優化超聲萃取灘涂底質中石油烴總量的研究

樊鑫，趙新達，楊大佐，趙歡，周一兵

(大連海洋大學遼寧省海洋生物資源恢復與生境修復重點實驗室，遼寧大連 116023)

石油是現代社會不可或缺的能源，但在石油的開采、運輸、加工和使用過程中會給生態環境和社會環境造成一定的危害［1-2］。據聯合國有關組織統計，每年海上油井井噴事故和運輸事故造成的溢油高達2.2 ×107t，大量石油進入海洋環境，對海洋生態環境以及人類社會造成嚴重破壞［3-4］。吸附在懸浮物上石油烴會隨潮汐、海流遷移到潮間帶的沉積物上［5］。在潮水作用下，灘涂表層石油烴會向深部遷移，在遷移過程中被沉積物固體顆粒吸附，殘留于沉積物中［6］。沉積在灘涂底質的石油烴一方面會影響底質的通透性［7］，破壞灘涂底質質量;另一方面，石油烴中巨毒性、致癌性的多環芳烴會嚴重影響海洋底棲生物的正常生長。所以對海洋灘涂底質中石油烴的測定尤為重要。

目前，測定石油烴含量的方法包括重量法、紫外分光光度法、紅外光度法、熒光分光光度法等。1979年，美國EPA 將重量法定為檢測水中石油污染物的標準方法［8］，其優點是不受油品限制，不需要特殊儀器，且精密度和準確度均比較理想，適合測定高濃度土壤，但損失了沸點低于提取劑的石油組分，所以測量值比真實值偏低［9］。紫外分光法適合于測定高濃度含油樣品中的石油污染物，無法測定石油污染物中的飽和烴和環烴類，靈敏度較低;該方法在測定地表水、土壤、沉積物中石油污染物的應用較為廣泛，而在測定水產品中的石油污染物則不多見［10］。熒光分光光度法是一種超微量分析方法，相比紫外和紅外分光光度法具有更高的靈敏度;由于各種熒光物質均有各自的紫外激發波長和熒光發射波長，熒光物質的這種雙重特異性，使該方法具有良好的選擇性，能夠有效地排除其它物質的干擾［11］。

無論上述何種方法，萃取是測定底質中石油烴總量的重要步驟。石油能夠與土壤膠體以及一些有機物緊密結合成結構復雜的復合體，必須使用具有較強極性的有機溶劑萃取［12］。除了萃取劑的選擇，萃取方法也很重要，現在主流的萃取方法包括超聲萃取法、振蕩萃取法和索氏提取法［10］。目前對底質中石油烴的萃取沒有統一完善的標準，不同研究所設定的萃取條件各有不同，所得出結論也不盡相同。本實驗采用超聲萃取法萃取石油污染底質的石油烴［13-14］。對萃取溫度、萃取劑、萃取時間以及液固比進行了研究，為海洋灘涂底質環境監測提供依據。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

正己烷、二氯甲烷、石油醚均為分析純;盤錦油田稀油［15］，密度(20 ℃)＜0.92 g/cm3，粘度＜100 mPa·s;底質，采自金州開發區灘涂，浸取液pH值7.82［16］，含鹽量13 060 mg/kg［17］。

日立F-2700 型熒光分光光度計;KQ3200B 型超聲波清洗器;DRP-1011 型烘箱;HERMAL Z383K 離心機;AL204 電子天平;HI99163N 便攜式pH 測定儀;玻璃層析柱;CU420 型電熱恒溫水箱。

1.2 標準溶液配制

有機溶劑經活性炭脫芳處理。

1.2.1 油標準儲備液(1.00 mg/mL) 稱取0.100 g原油于100 mL 容量瓶中，用有機溶劑溶解、定容。

1.2.2 油標準使用液(100 μg/mL) 移取5.00 mL油標準儲備液于50 mL 容量瓶中，用有機溶劑定容。

1.3 實驗方法

1.3.1 污染底質的制備 底質干燥后去除碎石和垃圾，40 目篩備用。分別稱取0.01，0.05，0.1，0.2 g 稀油，用適量石油醚溶解。分別與9.99，9.95，9.90，9.80 g 無石油污染的干燥底質均勻混合，于背陰通風的環境中自然風干，得到石油含量分別為0.1%(1 000 mg/kg，海洋二類沉積質標準)，0.5%(5 000 mg/kg，超二類沉積質標準4 倍)，1.0%(10 000 mg/kg，超二類沉積質標準9 倍)和2.0%(20 000 mg/kg，超二類沉積質標準19 倍)的污染底質。

1.3.2 樣品的超聲萃取及測定 準確稱取1.00 g風干污染底質于50 mL 離心管中，添加萃取劑，混合均勻后在超聲波清洗器中進行萃取。萃取后置于離心機內以4 000 r/min 離心10 min［5］。收集上清液并定容，稀釋并測定吸光度I，以I－I0(I0為空白熒光強度)的值從標準曲線上得出石油的濃度ρ(μg/mL)，計算土壤石油含量。

式中 Woil——每克污染底質的石油含量，μg/g;

V——提取液體積，mL;

M——樣品的質量，g。

底質中總石油烴的萃取率:C=Woil/Ws×100%其中，C 為樣品底質總石油烴的萃取率;Woil為樣品底質總石油烴的實測值;Ws為樣品底質總石油烴的設定值。

1.4 標準曲線的繪制

分別移取0，0.20，0.60，1.00，1.40，1.80，2.20 mL 油標準使用液于7 支20 mL 具塞比色管中，用有機溶劑溶解、混勻，稀釋定容。用熒光分光光度計測定吸光度。3 種有機溶劑的標準曲線見圖1。

圖1 3 種有機溶劑的標準曲線Fig.1 The standard curve of three kinds of organic solvent

1.5 底質含水率的測定

采用烘干法測定石油污染土壤的含水率。105 ℃烘干16 h［18］。其含水率為:

式中 WH2O——底質含水率，%;

MC——初始底質的質量，g;

MH——烘干后底質的質量，g。

2 結果與討論

2.1 超聲萃取正交實驗

選取污染土壤的石油濃度、萃取溫度、萃取劑、萃取時間和液固比進行研究，其中污染底質的石油濃度、萃取溫度、萃取時間和液固比各設置4 個水平，萃取劑設置3 個水平，因素水平見表1，結果見表2。

表1 因素和水平表Table 1 Factors and levels

表2 正交實驗結果Table 2 The orthogonal experiment result

由表2 可知:①5 個因素對超生萃取效率影響從大到小分別為萃取劑＞土壤石油濃度＞液固比＞萃取溫度＞萃取時間;②濃度2%的石油污染底質的萃取效率最高，1%次之，而0.5%和0.1%的萃取效率相近;③30 ℃下超生萃取效率要高于其他溫度;④二氯甲烷的超生萃取效率最高，達75.03%。該結果與李美玉［19］和陳建安等［10］的結果相似，其原因是二氯甲烷的提取物最接近污染土壤中石油烴的實際含量，而石油醚不能溶解瀝青質，故萃取效率最差。但王如剛等［9］采用超生萃取法，液固比為3 ∶1 mL/g，結果最佳萃取劑為三氯甲烷;而溫傳忠［20］則認為石油醚的提取效率高于二氯甲烷，其原因還待進一步研究;⑤萃取時間效率依次為:15 ＞20＞10 ＞5 min;⑥液固比為6 ∶1 mL/g 的萃取效率最高。

綜上可知，最適用于灘涂石油污染底質的超生萃取法的條件為:萃取劑為二氯甲烷，萃取溫度30 ℃，萃取時間15 min，液固比為6 ∶1 mL/g。且該條件下，超生萃取法更適用于濃度較高的石油污染灘涂底質。

2.2 萃取次數對萃取率的影響

溫度30 ℃，萃取劑為二氯甲烷，每次的萃取時間為15 min，液固比為6 ∶1 mL/g，同時做2 個平行樣，萃取次數對萃取率的影響見表3。

表3 不同萃取次數的萃取率Table 3 The extraction rate of different number of times extraction

由表3 可知，通過兩次萃取，2%，1%，0.5%和0.1% 的石油污染灘涂底質的萃取率分別達到90.09%，88.86%，82.65%和85.71%，第3 次萃取的萃取率提高不明顯，且需要更多操作，消耗更多試劑。所以，選取兩次萃取為最佳。

3 結論

石油污染灘涂底質的超聲萃取最優條件為:萃取劑二氯甲烷，萃取溫度30 ℃，液固比為6 mL/g，萃取時間每次15 min，萃取次數2 次。在此條件下，2%，1%，0.5%和0.1%的石油污染灘涂底質的萃取 率 分 別 達 到90.09%，88.86%，82.65% 和85.71%。

［1］ Kishore Das，Ashis K Mukherjec.Crude petroleum-oil biodegradation efficiency of Bacillus subtilis and Pseudomonas aeruginosa strains isolated from a petroleum-oil contaminated soil from North-East India［J］.Bioresource Technology，2007，98(7):1339-1345.

［2］ 王冶英，任以順.法律視角下的海洋環境責任強制保險制度——墨西哥灣原油泄漏事件對我國環境責任保險制度的啟示［J］.太平洋學報，2012，20(3):21-29.

［3］ 徐金蘭，黃廷林，唐智新，等.高效石油降解菌的篩選及石油污染土壤生物修復特性的研究［J］.環境科學學報，2007，27(4):622-628.

［4］ 陳建秋.中國近海石油污染現狀、影響和防治［J］.節能與環保，2002(3):15-17.

［5］ 趙云英，楊慶霄.溢油在海洋環境中的風化過程［J］.海洋環境科學，1997，16(1):45-51.

［6］ 李海明，鄭西來，劉憲斌.渤海灘涂沉積物中石油烴遷移特征［J］.海洋學報，2006，28(1):163-168.

［7］ 劉五星，駱永明，滕應，等.我國部分油田土壤及油泥的石油污染初步研究［J］.土壤，2007，39(2):247-251.

［8］ U.S.Environmental Protection Agency.EPA-600-79-020 Methods for chemical analysis of water and wastes:Method 413.1 (gravimetric，separatory funnel extraction);oil and grease，totalrecoverable［S］.Washington D C:USEPA，1979.

［9］ 王如剛，王敏，牛曉偉，等.超聲-索氏萃取-重量法測定土壤中總石油烴含量［J］.分析化學，2010，38(3):417-420.

［10］陳建安.紫外分光法測定土壤中石油污染物［D］.濟南:山東大學，2012.

［11］謝重閣.應用熒光分光光度法測定水中油的研究［J］.環境科學叢刊，1980(3):9-14.

［12］李紀云，李麗，馮成武.超聲-紫外法測定土壤中石油類物質含量［J］.石油大學學報，1999，23(6):82-83，93.

［13］李英，趙德智，袁秋菊.超聲波在石油化工中的應用及研究進展［J］.石油化工，2005，34(2):176-180.

［14］張英蘭，饒竹，劉娜，等.環境樣品前處理技術［M］.北京:清華大學出版社，2008.

［15］邱逸.遼河油田多樣油品成因探討［J］.當代化工，2014，43(1):107-110.

［16］中華人民共和國農業部.NY/T 1377—2007 中華人民共和國農業行業標準［S］.北京:中國農業出版社，2007.

［17］中華人民共和國農業部.LY/T 1251—1999 中華人民共和國農業行業標準［S］.北京:中國農業出版社，1999.

［18］ 陳偉勝，童玲，唐國斌.石油污染土壤含水率的測定［J］.華北水利水電學院學報，2012，33(4):93-96.

［19］李美玉.石油污染土壤中石油烴微生物降解性能的研究［D］.青島:中國石油大學，2010.

［20］溫傳忠.超聲-重量法測定不同土壤粒級石油回收率研究［J］.廣州化工，2011，39(2):70-73.