强酸性电解水降解对硫磷动力学模型及降解产物研究

2018-07-11乌云达来郝建雄刘海杰

食品工业科技 2018年12期

乌云达来,梁铎,郝建雄,刘海杰

(1.呼和浩特民族学院环境工程系,内蒙古呼和浩特 010051;2.河北科技大学生物科学与工程学院,河北石家庄 050018;3.中国农业大学食品科学与营养工程学院,北京 100083)

对硫磷(Parathion,O,O-二乙基-O-4-硝基苯基硫代磷酸酯)是我国使用较为广泛的一种有机除虫药剂。对硫磷属于高毒类有机磷农药,能抑制乙酰胆碱酯酶,使乙酰胆碱积聚,从而引起神经功能紊乱,导致机体损害或死亡[1]。尽管对硫磷等有机磷类高毒农药从2007年1月1日起被全面禁止使用,并于2008年初全部停止生产[2]。个别地区使用高毒、高残留农药而造成急性中毒事件时有发生[3-5]。因此,探索如何降低或降解果蔬中农药残留成为亟待解决的问题。

近几年,酸性电解水(Electrolyzed oxidizing water,EOW)作为一种新型消毒剂已广泛应用于农业、牙科、医疗以及食品工业上[6]。EOW一般分为强酸性电解水(Strong acidic electrolyzed water,AcEW,pH<3.0)和微酸性电解水(Slightly acidic electrolyzed water,SAEW,pH为5.0～6.5)。EOW因容易制备、生产成本低、对人体和环境无害等特点[7],在消除降解果蔬农药残留领域,具有广阔的应用前景。研究证明EOW具有消除农药残留的效果。郝建雄等[8-9]研究显示,有效氯质量浓度(available chlorine concentration,ACC)为70 mg/L的AcEW可以在30 min内降解蔬菜表面的乙酰甲胺磷、氧化乐果、敌敌畏59%～70%以上。Lin等[10]用50 mg/L ACC的AcEW和碱性电解水清洗各种蔬菜的甲胺磷和乐果,其降解率范围为5.2%～89.3%。尽管大量的研究证实了EOW降解农药的效果,但对有机磷农药的降解规律、降解产物及降解途径的研究却鲜有报道。

因此本研究以对硫磷为研究对象,进一步深入研究AcEW对对硫磷的降解规律和分析其降解产物。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

对硫磷标准品(1.0 mg/mL) 由中国计量科学研究院提供;乙腈、甲醇、二氯甲烷、丙酮 DIKMA公司生产,分析纯。

CE-7001强酸性电解水发生装置广州赛爱环境保护技术开发有限公司;GC/MS-QP2010气质联用色谱仪岛津公司;CNWBOND HC-C18固相萃取柱(500 mg/3 mL)、HP-5MSUI色谱柱惠普公司;Thermo Orion 5 star型pH/电导率/ORP综合测试仪 Thermo公司;RE-52AA旋转蒸发器上海振捷实验设备有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 AcEW的制备 AcEW的制备方法参照乌云达来等的方法[11],并稍作改进。在不同发生条件下从电解水发生器产生的强酸性电解水(AcEW),使用稀HCl调节pH达到所需pH,通过蒸馏水稀释方法获得实验所需的有效氯浓度(ACC)。制备所得电解水的理化指标见表1。

表1 电解水理化指标Table 1 Chemical parameters of different electrolyzed water

1.2.2 对硫磷的降解实验取5.0 mL不同理化指标的酸性电解水,加入100 μL对硫磷(100.0 mg/L),使溶液中的最终农药达到约2.0 mg/L,在漩涡振荡器中漩涡振荡5 s,静置至指定反应时间,然后立即加入0.5 mmol/L的硫代硫酸钠100 μL,振荡30 s,终止其降解反应。降解实验结束后经固相萃取提取、净化,通过气相色谱仪测定农药残留量。

1.2.3 AcEW降解对硫磷产物分析采用上述1.2.2的方法,使用AcEW(pH2.8、ACC 10 mg/L)对初始浓度为2 mg/L的对硫磷进行了降解实验,并在反应时间为1 min和10 min时取样,经GC-MS分析降解产物。

1.2.4 有机磷农药的提取与净化有机磷农药的提取及净化,采取固相萃取方法。参照NY/T 761-2004以及Yao等的方法[12],并略作改进。CNWBOND HC-C18固相萃取柱(500 mg/3 mL)依次用5.0 mL乙腈、5.0 mL甲醇和10.0 mL水预处理,将样品用0.1 mol/L HCl调节pH到2.0,取样品溶液过固相萃取柱,过完柱后真空干燥柱30 min,用5 mL的甲醇洗脱2次,收集洗脱液。洗脱液减压浓缩,用二氯甲烷定容至1.0 mL作为供试品溶液。

1.2.5 指标检测方法 AcEW样品的pH和氧化还原电位(oxidation reduction potential,ORP)采用Thermo Orion 5 star型pH/电导率/ORP综合测试仪(Thermo 公司)进行测定,ACC 采用碘量法进行测定[13]。对硫磷的检测和对硫磷降解产物的分析参照NY/T 761-2004采用气相色谱-质谱联用(GC-MS)方法进行。气相色谱检测条件为:色谱柱HP-5MSUI(长度30 m,直径0.25 mm,壁厚0.25 μm);载气:高纯氦气(99.999%);柱流量:1.5 mL/min,采用恒压控制模式;进样量:1.0 μL,进样方式:不分流进样;进样口温度230 ℃;色谱柱升温程序:35 ℃初温保持1 min,8.0 ℃/min的速度升至190 ℃,再2.0 ℃/min的速度升至220 ℃,20 ℃/min的速度到280 ℃,保持1.63 min。质谱条件:电子轰击离子源(EI),单四级杆质量分析器,离子源温度200 ℃,接口温度250 ℃;检测方式:全扫描,扫描质量范围40～400 m/z。

对硫磷残留率的计算方法:

1.3 降解动力学模型的建立

一级动力学模型在总体上描述了农药降解的一般规律[14-15]。在模拟的水溶液内AcEW降解有机磷农药的体系中,假设AcEW和水中的有机磷农药是符合Hamaker模型[16]的,即反应主要和农药浓度、AcEW所含的ACC有关。则化学反应的关系式可以表示为:

OP+AcEW→product(s)

式(1)

公式(1)中,OP表示有机磷农药(Organophosphorus Pesticide,OP),AcEW表示强酸性电解水。根据Hamaker公式,在反应过程中的有机磷农药的反应速度可以表示为:

式(2)

即二级反应动力学方程(公式2)。其中,kapp是降解反应的二级动力学速率常数,[OP]是有机磷农药的浓度,而[HOCl]是AcEW中的ACC。如果AcEW中的ACC的总量远远超过农药的总量(过量),在一定时间内其ACC保持不变,则反应变成一级反应。对方程(2)积分后可得公式(3):

(d[OP])/dt=-kapp[HOCl][OP]

式(3)

式(4)

kobs=kapp[HOCl]

式(5)

可以看到,以t对ln([OP]t/[OP]0)作图可以得到一条直线,该直线的斜率为kobs(公式4),即:一级动力学模型的速率常数(公式5)。

从公式(5)和公式(6)可以推算得到公式(7)。

HOCl→H++OCl-

式(6)

式(7)

1.4 数据处理

数据处理采用SPSS 16.0软件(Statistical Product and Service Solutions,SPSS)。每组实验重复三次,结果以平均值±标准差表示。处理间差异采用邓肯氏(Duncan’s test)多重比较,显著性水平为p<0.05。

2 结果与分析

2.1 模拟水溶液中不同AcEW对对硫磷的降解效果

如图1所示,在3种不同ACC的AcEW溶液中,随着时间延长,对硫磷含量均不断降低,降解效果也明显升高。当反应时间到5 min时,除了2 mg/L ACC处理组以外,5 mg/L和10 mg/L ACC处理中对硫磷的降解率已达到99%以上。AcEW对对硫磷的降解效果还与ACC有直接关系。在反应时间为1 min,反应温度为(23±1) ℃条件下,随着ACC增加AcEW对对硫磷的降解效果也增加,当ACC为2 mg/L时,AcEW对对硫磷的降解率为45.4%;ACC为5 mg/L时,降解率为68.2%;当ACC达到10 mg/L时,对降解率已达到92.0%以上。因此,AcEW对对硫磷的降解作用与其自身的ACC浓度和反应时间有直接关系。

图1 AcEW在水溶液内对对硫磷的降解效果(23±1 ℃)Fig.1 Effect of AcEW treatment on the degradation of parathion in a model system(23±1 ℃)

2.2 模拟水溶液中不同AcEW对对硫磷的降解效果

2.2.1 一级动力学模型的建立在AcEW降解对硫磷的实验中,对硫磷的初始浓度为2 mg/L(6.8 μmol/L),ACC为2 mg/L(38 μmol/L)。AcEW的ACC与对硫磷的摩尔浓度比例为5.58∶1,有效氯已相对过量,满足了一级动力学反应模型的条件。以ln([OP]t/[OP]0)对反应时间t(min)作图,并且根据公式(4)计算斜率,即为一级动力学速率常数(kobs)。AcEW 降解对硫磷的一级动力学模拟图如图2所示,其反应方程式为:

图2 AcEW降解体系中对硫磷的一级动力学模型图(23±1 ℃,ACC 2 mg/L)Fig.2 The first order kinetics of parathion in AcEW(23±1 ℃,ACC 2 mg/L)

经统计软件分析,对硫磷在该条件下反应速率常数为kobs=0.594±0.029 min-1(或9.9±0.39 s-1),决定系数R2为0.972,该条件下的半衰期为T1/2=1.16 min(或70.1 s)。

2.2.2 二级动力学模型的建立由公式(4)和(5)中看出一级动力学速率常数kobs=kapp[HOCl],因此kobs随着AcEW的ACC的不同而变化。结果显示,对硫磷在不同ACC的AcEW(23±1 ℃,pH2.8)的降解效果遵守一级动力学模型(见图3),并且随着ACC的增加其一级动力学速率常数Kobs也有所增加。2、5、10 mg/L ACC相对应的Kobs分别为(9.90±0.39)×10-3、(17.61±2.03)×10-3、(38.46±1.45)×10-3s-1(见表2),并且其相对应的半衰期分别为70.0±6.0、39.4±1.4、18.0±1.0 s。

表2 AcEW降解对硫磷的一级动力学参数(23±1 ℃)Table 2 Linear model for the degradation kinetics of parathion in AcEW(23±1 ℃)

图3 不同ACC的AcEW降解对硫磷的一级动力学模型图(23±1 ℃)Fig.3 Degradation kinetics of parathion fitted to the linear model in different ACC level AcEW(23±1 ℃)

由公式(6)和公式(7)可以得出,kapp与pH有直接关系。Acero等[18]、Duirk等[19]在使用次氯酸盐降解有机磷农药时发现,每个pH都有相应的kapp,并计算出了每个pH的kapp值。在pH6.0～9.0之间,随着次氯酸盐溶液pH的增加,其kapp值相应减少。即次氯酸盐溶液在ACC相同情况下,随着溶液pH降低,其降解效率增加。在本次实验中,以kobs作为Y轴,以ACC作为X轴作图,进一步考察其线性关系,如果有线性关系,可认为反应符合二级动力学模型,其斜率就是二级动力学速率常数kapp。结果显示,ACC与kobs之间具有线性关系(图4),并且AcEW在(23±1) ℃、pH2.8条件下对对硫磷的降解反应中,其二级动力学速率常数kapp=(217.9±7.6)M-1S-1,R2=0.991(表3)。

图4 ACC与Kobs的关系(23±1 ℃)Fig.4 The Relationships of ACC and kobs(23±1 ℃)

表3 AcEW降解对硫磷的二级动力学参数(23±1 ℃)Table 3 The second order kinetics parameters of pesticides(23±1 ℃)

根据二级动力学速率常数kapp,可以推测出对硫磷在pH2.8 AcEW中的二级动力学方程为:

2.3 对硫磷的降解产物分析

初始浓度为2 mg/L对硫磷经过pH2.8、ACC 10 mg/L AcEW降解后,当反应时间1 min的总离子流见图5,图中除了对硫磷以外还有发现4-硝基苯酚和对氧磷。对硫磷、4-硝基苯酚、对氧磷的保留时间分别为26.913 min、18.291 min和25.191 min。经NIST 05质谱库验证确定为对硫磷、4-硝基苯酚和对氧磷(匹配度>90%)(图6～图8)。与1 min的情况相比,反应10 min时总离子流中没有发现对硫磷(图9),说明对硫磷已经降解完毕,并且降解物4-硝基苯酚和对氧磷的含量明显增加。4-硝基苯酚和对氧磷的保留时间分别为18.288 min和25.185 min。经NIST 05质谱库验证确定为4-硝基苯酚和对氧磷(匹配度>90%)。

图5 对硫磷降解产物总离子流图(AcEW,ACC 10 mg/L,反应时间 1 min)Fig.5 The TIC spectra of parathion(AcEW,ACC 10 mg/L,Treat time 1 min)

图6 对硫磷质谱图(RT=26.913 min)Fig.6 GC/MS spectra of CPO(RT=26.913 min)注：A:实际检测质谱图,B:NIST 05质谱库数据。

图7 4-硝基苯酚质谱图(RT=18.291 min)Fig.7 GC/MS spectra of 4-nitrophenol(RT=26.913 min)注：A:实际检测质谱图,B:NIST 05质谱库数据。

图8 对氧磷质谱图(RT=25.191 min)Fig.8 GC/MS spectra of paraoxon(RT=25.191 min)注：A:实际检测质谱图,B:NIST 05质谱库数据。

图9 对硫磷降解产物总离子流图(AcEW,ACC 10 mg/L,反应时间 10 min)Fig.9 The TIC spectra of parathion(AcEW,ACC 10 mg/L,Treat time 10 min)

关于对硫磷在各种降解方法中产生的降解产物4-硝基苯酚和对氧磷的报道有很多。Duirk等[19]在研究次氯酸盐降解有机磷农药规律时认为对硫磷降解后会产生对氧磷;Wu等使用紫外和紫外/H2O2处理对硫磷时发现了共8种降解产物,其中4-硝基苯酚和对氧磷的含量最高[20];Yao等[21]超声波处理对硫磷后分析其降解产物,检测到的10种降解产物中4-硝基苯酚和对氧磷的含量最高,分别占母体对硫磷总量的20%和10%。在臭氧降解对硫磷的研究中对氧磷也是主要的降解产物[22]。

农药的降解过程中是很复杂的化学过程,本实验的总离子流图里发现了很多降解产物,但某些成分因无法确定其化学结构,未能在本论文里进行详细讨论。有些降解产物可能在提取过程中因不易溶于提取溶剂或在其它提取过程中被流失,从而在质谱分析中可能会出现响应值较低或没有响应。

2.4 降解途径分析

AcEW的主要有效成分为HOCl,HOCl具有很强的氧化性和亲电子性质[19,23]。AcEW是通过电解NaCl溶液而产生的,电解过程中除了产生HOCl,还产生·OH等自由基,在AcEW的杀菌机理方面Koseki[24]等和Xiong[25]等明确了AcEW中的有效氯,主要是HOCl所产生的·OH是杀灭微生物的主要物质;虽然臭氧也可以产生·OH,但高HOCl浓度的AcEW所产生的高含量·OH相比臭氧溶液是更为有效的杀菌物质。

光催化降解有机磷农药过程中·OH攻击有机磷农药的P=S键而把原来的P=S键转换成P=O键,这是光催化降解有机磷农药的一个反应特性[26-27]。Davi等在紫外线/太阳光催化降解毒死蜱的研究中认为其降解产物由·OH引起的[28]。在AcEW降解农药是个复杂的化学反应过程,作者认为AcEW把对硫磷降解成对氧磷和对硝基苯酚可能与HOCl和·OH共同参与的结果。如下为对硫磷在AcEW中降解途径的假设(图10)。

图10 对硫磷在AcEW中的降解途径假设Fig.10 Proposed degradation pathways of main parathion in AcEW

首先从对硫磷到对氧磷的途径,可能有两种途径;一是HOCl的作用而产生对氧磷[17],即HOCl攻击(1)的P=S键,把-H加到S上,-OCl加到P上,然后进一步反应产生含磷-硫-氧环的中间产物(4),产物(4)丢失S而产生对氧磷(5);另一个产生对氧磷的途径可能是·OH的作用而引起的[24,29],即·OH攻击(1)的P=S键,-OH加到P上,产生中间产物(3),中间产物(3)进一步脱氢产生磷-硫-氧环的中间产物(4)。