基于微萃取机理的现场样品前处理方法开发及在水环境中重金属污染物形态分析应用研究

Heavy metal pollutants plays an important role in influencing the water environment safety, and the speciation of those pollutants is the key factor that determines their eco-toxicity. However, speciation analysis of such pollutants usually requires collecting large volume of water sample, in addition to tedious and time-consuming sample preparation in the laboratory before instrumental analysis. These limitations blemish monitoring section setting, as well as analysis efficiency of heavy metal pollutants. In this project, we propose the development of an on-field sample preparation method based on microextraction mechanism, using a novel class of green solvents, namely ionic liquids, as extraction solvent, and its application to speciation analysis of heavy metal pollutants in water environment. The extraction mechanism of dispersive liquid liquid microextraction of heavy metal pollutants will be thoroughly explained, including the influence of ionic liquid structure to extraction mechanism. Critical factors that determine the extraction efficiency will be examined and optimized. An on-field sample preparation method will be developed based on microextraction mechanism and applied to speciation analysis of heavy metal pollutants. This method will be systematically evaluated and optimized from aspects including extraction speed, accuracy, reproducibility, sensitivity, and application range. The developed method will be applied to study the identification, concentration, and distribution of heavy metal and organometallic pollutants of representative areas of Changjiang River basin systematically and thoroughly by including more sampling site and collecting more samples. Furthermore, this method is able to provide technical support to comprehensive and accurate study of ecological and healthy risks of heavy metal pollutants.

重金属污染物是影响我国水环境生态安全的重要因素，其赋存形态是决定该类污染物生态毒性效应的关键。然而，重金属污染物形态分析往往需要采集大量水样，返回实验室进行费时费力的样品前处理后方可进行，严重制约了测点布设和分析效率。项目拟利用新兴绿色溶剂离子液体作为萃取溶剂，开发一种基于微萃取机理的高效、快速现场样品前处理方法，并应用于重金属污染物形态分析。项目以萃取机理研究为基础，深入阐明离子液体结构对分散液液微萃取机理的影响，全面优化关键参数，提高对重金属污染物的萃取效率。根据微萃取机理，开发适用于重金属污染物的现场样品前处理方法，并从“快、准、稳、细、广”五个方面对该方法进行评价和优化。该方法将被应用于长江流域代表性水域重金属污染物含量监测和形态分析，为全面、系统开展重金属及有机金属污染物在长江流域代表性区域水体中的污染现状、时空分布特征、不同形态转化规律等方面研究提供技术支撑。

重金属是影响水环境生态安全的重要水化学因素，精确、全面测定重金属污染物在水体中各种存在形态及含量，对于科学、准确地评价其在水环境中的毒性和危害等方面有着重要的意义。本项目以提高砷的萃取效率及萃取机理为目标，深入研究离子液体-碳纳米管复合材料（IL-CNTs）用于砷离子的萃取，重点探索离子液体结构对方法萃取效率的影响，优化关键参数，评价萃取速度、萃取效率等指标，并探索了萃取机理。实验结果显示，当使用含体积较小的阴离子的IL合成IL-CNTs时，该萃取剂具有较好的萃取效率。通过优化温度、pH、IL-CNTs用量等关键萃取条件，IL-CNTs的萃取效率能够达到90%以上。此外，研究发现萃取后IL-CNTs在高温与碱性条件下，砷离子可以脱附，从而达到重复使用的目的。该方法具有较好的萃取效率与经济性，为下阶段现场样品前处理方法的开发奠定了坚实的基础。此外，合成的IL-CNTs还被用于水裂解制氢催化剂的开发。实验结果表明，IL-CNTs的功能化促进了电子转移过程，并表现出良好的氢吸附，从而提高了碳纳米管的电催化析氢反应性能。相关成果展示了该材料在电催化析氢反应中的巨大潜力。同时，磷基IL可以在CNTs上原位形成Fe2P纳米颗粒并改善导电性。这种基于IL的原位制备方法简便、环保，有望在其他电化学研究中得到应用。除砷等重金属外，本项目还将微塑料作为目标分析物纳入研究范围，对长江上游的五个断面进行了调查，以表征微塑料的传输特征。研究发现，在大多数地区，微塑料通量在第一次洪峰到达或之后达到峰值，但在正常或枯水期，微塑料丰度最高。第一次洪峰导致微塑料通量暂时上升，持续时间很短。结果表明，河流微塑料通量具有高度的可变性，并受大坝的影响，在制定监测方案时应予以充分考虑。结合依托单位工作实际，本项目开展了新型高锰酸盐指数快速测定方法的开发。在最佳实验条件下，该方法线性好、线性范围大、检出限低，且标样测定和实际水样加标回收实验重复性好。与传统滴定法相比，该方法自动化、快速，准确度和稳定性提高，避免了环境温度和人为误差。