王琦，寇麗紅，王冠宇，王吉坤，劉敏，李蘭廷，王昊

（1 煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013；2 煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；3 國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術裝備重點實驗室，北京 100013）

焦化廢水經生化處理后，化學需氧量（COD）、色度和氨氮等水質指標大幅下降，但是仍不能達到排放標準[1-2]，其生物出水的COD 依然在180～500mg/L 之間[3]。因此，隨著環(huán)保標準的日益嚴格[4]，焦化廢水若要滿足排放標準，其生物出水需進行深度處理[5-9]?？扇芙庑杂袡C物是焦化廢水的重要組成部分，很難被生化降解。由于可溶解性有機物的分子組成極為復雜，其分子組成仍處于未知狀態(tài)，需要一種能更好地了解其分子組成的分離以及分析方法，為后續(xù)深度處理工藝的優(yōu)化和改進提供理論依據(jù)。

紫外-可見光譜（UV-vis）、傅里葉變換紅外光譜（FTIR）、核磁共振（NMR）等分析手段僅能提供平均分子結構等宏觀信息，難以從單體化合物的角度分析表征。胡記杰等[10]、張萬輝等[11]、Chu等[12]利用GC/MS解析焦化廢水有機物的組成，賴鵬等[13]、李登勇等[14]、任源等[15]、吳海珍等[16]、金鵬[17]、張偉等[18]利用GC/MS 分析焦化廢水生物出水的有機物組分，但是由于GC/MS 儀器本身的限制，不適用于高極性和高沸點化合物的分析。傅里葉變換離子回旋共振質譜（FT-ICR MS）具有高質量準確度和超高分辨率，配合電噴霧電離源（ESI）可以準確識別樣品中的極性化合物，在分子層次上識別可溶解性有機物組成[19-22]。

為從分子層次揭示焦化廢水生物出水中可溶解性有機化合物的組成，本文首先使用液液萃取將生物出水分為有機相和萃余相，然后對有機相進行四組分分離，根據(jù)四組分極性的不同，對極性較弱的飽和分和芳香分采用GC/MS 分析，對極性較強的膠質和瀝青質采用ESI FT-ICR MS分析；萃余相極性強，用固相萃取法（SPE）得到SPE 洗脫物，并對洗脫物進行ESI FT-ICR MS分析。

1 實驗部分

1.1 水樣的采集保存及試劑耗材

水樣取自河北遷安宏奧工貿焦化廠的焦化廢水生物出水，生化工藝為A/O/O，COD在182～201mg/L 之間波動。一經取樣，水樣立即經過0.45μm 玻璃纖維濾膜過濾，并在4℃下黑暗處保存?zhèn)溆谩?/p>

試劑包含甲苯（分析純，上海國藥集團）、正己烷（分析純，上海阿拉?。⒁掖迹ǚ治黾?，北京化工廠）、二氯甲烷（分析純，北京化工廠）、甲醇（分析純，北京化工廠）、純水（LC-MS級，國藥集團）、濃鹽酸（ACS 級，Merk，德國），標樣SRFA（購自IHSS，USA）；耗材包含Waters C18固相萃取柱（500mg，6mL，美國）、Agilent Bond Elut固相萃取小柱（100mg、3mL）。

1.2 組分分離

水樣分離及分析路線和水樣分離步驟見圖1。

圖1 焦化廢水生物出水的分離步驟及分析路線

（1）采用液液萃取，二氯甲烷作為萃取劑，將水樣分離成有機相和萃取相。

（2）對于有機相，采用四組分分離，將油溶性有機物分成極性較弱的飽和分、芳香分和極性較強的膠質、瀝青質。

（3）對于萃余相，采用固相萃取，富集水溶性有機物。

1.3 測定方法

（1）液液萃取 取800mL 水樣分4次于500mL分液漏斗中進行液液萃取。萃取劑為二氯甲烷，重復萃取3 次，單次加入量依次為40mL、20mL、20mL。震蕩時間為10min，靜置20min。合并全部萃取液，旋蒸濃縮至2mL 左右后氮吹揮發(fā)溶劑，于4℃下黑暗保存。

（2）四組分分離 據(jù)《SY/T 5119—2016 巖石中可溶有機物及原油族組分分析標準》進行。向試樣中加入適量正己烷靜置沉淀12h后，過濾瀝青質溶液。將濾液濃縮至2mL 左右，用作柱層析分離。在層析柱底部填塞少量脫脂棉，加入3g于200℃電熱干燥箱中活化4h 的硅膠和2g 于400℃活化4h 的中性氧化鋁，用正己烷潤濕固定相。當潤濕層析柱的正己烷液面接近固定相頂端界面時，將試樣濃縮液轉入層析柱，用30mL 正己烷淋洗，分出飽和分。當最后一次加入的正己烷液面接近固定相頂部界面時，用20mL 二氯甲烷與正己烷混合溶劑（體積比2∶1）淋洗出芳香分。當?shù)谝淮渭尤氲幕旌先軇┝鬟M固定相約3mL 時，用少量正己烷沖洗層析柱出口后，取下承接飽和分的稱量瓶，換上承接芳香分的稱量瓶。當最后一次加入的混合溶劑液面接近固定相頂部界面時，依次用7mL 無水乙醇和10mL 二氯甲烷淋洗膠質。當無水乙醇流進固定相約3mL 時，用少量混合溶劑沖洗層析柱出口后，取下承接芳香分的稱量瓶，換上承接膠質的稱量瓶。將上述分離好的各族組分溶液揮發(fā)溶劑至恒重，稱量，求得試樣中各族組分的質量分數(shù)。

（3）固相萃取 依次使用10mL 甲醇和10mL酸化超純水（pH=2，鹽酸酸化）對PPL 小柱進行淋洗活化，同時除去柱子中可能存在的雜質。取20mL 萃余相用鹽酸酸化至pH=2，以5mL/min 的速度通過PPL小柱，此時樣品中的有機質將在柱子上吸附。水樣完全通過后，使用10mL 酸化超純水對PPL小柱進行淋洗以除去鹽分。使用氮吹的方式將PPL小柱中的水分完全除去。用5mL甲醇對吸附于PPL小柱上的有機質進行洗脫，收集。氮吹揮發(fā)溶劑，于4℃下黑暗保存，直至分析。

（4）GC/MS 分析 使用儀器為Bruker SCION TQ氣相色譜質譜聯(lián)用儀。色譜柱為HP-5MS彈性石英毛細柱（30m×0.25mm×0.25μm）；柱溫：初溫80℃保持1min，以10℃/min 升溫至300℃，再以300℃保持30min；氦氣作為載氣，流速為1mL/min。EI離子源溫度保持為250℃，電壓為70eV，采集質量范圍為35～500amu，每秒鐘掃描2次。

（5）FT-ICR MS 分析 采用配備有Apollo II 電噴霧離子源的Apex-ultra 9.4 T FT-ICR 質譜（Bruker，德國）在負離子模式下進行分析。樣品用甲醇稀釋至100mg/L 左右，注射泵以250μL/h 注入電噴霧源。

ESI負離子模式下的條件為：發(fā)射電壓4000V，毛細管引入電壓4500V，毛細管末端電壓-320V。ESI正離子模式下的條件為：發(fā)射電壓-3000V，毛細管引入電壓-3500V，毛細管端電壓320V。兩種模式下離子在源六級桿中的存儲時間為0.001s，碰撞池累積時間為0.02s，從碰撞池引入回旋檢測池的飛行時間為0.0011s，采集質量范圍為150～1000Da，采樣點數(shù)為4M，時域信號疊加次數(shù)為128次。質譜數(shù)據(jù)分析處理使用了內部軟件進行分子式分配，F(xiàn)T-ICR MS 分析前采用標樣SRFA 的含氧同系列化合物校準。選取FT-ICR MS 的譜圖中信噪比（S/N）大于4 的質量峰輸出到excel 數(shù)據(jù)表中，利用實驗室自主開發(fā)的軟件進行處理。

2 結果與討論

2.1 焦化廢水生物出水的組分分布

焦化廢水生物出水在液液萃取過程中出現(xiàn)乳化的情況。液液萃取過程使用800mL 水樣，分離出35.2mg“油”，將分離出來的“油”作為有機相進行分析，其含量為44.0mg/L。萃余相經SPE富集水溶性有機物，其含量為15.2mg/L。

水樣有機相四組分和萃余相的收率見表1，水樣元素分析結果見表2。由表中數(shù)據(jù)可知，水樣的有機相分離的組分中，含量最多的是瀝青質，其次是膠質、芳香分，分離出的飽和分含量最低。有機元素結果中，水樣碳元素含量較高，氫含量偏低，使得整體有較低的H/C原子比，說明樣品中有機組分以多環(huán)化合物為主。

表1 有機相四組分和萃余相的萃取結果

表2 有機萃取物元素分析結果

2.2 飽和分和芳香分的GC/MS分析

有機相中飽和分的GC/MS 結果如圖2和表3所示。從有機萃取相飽和分總離子流圖中可以看出，生物出水的碳數(shù)在C12～C30均有分布。從有機萃取相飽和分種類和相對含量（表3）可以看出，飽和分中共檢測到120種化合物，正構烷烴類和鏈烷烴類化合物相對含量接近80%，說明經生物處理后仍存在的可溶解有機物主要為一些分子質量較大的正構烷烴和鏈烷烴。

表3 有機萃取相飽和分種類和相對質量分數(shù)

圖2 有機萃取飽和分總離子流圖

有機相中芳香分的GC/MS 結果如圖3和表4所示。從樣品有機萃取相芳香分總離子流圖中可以看出，芳香分中檢測到34 種化合物，主要檢測到較高含量的醇類、酯類和酚類化合物，其中酚類主要是苯酚的烷基取代物。

表4 有機萃取相芳香分種類和相對質量分數(shù)

圖3 有機萃取相芳香分總離子流圖

生物出水中含有大量的飽和烴以及芳香酚類物質。飽和分和芳香分的GC/MS 譜圖中可以檢測出苯酚、甲基苯酚、飽和烴類物質以及萘、菲、芘、屈類物質，飽和烴的譜圖中可以鑒定出的有機質的種類主要為碳數(shù)為C12～C30的正構烷烴，芳香分中可檢測到的物質主要是萘、菲、芘類化合物。酚類物質的存在對污水處理過程中的生化過程有較大的影響，這可能是造成后續(xù)污水處理過程中水質波動的原因之一。

2.3 膠質、瀝青質和萃余相的ESI FT-ICR MS分析

結合ESI 源的高分辨質譜適于表征復雜體系中強極性化合物，焦化廢水生物出水萃余相的極性強，有機相的膠質和瀝青質也是強極性組分，因此適合用高分辨質譜進行分子層次表征，如圖4。

圖4 膠質、瀝青質和SPE洗脫物-ESI FT-ICR MS質譜圖

圖4 為有機相中膠質、瀝青質和SPE 洗脫物的-ESI FT-ICR MS質譜圖。負離子ESI主要檢測非堿性有機物。由圖可知，膠質的分子量分布在150～450，瀝青質在150～600 之間，瀝青質較膠質的分子量更大。SPE洗脫物由于是萃余相中的有機質，以小分子的極性化合物為主，因此其質量主要分布在350以前。

由圖5可知，正離子下檢測到的化合物主要有Nx、N1Ox、N2Ox、Ox和OxS1共計5 類雜原子化合物，膠質和瀝青質是生物出水DCM 萃取物柱分離的產物，DCM 萃取相的油溶性更強，因此其膠質和瀝青質中有機質類型更加豐富。而與膠質相比，瀝青質中有機物組成更加復雜，極性也更大，因此除了Ox類化合物外，NxOy類多雜原子的化合物豐度更加顯著，且強極性的OxS1類化合物豐度也顯著提高。SPE 洗脫物是DCM 萃余相中的有機質，其水溶性好，極性更強，因此以OxS1類為主。

圖5 膠質、瀝青質和SPE洗脫物-ESI FT-ICR MS化合物類型豐度圖

圖6為膠質組分中O1、O2和O3S1類化合物的碳數(shù)-DBE 點狀圖。因為橫坐標為碳數(shù)，縱坐標為DBE，所以圖中每個點都代表一個化合物分子式，而其點的大小則表示不同分子的相對豐度。通過DBE 值和對煤化工廢水分子組成的認識，可以確定這些主要化合物分子的結構。

圖6 膠質中主要化合物碳數(shù)-DBE點狀圖

膠質中O1類為長烷基側鏈取代的苯酚類化合物，以C14豐度最顯著，O2類化合物類型豐富。DBE=1 系列為長鏈脂肪酸，碳數(shù)分布為C10～C20；DBE=2 系列為烷基側鏈取代的單環(huán)烷基羧酸，碳數(shù)集中分布于C15～C20；DBE=5系列為烷基側鏈取代的單芳基羧酸，碳數(shù)集中在C15和C16；O3S1類化合物以DBE=4 系列為主，為烷基取代的苯磺酸（鹽），碳數(shù)分布集中在C15～C20。

瀝青質有機質組成比膠質有機質更加豐富，圖7 為 瀝 青 質 中O1、O2、O3S1、O4S1和N1O2的 碳數(shù)-DBE點狀圖。與膠質相同，瀝青質O1類以DBE=4的長鏈烷基苯酚系列為主，O3S1以DBE=4 的烷基取代苯磺酸（鹽）為主，它們的碳數(shù)分布范圍也一致。對于O2類化合物，瀝青質中則主要以DBE=1的長鏈脂肪酸為主，DBE=2和5的羧酸豐度則沒有膠質中高。此外，瀝青質中還存在豐富的OxS1和NxOy類化合物，圖中展示了豐度較高的O4S1和N1O2類化合物。O4S1類以DBE=1和4的系列為主，分別為鏈烷基硫酸酯和烷基苯硫酸酯。N1O2類化合物的DBE 分布范圍較寬，以DBE=7、10、13 和16 系列的豐度較為顯著，它們分別對應于具有吲哚、咔唑、苯并咔唑和萘并咔唑的系列羧酸化合物（每多一個相鄰的苯環(huán)，DBE值增加3）。

圖7 瀝青質中主要化合物碳數(shù)-DBE點狀圖

ESI 電離源具有負離子和正離子兩種模式，可以從不同角度表征復雜體系中的極性有機化合物，與負離子ESI 不同，正離子ESI 主要檢測堿性有機物。圖8展示了有機相膠質、瀝青質和SPE洗脫物的+ESI FT-ICR MS 質譜圖。由圖可知，膠質的分子量分布在200～700，質量重心在300 附近。瀝青質質量分布在200～600 之間，分布中心在250 附近。SPE 洗脫物質譜圖中出現(xiàn)了m/z=360 的雜質信號干擾，這是+ESI 分析過程中常見的雜質，由于m/z=360 的存在，目標有機質的信號被壓制。要進一步分析不同組分的化合物分布特征，還需要對分析數(shù)據(jù)進一步處理。

圖8 膠質、瀝青質和SPE洗脫物+ESI FT-ICR MS質譜圖

正離子ESI FT-ICR MS鑒定出的膠質、瀝青質和SPE洗脫物中化合物相對豐度圖如圖9所示。正離子下檢測到的化合物主要有Nx、N1Ox、N2Ox、Ox和OxS1共計5 類雜原子化合物，這5 類化合物除了Nx類外，其他化合物均有對應加Na+的分子出現(xiàn)，加Na+分子的出現(xiàn)也是正離子ESI 檢測中常見的現(xiàn)象。與負離子ESI類似，膠質和瀝青質中的化合物類型分布相似，且瀝青質中的化合物更加豐富，SPE洗脫物種的化合物類型分布與膠質和瀝青質差別較大。具體來說，膠質中OxS1類化合物最為豐富，其中O2S1類豐度最為顯著，Ox類豐度分布僅次于OxS1類化合物，另外還存在一定豐度的N1類化合物；瀝青質中依然以OxS1類化合物豐度分布最為顯著，單O1S1類豐度超過O2S2類豐度而成為豐度最高的化合物類型。此外，Nx和NxOy類化合物豐度也比較顯著，且以N1類化合物豐度最高；對于SPE 洗脫物，其OxS1和Ox類化合物的分布與膠質和瀝青質相似，此外還含有豐度顯著的N1Ox類化合物，其中N1O1類豐度最高。

圖9 膠質、瀝青質和SPE洗脫物+ESI FT-ICR MS化合物類型豐度圖

3 結論

基于生物出水各組分宏觀分布和分子組成分析結果可得到以下結論。

（1）飽和分中共檢測到120種化合物，難降解有機物主要為一些分子質量較大的正構烷烴和鏈烷烴；芳香分中檢測到34 種化合物，主要檢測到較高含量的醇類、酯類和酚類化合物，其中酚類主要是苯酚的烷基取代物。

（2）膠質、瀝青質和SPE 洗脫物分別檢測到Nx、N1Ox、N2Ox、Ox和OxS15 類堿性有機物和非堿性有機物，膠質和瀝青質中的化合物類型分布相似，且瀝青質中的化合物更加豐富，SPE洗脫物的化合物類型分布與膠質和瀝青質差別較大。根據(jù)碳數(shù)分布和DBE 值，分別得到了主要化合物分子的結構，為后續(xù)深度處理工藝的優(yōu)化和改進提供了理論依據(jù)。