CN104458997B - 一种分析不同分子量类腐殖质官能团组成的方法 - Google Patents

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Abstract

一种分析有机废弃物中不同分子量类腐殖质官能团组成的方法，其主要步骤为：A)样品采集与有机物提取；B)红外光谱扫描；C)滤液浓度调整；D)滤液的三维荧光光谱扫描；E)类腐殖峰位置的确定；F)色谱图的扫描；G)二维异质相关光谱分析；H)不同分子量类腐殖质物质官能团组成的确定。本发明测定不同分子量类腐殖质的官能团组成，分析快捷，样品需求量少。

Description

一种分析不同分子量类腐殖质官能团组成的方法
技术领域
本发明属于固体废物处理与资源化技术领域，具体涉及一种联合红外光谱和高效体积排阻色谱分析有机废弃物中不同分子量类腐殖质物质官能团组成的方法。
背景技术
类腐殖质物质是有机废弃物处理处置过程中腐殖化和稳定化的产物，类腐殖质的组成和结构与有机废弃物的稳定性密切相关。有机废弃物处理过程合成的类腐殖质越多、其分子量越大以及苯环官能团含量越高，微生物越难以利用，有机废弃物越趋于稳定，因此，对有机废弃物及其处理过程产生的类腐殖质分子量及其不同分子量腐殖质官能团组成的分析，是评价有机废弃物稳定性和处理效果的一个重要手段。
目前已有的技术是将有机废弃物中的类腐殖质提取出来，然后采用不同孔径的滤膜或透析袋将其分组为分子量不同的组分，再采用红外光谱、核磁共振、质谱分析等手段对不同分子量的类腐殖质组分进行官能团分析和结构鉴定。但是该分析方法不仅样品需求量高，劳动量大，而且处理和分析所需时间长，不能方便而快捷确定类腐殖质中不同分子量有机物的构成情况，尤其不能有效确定不同分子量腐殖质的官能团组成特性。
现代色谱分析技术为类腐殖质按分子量分组提供了技术基础，通过高效体积排阻色谱可以将类腐殖质物质按分子量大小进行分组，该分析技术分组快捷，但是由于已有的检测器只有荧光和紫外检测器，不能有效鉴定不同分子量类腐殖质的官能团组成。
发明内容
本发明的目的在于提供一种快速分析有机废弃物中不同分子量类腐殖质官能团组成的方法，采用高效体积排阻色谱将类腐殖质按保留时间不同分为不同分子量的组分，再采用二维异质相关光谱对不同分子量组分的官能团组成进行确定。
为了实现上述目的，本发明提供的分析不同分子量类腐殖质官能团组成的方法，其主要步骤为：
A)有机废弃物样品加水，浸提、震荡后将上清液离心并经膜过滤，收集滤液，一部分于4℃保存，一部分冷冻干燥成固体粉末；
B)将固体粉末与KBr混合均匀后压片，扫描其4000-400cm-1范围内的红外光谱图，将其图谱数据导出并以csv格式保存；
C)用水调整4℃保存的滤液的DOC浓度为1mgL-1<DOC<10mgL-1，并测定调整DOC后滤液的三维荧光光谱图，扫描范围为激发波长Ex＝200-400nm，发射波长Em＝280-500nm，在三维荧光光谱图中寻找Em>380nm范围内的荧光峰，确定其位置Ex/Em；
D)采用高效体积排阻色谱对调整DOC后的滤液进行色谱分离，测定不同分离时间激发/发射波长＝Ex/Em处的荧光强度，获得类腐殖质物质荧光强度随时间序列的色谱图，出峰时间早的为大分子有机物，而出峰时间晚的为小分子有机物，将色谱数据导出并以csv格式保存；
E)对粉末的红外图谱数据和滤液的色谱图数据进行二维异质相关光谱分析，得二维异质相关光谱的同步图，在二维异质相关光谱的同步图上，某一色谱时间与某一波段红外光谱吸收值正相关，即表示这一时间出峰的有机物含有这一波段红外光谱对应的官能团。
所述的方法，其中，步骤A的有机废弃物样品数量不少于5个。
所述的方法，其中，步骤A有机废弃物样品是生活垃圾及其堆肥或填埋处理样品、畜禽粪便及其堆肥样品、污泥及其堆肥样品。
所述的方法，其中，步骤A的震荡时间为8～24小时。
所述的方法，其中，步骤A膜过滤所用的膜孔径为0.22μm或0.45μm。
所述的方法，其中，若步骤C中Em>380nm范围内存在多个荧光峰，选择其中的一个确定其位置Ex/Em。
所述的方法，其中，若步骤C中不同样品同一类荧光峰位置不一致，可以在[Ex～(Ex±10nm)]/[Em～(Em±10nm)]范围内任选一个位置不落在一次瑞利散射和二次瑞利散射上的激发/发射波长Ex1/Em1代替Ex/Em。
所述的方法，其中，步骤E进行二维异质相关光谱分析前需要将色谱数据和红外光谱数据进行归一化处理，使所有数据大小在0～1之间。
本发明具有如有优点：
1)分析快捷，劳动量少。采用色谱分离、红外光谱结合二维相关分析对类腐殖质物质按分子量进行分组并确定不同分子量组分腐殖质的官能团组成，除去样品制备和红外分析所需时间，其余过程可以在15分钟内完成，而采用传统方法其余所需时间不少于2小时，而且所需劳动量大。
2)样品需求量少。采用色谱分离，所需样品量少，减少实验和分析过程对环境的污染。
附图说明
图1是本发明的流程示意图；
图2是堆肥浸提液中类腐殖质物质的色谱图；
图3是堆肥浸提液有机物的色谱-红外二维异质相关光谱的同步图，其中呈深灰色的部分表示负相关，呈白色部分表示正相关。
具体实施方式
本发明的技术方案是：
1、有机物提取：采集样品，然后加入超纯水，浸提、震荡8～24小时后将上清液离心并过0.45μm或0.22μm孔径的滤膜，收集滤液，一部分4℃保存，一部分冷冻干燥成固体粉末。
2、红外光谱扫描：将固体粉末样品与光谱纯KBr混合均匀后压片，扫描其4000-400cm-1范围内的红外光谱，随后将其数据转换为吸收光谱模式，以csv数据格式将所有样品按顺序保存在一个文件里。
3、调整滤液浓度：采用超纯水调整样品的DOC浓度为1mgL-1<DOC<10mgL-1，备用。
4、滤液的三维荧光光谱扫描：将上述调整DOC后的样品进行三维荧光光谱扫描，扫描时激发波长Ex＝200-400nm，发射波长Em＝280-500nm，激发和发射波长狭缝宽度＝5nm。
5、类腐殖质峰的确定：在滤液的三维荧光光谱图中，寻找Em>380nm范围内的荧光峰，选择其中的一个荧光峰为色谱扫描峰，确定其Ex/Em。
若Em>380nm范围内存在多个荧光峰，选择其中的一个确定其位置Ex/Em。
若不同样品同一类荧光峰位置不一致，可以在[Ex～(Ex±10nm)]/[Em～(Em±10nm)]范围内任选一个位置不落在一次瑞利散射和二次瑞利散射上的激发/发射波长Ex1/Em1代替Ex/Em。
6、色谱图的扫描：采用高效体积排阻色谱对调整DOC后的滤液样品进行色谱分离，检测其Ex/Em处的荧光强度，获得类腐殖质物质荧光强度随时间序列的色谱图，将样品的色谱数据导出后，按顺序存放在同一个csv格式的文件里。
7、二维异质相关光谱分析：将所有红外光谱数据和色谱数据进行均一化处理，使其值在0～1之间，随后对均一化后的红外数据和色谱数据进行二维异质相关光谱分析，得二维异质相关光谱的同步图。
8、不同分子量类腐殖质物质官能团的确定：在二维异质相关光谱的同步图上，某一色谱时间与某一波段红外光谱吸收值正相关，即表示这一时间出峰的有机物含有这一波段红外光谱对应的官能团。
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。
请参阅图1，是本发明的流程示意图。
实施例1
有机物提取：采集不同堆肥阶段样品5个，分别编号为S1、S2、S3、S4、S5，加入超纯水，浸提、震荡后16小时后将上清液离心并过0.45μm孔径的滤膜，收集滤液，一部分4℃保存，一部分冷冻干燥成固体粉末。
红外光谱扫描：将上述5个固体粉末样品分别与光谱纯KBr混合均匀后压片，扫描其4000-400cm-1范围内的红外光谱，随后将其数据转换为吸收光谱模式，以csv数据格式将5个样品以S1-S5的顺序保存在一个文件里。
调整滤液浓度：采用超纯水调整5个堆肥样品的DOC浓度，使其DOC＝5mgL-1,备用。
滤液的三维荧光光谱扫描：将上述5个调整DOC＝5mgL-1的样品进行三维荧光光谱扫描，扫描时激发波长Ex＝200-400nm，发射波长Em＝280-500nm，激发和发射波长狭缝宽度为5nm。
类腐殖质峰的确定：在滤液的三维荧光光谱图中，寻找Em>380nm范围内的荧光峰，发现每个样品均存在两个类腐殖质荧光峰，选择激发/发射波长为230nm/430nm处的荧光峰为色谱扫描峰，确定Ex/Em＝230nm/430nm。
色谱图的扫描：采用高效体积排阻色谱对DOC＝5mgL-1的5个堆肥浸提液样品进行色谱分离，检测其Ex/Em＝230nm/430nm处的荧光强度，获得类腐殖质物质荧光强度随时间序列的色谱图(请参阅图2)，将5个样品的色谱数据导出后，以S1-S5的顺序存放在同一个csv格式的文件里。
二维异质相关光谱分析：将所有红外光谱数据和色谱数据进行均一化处理，使其值在0～1之间，随后对均一化后的红外数据和色谱数据进行二维异质相关光谱分析，得二维异质相关光谱的同步图。
不同分子量类腐殖质物质官能团的确定：如图2所示，类腐殖质物质的色谱图在5.65min和6.7min两个时间出现了最大荧光峰，高效体积排阻色谱中先出峰的为大分子有机物，后出峰的为小分子有机物，因此，5.65min的色谱峰为大分子有机物，而6.7min的为小分子有机物。如图3显示，二维异质相关光谱的同步图上5.3-6.3min时间段出峰的类腐殖质物质，与红外光谱3647-3045cm-1(O-H)、2960cm-1(脂类C-H)、1701-1589cm-1(C＝C、羧酸C＝O)、1519-1323m-1(苯环C＝C)、1182-1085m-1(多糖C-O)、707-524m-1(蛋白质C-N、N-H)范围内的红外吸收光谱正相关(呈白色部分)，表明堆肥浸提液中大分子量的腐殖质物质含有C-H、C＝C、C＝O、苯环、C-O、C-H及N-H官能团。

Claims (8)

1.一种分析不同分子量类腐殖质官能团组成的方法，其主要步骤为：
A)有机废弃物样品加水，浸提、震荡后将上清液离心并经膜过滤，收集滤液，一部分于4℃保存，一部分冷冻干燥成固体粉末；
B)将固体粉末与KBr混合均匀后压片，扫描其4000-400cm-1范围内的红外光谱图，将其图谱数据导出并以csv格式保存；
C)用水调整4℃保存的滤液的DOC浓度为1mg·L-1＜DOC＜10mg·L-1，并测定调整DOC后滤液的三维荧光光谱图，扫描范围为激发波长Ex＝200-400nm，发射波长Em＝280-500nm，在三维荧光光谱图中寻找Em＞380nm范围内的荧光峰，确定其位置Ex/Em；
D)采用高效体积排阻色谱对调整DOC后的滤液进行色谱分离，测定不同分离时间激发/发射波长＝Ex/Em处的荧光强度，获得类腐殖质物质荧光强度随时间序列的色谱图，出峰时间早的为大分子有机物，而出峰时间晚的为小分子有机物，将色谱数据导出并以csv格式保存；
E)对粉末的红外图谱数据和滤液的色谱图数据进行二维异质相关光谱分析，得二维异质相关光谱的同步图，在二维异质相关光谱的同步图上，某一色谱时间与某一波段红外光谱吸收值正相关，即表示这一时间出峰的有机物含有这一波段红外光谱对应的官能团。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤A的有机废弃物样品数量不少于5个。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤A有机废弃物样品是生活垃圾及其堆肥或填埋处理样品、畜禽粪便及其堆肥样品、污泥及其堆肥样品。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤A的震荡时间为8～24小时。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤A膜过滤所用的膜孔径为0.22μm或0.45μm。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，若步骤C中Em＞380nm范围内存在多个荧光峰，选择其中的一个确定其位置Ex/Em。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，若步骤C中不同样品同一类荧光峰位置不一致，则在[Ex～(Ex±10nm)]/[Em～(Em±10nm)]范围内任选一个位置不落在一次瑞利散射和二次瑞利散射上的激发/发射波长Ex1/Em1代替Ex/Em。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤E进行二维异质相关光谱分析前需要将色谱数据和红外光谱数据进行归一化处理，使所有数据大小在0～1之间。
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