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总有机碳TOC对比紫外吸收—与体积排阻色谱SEC连用

发布日期:2021-09-06 13:20:30 发布人员: 浏览次数:19

简介

体积排阻色谱法(SEC,Size Exclusion Chromatography)是将样品分子按照尺寸大小来分开的分析方法。流动相以填充有多孔珠状材料的色谱柱来承载样品分子,样品分子可以在孔和空隙(即填充物周围的空间)之间自由移动1。小分子在孔空间中停留的时间较长,大分子在孔空间中停留的时间较短,因此能够按照分子的大小将其分开1

SEC系统可以方便地同其它监测方法(如TOC、吸光度、荧光检测等)搭配使用2-4,结果数据显示分子量(MW,Molecular Weight)与强度(即TOC浓度、吸光度、荧光特征)的详细比较色谱图,可以用来表征有机物(OM,Organic Matter),并帮助我们深度了解水处理工艺2-4


有机物和分子尺寸

在批量水处理工艺中,需要测量TOC和吸光度来满足法规要求,但这些技术只能将有机物的复杂性简化成单一数据点,来代表批量水系统的成分5。而实际上水中的有机物由许多复杂分子组成,分子大小和分子量都差别很大,从小于500道尔顿到大于2万道尔顿2-5。人们按照分子量来分类有机分子,例如最大分子量的分子为生物分子(分子量大于2万道尔顿)2,中等分子量的分子为腐殖物分子(分子量为500-3000道尔顿)6有机分子的大小决定了其某些性质,例如能否反应产生消毒副产物,以及是否易于在水处理过程(即膜过滤、凝聚)中被去除2-4


SEC搭配TOC和吸光度检测

在过去的几十年,有机物的SEC分析法越来越流行。如今SEC分析法已广泛用于研究和工业领域。早期的SEC分析法用紫外吸光度作为主要检测方法2-4。但吸光度仅适用于发色分子,而大量的非发色有机物无法被吸光度检测到,从而导致人们对水质的误判3,4

近年来,SEC分析法采用TOC作为检测方法。SEC和TOC搭配使用,能够检测出给定样品中的所有有机物3,4。就像批量水分析一样,将SEC-TOC数据同SEC-吸光度数据一起使用,就能得出有机物性质的信息(即有机物中的脂肪族与芳香族的比例)2-4


SEC-TOC-吸光度的工业用途

有机物的SEC分析提供了有关有机物表征和水处理工艺效果的详细数据。不同的水处理过程会对不同分子量和类型的有机分子产生不同的处理效果3,4,因此上述数据极具实用价值。例如膜过滤只能去除大于特定分子量的有机分子,凝聚能从腐殖质中去除芳香族分子(即发色分子),臭氧氧化能将较大的芳香族分子分解为较小的脂肪族分子。

与批量水分析相比,在监测水处理过程中的有机物变化方面,SEC分析具有明显优势。有机物表征能够帮助我们预测和确认处理工艺对水中的特定有机物的处理效果,以及哪种处理工艺最有效3,4。下文“性能数据”部分中的示例显示了用SEC分析来表征有机物并跟踪水处理过程中有机物含量变化的能力。


解决方案

Sievers® M9 TOC分析仪有在线运行模式,可以作为检测器同HPLC-SEC系统搭配使用。


优点

●样品制备和仪器操作便捷

●SEC-TOC系统可以与其它类型的检测器(如吸光度、荧光特征等)搭配使用,一次运行即可获得多组数据

●结果数据显示分子量与 TOC 的详细色谱


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性能数据

下面是用HPLC-SEC来表征有机样品和水处理工艺效果的示例。用HPLC-SEC系统搭配吸光度(Agilent 1260 Infinity II多波长检测器)和TOC(Sievers M9 TOC分析仪)来分析样品。本文着重讨论结果数据所显示的几个要点。


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水处理工艺的效果

以下是来自水处理厂的示例数据。在示例中,水经过凝聚,然后经过膜过滤。表2中显示了同一样品的批量水分析数据。图1a和b显示了SEC分析的色谱数据。


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讨论

●SEC-TOC和SEC-紫外色谱图看上去不同,这是因为SEC-TOC检测所有有机分子中的总碳浓度,而SEC-UV只检测吸收光的有机分子(即发色有机物,只占总有机物中的一部分)。

●SEC色谱图将一维的批量水数据点扩展为分子量与 TOC 或紫外吸光强度的详细显示。我们无法从批量水分析中得到其它具体结论。

●两个主要的分子量峰值部分(见图1a中的“峰值 1”和“峰值 2”)代表有机物。

●峰值1位置的有机物吸光度较弱,基本上属于脂肪族。峰值2位置的有机物吸光度较强,基本上属于芳香族。凝聚去除峰值1和峰值2的有机物。

●凝聚只去除峰值2的发色有机物(即芳香族分子)。 

●膜过滤只去除峰值1的有机物,由此可知峰2的有机分子小于本研究中所采用的膜过滤分子量截止值。 


臭氧处理的效果

本文还显示了用臭氧在2个剂量下(从“剂量1”增加到“剂量2”)处理有机物的示例。我们用前面示例中所描述的SEC系统进行分析。表3、图2a和2b列出了结果数据。


讨论

●臭氧处理可以分解高分子量的有机物,产生低分子量的有机物。

●随着臭氧用量的增加,产生的处理效果增强。

●新产生的分子位于约1000道尔顿的独特峰值处。

●臭氧处理破坏发色分子(即芳香族分子)。

●不产生新的发色分子(即芳香族分子)。

●新产生的低分子量分子(峰值在约1000道尔顿处)是脂肪族分子(不吸收紫外线)。


结论

SEC-TOC分析对分析有机物非常有用,能够大大扩展从批量水分析中得到的数据。分析结果提供了分子量与TOC的详细比较色谱。此分析系统可以方便地与其它类型的检测器(如紫外吸光度检测器)搭配使用,结果数据可用于表征有机物,帮助我们深入了解水处理过程,优化水处理工艺。Sievers M9 TOC分析仪可以以在线模式来进行SEC检测,实现更好的水处理工艺的表征和控制。


参考文献

1. Striegel, A. M., Yau, W. W., Kirkland, J. J., & Bly, D. D. (2009). Modern size-exclusion liquid chromatography: Practice of gel permeation and gel filtration chromatography. Hoboken, NJ: Wiley. 

2. Her, N., Amy, G., McKnight, D., Sohn, J., & Yoon, Y. (2003). Characterization of DOM as a function of MW by fluorescence EEM and HPLC-SEC using UVA, DOC, and fluorescence detection. Water Research, 37(17), 4295-4303. doi:10.1016/s0043-1354(03)00317-8 

3. Her, N., Amy, G., Foss, D., Cho, J., Yoon, Y., & Kosenka, P. (2002). Optimization of Method for Detecting and Characterizing NOM by HPLC−Size Exclusion Chromatography with UV and On-Line DOC Detection. Environmental Science & Technology, 36(5), 1069-1076. doi:10.1021/es015505j 

4. Allpike, B. P., Heitz, A., Joll, C. A., Kagi, R. I., Abbt-Braun, G., Frimmel, F. H., . . . Amy, G. (2005). Size Exclusion Chromatography To Characterize DOC Removal in Drinking Water Treatment. Environmental Science & Technology, 39(7), 2334-2342. doi:10.1021/es0496468 

5. Chin, Y., Aiken, G., & O'loughlin, E. (1994). Molecular Weight, Polydispersity, and Spectroscopic Properties of Aquatic Humic Substances. Environmental Science & Technology, 

28(11), 1853-1858. doi:10.1021/es00060a015 

6. Perdue, E.M., Ritchie, J. D., (2003). Dissolved Organic Matter in Freshwaters. In H. D. Holland, K. K. Turekian, Treatise of Geochemistry (pp. 273-318). Elsevier Science. 

7. Leenheer, J.A. (2009). Systematic Approaches to Comprehensive Analysis of Natural Organic Matter, Annals of Environmental Science, 3, 1-130 

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