CN103760279B

CN103760279B - 一种使用不同极性固相萃取小柱解析亚硝胺前体物的方法

Info

Publication number: CN103760279B
Application number: CN201410010059.9A
Authority: CN
Inventors: 陈超; 张晓健; 廖晓斌; 汪隽; 李士翔
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2014-01-09
Filing date: 2014-01-09
Publication date: 2015-09-30
Anticipated expiration: 2034-01-09
Also published as: CN103760279A

Abstract

一种使用不同极性固相萃取小柱解析亚硝胺前体物的方法，属于给水排水领域，其特征在于：在解析水中亚硝胺前体物的基本极性特性时，首先用色谱纯甲醇和纯水清洗固相萃取小柱。水样先用0.45um的滤膜过滤，然后匀速经过固相萃取小柱，控制过流速度为1.0-2.0ml/min，分别测试进水和出水中的亚硝胺生成潜能等指标。选择非极性的十八烷烃固相萃取小柱（简称C18）时，可得到极性和非极性的亚硝胺前体物浓度分布信息。选择阳离子交换树脂固相萃取小柱（简称SCX）时，可得到带负电和不带电的亚硝胺前体物浓度分布信息。

Description

一种使用不同极性固相萃取小柱解析亚硝胺前体物的方法

技术领域

本发明涉及一种根据不同极性和带电性来解析亚硝胺前体物的方法，属于给水排水处理领域。

背景技术

亚硝胺是一类强致癌物。目前，已经研究确认了二甲基亚硝胺（NDMA）、二乙基亚硝胺（NDEA）、二丙基亚硝胺（NDPA）等9种亚硝胺可以在给水排水消毒处理过程中产生。在水处理中，亚硝胺物质主要来自于水中含有二烷基胺结构的的前体物，例如二甲胺是二甲基亚硝胺的直接前体物，另外部分药品、净水药剂、污水厂出水、生活污水也能贡献很高的亚硝胺前体物。水处理中常用的氯胺消毒剂可以与亚硝胺前体物反应生成较高浓度的亚硝胺，游离氯、臭氧等消毒剂或氧化剂也能与前体物反应生成亚硝胺。

为了保护居民健康，发达国家已经纷纷开始制定亚硝胺的水质标准。其中2004年，加拿大的安大略省率先提出了饮用水中二甲基亚硝胺的浓度不得超过9ng/L；美国的加利福尼亚州、马萨诸塞州提出的二甲基亚硝胺的推荐浓度是10ng/L。2010年加拿大设定了亚硝胺的饮用水国家标准，其中二甲基亚硝胺的浓度限值是40ng/L；澳大利亚也规定了二甲基亚硝胺的浓度不得超过100ng/L；WHO也设定了二甲基亚硝胺的推荐标准是100ng/L。美国也计划在2013年设定亚硝胺的相关标准。我国也在开展亚硝胺类消毒副产物的调研和研究工作。

NDMA等亚硝胺物质性质十分稳定，一旦在消毒过程形成，难以被化学氧化、生物处理去除；同时由于其分子量小，极性强，即使采用昂贵的反渗透工艺，其截留率也很仅有25-49%；紫外光降解亚硝胺要求的剂量往往高达上千mJ/cm²，并不实用。所以，更为可行的亚硝胺类副产物控制策略是在消毒之前去除其前体物，以减少其生成的可能性。

目前与亚硝胺检测相关的专利申请包括：

（1）一种测定水中痕量含氮消毒副产物二甲基亚硝胺的方法（申请号：201110412710.1）本发明属于环境保护和水处理技术领域，公开了一种测定水中痕量含氮消毒副产物二甲基亚硝胺的方法，该方法包括以下步骤：1)水样酸化预处理；2)固相萃取材料的酸化、干燥与装填；3)控制固相萃取过程、洗脱及净化洗脱液；4)样品的自然挥发与定容控制；5)应用液相色谱质谱技术分析二甲基亚硝胺，取得测定结果。本发明方法与国际上现有的测试方法相比，该方法具有快速、简便，有毒有害有机溶剂使用量很少，分析准确等特点。

（2）一种饮用水中亚硝胺类化合物的串联固相萃取方法（申请号：201210008862.X）本发明公开了一种饮用水中亚硝胺类化合物的串联固相萃取方法。它的步骤如下：1）串联固相萃取柱的制作：将200mg/6ml的OasisHLB小柱和2g/6ml的Coconutcharcoal活性炭SPE小柱，利用连接头上下顺次组装成串联固相萃取柱并安装于固相萃取装置上；2）亚硝胺类化合物的固相萃取包括用甲醇、二氯甲烷活化，水样过柱，氮气流干燥，二氯甲烷洗脱，氮吹浓缩等五个过程。本发明方法对饮用水中9种亚硝胺类化合物均有较高的回收率高且稳定性好、操作简便，解决了现有固相萃取方法只能萃取一种或几种极性相近亚硝胺化合物的问题，可为准确测定饮用水中多种亚硝胺类消毒副产物的浓度水平提供技术支持。

这些专利申请都是针对亚硝胺的检测技术，与本申请的亚硝胺前体物的解析技术在研究对象、技术手段上都不相同。

由于亚硝胺前体物来源十分复杂，既包括天然有机物，也包括污水厂出水有机物、工业和生活污水、部分药品和个人护理品、部分化工原料、水处理工艺使用的季铵盐絮凝剂和离子交换树脂等；同时，亚硝胺前体物的浓度水平一般为几十至几千ng/L，分析测试需要使用十分昂贵的气相色谱-串联质谱或者液相色谱-串联色谱，目前只有少数科研单位可以开展。

因此，广大水处理企业和研究机构需要建立一种方便有效的亚硝胺前体物的解析技术，来获得这些前体物的极性、带电性等基本物化信息，并为开发针对性的处理技术提供依据。

发明内容

本发明的目的在于提供一种使用不同极性固相萃取小柱解析亚硝胺前体物的方法，以实现对水中来源复杂、浓度水平很低的亚硝胺前体物进行分析，获得对水处理工艺有指导意义的基本理化特性。

本发明的特征之一在于：在解析水中亚硝胺前体物的基本极性特性时，依次采用以下步骤：

步骤（1），对选定的非极性十八烷烃固相萃取小柱（简称C18小柱）进行预处理：

先用色谱纯甲醇来清洗，再用电阻达到18兆欧姆的高纯水清洗所述C18小柱，一直到小柱出水中溶解性有机碳（简称DOC）浓度小于0.2mg/L为止。

步骤（2），用孔径为0.45um的滤膜过滤，去除颗粒物的干扰。

步骤（3），用固相萃取预处理和液相色谱-串联质谱仪联用来检测步骤（2）得到的待处理水中的亚硝胺生成潜能，即为待处理水中的亚硝胺前体物浓度。同时，用总有机碳分析仪来检测步骤（2）得到的待处理水中的溶解性有机碳（简称DOC）浓度；用总氮分析仪来检测步骤（2）得到的待处理水中的溶解性有机氮（简称DOC）浓度；用紫外-可见光分光光度计来检测步骤（2）得到的待处理水中的254nm吸光度（简称UV₂₅₄）。

步骤（4），用全玻璃注射器抽取一定量水样，放置在注射泵上，调节注射泵，让水样匀速经过固相萃取小柱，控制过流速度为1.0-3.0ml/min；或者采用手动、半自动或者全自动固相萃取仪，连接水样和固相萃取小柱，调节固相萃取仪的处理速度，控制过流速度为1.0-3.0ml/min；或者采用蠕动泵，连接水样和固相萃取小柱，调节固相萃取仪的处理速度，控制过流速度为1.0-3.0ml/min，用经过500℃无碳化处理的小瓶来接取固相萃取小柱的出水。用经过500℃无碳化处理的小瓶来接取固相萃取小柱的出水。

步骤（5），用固相萃取预处理和液相色谱-串联质谱仪联用来检测步骤（4）得到的C18小柱出水中的亚硝胺生成潜能，即为原水样中的非极性亚硝胺前体物浓度。同时，用总有机碳分析仪来检测步骤（4）得到的C18小柱出水中的溶解性有机碳（简称DOC）浓度，即为原水样中的非极性有机物的溶解性有机碳浓度；用总氮分析仪来检测步骤（2）得到的C18小柱出水中的溶解性有机氮（简称TDN）浓度，即为原水样中非极性有机物的溶解性有机氮浓度；用紫外-可见光分光光度计来检测步骤（2）得到的C18小柱出水中的254nm吸光度（简称UV₂₅₄），即为原水样中非极性有机物的254nm吸光度。

步骤（6），用步骤（3）获得的原水样的亚硝胺生成潜能、溶解性有机碳、溶解性有机氮、254nm吸光度分别减去步骤（5）获得的C18小柱出水的亚硝胺生成潜能、溶解性有机碳、溶解性有机氮、254nm吸光度，即为原水中的极性亚硝胺前体物浓度、极性有机物的溶解性有机碳浓度、极性有机物的溶解性有机氮、极性有机物的254nm吸光度。

本发明的特征之二在于：在解析水中亚硝胺前体物的基本带电荷特性时，依次采用以下步骤：

步骤（1），对选定的强阳离子交换树脂固相萃取小柱（简称SCX小柱）进行预处理：

先用色谱纯甲醇来清洗，再用电阻达到18兆欧姆的高纯水清洗所述SCX小柱，一直到小柱出水中溶解性有机碳（简称DOC）浓度小于0.2mg/L为止。

步骤（2），用孔径为0.45um的滤膜过滤，去除颗粒物的干扰。

步骤（5），用固相萃取预处理和液相色谱-串联质谱仪联用来检测步骤（4）得到的SCX小柱出水中的亚硝胺生成潜能，即为原水样中的带正电亚硝胺前体物浓度。同时，用总有机碳分析仪来检测步骤（4）得到的SCX小柱出水中的溶解性有机碳（简称DOC）浓度，即为原水样中的带正电有机物的溶解性有机碳浓度；用总氮分析仪来检测步骤（2）得到的SCX小柱出水中的溶解性有机氮（简称TDN）浓度，即为原水样中带正电有机物的溶解性有机氮浓度；用紫外-可见光分光光度计来检测步骤（2）得到的SCX小柱出水中的254nm吸光度（简称UV₂₅₄），即为原水样中带正电有机物的254nm吸光度。

步骤（6），用步骤（3）获得的原水样的亚硝胺生成潜能、溶解性有机碳、溶解性有机氮、254nm吸光度分别减去步骤（5）获得的SCX小柱出水的亚硝胺生成潜能、溶解性有机碳、溶解性有机氮、254nm吸光度，即为原水中的带负电和不带电的亚硝胺前体物浓度、带负电和不带电的溶解性有机碳浓度、带负电和不带电有机物的溶解性有机氮、带负电和不带电有机物的254nm吸光度。

本发明提出的一种根据不同极性来解析亚硝胺前体物的方法，具有以下优点：

（1）已有实践和试验结果表明，水中的亚硝胺前体物大部分带正电，整体上呈现非极性；不同水样中亚硝胺前体物的电性、极性存在差异。

（2）设备和操作简单，分析成本不高，可指导大规模的自来水厂、污水深度处理厂根据前体物的电性、极性来调整工艺参数和投加药剂，提高处理效果。

本发明的运行效果：

使用该方法对某地表水源水中的有机物和亚硝胺前体物分布情况进行了解析，结果如图1至图4所示。

由图1可见，该水源水中绝大部分溶解性有机物是不带正电的，其中不带正电成分占DOC的95%以上，占UV₂₅₄的近80%，占总溶解性氮（英文简称TDN）的近90%。但是大部分的亚硝胺前体物是带正电的，其中带正电组分占二甲基亚硝胺生成潜能（英文简称NDMAFP）的60%左右；带正电组分占二乙基亚硝胺生成潜能（英文简称NDEAFP）的55%左右。

由图2可见，如果计算单位质量有机物对亚硝胺前体物贡献时，可以发现带正电的组分中亚硝胺前体物的密度达到约2250ng/mg DOC；是原水中平均水平约50ng/mg DOC的45倍以上，是非正电组分的100倍以上。

由图3可见，该水源水中大部分有机物是极性的，其实极性有机物占DOC的70%左右，占UV₂₅₄的80%以上，占TDN的75%左右。但是，大部分的亚硝胺前体物是非极性的，其中非极性组分占二甲基亚硝胺生成潜能（英文简称NDMAFP）的60%左右；非极性组分占二乙基亚硝胺生成潜能（英文简称NDEAFP）的70%左右。

由图4可见，如果计算单位质量有机物对亚硝胺前体物贡献时，可以发现非极性的组分中亚硝胺前体物的密度达到约80ng/mg DOC；是原水中平均水平约40ng/mg DOC的约2倍，是极性组分的3倍以上。

综上所述，使用本方法可以了解水中有机物的带电性和极性分布，从而可以指导调整水处理工艺，来提高对这些有机物的去除效果。

附图说明

图1使用SCX固相萃取小柱获得的水中带正电和不带正电亚硝胺前体物的分布信息

图2使用SCX固相萃取小柱获得的水中不同带电性组分对亚硝胺前体物的单位质量贡献信息

图3使用C18固相萃取小柱获得的水中极性和非极性亚硝胺前体物的分布信息

图4使用C18固相萃取小柱获得的水中不同极性组分对亚硝胺前体物的单位质量贡献信息

具体实施方式

实施方式一

一种根据不同极性来解析亚硝胺前体物的方法，所需要的主要设备包括一台可以精确调节注射速度的医用多头注射泵，能够同时处理多个样品；用于水质分析的总有机碳分析仪（TOC仪）、总氮分析仪、紫外-可见光分光光度计；用于水中亚硝胺分析的液相色谱-串联质谱分析仪。

将待研究的水样先用0.45um的滤膜过滤，去除颗粒物。将水样抽入20ml或50ml的全玻璃注射器中，排掉水中的气泡，然后连接C18或者SCX固相萃取小柱，放在医用注射泵上。调节注射泵速率，控制经过固相萃取小柱的水过流速度为1.5-3.0ml/min。用经过500℃无碳化处理的小瓶来接取固相萃取小柱的出水。

分别测试进水和出水中的亚硝胺生成潜能、溶解性有机碳（简称DOC）、254nm吸光度（简称UV₂₅₄）、总溶解性有机氮（简称TDN）等指标，进出水中的差值即为所截留组分的浓度。

实施方式二

一种根据不同极性来解析亚硝胺前体物的方法，所需要的主要设备包括一台可以精确调节过流速度的固相萃取仪（手动、半自动或者全自动），能够同时处理多个样品；用于水质分析的总有机碳分析仪（TOC仪）、总氮分析仪、紫外-可见光分光光度计；用于水中亚硝胺分析的液相色谱-串联质谱分析仪。

将待研究的水样先用0.45um的滤膜过滤，去除颗粒物。将水样接到固相萃取仪上，然后连接C18或者SCX固相萃取小柱，调节固相萃取仪的过流速率，控制经过固相萃取小柱的水过流速度为1.5-3.0ml/min。用经过500℃无碳化处理的小瓶来接取固相萃取小柱的出水。

实施方式三

一种根据不同极性来解析亚硝胺前体物的方法，所需要的主要设备包括一台可以精确调节过流速度的蠕动泵，能够同时处理多个样品；用于水质分析的总有机碳分析仪（TOC仪）、总氮分析仪、紫外-可见光分光光度计；用于水中亚硝胺分析的液相色谱-串联质谱分析仪。

将待研究的水样先用0.45um的滤膜过滤，去除颗粒物。将水样接到蠕动泵上，然后连接C18或者SCX固相萃取小柱，调节固相萃取仪的过流速率，控制经过固相萃取小柱的水过流速度为1.5-3.0ml/min。用经过500℃无碳化处理的小瓶来接取固相萃取小柱的出水。

Claims

1.一种使用不同极性固相萃取小柱解析亚硝胺前体物的方法，其特征在于：在解析水中亚硝胺前体物的基本极性特性时，依次采用以下步骤：

步骤(1)，对选定的非极性十八烷烃固相萃取小柱(简称C18小柱)进行预处理：

先用色谱纯甲醇来清洗，再用电阻达到18兆欧姆的高纯水清洗所述C18小柱，一直到C18小柱出水中溶解性有机碳(简称DOC)浓度小于0.2mg/L为止；

步骤(2)，用孔径为0.45μm的滤膜过滤，去除颗粒物的干扰；

步骤(3)，用固相萃取预处理和液相色谱-串联质谱仪联用来检测步骤(2)得到的待处理水中的亚硝胺生成潜能，即为待处理水中的亚硝胺前体物浓度；同时，用总有机碳分析仪来检测步骤(2)得到的待处理水中的溶解性有机碳(简称DOC)浓度，用总氮分析仪来检测步骤(2)得到的待处理水中的溶解性有机氮(简称DON)浓度，用紫外-可见光分光光度计来检测步骤(2)得到的待处理水中的254nm吸光度(简称UV₂₅₄)；

步骤(4)，用全玻璃注射器抽取一定量待处理水，放置在注射泵上，调节注射泵，让待处理水匀速经过C18小柱，控制过流速度为1.0-3.0ml/min；或者采用手动、半自动或者全自动固相萃取仪，连接待处理水和C18小柱，调节固相萃取仪的处理速度，控制过流速度为1.0-3.0ml/min；或者采用蠕动泵，连接待处理水和C18小柱，调节固相萃取仪的处理速度，控制过流速度为1.0-3.0ml/min，用经过500℃无碳化处理的小瓶来接取C18小柱的出水；

步骤(5)，用固相萃取预处理和液相色谱-串联质谱仪联用来检测步骤(4)得到的C18小柱出水中的亚硝胺生成潜能，即为待处理水中的非极性亚硝胺前体物浓度；同时，用总有机碳分析仪来检测步骤(4)得到的C18小柱出水中的溶解性有机碳(简称DOC)浓度，即为待处理水中的非极性有机物的溶解性有机碳浓度，用总氮分析仪来检测步骤(2)得到的C18小柱出水中的溶解性有机氮(简称DON)浓度，即为待处理水中非极性有机物的溶解性有机氮浓度，用紫外-可见光分光光度计来检测步骤(2)得到的C18小柱出水中的254nm吸光度(简称UV₂₅₄)，即为待处理水中非极性有机物的254nm吸光度；

步骤(6)，用步骤(3)获得的待处理水的亚硝胺生成潜能、溶解性有机碳、溶解性有机氮、254nm吸光度分别减去步骤(5)获得的C18小柱出水的亚硝胺生成潜能、溶解性有机碳、溶解性有机氮、254nm吸光度，即为待处理水中的极性亚硝胺前体物浓度、极性有机物的溶解性有机碳浓度、极性有机物的溶解性有机氮浓度、极性有机物的254nm吸光度。

2.一种使用不同极性固相萃取小柱解析亚硝胺前体物的方法，其特征在于：在解析水中亚硝胺前体物的基本带电性特性时，依次采用以下步骤：

步骤(1)，对选定的强阳离子交换树脂固相萃取小柱(简称SCX小柱)进行预处理：

先用色谱纯甲醇来清洗，再用电阻达到18兆欧姆的高纯水清洗所述SCX小柱，一直到SCX小柱出水中溶解性有机碳(简称DOC)浓度小于0.2mg/L为止；

步骤(2)，用孔径为0.45μm的滤膜过滤，去除颗粒物的干扰；

步骤(4)，用全玻璃注射器抽取一定量待处理水，放置在注射泵上，调节注射泵，让待处理水匀速经过SCX小柱，控制过流速度为1.0-3.0ml/min；或者采用手动、半自动或者全自动固相萃取仪，连接待处理水和SCX小柱，调节固相萃取仪的处理速度，控制过流速度为1.0-3.0ml/min；或者采用蠕动泵，连接待处理水和SCX小柱，调节固相萃取仪的处理速度，控制过流速度为1.0-3.0ml/min，用经过500℃无碳化处理的小瓶来接取SCX小柱的出水；

步骤(5)，用固相萃取预处理和液相色谱-串联质谱仪联用来检测步骤(4)得到的SCX小柱出水中的亚硝胺生成潜能，即为待处理水中的带正电亚硝胺前体物浓度，同时，用总有机碳分析仪来检测步骤(4)得到的SCX小柱出水中的溶解性有机碳(简称DOC)浓度，即为待处理水中的带正电有机物的溶解性有机碳浓度，用总氮分析仪来检测步骤(2)得到的SCX小柱出水中的溶解性有机氮(简称DON)浓度，即为待处理水中带正电有机物的溶解性有机氮浓度；用紫外-可见光分光光度计来检测步骤(2)得到的SCX小柱出水中的254nm吸光度(简称UV₂₅₄)，即为待处理水中带正电有机物的254nm吸光度；

步骤(6)，用步骤(3)获得的待处理水的亚硝胺生成潜能、溶解性有机碳、溶解性有机氮、254nm吸光度分别减去步骤(5)获得的SCX小柱出水的亚硝胺生成潜能、溶解性有机碳、溶解性有机氮、254nm吸光度，即为待处理水中的带负电和不带电的亚硝胺前体物浓度、带负电和不带电的溶解性有机碳浓度、带负电和不带电有机物的溶解性有机氮浓度、带负电和不带电有机物的254nm吸光度。