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在測定水環境中的特定有機污染物濃度時，由于其濃度往往很低，因此必須對水樣進行適當的預處理，以濃縮待測有機物質，使其達到檢測儀器的最低檢測限。吹掃－捕集技術是一項常見的有機化合物的前處理技術，適用于從水樣或固體樣品中萃取溶解度＜2g／100g水，沸點低于200℃的揮發性或半揮發性有機物，可應于用于土壤、水體、食品中的有機污染物分析［1］。吹掃－捕集技術的原理大致如下：將氦氣通入樣品溶液中持續吹掃，使樣品中的揮發性組分隨氦氣逸出，隨后被捕集裝置中的吸附劑吸附，使待測組分濃縮。當待測組分定量地進入捕集器后，關閉吹掃氣，隨之快速加熱所捕集的樣品組分，使其解吸并隨載氣進入后續氣相色譜／質譜聯用儀（GC／MS）進行定性定量分析［1］。除GC／MS外，吹掃－捕集裝置還可和氣相色譜GC相連進行定性定量分析。吹掃－捕集技術具有快速、富集率高、精密、需要樣品量少等特點［2］。吹掃－捕集裝置往往比較昂貴，在分析化學、環境監測等教學實驗課程中，難以實現普遍應用，然而隨著環境科學、環境工程、應用化學、材料科學等學科的不斷發展，向學生講授與演示水中微量有機物的檢測又日益顯示出其必要性與前沿性。因此，筆者根據以往的科研經驗，在教學實驗室搭建了一個經過改造的簡易吹掃－捕集裝置，用以展示其工作過程和原理，并選用一些有機物水溶液作演示實驗，在實驗結果的基礎上，討論其各項影響因素及適用性。這一教學實驗適合于面向相關專業的本科生和碩士研究生開放。

1吹掃－捕集實驗裝置的改造與設計

在改造吹掃－捕集實驗裝置的時候，首先應該考慮到該裝置的搭建與維持在常規化學實驗室條件下的可行性，其次應考慮到實驗結果的精確性和穩定性。圖1所示即為經過改造的簡易吹掃－捕集裝置。該吹掃－捕集實驗裝置選擇氮氣作為吹掃氣（吹掃氣的流量由精密流量計進行控制）通入水樣中進行持續吹掃，待測水樣放置在玻璃洗氣瓶中（溫度由水浴進行控制）。吹掃逸出的混合氣體由特定的有機溶劑捕集。放置特定有機溶劑的試管半埋藏在甲醇與干冰的混合物中，以創造低溫條件［3］。在本吹掃－捕集實驗中，選擇甲基叔丁基醚（MTBE）作為待測有機物，MTBE是一種高辛烷值的汽油添加劑和防爆劑，化學性質穩定，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入水環境中。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行檢測，吹掃－捕集技術即為常用的含MTBE水樣的前處理技術。向學生進行實驗演示時，應解釋并強調以下幾個知識點：（1）MTBE的沸點為55．2℃，因此將水樣通過水浴加熱到60℃左右，可促進MTBE的揮發和逸出。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，影響后續的分離和分析過程；（2）以相對廉價的氮氣作為吹掃氣，可大大降低實驗消耗和成本；（3）將吹出的MTBE氣體直接通入并溶解于有機溶劑異辛烷中，可避免吸附劑的使用，并省去加熱解吸的環節；（4）將有機溶劑異辛烷浸于－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，同時低溫環境還可防止異辛烷過量揮發；（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實驗內容與結果

在利用本吹掃－捕集裝置處理MTBE水樣時，MTBE的水溶液濃度設定為10～50μg／L，水溶液體積為200mL，異辛烷體積為2mL。可調節的實驗參數包括氮氣流量與吹掃時間。一般來講，氮氣流量越大，吹掃效果應該越好，但是過大的氣體流量會劇烈攪動異辛烷，使其濺出容器。觀察發現，將氮氣流量控制在100mL／min比較適宜。吹掃時間越長，MTBE逸出越完全，當MTBE全部逸出后，應及時停止吹掃，以節約時間和氮氣。在實驗過程中還觀察到少量水蒸氣隨氮氣一起被吹入異辛烷中，水不溶于異辛烷，但會在低溫環境中凝結成細小冰塊，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進行定性定量分析。GC／MS測定條件為：GC6890N，MS5973N，色譜柱DB－5ms，Agilent；進樣量0．2μL，不分流；升溫程序為初始溫度40℃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所得的標準曲線，該標準曲線包括6個濃度梯度，其線性相關系數可達到0．9868。為了進一步驗證該方法的精密度，又對同一MTBE水樣進行了平行測定，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。因此，使用該簡易裝置可獲得具有較高精密度的數據，能夠滿足化學教學實驗的分析測試要求。根據所得到的標準曲線，對水中不同濃度的MTBE進行了測定，得到的結果如表1所示。從表1的實驗結果可見，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，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MTBE的回收率，在吹掃時間設定為50min時，對于10～50μg／L的MTBE水溶液，其回收率均可達到90％以上。最終異辛烷溶劑中的MTBE濃度可達到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性有機化合物也可采用本實驗裝置進行預處理［6］。在指導學生進行具體的實驗過程中，下列參數可按照實際情況加以調整：（1）水樣體積：水樣體積以不超過500mL為宜；（2）有機溶劑的種類和體積：對于不同的待測有機物，應選擇合適的有機溶劑，并根據檢測儀器的靈敏度，設置好濃縮倍數；（3）水浴溫度：對于不同有機物的吹掃既要考慮沸點，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：低溫有利于有機溶劑對待測有機物的吸收，但是溫度不可低于有機溶劑的熔點，否則有機溶劑會發生凝固；（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化合物的種類、性質、吹掃氣體的流量、水浴溫度等，根據實驗結果進行分析，并設置合理的吹掃時間；（6）吹掃氣體種類和氣體流量：高純度氮氣可滿足一般要求，氣體流量要調整到合適大小。

3結論

使用經改造的簡易吹掃－捕集裝置對含MTBE的水樣進行預處理，通過合理調節實驗參數，可有效富集濃縮MTBE，回收率可達90％以上，滿足了后續儀器分析的要求。經過改造的吹掃－捕集裝置以低溫有機溶劑捕集代替了原裝置中的吸附劑捕集，簡化了實驗流程，節約了吸附劑的使用，并省去了加熱解吸環節。然而，本簡易裝置無法像商業吹掃－捕集裝置那樣與GC進樣口進行在線連接，實現操作自動化，這是其局限性。本實驗操作簡單易行，原理展示清晰，實驗結果相對精確，非常適合作為分析化學、環境監測、儀器分析等課程的演示實驗。通過對整個實驗過程進行觀摩與實際操作，學生可牢固掌握水中低濃度揮發性有機化合物的吹掃－捕集預處理和測定方法，教學效果明顯提高。

作者:黃遠星 李亮 許智華 單位:上海理工大學環境與建筑學院