氣相色譜技術在水環境監測中的應用研究
發布時間：2023-08-08作者：小編來源：點擊：次
中國生態環境狀況公報》發布的數據顯示，2021年全國3 632個國考斷面地表水監測中，劣Ⅴ類占1.2%，水質污染指標主要為總磷、高錳酸鹽和化學需氧量；1 900個國家地下水環境質量考核點位中，Ⅴ類占20.6%，水環境中主要污染物為硫酸鹽、氯化物和鈉。從甘肅省生態環境廳發布的全省14個地級市及蘭州新區地表水環境質量情況來看，全省74個國控斷面劣Ⅴ類占2.7%，高于全國平均水平。全省14個地級市及蘭州新區地表水環境質量與2021年相比，有6個城市水質指數得到改善，9個城市水質變差，其中金昌市水質降低幅度達到21.8%，酒泉市城市水質指數排名第四，改善5.3%。通過對水環境中電導率、色度、BOD、COD、濁度、重金屬含量等指標進行監測，能夠更為全面地掌握水環境質量狀況。隨著生態環保要求的不斷提高，對于水環境質量監測的時效性、準確性要求也越來越高。目前，水環境質量現代化監測技術主要有快速溶劑萃取監測技術、氣相色譜監測技術、遙感監測技術和生物監測技術等等。與其他監測技術相比，氣相色譜技術在水環境質量監測中，監測結果更準確、效率更高，也是目前常用的一種水環境質量監測技術手段。
1 水環境監測方法及項目
生態環境監測的對象包括大氣、土壤、水環境等。其中，水環境監測已經歷40余年的發展，并取得了良好成果。根據監測要求不同，通常將水環境監測方法分為一般監測、自動監測和應急監測。其中，一般監測是指根據《地表水環境質量標準》（GB383-2002）的規范進行監測分析，并規定了一般監測的基本項目（地表水24項）和集中式生活飲用水地表水源地特定項目（80項），并將氣相色譜法作為分析推薦方法；自動監測則根據生態環境部、美國EPA、EU認可的儀器分析法，根據水質自動監測技術標準進行水質監測。根據《國家地表水水質自動監測系統介紹》的相關規定，地表水水質自動監測項目包括水溫、DO、濁度、電導率、高錳酸鹽指數、TOC、氨氮等項目，一般要求4小時采樣一次；應急監測則需要執行《突發環境事件應急監測技術規范》（HJ589-2021），無監測標準的項目則選取等效辦法進行監測。
1992年，原國家環保局提出首要68類水環境有害污染物監測名單，其中58類為毒性有機污染物。近年來，隨著水環境監測工作的開展，發現當前我國水環境污染主要以有機物污染為主，因此在水環境監測項目中提出了優先監測項目，從傳統的重金屬、系統指標監測逐漸轉向毒性有機物監測。1996年頒布的《污水綜合排放標準》在原有監測項目基礎上又新增了30項毒性有機物排放監測內容。由于地表水、集中式生活飲用水、地表水源的不同，監測的項目內容也存在較大差異。自動監測項目中一共有21項監測內容，其中必測項為7類、選測項為14類。“十四五”期間，隨著污染防治攻堅戰的推進，新污染物的問題逐漸凸顯，氣相色譜技術在水環境新污染物監測中也發揮著重要的作用。
2 氣相色譜技術原理及特點
氣相色譜技術（gas chromatography，簡稱GC），是指用氣體作為流動相的色譜法。作為一種新的分離分析技術，在工業、農業、科學研究和生態環境保護領域應用廣泛。氣相色譜技術又分為氣固色譜技術和氣液色譜技術。流動相為氣體，固定相是固體物質的色譜分離方法，即為氣固色譜技術；流動相為氣體，固定相是液體的色譜分離技術，即為氣液色譜技術。氣相色譜技術利用物質極性、沸點及吸附性質的差異，從而達到分離混合物的效果。以水環境監測為例，待分析水樣在汽化室汽化后被載氣（又叫流動相）帶入含有固體或液體的色譜柱，由于待檢測水樣中的組分極性、沸點及吸附性能存在較大的差異，且每種組分都傾向于在流動相、固定相之間形成吸附平衡，由于流動相是流動的，吸附平衡難以建立。流動相的流動使待測水樣中的組分在運動中反復分配或吸附/解吸附，最終在流動相中濃度大的水樣組分最先流出色譜柱，固定相中分配濃度大的組分后流出。檢測器對流出色譜柱的組分進行檢測分析，并將組分轉變為電信號，這種電信號的大小與水樣監測組分濃度值成正比關系，將這些電信號放大并記錄下來，便形成氣相色譜圖。
從氣相色譜技術的原理分析來看，與傳統監測技術相比，該技術應用于水環境污染監測具有分辨率高，選擇性強的特點。氣相色譜法能夠將復雜的水樣分離成若干單組分，便于后期的深度分析；二是分析速度快，靈敏度高。利用氣相色譜技術監測水環境，水樣中的微小含量污染物均可被監測，且與其他監測儀器相比，氣相色譜儀能夠達到更低檢出限，微量及痕量分析效果較好；三是靈活性強，適用范圍廣。利用氣相色譜技術監測水環境，可將極為相近的同位素或同分異構體進行區分，不受水樣污染物組分含量及物質形態的影響。除了水環境監測外，其在固體、氣體監測中的優勢也十分突出。但氣相色譜監測技術也存在一些不足，定量分析監測污染物，需要用已知物純樣校正監測后輸出的信號，定性分析監測污染物時，需要用已知物或已知數據與相應色譜峰比對，或與質譜、光譜監測技術聯用，以獲得更為精準的結果。
3 氣相色譜技術在水環境監測中的應用分析
3.1 水環境中半揮發性有機物監測
苯胺類、多環芳烴類、氯苯類、硝基苯類、鄰苯二甲酸酯類、苯酚類化合物合稱為半揮發性有機物（SVOCs）。半揮發性有機物是飲用水源地常見監測項目，其理化性質差異較大，傳統監測水環境中半揮發性有機物需要消耗大量試劑，工序復雜，耗時較長。近年來，固相萃取技術與氣相色譜技術或氣相色譜-質譜技術聯用對水環境進行監測，可以同時監測水環境中多種半揮發性有機物，具有監測精度高、操作簡便，溶劑使用少等優勢。艾德平等利用氣相色譜-質譜法和液液萃取技術進行富集、萃取，在選取50 mL二氯甲烷萃取劑、萃取10 min、濃縮溫度達30℃優化條件時進行水樣預處理，可同時快速測定飲用水中38種半揮發性有機物，除聯苯胺回收率<70%以外，其余目標物回收率都>70%，最高達117%，監測靈敏度、準確度和選擇性較高
3.2 水環境中營養元素監測
氮磷等營養元素超標也是導致水環境污染的重要因素。水環境中營養元素超標會加劇水體富營養化，消耗水環境中的氧氣，導致水生生物缺氧死亡。因此，通過對水環境中營養元素的監測，及時掌握水環境中氮、磷等營養元素成分及含量，為決策者制定快速應對措施提供參考，有利于水環境的保護。傳統的水環境營養元素監測不僅耗時耗力，還會消耗大量監測試劑，且通常只是監測分析某一單一營養元素，監測效果較差。郭蓮秀等利用頂空-氣相色譜法測定某污水處理廠城鎮生活污水排放中的氨氮含量，選用Agilent7890型氣相色譜儀和美國安捷倫公司的DB-5毛細管柱（30 m×0.28 mm×0.20μm），在加入500μL甲醛，平衡時間10 min，反應溫度40℃條件下，二氧化碳的峰面積達到最高值，加標回收率98.7%～105.46%
3.3 水環境中金屬離子監測
工業生產排放的廢水中含有重金屬離子，經食物鏈在人體內富集很難代謝和降解，危害人們身體健康。因此，水環境中的重金屬離子也是監測的主要項目。傳統的原子吸收光譜法監測水環境中的重金屬元素，無法同時進行多元素分析監測，且監測精度低。與傳統的原子吸收光譜法監測水環境中的重金屬離子不同，氣相色譜技術監測速度快、靈敏度高，廣泛應用于工業廢水等水環境監測。宋萍利用固相微萃取-氣相色譜聯用法監測水環境中的重金屬離子，在溫度控制中采用電壓及PID控制器控制溫度，經試驗對比分析，氣相色譜聯用法誤差率更低、效果更好
3.4 水環境中其他傳統污染物監測
除了可對半揮發性有機物、金屬離子、營養元素等水環境中污染物進行有效監測外，氣相色譜技術還在石油類、酚類、苯胺、氰化物等其他傳統污染物監測方面取得良好效果。張歡燕等利用快速氣相色譜法，通過建立吹掃捕集、液液萃取、超聲溶劑萃取分離富集等技術，在氣相色譜-火焰離子化檢測器分析測定水環境中的總石油烴，監測方法的精密度、準確度良好
4 展望與結語
水環境污染治理離不開監測工作的技術支持，隨著生態環保理念的增強以及生態環境監測技術的發展，氣相色譜技術在水環境中的應用更為廣泛。未來，氣相色譜技術將與微萃取技術、衍生化技術以及質譜技術等聯合應用，且應用更為緊密，能夠進一步發揮復合工藝技術的聯合效應，提升監測技術的精準度。此外，對色譜柱等支持氣相色譜監測技術的相關設備研究越來越重要，可為色譜技術應用提供重要物質保障。計算機信息技術、GPS等信息化、自動化技術的發展，也將推動氣相色譜技術朝著模塊化、芯片化、智能化、小型化的方向發展，在應急水環境監測中的作用發揮更加明顯，為水環境監測提供更為可靠的技術保障。
總之，水是人類賴以生存的重要源泉，也是生命之源。藍天、碧水、凈土是生態環境保護的重要內容。在生態環境保護中，加強水環境監測，為水環境保護提供第一手數據資料，以為水環境污染防治提供指導，使水環境污染治理更具針對性、可操作性。水環境監測需要應用各種先進技術、方法，在具體實踐中要不斷加強對相關技術的完善和改良，發揮技術在水環境監測中的重要價值和優勢，更好地為水環境監測提供優質、高效服務。