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煤炭在中国能源消费结构中占75%,对国民经济的发展起着极其重要的作用。煤中富含多种直链和芳环结构有机物,如多环芳烃(PAHs)、酚类、苯系物及脂环烃等。因此煤在生产、加工和利用过程中会排放出许多有机污染物。因此研究灵敏、准确、快速测定煤中有机污染物的分析方法对于控制污染、保护环境是十分有意义的。由于煤基体复杂,其有机污染物的分析检测常需要结合前处理技术。目前对煤中有机污染物的研究广泛采用的是索氏提取法,结合一些操作较繁琐的分离富集方法,如柱色谱法、固相萃取和薄层色谱等。
固相微萃取(SPME)技术是集萃取、浓缩、解吸、进样于一体的绿色前处理新技术,它具有萃取速度快、重现好、样品消耗量少、操作简单等特点。SPME已广泛应用于环境、医药、生物和食品等各种样品中痕量有机物质的分离富集中。而关于利用SPME技术对原煤中有机污染物的研究则鲜有报道。气相色谱法具有灵敏度高、检出限低、进样量少等优点,特别适用于煤中低分子量有机污染物的测定。因此,本论文将固相微萃取的特点与气相色谱的优点结合,建立了索氏提取-固相微萃取-气相色谱法联用测定原煤中酚类和多环芳烃(PAHs)的新方法,主要内容如下:
1.考察了萃取涂层种类、萃取介质和萃取时间等SPME条件对萃取9种酚的影响,最终确立用聚丙烯酸酯(PA)萃取头,用浸入方式,在饱和NaCl介质中,萃取时间为30min,解析时间为3min,在所优化的条件下,9种酚的工作曲线相关系数在0.9737~0.9990之间,检出限在0.011~0.229μg·L-1之间,精密度在4.4%~10.4%之间。SPME-GC联用比直接GC进样分析检出限改善了2-3个数量级。通过优化提取方法,最终采用索氏提取,丙酮为提取溶剂,提取时间8h。建立了索氏提取-SPME-GC测定原煤中酚类的分析方法,在河南平顶山煤和安龙褐煤中检出了沸点相对较高的酚类,煤中挥发酚的平均加标回收率除2-氯酚和2,4-二甲基苯酚这两种酚外,其他的均在63.3%~100.4%之间。
2.实验优化了气相色谱条件、固相微萃取涂层厚度、萃取时间及离子强度等因素,建立了测定水中16种PAHs的分析方法。SPME最佳条件为:萃取头为100μm聚二甲基硅氧烷(PDMS),用浸入的方式,在饱和NaCl介质中,萃取时间为30min,解析时间为5min。16种PAHs工作曲线的相关系数在0.9727~0.9969之间,检出限在0.007~0.048mg·L-1之间,精密度在6.9%~21.9%之间。SPME-GC联用比直接GC进样分析检出限改善了2个数量级。研究了提取方法对煤中PAHs的影响。建立了索氏提取-SPME-GC测定原煤中PAHs的分析方法,在河南平项山和安龙褐煤中均检出萘和菲,且河南平顶山煤中还含有芴,所检出的PAHs为2-3环的。原煤中PAHs的平均加标回收率在60.3%~126%之间。
3.将所建立的SPME-GC方法应用于三个煤矿区地下水中的酚类和PAHs的分析研究,最终在湖北恩施太阳河乡、贵州兴仁县和山西大同煤区地下水中检出溶解性较好的氯酚类,在恩施太阳河乡煤矿井口浸出液中还检出了4环和5环的PAHs。
4.设计了SPME探头的制备配方,优化了自制探头的制备流程,巧妙地将GC进样针改制为自制探头的进样装置,针对酚类和多环芳烃化合物,筛选出了最优SPME探头PEG-1。结果表明PEG-1探头对多环芳烃的萃取效果优于商用PDMS探头,PEG-1探头对酚类的萃取性能与商用PA和聚二甲基砖氧烷/二乙烯基苯(PDMS/DVB)探头相当。PEG-1探头对10种酚类标准物质的线性相关系数在0.9035~0.9988之间,应用于河南平顶山煤中酚的测定,效果满意。PEG-1探头具有制作成本低,萃取效果好等优点。
5.初步探讨了亚临界水萃取(SBWE)温度、萃取时间和萃取溶液的pH对煤中7种酚的萃取效果的影响,在优化的SBWE条件下,将SBWE-SPME-GC联用技术应用于河南平顶山煤的测定,结果表明:采用pH=7的纯水,萃取温度为120℃,萃取时间90min的亚临界水萃取条件最佳。在河南平顶山煤样中检出了2-硝基苯酚。