導(dǎo)語：化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)適用性探討一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

在測定水環(huán)境中的特定有機(jī)污染物濃度時，由于其濃度往往很低，因此必須對水樣進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，以濃縮待測有機(jī)物質(zhì)，使其達(dá)到檢測儀器的最低檢測限。吹掃－捕集技術(shù)是一項(xiàng)常見的有機(jī)化合物的前處理技術(shù)，適用于從水樣或固體樣品中萃取溶解度＜2g／100g水，沸點(diǎn)低于200℃的揮發(fā)性或半揮發(fā)性有機(jī)物，可應(yīng)于用于土壤、水體、食品中的有機(jī)污染物分析［1］。吹掃－捕集技術(shù)的原理大致如下：將氦氣通入樣品溶液中持續(xù)吹掃，使樣品中的揮發(fā)性組分隨氦氣逸出，隨后被捕集裝置中的吸附劑吸附，使待測組分濃縮。當(dāng)待測組分定量地進(jìn)入捕集器后，關(guān)閉吹掃氣，隨之快速加熱所捕集的樣品組分，使其解吸并隨載氣進(jìn)入后續(xù)氣相色譜／質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC／MS）進(jìn)行定性定量分析［1］。除GC／MS外，吹掃－捕集裝置還可和氣相色譜GC相連進(jìn)行定性定量分析。吹掃－捕集技術(shù)具有快速、富集率高、精密、需要樣品量少等特點(diǎn)［2］。吹掃－捕集裝置往往比較昂貴，在分析化學(xué)、環(huán)境監(jiān)測等教學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中，難以實(shí)現(xiàn)普遍應(yīng)用，然而隨著環(huán)境科學(xué)、環(huán)境工程、應(yīng)用化學(xué)、材料科學(xué)等學(xué)科的不斷發(fā)展，向?qū)W生講授與演示水中微量有機(jī)物的檢測又日益顯示出其必要性與前沿性。因此，筆者根據(jù)以往的科研經(jīng)驗(yàn)，在教學(xué)實(shí)驗(yàn)室搭建了一個經(jīng)過改造的簡易吹掃－捕集裝置，用以展示其工作過程和原理，并選用一些有機(jī)物水溶液作演示實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，討論其各項(xiàng)影響因素及適用性。這一教學(xué)實(shí)驗(yàn)適合于面向相關(guān)專業(yè)的本科生和碩士研究生開放。

1吹掃－捕集實(shí)驗(yàn)裝置的改造與設(shè)計(jì)

在改造吹掃－捕集實(shí)驗(yàn)裝置的時候，首先應(yīng)該考慮到該裝置的搭建與維持在常規(guī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室條件下的可行性，其次應(yīng)考慮到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確性和穩(wěn)定性。圖1所示即為經(jīng)過改造的簡易吹掃－捕集裝置。該吹掃－捕集實(shí)驗(yàn)裝置選擇氮?dú)庾鳛榇祾邭猓ù祾邭獾牧髁坑删芰髁坑?jì)進(jìn)行控制）通入水樣中進(jìn)行持續(xù)吹掃，待測水樣放置在玻璃洗氣瓶中（溫度由水浴進(jìn)行控制）。吹掃逸出的混合氣體由特定的有機(jī)溶劑捕集。放置特定有機(jī)溶劑的試管半埋藏在甲醇與干冰的混合物中，以創(chuàng)造低溫條件［3］。在本吹掃－捕集實(shí)驗(yàn)中，選擇甲基叔丁基醚（MTBE）作為待測有機(jī)物，MTBE是一種高辛烷值的汽油添加劑和防爆劑，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，燃燒效率高，可改善汽車的冷啟動特性和加速性能，并促進(jìn)清潔燃燒，降低尾氣中一氧化碳的含量［4］。MT－BE可通過加油站泄漏、煉油廠污水排放等多種途徑進(jìn)入水環(huán)境中。MTBE水溶性較好，可溶于水中隨水遷移，造成廣大范圍的水污染［5］。MTBE在水環(huán)境中濃度通常較低（幾個μg／L），因此，須將其從水樣中分離濃縮后再進(jìn)行檢測，吹掃－捕集技術(shù)即為常用的含MTBE水樣的前處理技術(shù)。向?qū)W生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示時，應(yīng)解釋并強(qiáng)調(diào)以下幾個知識點(diǎn)：（1）MTBE的沸點(diǎn)為55．2℃，因此將水樣通過水浴加熱到60℃左右，可促進(jìn)MTBE的揮發(fā)和逸出。但是水浴的溫度又不宜過高，在超過60℃后，吹掃過程會加速水蒸氣的逸出，影響后續(xù)的分離和分析過程；（2）以相對廉價的氮?dú)庾鳛榇祾邭?，可大大降低?shí)驗(yàn)消耗和成本；（3）將吹出的MTBE氣體直接通入并溶解于有機(jī)溶劑異辛烷中，可避免吸附劑的使用，并省去加熱解吸的環(huán)節(jié)；（4）將有機(jī)溶劑異辛烷浸于－80℃的甲醇與干冰的混合物中，可使吹掃出的MTBE迅速冷卻溶解于異辛烷中，同時低溫環(huán)境還可防止異辛烷過量揮發(fā)；（5）將甲醇與干冰混合，可有效減緩干冰由于升華造成的消耗。

2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與結(jié)果

在利用本吹掃－捕集裝置處理MTBE水樣時，MTBE的水溶液濃度設(shè)定為10～50μg／L，水溶液體積為200mL，異辛烷體積為2mL?？烧{(diào)節(jié)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)包括氮?dú)饬髁颗c吹掃時間。一般來講，氮?dú)饬髁吭酱螅祾咝Ч麘?yīng)該越好，但是過大的氣體流量會劇烈攪動異辛烷，使其濺出容器。觀察發(fā)現(xiàn)，將氮?dú)饬髁靠刂圃?00mL／min比較適宜。吹掃時間越長，MTBE逸出越完全，當(dāng)MTBE全部逸出后，應(yīng)及時停止吹掃，以節(jié)約時間和氮?dú)?。在?shí)驗(yàn)過程中還觀察到少量水蒸氣隨氮?dú)庖黄鸨淮等氘愋镣橹?，水不溶于異辛烷，但會在低溫環(huán)境中凝結(jié)成細(xì)小冰塊，可能會堵塞出氣管口，要注意及時清理。富集溶解在異辛烷中的MTBE可直接由GC／MS進(jìn)行定性定量分析。GC／MS測定條件為：GC6890N，MS5973N，色譜柱DB－5ms，Agilent；進(jìn)樣量0．2μL，不分流；升溫程序?yàn)槌跏紲囟?0℃停留10min，以10℃／min升至100℃，停留4min，以30℃／min升至250℃，停留1min；高純He載氣流速30cm／s；SIM模式，特征離子41，43，57，73［3］。圖2所示即為以GC／MS測定MTBE所得的標(biāo)準(zhǔn)曲線，該標(biāo)準(zhǔn)曲線包括6個濃度梯度，其線性相關(guān)系數(shù)可達(dá)到0．9868。為了進(jìn)一步驗(yàn)證該方法的精密度，又對同一MTBE水樣進(jìn)行了平行測定，所得GC／MS圖譜如圖3所示，可見2個水樣峰面積的百分誤差能夠控制在5％以內(nèi)。因此，使用該簡易裝置可獲得具有較高精密度的數(shù)據(jù)，能夠滿足化學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的分析測試要求。根據(jù)所得到的標(biāo)準(zhǔn)曲線，對水中不同濃度的MTBE進(jìn)行了測定，得到的結(jié)果如表1所示。從表1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，本吹掃－捕集裝置可將水樣中的MTBE濃度濃縮100倍左右。吹掃時間是本操作中的一個重要參數(shù)，將吹掃時間由30min延長到50min后，對于50μg／L的MTBE水溶液，其回收率可從62％上升到92％。延長吹掃時間，可有效提高M(jìn)TBE的回收率，在吹掃時間設(shè)定為50min時，對于10～50μg／L的MTBE水溶液，其回收率均可達(dá)到90％以上。最終異辛烷溶劑中的MTBE濃度可達(dá)到mg／L的級別，滿足了GC／MS儀器分析的需要。除MTBE之外，水樣中的二氯甲烷、苯、甲苯、乙酸乙酯、鹵代烴、硫醚類致嗅物等揮發(fā)性有機(jī)化合物也可采用本實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行預(yù)處理［6］。在指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行具體的實(shí)驗(yàn)過程中，下列參數(shù)可按照實(shí)際情況加以調(diào)整：（1）水樣體積：水樣體積以不超過500mL為宜；（2）有機(jī)溶劑的種類和體積：對于不同的待測有機(jī)物，應(yīng)選擇合適的有機(jī)溶劑，并根據(jù)檢測儀器的靈敏度，設(shè)置好濃縮倍數(shù)；（3）水浴溫度：對于不同有機(jī)物的吹掃既要考慮沸點(diǎn)，也要考慮可操作性，一般來說，水浴的溫度不宜超過60℃；（4）冷卻的溫度控制范圍：低溫有利于有機(jī)溶劑對待測有機(jī)物的吸收，但是溫度不可低于有機(jī)溶劑的熔點(diǎn)，否則有機(jī)溶劑會發(fā)生凝固；（5）吹掃時間：對于MTBE，吹掃時間在一小時以下比較合適；不同水樣的具體吹掃時間則需要按照目標(biāo)化合物的種類、性質(zhì)、吹掃氣體的流量、水浴溫度等，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，并設(shè)置合理的吹掃時間；（6）吹掃氣體種類和氣體流量：高純度氮?dú)饪蓾M足一般要求，氣體流量要調(diào)整到合適大小。

3結(jié)論

使用經(jīng)改造的簡易吹掃－捕集裝置對含MTBE的水樣進(jìn)行預(yù)處理，通過合理調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，可有效富集濃縮MTBE，回收率可達(dá)90％以上，滿足了后續(xù)儀器分析的要求。經(jīng)過改造的吹掃－捕集裝置以低溫有機(jī)溶劑捕集代替了原裝置中的吸附劑捕集，簡化了實(shí)驗(yàn)流程，節(jié)約了吸附劑的使用，并省去了加熱解吸環(huán)節(jié)。然而，本簡易裝置無法像商業(yè)吹掃－捕集裝置那樣與GC進(jìn)樣口進(jìn)行在線連接，實(shí)現(xiàn)操作自動化，這是其局限性。本實(shí)驗(yàn)操作簡單易行，原理展示清晰，實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對精確，非常適合作為分析化學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、儀器分析等課程的演示實(shí)驗(yàn)。通過對整個實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行觀摩與實(shí)際操作，學(xué)生可牢固掌握水中低濃度揮發(fā)性有機(jī)化合物的吹掃－捕集預(yù)處理和測定方法，教學(xué)效果明顯提高。

作者:黃遠(yuǎn)星 李亮 許智華 單位:上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院