柱层析-高效液相色谱测定煤沥青中16种多环芳烃

陈　曦，刘　刚，牛艳霞，申　峻*，李瑞丰，杜建奎，杨志峰，徐青柏

(1.太原理工大学　化学化工学院，山西　太原　030024；2.山西路路佳科技有限公司，山西　太原　030002；3.交通运输部公路科学研究院，北京　100088；4.中国石化抚顺石油化工研究院，辽宁　抚顺　113001)



柱层析-高效液相色谱测定煤沥青中16种多环芳烃

陈曦1，刘刚1，牛艳霞1，申峻1*，李瑞丰1，杜建奎2，杨志峰3，徐青柏4

(1.太原理工大学化学化工学院，山西太原030024；2.山西路路佳科技有限公司，山西太原030002；3.交通运输部公路科学研究院，北京100088；4.中国石化抚顺石油化工研究院，辽宁抚顺113001)

建立了高效液相色谱测定煤沥青甲苯抽提液中16种美国环境保护署(EPA)重点监控多环芳烃(PAHs)含量的方法。以Agilent PAHs色谱柱为分离柱，不同比例混合的乙腈和水作流动相进行梯度洗脱，紫外检测器检测，16种PAHs的线性范围为0.5～20 mg/L，相对标准偏差小于2%，加标回收率为83.7%～98.9%。对两种不同来源的煤沥青进行分析，结果显示，两种煤沥青中16种PAHs的含量分别为107.89 g/kg和103.04 g/kg，其中苯并[a]芘含量分别为11.86 g/kg和13.85 g/kg。该方法可用于不同种煤沥青中致癌性PAHs的准确测定。

高效液相色谱；煤沥青；多环芳烃(PAHs)；柱层析

煤沥青(CTP)即煤焦油沥青，是煤焦油蒸馏提取馏分(轻油、酚油、萘油、洗油和蒽油等)后的残留物，约占煤焦油质量的50%～60%，其加工水平与经济效益对整个煤焦油加工企业至关重要。煤沥青组成极为复杂，已查明的化合物有70余种，主要由大于3环的多环芳烃(PAHs)以及含O，N，S的杂环衍生物和少许直径很小的炭粒组成[1]。一些 PAHs由于具有显著的致畸、致癌、致突变作用[2]，近年来受到关注，其中有16种PAHs被美国环保署(EPA)列为优先控制污染物[3]，但其可在煤沥青中检测到。对于大气、土壤、沉积物中PAHs的分布研究已有较多报道，而关于煤沥青中毒性PAHs的研究较少，因此，建立准确测定煤沥青中致癌性PAHs含量的方法十分必要。

目前，测定PAHs含量的方法有气相色谱法(GC)[4-5]、荧光分光光度法[6-7]、气相色谱-质谱联用(GC-MS)[8-9]和液相色谱法(HPLC)[10-12]等。由于PAHs中有些组分沸点较高，使用气相色谱和气相色谱-质谱联用分析时，高沸点物质的分析温度接近所用色谱柱及气化室的极限温度，缩短了色谱柱和仪器的使用寿命[13]。张秋民等[14]采用甲苯抽提，然后依次用环己烷、甲苯、甲苯和乙醇混合液淋洗柱子，气相色谱分析甲苯淋洗液。程俊霞等[15]采用正庚烷对煤沥青进行抽提，通过柱层析分组后，再依次进行液相色谱分析。但前者只分析了甲苯淋洗液，并不能准确测定煤沥青中的多环芳烃含量，在环己烷淋洗液中也含有大量的多环芳烃；而后者采用正庚烷进行抽提，抽提能力有限。液相色谱柱由于受到长度限制，分离能力有限，而煤沥青中存在着多种高沸点的多环芳烃及杂环化合物，给分离带来了困难，需先利用层析柱进行预分离，故本文采用煤沥青甲苯萃取-萃取物柱层析-层析液分组回收-液相色谱分析的程序，准确测定了CTP中致癌性PAHs的含量。

1　实验部分

1.1仪器与试剂

EC2006高效液相色谱仪(大连伊利特仪器分析公司)，安捷伦PAHs专用柱(ZORBAX Eclipse PAH 46 mm×250 mm，4.6 μm)；RE-52AA旋转蒸发仪(上海亚荣生物仪器有限公司)；真空干燥箱(上海博讯实业有限公司)；电子天平(北京科伟永兴仪器有限公司)。

无水硫酸钠和氯化钠(分析纯)使用前于马弗炉400 ℃烘烤2 h后冷却备用；超纯水、石油醚(分析纯)、二氯甲烷(分析纯)、甲苯(分析纯)、乙腈(色谱纯)均为天津永大化学试剂有限公司产品；层析用硅胶(200～300目)；16种PAHs混标(200 mg/L，美国O2si试剂公司)。CTP样品分别由山西吕梁大土河焦化有限公司(简称吕梁)和山西焦化集团有限公司(简称山焦)提供。

1.2煤沥青样品的抽提

将煤沥青试样研磨过80目筛，50 ℃下真空干燥12 h，放入广口瓶中备用。准确称取1.500 0 g样品置于滤纸筒内，将滤纸筒放入索氏抽提器中，向烧瓶中加入150 mL甲苯进行索氏抽提，至虹吸管内溶剂接近无色(约12 h)，关闭电源，取出滤纸筒，在通风橱风干2 h后，置于120 ℃烘箱干燥4 h，放入干燥器，冷却后称重。抽提液用0.45 μm有机系滤膜过滤，然后用甲苯定容至250 mL备用。

1.3抽提液的柱层析

取10 mL抽提液至鸡心瓶中，在旋转蒸发仪上浓缩近干，加入少量CH2Cl2溶解样品，并将样品转入层析柱(填料：200～300目硅胶，装填高度15 cm，内径2 cm)，进行样品吸附，然后依次用500 mL石油醚、200 mL石油醚-甲苯混合液(1∶1)、200 mL甲苯淋洗，淋洗液依次用试管收集，并对每根试管样品进行薄层层析分析，将样品分成5组(石油醚淋洗液分成3份，混合溶剂和甲苯淋洗液各1份,依次编号为A，B，C，D，E)，将5组样品旋干后在50 ℃下真空干燥12 h，用乙腈定容至10 mL，依次用液相色谱进行分析。

1.4色谱检测条件

根据HJ 478-2009[16]确定液相色谱检测条件，柱温：25 ℃；紫外检测波长：220 nm；进样量：20 μL；流动相为乙腈(A)-水(B)，流量1.2 mL/min；梯度洗脱程序：65%A，保持27 min，以2.5%/min的增量增至100%A，保持至出峰完毕。

2　结果与讨论

2.1煤沥青样品前处理

2.1.1溶剂选择分别选择正己烷、环己烷、苯、甲苯作为溶剂，对吕梁和山焦样品进行抽提。结果表明，甲苯的抽提率最高(高于69%)，正己烷的抽提率最低(低于30%)。煤沥青主要由多环芳烃构成，与甲苯多为同系物，因此溶解性更好，且甲苯沸点最高，抽提温度最高，增强了其抽提能力。苯与甲苯的抽提能力相近(大于63%)，由于甲苯毒性小，故选择甲苯为溶剂。

2.1.2洗脱液的选择煤沥青抽提液中大部分成分为弱极性和非极性芳烃，分别以石油醚、甲苯-石油醚混合液(1∶1)、甲苯、石油醚-乙酸乙酯混合液(1∶1)、乙酸乙酯为洗脱液，对16种多环芳烃标准物质和样品抽提液进行薄层层析分析。结果发现，依次采用石油醚、甲苯-石油醚混合液(1∶1)、甲苯3种溶剂进行洗脱，不但能够对PAHs进行预分离，而且不会过多引入杂质,可最大限度地减小杂峰的干扰，提高分析的准确性。

2.2色谱条件的选择

在“1.4”所示的检测条件下，16种PAHs标准物之间具有很好的分离度，出峰不密集，且在流动相梯度变化过程中减少了出峰，在对实际样品进行分析时，能够尽可能减小干扰。

2.3标准曲线的建立

将标准溶液逐级稀释成20，10，5，2，1，0.5 mg/L系列溶液，采用本方法分别测定5次。以峰面积(Y)对质量浓度(X，mg/L)作图，得到16种PAHs的线性方程、相关系数(r2)、线性范围、相对标准偏差(RSD，10 mg/L浓度)及方法检出限(LOD)(见表1)。由表1可见，16种PAHs的线性范围为0.5～20 mg/L，相关系数(r2)大于0.998，5次平行测定PAHs浓度的相对标准偏差(RSD)均不大于1.2%，表明方法具有良好的精密度。

表1　16种PAHs的线性关系及检出限

2.4实际样品的测定

对5种吕梁煤沥青试样的样品层析液分别进行高效液相色谱分析。图1为组分A以及加标后的色谱图，表2为吕梁煤沥青中5种组分的PAHs质量(μg)和吕梁、山焦两种煤沥青中16种PAHs总量(g/kg)。

图1　吕梁煤沥青柱试样中组分A(A)及加标后(B)的色谱图Fig.1　Chromatograms of component A from Lüliang CTP after chromatographic separation(A) and its spiked sample(B) peak numbers denoted were the same as those in Table 1

根据液相色谱的测定结果，可计算出单位质量吕梁煤沥青中16种PAHs含量(g/kg)。按照上述方法测定山焦煤沥青样品中16种PAHs含量(g/kg)，结果见表2。吕梁煤沥青中16种PAHs的含量为107.89 g/kg，即10.79%，山焦煤沥青中16种PAHs含量为103.04 g/kg，即10.30%，其中苯并[a]芘含量分别为11.86 g/kg和13.85 g/kg，即1.19%和1.38%。

表2　吕梁煤沥青样品中5种组分的多环芳烃质量及吕梁、山焦煤沥青样品中16种多环芳烃的含量

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2.5方法的加标回收率

为了考察柱层析过程中样品的损失和液相色谱的稳定性，对层析过程进行加标回收实验。取一定质量的标准样品配成250 mL的溶液，然后移取10 mL该溶液至层析柱上，用甲苯洗脱，然后对洗脱液定容，采用HPLC平行测定6次，结果见表3。7种多环芳烃回收率为83.7%～98.9%，柱层析过程样品损失较小，结果满意。色谱测定样品峰面积的RSD均小于2%，液相色谱具有良好的稳定性。

表3　柱层析PAHs加标回收率结果

3　结　论

采用柱层析-液相色谱法可准确测定煤沥青中16种致癌性多环芳烃的含量，柱层析分离方法可以吸附杂环芳烃及其他非目标芳烃，减小对液相色谱出峰的干扰，还可实现样品的预分离，增强色谱柱的分离效果。本文建立的方法线性关系好，精密度和准确度高，尤其是对高沸点多环芳烃，测定结果稳定。吕梁和山焦两种煤沥青中16种PAHs的含量分别为107.89 g/kg和103.04 g/kg，其中苯并[a]芘的含量分别为11.86 g/kg和13.85 g/kg。

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Determination of 16 Carcinogenic Polycyclic Aromatic Hydrocarbons in Coal Tar Pitch by Column Chromatography and High Performance Liquid Chromatography

CHEN Xi1,LIU Gang1,NIU Yan-xia1,SHEN Jun1*,LI Rui-feng1,DU Jian-kui2,YANG Zhi-feng3,XU Qing-bai4

(1.College of Chemistry and Chemical Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan030024,China;2.Shanxi Lulujia Science & Technology Co.Ltd.,Taiyuan030002,China;3.Research Institute of Highway Ministry of Transport,Beijing100088,China;4.Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals,China Petroleum & Chemical Corporation,Fushun113001,China)

A new HPLC method was developed for the determination of 16 carcinogenic polycyclic aromatic hydrocarbons(PAHs) which are monitored by the U.S.Environmental Protection Agency(EPA),in the extracts from coal tar pitch(CTP) with toluene.The separation of 16 analytes was performed on an Agilent PAHs chromatographic column,using acetonitrile-water with different ratios as mobile phase by gradient elution.The elute from the column was detected with ultraviolet detector.The linear range of the method was in the range of 0.5-20 mg/L,and the recoveries of 16 PAHs were in the range of 83.7%-98.9% with relative standard deviations(RSDs) less than 2%.The method was applied in the detection of 16 PAHs in two sources of CTPs .The results showed that the contents of 16 carcinogenic PAHs in two CTPs were 107.89 g/kg and 103.04 g/kg,and the benzo[a]pyrene contents in two CTPs were 11.86 g/kg and 13.85 g/kg,respectively.Experiments showed that this method could be applied in the determination of 16 carcinogenic PAHs in different kinds of CTPs with satisfactory results.

high performance liquid chromatography(HPLC)；coal tar pitch；polycyclic aromatic hydrocarbon；column chromatography

2015-11-17；

2016-01-13

交通运输部公路科学研究院道路结构与材料交通行业重点实验室(北京)开放基金(KF201401)；山西省科技攻关项目(20150313014-4)；中国石油化工股份有限公司资助项目(115084)

申峻，博士，教授，研究方向：煤化工，Tel：0351-6018554，E-mail：shenjun1971@sina.com

doi:10.3969/j.issn.1004-4957.2016.07.018

O657.72;O625.15

A

1004-4957(2016)07-0878-05