用于垃圾渗滤液中PFOA固相萃取的优化方法与流程

本发明涉及固相萃取
技术领域：
，尤其用于垃圾渗滤液中pfoa固相萃取的优化方法
背景技术：
：全氟辛酸(pfoa)是一类典型的新型有机污染物，由于其独特的物理化学性质而广泛被生产和使用，其对环境的影响也越来越受到人们关注。由于环境样品中pfoa浓度很低，当其浓度低于某些分析仪器的检测限时便不能检出，则需要借助萃取技术，对目标物进行浓缩富集。目前pfcs的萃取方式主要有以下几种：液液萃取、加速溶剂萃取、超声萃取和固相萃取等。固相萃取(spe)是制备样品最常用的方法。虽然关于pfcs的一些研究涉及到spe条件的改善，但并不一定适用于pfoa，为此还应系统全面的对复杂基质如垃圾渗滤液样品中pfoa的预处理条件进行研究。技术实现要素：针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的就在于提供用于垃圾渗滤液中pfoa固相萃取的优化方法，具有萃取回收率高，重复性好，优化模型合理，对垃圾渗滤液中低浓度的pfoa有很好的富集效果。本发明的技术方案是这样实现的：用于垃圾渗滤液中pfoa固相萃取的优化方法，包括以下步骤：(1)渗滤液样品经过离心、固相萃取、过滤处理后用高效液相色谱-质谱联用仪进行分析计算得到萃取回收率，以萃取回收率为评估条件，通过单因素实验确定固相萃取过程中活化剂体积、固相萃取柱、ph值、离子强度量、洗脱液体积、样品体积和萃取速率对萃取回收率的影响并得到各单因素的优选结果；(2)在单因素实验的基础上，采用design-expert8.0.6软件建立数学模型，然后通过数据分析对上述七个变量因素进行优化评估，得出活化剂体积、离子强度、洗脱液体积这三个变量因素对萃取回收率影响最为明显并确定该三个变量因素的取值范围；再对活化剂体积、离子强度、洗脱液体积这三个变量因素各取三个水平，分别为-1、0和+1；(3)响应曲面优化实验，在步骤(2)的基础上，根据响应面中心组合设计理论，以萃取回收率为响应值，采用box-behnken设计模拟三个变量因素三水平的响应曲面法对固相萃取条件进一步优化，最终确定最佳活化剂体积、离子强度量和洗脱液体积。进一步，步骤(1)所述渗滤液样品为渗滤液dtro膜处理出水。进一步，所述离心是将渗滤液样品于12000rpm离心15min去除大颗粒污染物，取上清液进行固相萃取，然后采用0.45μm有机相尼龙微孔滤膜进行过滤得全氟辛酸溶液，用于高效液相色谱-质谱联用仪进行分析。进一步，高效液相色谱-质谱联用仪进行分析的分析条件：色谱柱为agilentec-c18，规格为100mm×2.1mm，2.7μm；流速为0.22ml·min-1；流动相为5ml的乙酸铵溶液和甲醇溶液的混合溶液；柱温为30℃；进样量为5μl。进一步，步骤(1)中活化剂体积为10ml、固相萃取柱为wax柱，ph值为5、离子强度量为500mg氯化钾、洗脱液体积为5ml含量为0.1％的氨水甲醇、样品体积为500ml和萃取速率5ml/min。进一步，步骤(2)中活化剂体积、离子强度、洗脱液体积三个变量因素各取的三个水平-1、0、+1分别对应取值范围中的最低值、中间值、最高值。进一步，步骤(3)中萃取回收率与三个变量因素的关系式：y＝-149.18150+10.06938a+0.35343b+31.19625c-3.12×10-4ab+0.07ac+6.6775×10-3bc-0.48388a2-3.42800×10-4b2-3.0555c2式中：y-萃取回收率；a-活化剂体积，ml；b-离子强度量，mg；c-洗脱液体积，ml。进一步，步骤(3)确定最佳固相萃取条件后，并采用该优化后的萃取条件进行验证实验。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：1、本发明能有效的富集垃圾渗滤液中的低浓度的pfoa，理论回收率可超过95.67％，实验验证pfoa回收率为93.34％(rsd＝0.28％)，与理论回收率的相对误差为2.33％，显示出良好的重复性。2、通过单因素实验结合响应面法对spe条件进行优化，优化模型合理，适合垃圾渗滤液样品中pfoa萃取的优化。附图说明图1(a)-甲醇活化前的c18吸附料光学镜像图；图1(b)-甲醇活化后的c18吸附料光学镜像图。图2-固相萃取柱类型对pfoa萃取的影响图。图3-ph对pfoa萃取回收率的影响图。图4-离子强度对pfoa萃取回收率的影响图。图5-手动固相萃取步骤图。图6-活化剂体积和离子强度量对萃取回收率的影响关系三维图。图7-活化剂体积和离子强度量对萃取回收率的影响关系二维图。图8-活化剂体积和洗脱液体积对萃取回收率的影响关系三维图。图9-活化剂体积和洗脱液体积对萃取回收率的影响关系二维图。图10-离子强度量和洗脱剂体积对萃取回收率的影响关系三维图。图11-离子强度量和洗脱剂体积对萃取回收率的影响关系二维图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。实施例1(1)样品前处理取相同体积的两份渗滤液dtro膜处理出水样品于12000rpm离心15min以去除大颗粒污染物，离心分离后，一份加入一定量pfoa标准品，另一份不加，形成两种浓度不同的溶液a、b，均采用固相萃取法(spe)提取pfoa。将得到的溶液用0.45μm有机相尼龙微孔滤膜过滤后转移到一个10ml的硬质塑料管中，加入一定量的超纯水，使得样品上机测定前甲醇：超纯水体积比例保持在80：20，充分混合后取1ml至安捷伦取样瓶，待测。若样品是渗滤液原液：取相同体积的两份渗滤液原液样品于12000rpm离心15min以去除大颗粒污染物，离心分离后，一份加入一定量pfoa标准品，另一份不加，形成两种浓度不同的溶液c、d，均采用固相萃取法(spe)提取pfoa。然后过含有40mgenvi-carb粉的小柱用于去除色度，将得到的溶液用0.45μm有机相尼龙微孔滤膜过滤后转移到一个10ml的硬质塑料管中，加入一定量的超纯水，使得样品上机测定前甲醇：超纯水体积比例保持在80：20，充分混合后取1ml至安捷伦取样瓶，待测。渗滤液原液样品和渗滤液dtro膜处理出水样品取样体积由样品基质复杂程度确定，使得样品有效通过前处理后能达到分析的要求，萃取后经过过滤等步骤然后再进行分析对回收率没有影响。通过对a、b溶液进行多次分析，计算得到渗滤液dtro膜处理出水样品的萃取回收率：(实际测得a溶液中pfoa的量-实际测得b溶液中pfoa的量)除以加入pfoa标准品的量，从而避免渗滤液dtro膜处理出水样品的pfoa对分析结果的影响，计算结果更准确；通过对c、d进行多次分析，计算得到渗滤液原液样品的萃取回收率：(实际测得c溶液中pfoa的量-实际测得d溶液中pfoa的量)除以加入pfoa标准品的量，从而避免渗滤液原液样品中的pfoa对分析结果的影响，计算结果更准确。(2)hplc-esi-ms/ms分析条件所有样品均用高效液相色谱-质谱联用仪进行分析：色谱柱为agilentec-c18，规格为100mm×2.1mm，2.7μm；流速为0.22ml·min-1；流动相为5ml乙酸铵溶液(溶剂a)和甲醇(溶剂b)混合溶液；梯度洗脱程序见表1；柱温为30℃；进样量为5μl。表1流动相梯度洗脱条件时间/min流动相a/％流动相b/％065353307051090710907.56535(3)单因素实验①活化剂采用甲醇活化的具体步骤为：10ml氨水甲醇和4ml超纯水依次过固相萃取柱用来活化萃取柱。c18吸附材料经过甲醇活化前、后放大400倍的光学显微镜镜像图如图1中的图(a)和图(b)所示，可以发现经活化后吸附料外围包裹了一层薄膜，可以很好的与水互溶，采用超纯水平衡柱子后，样品溶液可以充分接触到吸附材料以提高吸附材料对pfoa的吸附能力。②固相萃取柱考察三种萃取柱对pfoa的萃取效果：c18柱(十八烷基硅烷)，hlb柱(共聚物)和wax柱(弱阴离子交换)。在本研究中，对200mg/6ml，600mg/6ml和1000mg/6ml三种不同规格的c18萃取柱进行了测试。所有吸附柱的墨盒内部容积均为6ml。实验结果如图2所示，所有测试的固相萃取柱的pfoa回收率范围为45％～86％。结果表明，渗滤液dtro膜处理出水为样品时，a、b过柱，wax柱取得了最佳的萃取效果，pfoa萃取回收率均值为85.38％，标准偏差低于5％。其次是hlb柱，回收率达81.44％。当采用一定规格的c18萃取柱时，pfoa萃取回收率随着c18吸附材料的量的增加而提高。当填充量为1000mg，回收率达到76％，数值逐渐接近hlb柱和wax柱，这表明c18柱具备可发展的pfoa萃取潜力，即增加吸附剂的量，萃取柱对pfoa的吸附效果有可能达到较高水平，但是，其成本将大幅增加，不符合经济性的要求。当将样品改变为渗滤液原液后，c、d两种采用c18柱(1000mg/6ml)、hlb柱(200mg/6ml)和wax柱(200mg/6ml)对同一批次的渗滤液原液进行萃取，三种固相萃取柱表现的规律没有发生变化，依然是wax柱对pfoa萃取效果最佳。因此，采用wax吸附柱。③ph值在固相萃取前，将上述渗滤液dtro膜处理出水样品和渗滤液原液样品经前处理后的a、b、c、d四种溶液各分成五份，然后将ph值分别调整为3、4、5、6、7，再进行萃取，步骤同上。结果如图3所示，研究结果表明，ph值对固相萃取的影响效果明显。对渗滤液dtro膜处理出水样品形成的两种溶液进行萃取时，pfoa回收率为74.64％～85.09％，当ph值为5时，pfoa回收率达到最大值85.09％，而当ph值低于或高于5时，回收率均有下降，另外还可发现ph为弱酸性条件下如5～7时回收率均高于80％且较稳定。当对渗滤液原液样品形成的两种溶液进行萃取时，pfoa回收率为67.04％～82.38％，当ph值为5时，pfoa回收率达到最大值82.38％，当ph值高于或低于5时，回收率均有所下降。综上所述，本实验适合pfoa萃取的最佳ph值为5。因此处理实际的垃圾渗滤液样品时，调节ph值为5。④离子强度因为垃圾渗滤液原液离子强度较高，对外加离子强度的响应没有dtro膜处理出水灵敏，因此在仅考察离子强度对c、d溶液的影响。在本研究中，在萃取前向500ml样品中加入一定量的氯化钾改变离子强度，氯化钾的用量为0、50、100、200、500、2000mg，每个参数重复测试三次。研究结果如图4所示，从图中可以看出，500ml加标垃圾渗滤液dtro膜处理出水中kcl添加量低于100mg以下时，萃取效果变化不大，当大于100mg后，萃取效果变化明显，当剂量介于100mg和500mg之间时，pfoa的回收率随kcl添加量的增加而明显提高，但当剂量大于500mg后，萃取效果变化幅度逐渐减小，随着投加量的增加，回收率反而趋于降低。综上所述，对于低离子强度的水样，如垃圾渗滤液dtro膜处理出水，建议先在样品中加入500mgkcl，而离子强度高的样品，额外外加离子强度反而会影响萃取，如垃圾渗滤液原液则不需要外加电解质。⑤洗脱液采用5ml氨水甲醇(0.1％)溶液依次洗脱的方式将吸附在吸附材料上的pfoa洗脱下来。⑥样品体积采用500ml垃圾渗滤液dtro膜处理出水加标(500ng/lpfoa)进行试验，并不会发生堵塞现象，但对垃圾渗滤液原液过滤或离心后进行萃取，随着过柱溶液体积的增大，萃取速度愈来愈低，甚至发生堵塞，影响回收率。因此，本研究对垃圾渗滤液dtro膜处理出水中pfoa测定时，取样品体积500ml，对垃圾渗滤液原液测定时，取样品体积50ml，满足浓缩富集的要求。⑦萃取速率本实验采用手动固相萃取方式，即采用手动注射进样，一次5ml，使500ml样品通过自重自动过柱，此过程大约需要8小时，需不时往萃取柱内添加样品，并弃除滤液。手动固相萃取的完整步骤如图5所示。实施例2样品处理和色谱分析条件同实施例1。本实施例样品为垃圾渗滤液dtro膜处理出水样品前处理后得到的a、b两种溶液。采用design-expert8.0.6软件完成试验方案的设计、建立数学模型、数据统计分析以及对变量的优化等工作。通过方差分析可以得到各影响因子及其交互影响对响应值的影响。评估了三个变量对垃圾渗滤液dtro膜处理出水pfoa固相萃取的影响：i)活化剂的体积；ii)离子强度；iii)洗脱液的体积)。围绕三个变量对a、b两种溶液各进行了17组实验，活化剂体积8～12ml，离子强度为400～600mg的氯化钾添加量，洗脱液体积4～5ml。实验数据用designexpert进行拟合，得到二元回归方程模型，其自变量和响应值之间的关系如下：其中，y为响应值，α0，αi，αii，αij为系数，χi为变量。基于单因素分析结果，根据响应面中心组合设计理论，以萃取回收率为响应值，采用box-behnken设计模拟三变量因素三水平的响应曲面法对固相萃取条件进一步优化，以确定最佳活化剂体积、离子强度和洗脱液体积。各因素与水平的设计表见表2、实验结果见表3：表2响应面三因素三水平实验设计表3试验结果bbd设计回归分析结果表明，pfoa萃取的各种因素与回收率之间的关系如下：y＝-149.18150+10.06938a+0.35343b+31.19625c-3.12×10-4ab+0.07ac+6.6775×10-3bc-0.48388a2-3.42800×10-4b2-3.0555c2回归模型分析：表4回归模型分析注：“*”表示较为显著，“**”表示显著；p≤0.05表示有显著影响；p≤0.01表示影响极显著；p＞0.05表示没有显著效果。表4即为响应面分析中拟合的二次模型方差分析结果：响应值和全体自变量之间的线性相关系数r2＝444.76/455.42＝0.9766，f值为32.43，p＜0.05，表明该模型回归显著；失拟值f＝2.32，说明该模型拟合较好。由表3可以看出，洗脱液体积在设计范围内对pfoa固相萃取的影响显著，而活化剂体积和离子强度量在设计范围内对pfoa固相萃取的影响不显著，因此洗脱液体积的优化空间较活化剂体积和离子强度量大。由图6～图11可知，3dsurface图均存在极值，等高线呈椭圆形，且椭圆的轴线与坐标轴之间呈现一定角度，说明各因素之间存在不显著的交互作用。另外，由图10和图11看出，椭圆的轴线与坐标轴之间的角度相对图6和图7以及图8和图9要大，表明离子强度量和洗脱剂体积的交互作用强于活化剂体积和离子强度间的交互作用以及活化剂体积和洗脱液体积间的交互作用，印证了模型方差分析结果。模型优化结果给出：活化剂氨水甲醇量为10ml，氯化钾加入量为600mg，洗脱液选择6ml，1％氨水甲醇溶液，此时pfoa理论萃取回收率达95.67％。实施例3本实验为验证实验，样品处理和色谱分析条件同实施例1。在单因素分析结合响应曲面法优化实验后得出的最佳水平组合条件下，采用spe方法对重庆某焚烧厂垃圾渗滤液dtro膜处理出水样品中pfoa进行萃取：该厂垃圾渗滤液dtro膜处理出水样品于12000rpm离心15min以去除大颗粒污染物，离心分离后，取相同体积的两份上清液：其中一份加入一定量的pfoa标准品，另一份不加，形成两份浓度不同的溶液，均采用最佳的萃取条件进行固相萃取，然后在最佳色谱分析条件下，应用高效液相色谱串联质谱方法进行测定，对两份溶液重复进行3组平行实验。结果表明，垃圾渗滤液dtro膜处理出水中pfoa含量均值达110ng/l，pfoa回收率为93.34％(rsd＝0.28％)，与理论萃取回收率的相对误差为2.33％，显示出良好的重复性，说明优化结果是可靠的。最后需要说明的是，本发明的上述实施例仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。当前第1页12