主题：【第九届原创】【中秋/国庆我这么度过】【健康饮水】香精工厂废水处理前后及普通自来水中有机物的鉴定对比

【中秋/国庆我这么度过】【健康饮水】

香精工厂废水处理前后及普通自来水中有机物的鉴定对比

随着中人们社会生活水平的提高，香精香料被大量用在化妆品、香水、洗涤用品、除味剂、牙膏、食品饮料、药品等产品中。香精香料在人们的生活中越来越密不可分。但香精生产过程中产生一定量的废水，这类废水里面可能有香料、降解物、衍生物等，成分非常复杂。里面有各种醇、醛、酸、酯、酚、杂环化合物等。香精厂的污水和别的化工厂的污水有所不同，主要是清洗车间设备、容器等带来的各种香料等成分，不能直接排放到市政污水收集管网，必须经过专门处理之后达标才能排放。要想更好的进行香精香料污水的处理净化，就必须了解其组成是什么，那些化合物及其含量情况。本文仅鉴定挥发性、半挥发性有机化合物，未涉及无机物部分。
本文采用吸附搅拌子（SBSE）提取香精香料废水成分，大体积冷却进样口PTV热脱附TDU气相色谱质谱法分析鉴定废水成分；由于香精香料废水的成分极为复杂，无法在一根柱子上面完全分离，多组分共流峰非常多，所有利用Amdis质谱解卷积软件识别拆分共流出色谱峰，得到更纯净的质谱图，更利于下一步质谱检索的工作；并结合保留指数校正使质谱检索结果更为准确。
1试验部分
1.1 仪器与装置
美国安捷伦7890A/5975C气相色谱-质谱联用仪，带有德国Gerstel的MPS TX多功能自动进样系统，德国Gerstel的CIS4大体积分流/不分流进样口和TDU热脱附单元，整合FID检测器，同时带德国Gerstel毛细管柱分流装置。
吸附搅拌子(PDMS, 0.10mmX10mm，Gerstel)。
1.2样品和标样
样品：取自某香精香料工厂的废水原水，用活性菌（微生物）处理后的污水和实验室普通自来水。从下图看出，自来水和处理后的污水是清澈透明，未处理的污水是有点浑浊。

图1 三种水的照片，依次为普通自来水，处理后的污水，污水原水
化合物标准品均来自Sigma-Aldrich等主要试剂公司，少数为实验室内部精制标样。C6-C30正构烷混合标准物来自安谱公司。
1.3GC/MS条件
1.3.1 色谱条件:
色谱柱：安捷伦VF-Waxms (30m×0.25 mm ( i.d.)×0.25μm)毛细管柱；
升温程序：40℃保持2 min，以5 ℃/min升至230℃，保持30 min；
载气（He, 纯度99.999%以上）流速1.8 mL/min;
进样口：PTV大体积冷进样口，温度10℃-250℃， 15℃/S；
TDU：25-200℃, 100℃/min, 不分流，传输线温度：260℃
检测器：FID，氢气：30ml/min, 空气：350ml/min, 尾吹：30ml/min N2, 温度：270℃。
1.3.2质谱条件:
电子轰击（EI）离子源；电子能量70eV；传输线温度280℃；离子源温度230℃；四级
杆温度150℃；SCAN扫描范围：29-500；EMV：1498V。
1.4样品的提取处理及分析方法
样品的提取处理：
精确称取6g左右水样品，加适当内标物（本实验加入100-1000ppb(ug/kg)的内标物。内标物暂不公布），放入磁力搅拌子，提取1小时。用超纯水冲洗干净，用干净的餐巾纸吸干，放入热脱附的小管，运行序列。
在分析样品前，和样品分析完全相同的条件下，用0.05%的C6-C30的正构烷标样注射到GCMS，获得正构烷的保留时间，用于计算保留指数。分析样品后，用软件计算样品各个组分的保留指数，并和标样的保留指数对比来，结合质谱来定性。事先也用同样方法测定标样的保留指数备用。并在相同条件下测定化合物的FID校正因子备用，少数无校正因子的化合物用校正因子为1来进行计算含量。
2 结果与讨论
2.1 实验结果
污水样品如果用一般的液液萃取, 使用溶剂量大，费时间；如果用固相微萃取，难以得到较准确的定量，如果使用固相萃取，时间可能要长一些，步骤多一些。这些提取方法有一定的不足之处，提取效果差，费事耗时，灵敏度低等。用磁力吸附搅拌子（SBSE）提取废水样品，简单方便，灵敏度高，有利于废水里面化合物的提取。
经过热脱附解析后，进入大体积冷阱进样口，进行GC进行分离。用一根毛细管通过分流器分流后分别进入MSD和FID。这样一次同时得到总离子色谱图TIC和FID色谱图两个结果，方便定性和定量。即用GC-MS的TIC定性，GC-FID定量。同时得到TIC和FID的色谱图。
下面为依次为未进行处理污水原水（1），处理后污水（2）和自来水（3）的总离子色谱TIC图：

图2.  未进行处理污水原水的总离子色谱TIC图

图3.  进行处理后污水的总离子色谱TIC图

图4.  普通自来水的总离子色谱TIC图

从上面三种水的总离子色谱图可以看出，污水原水的有机物的成分极为复杂，污水经过活性微生物处理后除内标峰大之外，其它污水原水中绝大部分峰已经消失，极少数峰含量也已经降低到很小了，已经比较“干净”了，而自来水没有什么峰（只有有少量SBSE涂层脱落引起的硅氧烷醇等本底）。

2.2数据处理：
先用Amdis质谱数据解卷积处理质谱数据，减少本底干扰，对共流出峰拆分，提取出大峰下面的峰或隐藏在里面的色谱峰。同时用Amdis的MSL质谱数据库和工作站的PBM（L）质谱数据库检索，并结合保留指数来鉴定峰。所有保留指数均由标准样品测定。极少数没有保留指数的化合物，参照其它资料和以往的经验，在保证良好匹配度的情况下确认。用MS定性鉴定香气化合物，用GC-FID色谱图的内标法来半定量计算含量（少数未测定校正因子化合物采用1作为校正因子计算）。
2.2.1 异构体
许多香料成分异构体或多异构体和杂质，例如佳乐麝香，檀香803，Iso E Super，己基桂醛，二氢茉莉酮酸甲酯等，需要对里面的主峰，主要异构体及杂质分辨提出了，对照原料，最后相加得到总量计算。

图5 部分多组分多异构体成分示例
2.2.2 共流峰
由于香精香料废水的成分极为复杂，无法在一根柱子上面完全分离，多组分共流峰非常多，所有利用Amdis质谱解卷积软件识别拆分共流出色谱峰，得到更纯净的质谱图，更利于下一步质谱检索的工作。
例如21.158min的Allyl Heptoate和Dihydro Myrcenol重合；24.606min的Octanol/Agrumex/isomenthyl acetate在一起；27.131min的butyric acid/oryclone/beta-trans-terpineol/Fragoane在一起;  29.808min也是三个化合物；31.708min三个化合物；41.37min有5个化合物:Cinnamic aldehyde/IPM/Iso E Super 1/Nerolidol/phenylpropyl alcohol等等，总之重叠的峰较多。这些峰需要提取离子分辨或Amdis拆分。下面是部分未分离峰的例子。

图6 部分未分离峰的例子1

图6.1  40.5-40.9min提取离子图

图6.2 40.8-41min提取离子图

图7 部分未分离峰的例子2
2.3污水及处理后河自来水成分对比
从此污水原水中共鉴定出400多种和香精香料有关的有机化合物。里面几乎涵盖日化和食品香精香料相关的主要化合物，里面有各种醇、醛、酸、酯、酚、杂环化合物等，以及衍生物、反应物等。例如芳樟醇、薄荷脑、二氢月桂烯醇、苯甲醛、己酸、乙酸芳樟酯、苯甲酸苄酯、柳酸苄酯、各种内酯、Iso E Super、各种麝香、各种檀香化合物、DEP、苯酚、吡嗪、硫化合物等。含量从不足1个ppb到7个ppm。而处理后的污水的最高含量16种的含量最高的仅几个ppb。而由于篇幅所限，未列出所有化合物。下面是鉴定后标注的污水原水样品TIC。

图8 鉴定后标注的污水原水样品TIC
从上图可以看出，密密麻麻的峰和其名称，许多是共流峰，几个成分在一起。
部分鉴定定量结果快照（由于篇幅所限，未列出所有化合物）：

图9 部分鉴定定量结果快照

表1 污水及处理后和自来水成分对比（top16, 污水含量大于1ppm）

			污水	处理后	自来水
CAS No	化合物名称	RT
2216-51-5	MENTHOL	27.837	7145.106	1.455	0.000
24851-98-7	HEDIONE, TRANS-	48.78	3206.175	2.315	0.000
4180-23-8	ANETHOLE TRANS-	34.347	3149.526	0.000	0.000
334-48-5	CAPRIC ACID	48.406	2953.095	0.000	0.000
118-58-1	BENZYL SALICYLATE	61.47	2204.889	9.105	0.000
84-66-2	DIETHYL PHTHALATE	51.027	2116.605	2.116	0.000
104-67-6	GAMMA UNDECALACTONE	47.882	1882.653	0.000	0.000
100-52-7	BENZALDEHYDE	23.036	1779.655	0.000	0.000
120-51-4	BENZYL BENZOATE	57.601	1776.713	1.962	0.000
124-07-2	CAPRYLIC ACID	41.892	1725.949	3.770	0.000
78-70-6	LINALOOL	24.236	1725.214	0.000	0.000
20298-69-5	AGRUMEX, CIS-	24.606	1600.145	0.044	0.000
18479-58-8	DIHYDRO MYRCENOL	21.158	1574.395	0.000	0.000
	ALLYL AMYL GLYCOLATE P.2	27.837	1513.332	0.000	0.000
115-95-7	LINALYL ACETATE	24.494	1030.714	0.000	0.000
54464-57-2	ISO E SUPER (HM)	41.599	1024.093	3.020	0.000

2.4. 由于此污水样品成分极为复杂，浓度范围宽，从不足1个ppb到7个ppm，处理后污水样的浓度有特别低，必须有灵敏度高简便的提取检测方法。本实验没有使用一般费溶剂耗时的液液萃取,定量难的固相微萃取，已经固相萃取等提取方法。而采用用磁力吸附搅拌子（SBSE）提取废水样品，简单方便，灵敏度高，有利于废水里面化合物的提取。但对于处理后的污水，由于其浓度极低，峰型较好，而对于污水原水的稍有过载，峰型不是很好，应减少样品量或适当稀释来提取可能更好些。