学文网摘要：以光谱法在饮用水腐植酸的检测应用比较为核心，通过臭氧对腐植酸的作用探讨了各种光谱法检测方法的差异。考察了腐植酸在光谱下的特征吸收峰，然后以TOC、UV280、UV254和UV250/UV365为指标，比较了不同臭氧氧化时间对于溶液中腐植酸芳香性、分子大小、有机物浓度等各方面的效果与差异。研究结果表明：臭氧作为氧化剂对水中溶解性腐植酸有一定的效果，对于UV254所代表的芳香性与TOC检测的一致性较好；UV250/UV365的结果显示臭氧并不能将腐植酸的大分子充分降解，与TOC、UV254一致性较好；UV280与其他指标一致性较差。臭氧预氧化在效果稳定性、反应迅速性和安全性方面有优势，适宜作为自来水预氧化工艺，对于5g/h的臭氧产量，在100mL的浓度为20mg/L的腐植酸溶液，其臭氧氧化时间取100～120s最佳。
关键词：光谱法；腐植酸；臭氧；自然水体
1 引言
腐植酸（HA）在自然界很难被降解，天然水中HA 占总有机物含量的50%～90%，（以总有机碳TOC计），是饮用水中三卤甲烷的前驱物。近年来，随着自来水原水污染的加剧和水质标准的提高，具有安全有效无副产物的部分高级氧化在自来水的深度处理中越来越广泛地得到应用，尤其以臭氧氧化研究较多。研究表明臭氧能大幅度降低三卤甲烷生成能（THMFP） [1]，同时改善水中有机物的生化降解性能。而金鹏康等[2]认为腐植酸的总有机碳（TOC）浓度在整个臭氧化过程中不发生变化，仅有机物的结构发生了显著改变，改善了腐植酸的生化降解性能。黄国忠等[3]发现活性炭催化臭氧氧化可较好地去除水中的腐植酸，对腐植酸和COD的去除率分别为64.9% 和40.8%。但反应受水样pH的影响较大。
腐植酸由于分子量介于1000～3000之间，且属于一类化合物而非单组份的物质，普通气象色谱法无法检测其浓度，造成其定量和定性分析测试都很难普及。光谱学测试具有样品预处理简单、操作简便、灵敏度高等优点，因此被越来越广泛地用于天然水体溶解性有机物（DOM） 光谱特征、分子量特征分析和物质组成及来源鉴别[4～6]。特定波长下紫外吸收值对可溶性有机碳的比值（SUVA） 可用来区分可溶性有机物组成[7]，如SUVA254nm常被用于表征腐殖质样品中的芳香性结构，其值越高芳香性越强[8]。而Chin 等[9]则发现SUVA280nm可以提供可溶性有机质的芳香性程度、源、腐殖化程度和分子量等重要的信息，并且该值与DOM 的芳香性、平均分子量均具有良好的相关性。还有研究[10]认为250 和365 nm 处的紫外吸收值之比可以较好地反映水溶性有机质的分子状况，比值越小，则水溶性有机物的分子质量越大[11]。
本文利用光谱学方法对臭氧处理前后的自然水体浓度范围的腐植酸溶液进行测试和分析，分析各种光谱方法的差异和一致性，并对饮用水中腐植酸的预氧化工艺提出建议。
2 实验部分
2.1 药品
腐植酸：北京化学试剂公司，其傅里叶红外光谱如***1，经与特征键和基团的红外光谱对比分析，主要基团为酐、芳环、硝基、非共轭烯、酮等。由于用氢氧化钠溶解，则酐重新生成羧酸或羧酸钠盐。
称取1.000g腐植酸，用少量浓度为0.1mol/L的NaOH溶解后，用去离子水定容至1L作为储备液。作为饮用水源的天然水中腐植酸的质量浓度一般为几到几十mg/L，模拟水样中腐植酸的质量浓度以20mg/L作为研究基础[3]，用去离子水稀释配制模拟水样（简称水样）。
2.2 实验方法
紫外范围的扫描秒光谱特征为在200～380nm下每隔10nm读数，在较大值处每隔1nm读数，扣除不同波长下空白的吸光度值，形成吸光度变化曲线，找出最大吸收峰的特征波长。在扫描光谱特征分析实验中，取臭氧氧化时间为5s，UV照射时间为2h。
对100mL初始浓度为20mg/L的腐植酸水样进行臭氧氧化（启达臭氧发生器，型号QD-D5A-Y，臭氧产量5g/h，160W）照射氧化实验，在不同反应时间取样测定总有机碳（TOC）和紫外吸光度（UV）。
2.3 分析方法
UV254、UV250、UV280、UV365均采用上海美谱达公司生产的UV1100型紫外分光光度计、1cm石英比色皿，以去离子水作空白，在室温下测定水样在254 nm、250nm、280nm、365nm处的吸光度。TOC 采用德国元素分析系统，liqui TOC elemntar 对反应前后溶液的TOC进行测定。
3 结果与讨论
3.1 紫外范围的扫描光谱特征分析
在紫外光范围内对臭氧预氧化后的水样结果，与原液相比。
根据***6可以看到，臭氧氧化后溶液250/365nm吸光度比值前120s内都在0.5～0.6区间内缓慢增加，在臭氧氧化150s时比值增大到0.66，180s时到069，然后逐渐又回到0.5与0.6之间，说明臭氧氧化150s至180s时能有限地减小腐植酸内大分子的分子质量。
在基团中，键能较低的更容易被打断，其键能排序为芳环>酮>非共轭烯>硝基>羧酸，一般情况下羧酸最可能先被氧化。而有研究[14]表明小分子有机物（如一些具有乙酰基团的低分子量有机物）具有较高的氯仿生成势，可能会使氯仿生成量升高。所以，预氧化程度并非越彻底越好，如果生成物质具有更易于卤代反应的特征，预氧化就失去了减少三卤化物的作用。
臭氧作为氧化剂对水中溶解性腐植酸有一定的效果，对于UV254和TOC，其趋势有明显的不同，说明臭氧作用前30s较多的有机碳被氧化为无机碳，而超过30s后则主要为小分子有机物；臭氧氧化腐植酸的SUVA280与SUVA254具有较好的相关性，显示大分子有机物部分被氧化为小分子；UV250/UV365的结果显示臭氧需要更长的作用时间才能能更大程度的氧化腐植酸，但其副产物不可控，导致饮用水安全性存在不确定因素。
臭氧预氧化在效果稳定性、反应迅速性和安全性方面领先，适宜作为自来水预氧化工艺，针对5g/h的产量和100mL的浓度为20mg/L的腐植酸溶液，其氧化时间可取30s，针对其他条件，更为详细的参数还需要今后深入而全面的研究。
参考文献：
[1] 王晓昌.臭氧用于给水处理的几个理论和技术问题[J].西安建筑科技大学学报，1998，30（4）：307～311.
[2] 金鹏康，王晓昌，王洪波，等.水中腐植酸的臭氧化特性研究[J].西安建筑科技大学学报，2000，32（4）：334～337
[3] 黄国忠，丁月红，董小伟，等.活性炭催化臭氧氧化去除水中的腐植酸[J].化工环保，2007，27（3）：200～203
[4] Hera N，Amya G，McKnighta D，et al.Characterization of DOM as a function of MW by fluorescence EEM and HPLC-SEC using UVA，DOC，and fluorescence detection[J].Water Res，2003，37：4295～4303.
[5] Wada S，Aokib MN，Tsuchiya Y，et al.Quantitative and qualitative analyses of dissolved organic matter released from Ecklonia cava Kjellman，in Oura Bay，Shimoda，Izu Peninsula，Japan[J].Exp Mar Biol Ecol，2007，349：344～358.
[6] Parlanti E，Wrz K，Geoffroy L et al.Dissolved organic matter fluorescence spectroscopy as a tool to estimate biological activity in a coastal zone submitted to anthropogenic inputs[J].Org Geochem，2000，31：1765～1781.
[7] Buffle J，Deladoey P，Zumstein J，et al.Analysis and characterization of natural organic matters in freshwaters.I.Study of analytical techniques[J].Hydrol，1983，44（2）：325～362.
[8] McKnight DM，Boyer EW，Westerhoff PK，et al.Spectrofluorometric characterization of dissolved organic matter for indication of precursor organic materials and aromaticity[J].Limnol Oceanogr，2001，46（1）：38～48.
[9] Chin YP，Aiken G，O'Loughlin E.Molecular weight，polydispersity，and spectroscopic properties of aquatic humic substances[J].Environ Sci Technol，1994（28）：1853～1858.
[10] Huovinen P S，Penttil H，Soimasuo M R.Spectral attenuation of solar ultraviolet radiation in humic lakes in Central Finland[J].Chemosphere，2003，51（3）：205～214.
[11] Artinger R，Buckau G，Geyer S，et al.Characterization of groundwater humic substances：influence of sedimentary organic carbon[J].Appl Geochem，2000（15）：97～116.
[13] 张永吉，李圭白，周玲玲.高锰酸盐复合药剂预氧化去除腐植酸色度研究[J].高技术通讯，2004（4）：103～106
[14] Singer P C.Spectrofluorometric materials of precursor organic to anthropogentic[J].Water Sci Tech，1999，40（9）：25.2013年3月
转载请注明出处学文网 » 臭氧处理饮用水腐植酸效果的光谱检测比较研究