)算。

試驗(yàn)首先測(cè)定經(jīng)不同程度化學(xué)氧化修復(fù)后土壤樣品Ⅰ、Ⅱ中的石油烴的組成，其中樣品Ⅰ中石油烴的部分TLC-FID圖譜見(jiàn)圖1。

圖1 經(jīng)不同程度化學(xué)氧化修復(fù)后土壤樣品Ⅰ中石油烴的TLC-FID圖譜過(guò)硫化鈉加入量,%： —2.0； —12.0； —30.0

由圖1可以看出，石油烴樣品中的飽和烴、芳烴和膠質(zhì)+瀝青質(zhì)在展開后均得到了較好的分離，且經(jīng)不同程度化學(xué)氧化修復(fù)后土壤中石油烴各組分的響應(yīng)值表現(xiàn)出顯著的差異。經(jīng)不同程度化學(xué)氧化修復(fù)后土壤樣品中石油烴的組成見(jiàn)表5和表6。

表5 經(jīng)不同程度化學(xué)氧化修復(fù)后樣品Ⅰ中石油烴的組成

表6 經(jīng)不同程度化學(xué)氧化修復(fù)后樣品Ⅱ中石油烴的組成

由表5和表6可以看出：兩份土壤樣品中石油烴的組分均以芳烴為主，其次是飽和烴和膠質(zhì)+瀝青質(zhì)；經(jīng)化學(xué)氧化修復(fù)后，兩份土壤樣品中石油烴的芳烴含量均顯著下降，且過(guò)硫酸鈉加入量越大，其下降幅度越大；樣品Ⅰ石油烴中飽和烴含量也隨過(guò)硫酸鈉加入量的增大而逐漸下降；樣品Ⅱ石油烴中飽和烴含量在過(guò)硫酸鈉加入量較小時(shí)有所下降，而加入較多的過(guò)硫酸鈉反而使其飽和烴含量升高；兩份土壤樣品中石油烴的膠質(zhì)+瀝青質(zhì)的含量均隨過(guò)硫酸鈉加入量的增大而升高。此外，各樣品組分含量測(cè)定數(shù)據(jù)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均在10%以下，說(shuō)明該方法具有良好的準(zhǔn)確性。

上述步驟得到的是土壤中石油烴的各組分組成，需結(jié)合由標(biāo)準(zhǔn)方法HJ 1021—2019測(cè)定的石油烴總含量結(jié)果再分別計(jì)算各土壤樣品中飽和烴、芳烴和膠質(zhì)+瀝青質(zhì)的實(shí)際含量。以過(guò)硫酸鈉加入量為橫坐標(biāo)，以石油烴總質(zhì)量分?jǐn)?shù)及各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為縱坐標(biāo)作圖，結(jié)果如圖2～圖5所示。

圖2 土壤樣品Ⅰ經(jīng)不同程度化學(xué)氧化修復(fù)后石油烴總含量的變化

圖3 土壤樣品Ⅰ經(jīng)不同程度化學(xué)氧化修復(fù)后各組分含量的變化■—飽和烴； ●—芳烴； ▲—膠質(zhì)+瀝青質(zhì)。圖5同

圖4 土壤樣品Ⅱ經(jīng)不同程度化學(xué)氧化修復(fù)后石油烴總含量的變化

圖5 土壤樣品Ⅱ經(jīng)不同程度化學(xué)氧化修復(fù)后各組分含量的變化

從圖2～圖5可以看出：兩份土壤樣品中的石油烴總含量和芳烴含量均隨過(guò)硫酸鈉加入量的增大而顯著下降；樣品Ⅰ的飽和烴含量也隨著過(guò)硫酸鈉加入量的增大而逐漸下降，樣品Ⅱ的飽和烴含量則在過(guò)硫酸鈉加入量為12.0%時(shí)達(dá)到最低；隨著過(guò)硫酸鈉加入量的增大，樣品Ⅰ的膠質(zhì)+瀝青質(zhì)含量呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)，且在過(guò)硫酸鈉加入量為20.0%時(shí)達(dá)到峰值(其質(zhì)量分?jǐn)?shù)比不加氧化劑時(shí)升高52.4%)，而樣品Ⅱ的膠質(zhì)+瀝青質(zhì)含量整體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)；在最大過(guò)硫酸鈉加入量(30.0%)條件下，樣品Ⅰ的石油烴總質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降幅度為41.9%，其中飽和烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)于不加氧化劑的樣品下降了56.4%，芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降了44.6%，而膠質(zhì)+瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高了18.3%；同樣條件下，樣品Ⅱ的石油烴總質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)于不加氧化劑的樣品下降了40.7%，其中飽和烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降了28.9%，芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降了49.8%，膠質(zhì)+瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降了14.4%，飽和烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)在過(guò)硫酸鈉加入量為12.0%時(shí)下降幅度最大，為44.0%。

由上可見(jiàn)，過(guò)硫酸鈉主要作用于土壤中的飽和烴和芳烴，而對(duì)膠質(zhì)+瀝青質(zhì)沒(méi)有明顯的脫除效果，甚至?xí)鼓z質(zhì)+瀝青質(zhì)的含量升高，可能的原因是在反應(yīng)過(guò)程中有新的強(qiáng)極性物質(zhì)生成[16]。此外，過(guò)硫酸鈉對(duì)土壤中石油烴的脫除效果會(huì)隨著過(guò)硫酸鈉加入量的增大而逐漸變差，當(dāng)氧化近乎完全時(shí)，繼續(xù)添加過(guò)硫酸鈉只會(huì)造成資源的浪費(fèi)。

3 結(jié)論與展望

(1)根據(jù)飽和烴、芳香烴、膠質(zhì)+瀝青質(zhì)之間的極性差異，實(shí)現(xiàn)了利用TLC-FID對(duì)石化污染場(chǎng)地土壤中石油烴的分離測(cè)定，從而得到更為重要的污染物組成信息，對(duì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和污染場(chǎng)地修復(fù)具有一定指導(dǎo)意義。該方法具有簡(jiǎn)便、快速、污染少、費(fèi)用低、試劑用量少等優(yōu)點(diǎn)。此外，該方法采用歸一化法進(jìn)行定量，無(wú)需建立標(biāo)準(zhǔn)曲線，在樣品制備過(guò)程中也無(wú)需對(duì)樣品質(zhì)量進(jìn)行準(zhǔn)確稱量，且采用峰面積計(jì)算減少了由質(zhì)量校正系數(shù)產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。該方法同樣適用于地下水和沉積物等樣品基質(zhì)中石油烴組分的分類測(cè)定，但不適用于不可萃取和易揮發(fā)(沸點(diǎn)小于300 ℃)組分的測(cè)定，且該方法是建立在各組分質(zhì)量與峰面積成正比且各組分響應(yīng)因子相同的基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算的。

(2)基于石化污染場(chǎng)地的污染物組成的復(fù)雜性和差異性，想要通過(guò)試驗(yàn)建立校正因子往往不切實(shí)際。此外，由于石油烴標(biāo)準(zhǔn)樣品難以獲取，單純使用TLC-FID只能確定樣品中各組分石油烴的分布情況，當(dāng)稱樣量和分析條件一定的情況下，也可根據(jù)TLC-FID圖譜峰面積進(jìn)行定性判斷，通常情況下這些樣品信息已滿足工程需求。若要對(duì)樣品中各組分進(jìn)行準(zhǔn)確定量，則需結(jié)合其他分析定量手段予以輔助計(jì)算。