典型有机磷阻燃剂分析方法及环境行为研究

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随着溴代阻燃剂在全球范围内被禁用,有机磷阻燃剂(Organophosphorus flame retardants,OPFRs)作为其主要的替代产品被大量生产和使用,进而不断进入环境。近年来,OPFRs的环境污染问题受到了广泛关注,已成为环境科学研究领域的热点之一。本论文研究了一些典型OPFRs的分析方法和环境行为,主要包括:典型的有机磷酸酯(OPEs)的分析方法和典型区域的污染特征,甲基膦酸二甲酯(DMMP)的分析方法和环境污染特征,二烷基次膦酸铝(ADPs)及其水解产物二烷基次膦酸(DPAs)的吸附、迁移和转化等方面进行了研究和探讨。  论文包括以下六章:  第1章,介绍了OPFRs的生产、应用和理化性质,OPFRs的污染特征及来源、毒性效应、环境行为及分析方法等领域的研究进展。  第2章,发展了环境水体中OPEs的分析方法。制备了基于超疏水性离子液体1-己基-3-甲基咪唑三(五氟乙基)三氟磷酸盐([HMIM][FAP])涂层的固相微萃取(IL-SPME)萃取头。研究发现,IL-SPME萃取头的萃取效率高,水解稳定性和机械强度大,成本低,萃取OPEs时单根和多根IL-SPME纤维之间的重现性和再现性均较好。方法线性,加标回收率和检出限均能够满足痕量分析的要求。  第3章,研究了OPEs工业生产导致的环境污染水平和分布特征。针对目前对OPEs在生产过程中的污染特征尚不清楚的问题,在山东省某OPFRs生产厂及周边采集了包括灰尘、表层土壤、土芯、废水、河水和沉积物样品,研究了OPEs的污染水平和分布特征。另外,采集工人代表性尿液样品,分析尿液中OPEs代谢产物的含量,根据工厂内灰尘中OPEs的含量和尿液中代谢产物浓度初步评估职业暴露风险。结果表明生产厂内灰尘中OPEs的含量比目前文献报道的最大值高2-3个数量级。OPEs的生产活动是周边环境中OPEs的主要来源,距离工厂越近的表层土壤、废水和河水中OPEs含量越高,33.3%的表层土壤中磷酸三苯基酯(TPhP)含量超过了最大限量标准(95ng/g),OPEs主要分布在土芯的上层,但也具有一定向下迁移的能力,在纵向1m的土芯中检测到较高浓度的OPEs。工人尿液中OPEs代谢产物的含量远高于普通人群,工人通过摄入灰尘和皮肤接触灰尘暴露OPEs具有一定的健康危害。  第4章,研究了甲基膦酸二甲酯(DMMP)的环境污染水平。发展了基于固相萃取技术和超高效液相色谱电喷雾串联质谱技术测定环境样品中DMMP的方法,并将其用于分析地表水、城市污水处理厂废水以及DMMP生产和应用厂及周边环境基质中的DMMP含量水平。该分析方法的检出限比文献报道的GC-MS方法的仪器检出限低2个数量级,方法的加标回收率高(94.0-125%),能够满足各种环境介质中痕量DMMP的测定。DMMP在各种环境样品中被广泛检出,说明DMMP的污染具有普遍性。工厂灰尘样品中检测出较高浓度的DMMP(最高达2085μg/g),DMMP在土壤中具有较强的向下迁移的能力,环境水体中DMMP的含量低于US EPA推荐的饮用水限量标准(100ng/mL),职业工人通过工厂内灰尘暴露DMMP尚不会造成健康风险。  第5章,测定了3种DPAs的分配系数(logD)和酸解离常数(pKa)。建立了基于中空纤维支载液相微萃取(nd-HF-LPME)-超高效液相色谱串联质谱(UPLC-MS/MS)同时测定logD和pKa的方法。实验测定的甲基乙基次膦酸(MEPA)、二乙基次膦酸(DEPA)和甲基环己基次膦酸(MHPA)的pKa分别为3.02、3.08和3.17,与用ACD/pKa预测的值吻合较好;DPAs的logD具有很强的pH依赖性,介于-5.01到1.01之间,实验测得的logKOW,HA与用KOWWIN模型计算的logKOW值接近。本研究系首次报道DPAs的logD和pKa值,能为ADPs和DPAs的环境行为、毒性作用和生态效应的研究提供基础数据。  第6章,研究了ADPs和DPAs在土壤中的吸附、迁移和转化行为。静态批量平衡吸附实验和动态土柱淋溶实验研究发现,ADPs在土壤中较难迁移,淋溶结束后,超过52.6%的ADPs被截留在土柱中,且截留的ADPs绝大部分(>57%)停留在土柱顶层2cm ADPs加标土壤中;ADPs通过溶解(生成DPAs)和小粒径ADPs的形式随水流向下运移,运移过程中部分ADPs水解为DPAs,平均水解率约为30%。DPAs的吸附和淋溶行为受其自身理化性质(如pKa和logD)和土壤性质的影响,土壤pH、粘粒含量和土壤中Fe/Al(氢)氧化物的含量是影响DPAs吸附和迁移的关键因素。DPAs运移的阻滞因子(R)与pH相关,在酸性土壤(pH4.0)填充柱中R值较大。非平衡对流-弥散(CDE)模型对DPAs的运移具有较高的模拟精度,利用土柱淋溶实验获得的DPAs的R值与从批量平衡吸附实验结果推导的R值之间存在较大差异。
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