胡國紳, 王 紅, 余可垚, 沈偉健*, 侯 燕, 季美泉, 朱一鳴, 田 雯, 李錫東

(1.南京海關(guān)動植物與食品檢測中心,江蘇 南京 210019;2.江陰海關(guān)綜合技術(shù)服務(wù)中心,江蘇 江陰 214440)

船舶壓載水是指控制船舶橫傾、縱傾和吃水的一種水,能夠保證船舶在航行過程中的平衡與穩(wěn)定,對船舶的安全航行有著至關(guān)重要的作用[1,2]。船舶通常需要在港口水域或者海水水域,將壓載水壓入或排出船艙。當船舶壓入壓載水后,水中含有的浮游動植物、微生物、有機污染物以及無機污染物也隨之進入壓載艙中[2]。當船艙內(nèi)的壓載水被排出時,這些有害物質(zhì)也隨之排放至異地海域,若處理不當,將對排放海域的生態(tài)環(huán)境造成嚴重影響[3]。

統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示[4],每年約有30～50億立方米的船舶壓載水被排放至近?；騼?nèi)陸水域,對排放地的生態(tài)影響不容小覷。國際組織高度重視壓載水對生態(tài)環(huán)境的影響,2004年國際海事組織(IMO)通過了《國際船舶壓載水和沉積物控制與管理公約》[1],于2017年9月8日正式生效。我國在2018年10月22日正式加入《國際船舶壓載水和沉積物控制與管理公約》,該公約于2019年1月22日起對我國正式生效。各航運國也紛紛開展了對船舶壓載水處理和分析技術(shù)的研究。

電解法是一種處理壓載水的方法之一,是將海水引入電解裝置,電解產(chǎn)生高濃度的次氯酸鈉溶液,其能夠有效殺滅經(jīng)過濾后殘余的浮游生物、病原體及其幼蟲或孢子等。目前電解法技術(shù)已經(jīng)很成熟,在工業(yè)用水、生活用水以及廢水處理上被廣泛運用,但是電解可能產(chǎn)生副產(chǎn)物,例如三鹵甲烷[2]。

三鹵甲烷包括三氯甲烷(CHCl3)、二氯一溴甲烷(CHCl2Br)、一氯二溴甲烷(CHClBr2)和三溴甲烷(CHBr3)。壓載水被電解后產(chǎn)生的三鹵甲烷,其形成原理與飲用水消毒時三鹵甲烷的生成原理類似,都是由氯及其化合物與水中的天然有機物反應(yīng)而生成[5]。三鹵甲烷具有細胞毒性和生物毒性,對人體有一定的健康風險。有研究表明,三鹵甲烷會導(dǎo)致胎兒生長遲緩、自然流產(chǎn)和死亡等不良后果,同時飲用水中的三鹵甲烷濃度與膀胱癌死亡風險有著密切關(guān)系[6,7]。因此世界各國都對飲用水中三鹵甲烷的含量做了嚴格規(guī)定,我國頒布了GB 5749-2016《生活飲用水衛(wèi)生標準》,規(guī)定了飲用水中三氯甲烷、二氯一溴甲烷、一氯二溴甲烷和三溴甲烷的限量分別為60、100、60、100 μg/L[8]。我國CJ/T 206-2005《城市供水水質(zhì)標準》也規(guī)定了三鹵甲烷總量的限量(100 μg/L)[9]。美國環(huán)保署(USEPA)也規(guī)定了飲用水中的三鹵甲烷總和不得超過80 μg/L[9]。目前尚無船舶壓載水中三鹵甲烷的標準限量規(guī)定。

目前,水中三鹵甲烷的測定多采用氣相色譜法(配備電子俘獲檢測器(ECD))[10,11]和氣相色譜-質(zhì)譜法[12,13],前處理方法多是根據(jù)三鹵甲烷沸點較低的特點而采用頂空進樣技術(shù)[14,15]和吹掃捕集法[12,13]。頂空進樣技術(shù)操作簡單,穩(wěn)定性好,吹掃捕集較頂空技術(shù)相比,具有取樣量小和富集效果好的特點,但儀器設(shè)備成本遠高于頂空進樣技術(shù)[14,16]。氣相色譜儀(配備ECD)對具有電負性的化合物會產(chǎn)生信號,且化合物的電負性越強,響應(yīng)就越大,適用于含有鹵素元素的三鹵甲烷[17]。但氣相色譜儀的定性能力較差,對于壓載水這類復(fù)雜的基質(zhì)往往會因為基質(zhì)干擾的問題造成假陽性。而質(zhì)譜技術(shù)因其定性能力強的特點,已被廣泛運用。根據(jù)已有文獻[12,13],水中的三鹵甲烷在采用氣相色譜-質(zhì)譜法測定時,大多使用電子轟擊(EI)離子化技術(shù),但該技術(shù)容易受到復(fù)雜的基質(zhì)成分以及色譜柱流失的干擾造成定量不準確。從三鹵甲烷的分子結(jié)構(gòu)來看,這類化合物均含有氯原子及溴原子,因而可以采用負化學(xué)源(NCI)作為電離方式。因為NCI作為一種軟電離技術(shù)僅對具有電負性元素或基團的化合物有響應(yīng),且隨著電負性的增加,其響應(yīng)也顯著增強,但對基質(zhì)成分和柱流失幾乎沒有響應(yīng),具有較強的抗干擾能力[18],適用于壓載水中三鹵甲烷的測定。本研究采用頂空進樣與NCI-GC-MS在線聯(lián)用檢測技術(shù),建立了測定壓載水中4種三鹵甲烷的分析測定方法。

1 實驗部分

1.1 儀器、試劑與材料

6890N-5973C氣相色譜-質(zhì)譜儀(配有NCI),7697A頂空進樣器,頂空進樣瓶及帶聚四氟乙烯襯墊螺口瓶蓋,均購自美國Agilent Technologies公司。

4種三鹵甲烷混合標準溶液(100 μg/mL,壇墨質(zhì)檢科技股份有限公司),甲醇(色譜純,美國HoneyWell公司),氯化鈉(分析純,國藥集團化學(xué)試劑有限公司)于使用前400 ℃烘烤4 h。

船舶電解壓載水樣品來源于江陰海關(guān)綜合技術(shù)服務(wù)中心,取樣自國內(nèi)港口。樣品取樣完成后均在實驗前密封避光,4 ℃冷藏儲存。

1.2 標準溶液的配制

標準儲備液:準確吸取1 mL 100 μg/mL的4種三鹵甲烷混合標準溶液于10 mL棕色容量瓶中,用甲醇定容至刻度線,配制成質(zhì)量濃度為10 μg/mL的混合標準儲備液,4 ℃條件下避光保存,有效期為3個月。

標準中間溶液:準確移取上述4種三鹵甲烷標準儲備液1.0 mL于10 mL棕色容量瓶中,用甲醇定容至刻度線,配制成質(zhì)量濃度為1 μg/mL的混合標準溶液,4 ℃條件下避光保存,有效期為3個月。

系列標準工作液:分別準確吸取適量混合標準中間液,用蒸餾水稀釋配制成0.2、0.5、2、5、10、50 μg/L系列標準工作液,需現(xiàn)用現(xiàn)配。

1.3 樣品采集及前處理

采樣時,先加入0.3 g抗壞血酸于150 mL棕色采樣瓶中,取水樣至滿瓶,加蓋密封,4 ℃條件下避光保存,7 天內(nèi)完成測定。

準確量取10 mL樣品于頂空瓶中,并加入3 g氯化鈉固體后,迅速蓋上頂空瓶蓋,待分析。若分析結(jié)果超出線性范圍,則使用蒸餾水適當稀釋后,再按照上述步驟進行前處理后,待儀器分析。

1.4 分析條件

1.4.1氣相色譜

色譜柱:Agilent DB-5MS UI石英毛細管色譜柱(30 m×0.25 mm×1.0 μm);進樣口溫度:230 ℃;柱流速:1.0 mL/min;進樣方式:脈沖分流進樣,分流比25∶1;載氣:高純氦氣(純度≥99.999%);程序升溫條件:35 ℃保持3 min,30 ℃/min升至125 ℃保持1 min,40 ℃/min升至230 ℃保持5 min;傳輸線溫度:250 ℃。

1.4.2頂空進樣

平衡溫度:60 ℃;定量環(huán)溫度:70 ℃;傳輸線溫度:80 ℃;加熱時間:30 min;進樣量:800 μL。

1.4.3質(zhì)譜

離子源:負化學(xué)源;離子源溫度:150 ℃;四極桿溫度:150 ℃;反應(yīng)氣:甲烷(>99.9%),流量2 mL/min;離子化電壓由自動調(diào)諧后得到;采集方式:選擇離子監(jiān)測(SIM)模式,具體參數(shù)見表1。

表1 4種三鹵甲烷的保留時間、定量離子和定性離子Table 1 Retention times,quantitative ions,and qualitative ions of the four trihalomethanes (THMs)

2 結(jié)果與討論

2.1 儀器方法的選擇

目前未見采用GC-NCI-MS測定三鹵甲烷的相關(guān)文獻。根據(jù)三鹵甲烷的分子結(jié)構(gòu),采用負化學(xué)源測定時,其抗干擾能力和靈敏度會優(yōu)于氣相色譜-質(zhì)譜法(EI源)和氣相色譜法(配備ECD)[18]。本研究采用1.4.2節(jié)頂空進樣參數(shù)處理壓載水加標樣品,采用GC-NCI-MS技術(shù)進行分析,得到的總離子流色譜圖見圖1。4種三鹵甲烷不僅得到了較好的分離,而且在0.2 μg/L水平下依舊能夠得到較高的響應(yīng)。

圖1 船舶壓載水加標樣品(0.2 μg/L)中4種三鹵甲烷的總離子流色譜圖Fig.1 TIC chromatogram of the four THMs in ship ballast water spiked with mixed standard solution (0.2 μg/L)

2.2 前處理條件的優(yōu)化

2.2.1氯化鈉的加入量

在壓載水樣品中加入適量的氯化鈉,能夠減少水相中三鹵甲烷的溶解度,提高氣相中三鹵甲烷的濃度,從而提高分析的靈敏度。本研究分別在10 mL壓載水加標樣品中加入0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 g的氯化鈉,GC-NCI-MS分析后記錄每個樣品的峰面積,氯化鈉加入量和峰面積關(guān)系見圖2。可以發(fā)現(xiàn),當氯化鈉加入量由0.5 g不斷增加時,4種三鹵甲烷的峰面積起初均明顯增加,當氯化鈉的加入量為3.0 g時,樣品中的氯化鈉處于飽和狀態(tài),此時4種三鹵甲烷的峰面積趨于穩(wěn)定,繼續(xù)增加氯化鈉的加入量后,4種三鹵甲烷的峰面積不再明顯增加,故選取3.0 g的加入量最為合適。

圖2 4種三鹵甲烷峰面積與氯化鈉加入量的關(guān)系Fig.2 Relationship between peak areas of the four THMs and sodium chloride addition amount

2.2.2保存方式對三鹵甲烷的影響

所有船舶壓載水樣品均在采樣時加入了適量的抗壞血酸,并置于棕色玻璃瓶中,冷藏避光保存。本研究考察了船舶壓載水中三鹵甲烷含量與放置天數(shù)的關(guān)系,分別于第1、2、3、4、5、6、7天測定了船舶壓載水中三鹵甲烷含量,實驗結(jié)果見表2?？梢钥闯?在前4天三鹵甲烷的測定值較為穩(wěn)定,第5天后三鹵甲烷的測定值發(fā)生較明顯的變化,但變化不大,變化的差值與第一天數(shù)值相比小于10%。由此可以看出,船舶壓載水中三鹵甲烷在7天內(nèi)檢測是可以的,在前4天檢測測定值最為穩(wěn)定。

表2 4種三鹵甲烷含量與放置天數(shù)的關(guān)系Table 2 Relationship between contents of four THMs and storage period

2.3 方法學(xué)驗證

2.3.1標準曲線、檢出限和定量限

采用外標法定量,以定量離子的峰面積為縱坐標(y),工作溶液的質(zhì)量濃度為橫坐標(x),建立線性回歸方程,回歸方程與相關(guān)系數(shù)見表3,結(jié)果顯示,r為0.995 6～0.999 8,表明4種THMs在0.2～50 μg/L范圍內(nèi)線性關(guān)系良好。以信噪比(S/N)=3確定檢出限,S/N=10確定定量限,得到儀器的檢出限為0.02～0.06 μg/L,定量限為0.1～0.2 μg/L,見表3。GB/T 5750.8-2006《生活飲用水標準檢驗方法有機物指標》中三鹵甲烷的定量限為0.3～6.0 μg/L,由此看出本研究大大降低了三鹵甲烷的定量限,有著更好的靈敏度。

表3 4種三鹵甲烷的回歸方程、相關(guān)系數(shù)、檢出限和定量限Table 3 Regression equations,correlation coefficients (r),LODs,and LOQs of the four THMs

2.3.2加標回收率與精密度

選取船舶壓載水陰性樣品進行加標回收試驗。分別添加混合標準溶液,添加水平為0.2、0.5、2.0 μg/L,每個添加水平做6個平行樣品。按照1.3節(jié)前處理條件處理后,采用GC-NCI-MS技術(shù)測定。計算平均回收率與相對標準偏差(RSD)。結(jié)果顯示,船舶壓載水中4種THMs的平均回收率為90.3%～106.8%,RSD為1.4%～6.2%,見表4。

表4 船舶壓載水中4種三鹵甲烷在3個水平下的加標回收率和相對標準偏差(n=6)Table 4 Recoveries and RSDs of the four THMs in ship ballast water at three spiked levels (n=6)

2.4 實際樣品分析

本研究按照已建立的分析方法,對36個壓載水樣品(電解水)進行測定,結(jié)果顯示三溴甲烷的檢出率最高,為83.3%,測定值為34.25～221.5 μg/L,其次是二溴一氯甲烷,檢出率為69.4%,測定值為3.52～41.87 μg/L,一溴二氯甲烷與三氯甲烷的檢出率相對較低,分別為22.2%和19.4%,測定值為1.52～8.56 μg/L和0.02～5.46 μg/L。從結(jié)果來看,三溴甲烷的檢出率和檢出值大于二溴一氯甲烷、一溴二氯甲烷、三氯甲烷。目前尚未有針對海水電解后三鹵甲烷生成機理的深入研究。根據(jù)已有文獻可以發(fā)現(xiàn)[19-21],影響三鹵甲烷生成的因素包括三鹵甲烷前體的類型和濃度、氯的含量、溫度、pH、溴化物濃度、反應(yīng)時間以及光照條件等。同時,不同的研究者都根據(jù)自己的實驗結(jié)果,建立了三鹵甲烷生成機理的一元或多元的數(shù)學(xué)模型。這些數(shù)學(xué)模型反應(yīng)機理并不完全一致,但都能解釋一定的實驗現(xiàn)象。若要解釋電解后的海水中三鹵甲烷的生成機理,還需要進一步研究。

3 結(jié)論

本研究采用頂空進樣技術(shù)進行前處理,利用氣相色譜-負化學(xué)源質(zhì)譜技術(shù)測定船舶壓載水(電解水)中4種三鹵甲烷的含量,同時也能夠滿足飲用水中三鹵甲烷的測定要求。因負化學(xué)源僅對壓載水中含有電負性較強的氯原子或溴原子的三鹵甲烷有專屬響應(yīng),氣相色譜-負化學(xué)源質(zhì)譜法體現(xiàn)出了高選擇性和高靈敏度。

通過分析多個船舶壓載水樣品(電解水),發(fā)現(xiàn)了三鹵甲烷中溴原子越多的化合物,在船舶壓載水中檢出率和檢出值就越大。相較于三氯甲烷,三溴甲烷的毒性更高,對生物的危害性更大。我國在加入《國際船舶壓載水和沉積物控制與管理公約》后,盡早建立靈敏度高、穩(wěn)定性好、準確度高的分析方法,并制定出相應(yīng)的標準法規(guī),才能走在各航運國的前列,也能夠為國內(nèi)壓載水處理商提供技術(shù)支持。