含铅PVC排水管在不同介质中铅的溶出研究
2020-12-21禄春强温世强王国雨
万 峰，禄春强，孙 衎，温世强，王国雨
(上海市质量监督检验技术研究院， 上海 201114)
0 前言
聚氯乙烯(PVC)排水管件/材在生产加工过程中，需要加入一些加工助剂，如填充剂、稳定剂、润滑剂、增塑剂、阻燃剂等。其中，使用量较大的添加剂是稳定剂和增塑剂，铅作为较廉价的稳定剂被大量的使用在PVC排水管产品中[1]。
虽然通过这些PVC排水管的液体不会被人们直接饮用，但是这些液体排入下水系统中，其中的有害物质也会迁移至外环境，造成污染，最终影响人体健康[2]。因此有必要对PVC排水管中铅元素的浸出情况进行研究。
笔者选取3种铅含量的PVC排水管，分析铅浸出情况，为研究其造成的环境影响提供数据参考。
1 实验部分
1.1 实验试剂
铅单元素储备溶液：质量浓度为1 g/L，国家有色金属及电子材料分析测试中心；
硝酸、硫酸、过氧化氢、盐酸与氨水：优级纯，国药集团化学试剂有限公司；
5%(质量分数)次氯酸钠溶液、无水氯化钙、无水碳酸氢钠：优级纯，国药集团化学试剂有限公司；
超纯水：电阻率不小于18.2 MΩ·cm，自制。
1.2 实验介质及配制
模拟酸雨溶液：参照上海市浦东新区近年酸雨情况[3]，取0.011 mL浓硝酸及0.018 mL浓硫酸加入20 L超纯水，摇匀，使用5%(体积分数)稀氨水及1%(体积分数)稀硝酸调节pH至4.38。
4%(体积分数，下同)乙酸溶液：依据GB 31604.1—2015 《食品安全国家标准 食品接触材料及制品迁移实验通则》及GB 5009.156—2016 《食品安全国家标准 食品接触材料及制品迁移实验预处理方法通则》，选用较为严苛的食品模拟物，即4%乙酸为浸出液，其pH约为2.40。
模拟自来水：按照GB/T 17219—1998 《生活饮用水输配水设备及防护材料的安全性评价标准》配制人造自来水，其pH约为8.00。
1.3 仪器和设备
电子天平：ML204T型，梅特勒-托利多国际贸易(上海)有限公司；
微波消解仪：MARS6型，美国CEM公司；
电感耦合等离子体光谱仪：7300DV型，珀金埃尔默股份有限公司。
1.4 实验方法
截取PVC排水管，用自来水冲洗干净晾干，使用洁净的橡皮塞塞住一端，分别使用3种溶出介质灌装入管内，确保不泄漏后使用封口膜密封，于室温下静止。分别于灌装后1 d、2 d、4 d、8 d及16 d测试溶液中铅含量。
2 结果与讨论
2.1 PVC排水管中铅含量
使用微波消解法消解，电感耦合等离子体发射光谱测试3个批次PVC排水管中的铅含量[4]，结果见表1。
表1 样品铅含量分析结果
由表1可知：3个样品铅含量均超过GB/T 5836.1—2018 《建筑排水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管件》中铅的限量要求，其中1号样在限量要求200 mg/kg附近范围，2号样品铅含量较多，3号样品铅含量为日常测试中的最高值。
2.2 溶出测试结果
分别以模拟酸雨、4%乙酸及模拟自来水对3个批次的PVC排水管进行溶出实验，经过16 d的浸泡，铅在各时间点的溶出质量浓度见表2。由表2可以看出:在4%乙酸溶液中铅的溶出质量浓度最高可达6.546 mg/L。我国针对污水排放中重金属限制的标准有GB/T 31962—2015 《污水排入城镇下水道水质标准》及GB 25466—2010 《铅锌工业污染物排放标准》，对铅排放最严格的限量分别为0.5 mg/L及0.2 mg/L。
表2 溶出铅浓度分析结果 mg/L
2.3 结果分析
2.3.1 铅溶出量随时间及铅含量变化的规律
3种溶出介质中各批次的PVC排水管铅溶出量随时间变化趋势见图1。
铅的溶出量在整个实验周期随着浸出时间变化而显著递增，且PVC管中铅含量越高，铅的溶出量越大。这符合菲克定律：在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质流量与该截面处的浓度梯度成正比，即浓度梯度越大，扩散通量越大。
(a) 模拟酸雨
2.3.2 铅溶出速率随时间变化的规律
3种溶出介质中铅溶出速率的变化规律见图2。
(a) 模拟酸雨
3种溶出介质中铅的溶出是持续性的，其溶出速率在整个溶出周期中逐渐减小，这可能是由于溶出初期铅快速从PVC排水管表面解吸脱附进入溶液，在经过一段时间溶出介质中铅离子增大而PVC排水管接触表面铅减少，从而导致溶出速率减小[5-6]。
2.3.3 铅溶出量与溶出介质的关系
3号样品在各溶出介质中铅溶出质量浓度见图3。
图3 3号样品在各介质中铅溶出质量浓度的变化规律
3种溶出介质(模拟酸雨、4%乙酸及模拟自来水)的pH分别为4.38、8.00、2.40。理论上pH会影响重金属的有效态，pH越低溶出能力越高。此次实验中pH最高的4%乙酸对铅的溶出能力最高，而模拟酸雨和模拟自来水的溶出能力并无明显差异。这可能是由于酸雨中存在硫酸根离子，25 ℃时，硫酸铅的溶解度为4.25 mg/(100 mL)，远低于氯化铅的溶解度(5.85 g/(100 mL))及醋酸铅的溶解度(44.30 g/(100 mL))，可见由于硫酸根对铅离子溶出存在抑制作用，导致了此次实验结果。
3 结语
通过对3种铅含量PVC排水管分别在三种溶出介质中铅溶出量进行测试，结果表明：PVC排水管的铅含量越高，其铅的溶出量也越高；含有高含量铅的PVC排水管在整个使用周期会释放一定量的铅，对整个排水系统及环境造成影响；此外，在整个溶出过程中，铅溶出的速率迅速递减。
