氣相色譜法同時測定醫藥化工中8 種廢溶劑含量

鄭杰

（浙江佳境環保科技有限公司，浙江 寧波 315000）

隨著醫藥化工行業的不斷發展，醫藥化工企業對有機溶劑需求增大，從而導致廢溶劑的產生量增加，廢溶劑不僅會污染空氣、土壤和水源，還會給人們的健康帶來潛在的風險[1]。然而，廢溶劑具有回收價值，若能將廢溶劑有效回收，可減少其對地方環境的危害，使其變廢為寶，實現可持續發展[2-3]。

醫藥化工企業產生的廢溶劑有效回收利用尤為重要的一環在于前端廢溶劑的快速篩選分類。由于醫藥化工企業一般采用噸桶與200 L 鐵桶等小包裝形式貯存、運輸廢溶劑，不僅數量龐大，常有每桶之間成分差異大、雜質含量參差不齊的狀況，而且醫藥企業所提供的桶裝廢溶劑成分信息不夠準確，若無較為準確的廢溶劑成分信息，盲目混合入罐貯存、處置，不僅會提高后端廢溶劑的再生難度，也容易形成再生品質量低無處銷售的局面，從而降低整體廢溶劑回收再生的經濟效益。廢溶劑的快速篩選分類能夠有效解決該問題，但其依賴于準確的廢溶劑成分分析結果，因此建立一個準確且快速的廢溶劑成分分析方法是醫藥化工廢溶劑能夠有效回收的基石。

目前，廢溶劑快速篩選分類方法多數是依據廢溶劑的外觀、密度以及分類員的經驗等，其中是以分類員的分類經驗為主導，以外觀、密度等理化性質為輔助，此類方法較迅速，但分類結果過于主觀，難以保證分類得當。本文使用氣相色譜儀搭載氫火焰離子化檢測器(FID)分析廢溶劑有機相組分含量，氫火焰離子化檢測器普遍應用于有機物的檢測分析[4]，水分則使用水分測定儀另作分析。通過對某企業的醫藥化工廢溶劑進行檢測分析，發現其主要由水、甲醇、乙醇、異丙醇、丙酮、乙酸乙酯、二氯甲烷、四氫呋喃、苯、甲苯中的兩種或者兩種以上組分，以及少量重組分物質組成，其中除甲苯外的8 種有機組分常壓沸點均小于100 ℃[5]，甲苯沸點較高易于測定，因此，分析方法的關鍵在于同時測定其余8 種沸點較低的組分。廢溶劑回收標準參照GB/T 9722—2006《化學試劑氣相色譜法通則》，但通則中對有機溶劑并沒有提供明確的分析方法[6]。關于廢溶劑組分含量的檢測方法研究較少，本文采用氣相色譜法，建立并優化各項儀器分析條件,調試8 種低沸點組分峰最佳分離效果和峰型的色譜分析條件，在縮短分析時間的基礎上較為迅速且準確得出入廠廢溶劑各組分含量，滿足廢有機溶劑快速分類入罐的要求。

1 試驗部分

1.1 儀器與試劑

儀器：島津GC -2014 氣相色譜儀,配備AOC-20i 自動進樣器、氫火焰離子化檢測器、4 種長30 m、內徑0.32 mm 的色譜柱SH-PolarWax、SH-RtxTM-1701、SH-RxiTM-5ms 與SH-RxiTM-1ms（日本島津公司）；NHA-500 氮氫空一體機（北京中惠普分析技術研究所)；GL3202I-1SCN 電子天平（德國賽多利斯公司）。

高純氮氣（寧波康石化工有限公司）；分析純試劑：乙醇、異丙醇、丙酮、二氯甲烷、苯與甲苯（國藥集團化學試劑有限公司）；分析純試劑：乙酸乙酯、四氫呋喃（上海展云化工有限公司）；分析純十三烷（阿拉丁公司）。

1.2 混標配制

9 種化合物混標配制：分別取9 種分析純試劑甲醇、乙醇、異丙醇、丙酮、酸乙酯、二氯甲烷、四氫呋喃、苯與甲苯等量混合，混合均勻后取1 mL標液至分析瓶中待測。

2 儀器方法建立與優化

2.1 進樣量的確定

進樣分析量首先要滿足不能造成襯管容積過載，根據理想氣體狀態方程分別計算出10 種溶劑在氣相色譜分析條件下的膨脹體積，溶劑膨脹體積不能超過襯管的容積[7]，島津GC-2014 氣相色譜儀使用的襯管為惰性石英棉分流襯管，其容積約為670 μL。如下表1 是包括水等共10 種溶劑在相同進樣體積為1 μL、溫度為260 ℃與柱前壓力為60 kPa 的分析狀態下，計算的溶劑膨脹體積結果，由于在實際情況下，襯管是維持在充滿氮氣環境下的狀態，導致實際溶劑膨脹體積應大于理想狀態的膨脹體積，因此，計算后的溶劑膨脹體積需小于襯管容積的80%較為適合，保證襯管不出現過載現象。

表1 色譜分析狀態下的溶劑膨脹體積Tab.1 Solvent expansion volume in chromatographic analysis

以10 種溶劑中最大的膨脹體積為參考標準，由表1 知，水的膨脹體積最大，由此得出樣品的最大進樣量應小于0.36 μL，并且樣品進樣量不能過小，因此，本研究確定樣品的進樣量為0.3 μL。

2.2 儀器初始方法建立

建立儀器初始分析方法參數，如表2，進行恒流模式測試分析。通過改變色譜柱型號、進樣口溫度、分流比、色譜柱流量和柱箱溫度等單一變量進行效果比對，優化儀器分析方法參數。

表2 氣相色譜初始分析方法參數表Tab.2 Parameter table of initial analysis methods for gas chromatography

2.3 色譜柱選型

廢溶劑中低沸點有機成分的沸點較為接近，色譜柱作為氣相色譜的分離核心，不同色譜柱的固定相與有機組分相互作用不同，本研究分別選取較為常見的4 種不同極性毛細管色譜柱進行分析測試，色譜柱長度均為30 m，內徑均為0.32 mm。具體如下：

（1）SH-PolarWax，極性固定相，鍵合交聯聚乙二醇。

（2）SH-RtxTM-1701，中等極性固定相，鍵合交聯14%氰丙基苯基/86%二甲基聚硅氧烷。

（3）SH-RxiTM-5ms，低極性固定相，鍵合交聯二苯基二甲基聚硅氧烷。

（4）SH-RxiTM-1ms，非極性固定相，鍵合交聯二甲基聚硅氧烷[8]。

2.4 進樣口溫度優化

進樣口溫度對組分的峰形與分離度都有影響。在保證樣品組分不分解的前提下應設置較高的溫度，使樣品能快速且均勻地汽化，減小分流歧視[9]，分別設置進樣口溫度為220 ℃、240 ℃、260 ℃與280 ℃進行測試。

2.5 分流比優化

分流比不宜過大，適當的分流比有利于提升組分間的分離度。因此，分別設置分流比為200:1、100:1、80:1、60:1、40:1 與20:1 進行測試。

2.6 色譜柱流量優化

SH-RxiTM-1ms 色譜柱為0.32 mm 內徑色譜柱，色譜柱內載氣流速越快，恒流模式下分析越迅速，但流速過快會導致組分峰分離度下降。載氣流速分別設置為1 mL/min、1.25 mL/min、1.5 mL/min、2 mL/min、2.25 mL/min 與2.5 mL/min 進行測試。

2.7 柱箱溫度優化

柱箱的溫度控制程序分為恒溫與程序控溫，由于混合廢溶劑的沸點范圍較寬，選擇程序控溫較為合適，其包括柱箱初始溫度、升溫速率和最終溫度。

（1） 初溫一般需略大于儀器所處環境溫度，以縮短樣品分析循環時間。本研究初溫分別設置40 ℃、45 ℃、50 ℃與55 ℃。

（2）升溫速率分為兩段，以90 ℃～100 ℃為分界線，第一段升溫速率控制在(10～12) ℃/min 的低速范圍，確定9 種有機溶劑均出峰；設置二段升溫目的是加快廢溶劑中重組分脫離色譜柱，減少柱污染。升溫速率不做進一步測試。

（3）廢溶劑中的重組分不盡相同，經驗發現大部分的廢溶劑重組分沸點小于240 ℃，故現以十三烷保留時間為終溫保持時間的衡量物質，控制整體分析時長。十三烷常壓下沸點235.43 ℃，常用作高沸點的非極性溶劑[5]。

2.8 檢測器溫度確定

氫火焰離子化檢測器溫度要求高于待測組分的最高沸點即可，FID 的溫度不是分離度主要的影響因素，但在長期進行檢測分析后，難免會有重組分沉積物和積碳等物質污染檢測器[10]，因此，將檢測器溫度固定在280 ℃，降低檢測器污染程度。

3 分析條件確立

3.1 色譜柱選型

將9 種混標溶劑分別注入4 種色譜柱分析，得到4 個相對應的色譜圖，見圖1。可以發現，柱1、柱2 與柱3 均有不同程度的峰分離問題，出現完全重合或者雙頭峰的峰型，而柱4 的SH-RxiTM-1ms 柱峰型無明顯的前延與拖尾，組分響應較好，該柱對9 種組分均有較好的分離，組分間分離度(USP)均大于1.5，如表3 所示。因此，本研究選定SH-RxiTM-1ms 毛細管柱。

圖1 4 種色譜柱組分色譜圖Fig.1 Chromatograms for 4 columns

表3 SH-RxiTM-1ms 色譜柱組分分離度(USP)Tab.3 Resolution of SH-RxiTM-1ms column

9 種混標在SH-RxiTM-1ms 毛細管柱出峰順序1～9 號峰分別為：甲醇、乙醇、丙酮、異丙醇、二氯甲烷、乙酸乙酯、四氫呋喃、苯與甲苯。

3.2 進樣口溫度

以SH-RxiTM-1ms 為色譜柱，在不同進樣口溫度下測試廢溶劑，色譜圖見圖2。由圖2 可知，進樣口溫度在220 ℃～280 ℃之間變化對9 種有機溶劑的峰型、分離度與響應值無明顯影響，說明溶劑組分在該溫度范圍內均不分解，樣品能夠快速且均勻地汽化。但考慮廢溶劑中包含少量重組分物質，進樣口溫度設置在260 ℃～280 ℃均可，本研究選擇進樣口溫度為260 ℃。

圖2 不同進樣口溫度色譜圖Fig.2 Chromatograms of different inlet temperatures

3.3 分流比

分流比對9 種組分的峰型影響較小。針對丙酮與異丙醇，測試不同分流比對二者分離度的影響，結果見表4。從表4 可知，在分流比為20:1～60:1 時，丙酮與異丙醇的分離度(USP)較好。因此，分流比設置在20:1～60:1 均可，本研究選擇分流比為40:1。

表4 不同分流比丙酮與異丙醇的分離度(USP)Tab.4 The Resolution of acetone and isopropanol at different split ratios

3.4 色譜柱流量

以SH-RxiTM-1ms 為色譜柱，在不同載氣流速下測試廢溶劑，色譜圖見圖3。由圖3 可知，載氣流速在2～2.5 mL/min 范圍內，組分出峰較快、分離度較好。同時，考察載氣流速對丙酮與異丙醇分離度（USP）的影響，結果見表5。由表5 可知，載氣流速大于2.25 mL/min 時，丙酮與異丙醇分離度(USP)下降明顯。因此，色譜柱流量控制在2～2.25 mL/min 為最佳，本研究選擇2.25 mL/min。

圖3 不同色譜柱流量的色譜圖Fig.3 Chromatograms of different column flows

表5 不同色譜柱流量時丙酮與異丙醇的分離度(USP)Tab.5 The Resolution of acetone and isopropanol at different column flow rates

3.5 柱箱初溫

柱箱初溫對9 種溶劑出峰的保留時間影響較小，但對丙酮與異丙醇分離度(USP)有較大影響。如表6 所示，隨著柱箱溫度的提升，丙酮與異丙醇分離度(USP)明顯下降，柱箱溫度大于40 ℃時，丙酮與異丙醇分離度(USP)已小于1.5。因此，本研究柱箱初溫選擇40 ℃。

表6 不同柱箱初溫丙酮與異丙醇分離度(USP)Tab.6 The Resolution of acetone and isopropanol at different initial temperatures of the column box

3.6 柱箱終溫

將9 種混合溶劑標樣與十三烷按照2:1 質量比配制，進行測試。為進一步加快分析時間，本方法第二段升溫速率加快至90 ℃/min，終溫提升至190 ℃保持4 min，直至十三烷完全出峰，整體出峰時間可控制在12 min 內。由于SH-RxiTM-1ms色譜柱固定相與十三烷均為非極性物質，與十三烷同等沸點的大多數有機溶劑均已出峰，降低了廢溶劑中重組分物質殘留色譜柱的可能性。圖4為混合溶劑標樣與十三烷的色譜圖。

圖4 9 種混合溶劑標樣與十三烷的色譜圖Fig.4 Chromatograms of 9 mixed solvent standards and tridecane

第二段升溫速率與終溫可適當加快或者升高，或者在恒流模式進樣下進行程序升壓模式，可進一步縮短分析時長。

3.7 最終方法確立

經對氣相色譜法各參數進行優化，最終確定本方法各參數見表7。

表7 氣相色譜分析方法參數Tab.7 Parameters of gas chromatographic analysis method

4 樣品含量測定

4.1 加標測試

以乙酸乙酯為參比物，配制8 種低沸點組分的等質量混合標準樣品，進行6 次平行測試，計算出乙酸乙酯與其他組分的平均相對校正因子；空白加標8 種組分，并進行6 次重復分析，計算平均回收率和相對標準偏差，結果見表8。由表8可知，平均加標回收率在97.15%～102.5%之間，RSD 在0.08%～0.44%之間，方法準確度高、穩定性好，滿足分析需求。

表8 回收率試驗測定結果(n=6)Tab.8 Determination results of recovery rate test(n=6)

4.2 實際樣品測試

針對實際樣品中有機相的分析，由于某些組分雖然含量占比低，但屬于未知峰，無法準確獲取其相對校正因子，因此，選擇譜圖中含量最高的已知9 種組分中的一種為參比物峰，低含量未知組分按照相對校正因子為1 進行計算，可降低結果偏差。抽取3 個浙江省某藥企產生的廢溶劑以及1 個再生成品進行分析，使用校正因子峰面積歸一法定量，結果見表9。

表9 實際樣品有機相測定結果Tab.9 Determination results of organic phase in actual samples

5 結論

（1）通過測試分析，本文確立了8 種低沸點溶劑的氣相色譜氫火焰離子化檢測器最佳實驗分析方法。在具有較高的準確度與精密度基礎上，明顯縮短單個樣品的分析時間，提高整體的生產效率。

（2）使用的分析儀器成本相對較低，并且易于維護和操作，可應用于醫藥化工廢溶劑回收過程中的檢測分析。

（3）本研究建立的氣相色譜法同時測定醫藥化工廢溶劑中8 種低沸點溶劑的定量方法，可為化工廢溶劑資源回收過程中有機溶劑檢測分析提供參考。