氯化消毒是水厂消毒当中最常用的一种工艺，具有高效、 广谱、 经济等特点，对于水中的各种微生物和病毒可以有效地去除^{[1, 2, 3]}. 但是水中的有机物(如氨基酸类化合物)在氯化消毒过程中，会与氯发生反应，形成有致癌、 致畸和致突变特性的“三致”消毒副产物^{[4, 5, 6, 7]}，对人的身体健康造成危害. 具有较强的慢性细胞毒性和急性遗传毒性的物质卤代乙腈(HANs)^{[8, 9, 10]}就是典型的一类.

卤乙腈(HANs)具有强烈的致突变性和遗传毒性^[11]，其中，在实际饮用水中二氯乙腈(DCAN)是HANs中浓度和检出频率最高的一种^{[12, 13]}，得到了较广泛的关注. 天冬氨酸是一种典型的DCAN前体物，研究天冬氨酸氯化生成DCAN的影响因素和生成路径是非常有意义的.

本试验以天冬氨酸为前体物，研究饮用水氯化消毒过程中二氯乙腈的形成^[14]过程及影响因素，并探讨DCAN的生成途径.

试验材料：氢氧化钠溶液、 磷酸氢二钠、 硫酸溶液、 磷酸二氢钾、 氯化铵、 天冬氨酸、 无水硫酸钠、 次氯酸钠溶液(有效氯5.2%)、 1,2-二溴丙烷、 甲基叔丁基醚等，试验用水为自制的去离子水.

试验所用仪器主要为：Sension 3型pH测定仪(Hach公司)； BS223S型电子天平(Sartorius公司)； HYG-Ⅱ Refrigerator shaker型恒温振荡器(华利达公司)； 1 000 μL移液枪(dragon公司)； SX2-12-16型箱式电阻炉(济南精密科学仪器有限公司)； DHG-9146A型电热恒温鼓风干燥箱(上海精宏试验设备有限公司)； IKS KS 130 basic型恒温往复式摇床(IKS公司)； GC/MS-QP2010plus型气质联用仪和A0C-20i自动进样器(岛津国际贸易，GC-2010型自动进样器(上海)有限公司).

(1)配制缓冲溶液 称取14.58 g磷酸氢二钠和3.53 g磷酸二氢钾，倒入1 000 mL的烧杯中，加入去离子水约900 mL，均匀搅拌，待其完全溶解，然后定容至1 000 mL，即得到pH为7.0的磷酸缓冲溶液.

(2)配置氯化铵终止剂 称取1.069 8 g氯化铵倒入50 mL容量瓶中，加入去离子水约40 mL，均匀搅拌，待固体完全溶解后，定容至50 mL，即得到浓度为0.4 mol ·L^-1的氯化铵溶液. 在试验过程中该溶液可以用来终止DCAN的形成.

(3) 配置天冬氨酸溶液 称取0.266 2 g天冬氨酸倒入2 000 mL容量瓶中，加入去离子水1 800 mL，均匀搅拌，待其完全溶解.

取不同体积的天冬氨酸溶液于1 L的容量瓶中(0.5 mmol ·L^-1为5 mL，1 mmol ·L^-1为10 mL，2 mmol ·L^-1为20 mL，4 mmol ·L^-1为40 mL)，向容量瓶中加入50 mL的pH为7.0的磷酸缓冲溶液，分别控制溶液的pH值(5.5、 6.0、 6.5、 7.0、 7.5、 8.0、 8.5、 9.0)，投氯量2、 4、 6、 8、 10、 12、 14 mmol ·L^-1(1 mmol ·L^-1为2.73 mL)，温度10、 20、 30℃，将溶液定容至1 000 mL，此时记为反应开始时间.

然后从该容量瓶中取100 mL天冬氨酸溶液倒入锥形瓶，在反应开始时间后(5、 10、 20、 30、 50、 70、 100、 160、 240 min)，加入氯化铵溶液来终止反应(氯化铵的量约为初始投氯量的2倍). 放入恒温往复式摇床上振荡锥形瓶，取样测定分析.

①取25 mL待测水样放入40 mL的样品瓶中，同时把8 g无水硫酸钠立即加入样品瓶中，不断均匀摇动使固体完全溶解. 为了起到强化萃取剂的作用，使用无水硫酸钠前将其在马弗炉中600℃烘2 h. ②准确量取2 mL的MTBE(含内标1,2-二溴丙烷150 μg ·L^-1)加入到样品瓶中，密封后，在恒温往复式摇床上摇晃5 min，需要静置5 min后让有机相和水相分层，这样DCAN等就可以从水中分离出来. ③最后使用移液枪取1 mL醚层，放入GC-MS中进行数据处理，分析并记录.

色谱条件：GC-MS进样口温度为110℃，检测器温度为250℃，离子源为电子轰击离子源(EI)，离子源温度为200℃，电子能量：70 eV，进样方式为无分流进样，柱头压强为109.2 kPa，进样量为1 μL，溶剂的延迟时间为3.5 min.

程序升温条件：柱箱的初始温度为35℃，保持5 min； 然后以20℃ ·min^-1的速率升高至180℃； 继续保持5 min. 那么GC程序时间为17.25 min.

色谱柱型号为Rtx-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm，USA Agilent Technologies)毛细管色谱柱，载气为高纯度的氦气. 使用SIM模式定量测定待测物质浓度，DCAN定量离子为m/z 74(参考离子m/z 82)，内标物1，2-二溴丙烷为m/z 41.

目标物溶液的配制：DCAN溶液浓度较高用去离子水将其稀释成质量浓度分别为5、 15、 30、 50、 70、 100、 150 μg ·L^-1的校正标准液，按上述的检测方法中水样预处理试验步骤进行测定，以响应值-浓度为坐标绘制DCAN的工作曲线.

内标物溶液的配制：内标物1，2-二溴丙烷均匀溶解于MTBE中，逐步稀释成150 μg ·L^-1的标准溶液.

DCAN的工作曲线具有良好的直线线性^[15]，相关系数R²=0.999 1，大于0.999.

图 1和图 2是100 μg ·L^-1的含二氯乙腈的消毒剂混标在SIM模式下的气相色谱图. 从中看出，气相色谱图中DCAN的保留时间为3.874 min，内标1,2-二溴丙烷(TSTD)的保留时间为7.145 min. DCAN和内标在当前的试验条件下分离得很好.

图 1

Fig. 1

图 1 DCAN 在GC-MS中的色谱图 Fig. 1 Chromatograms of DCAN in GC/MS

图 2

Fig. 2

图 2 内标 1,2-二溴丙烷在GC-MS中的色谱图 Fig. 2 Chromatograms of the internal standard 1,2-dibromopropane in GC/MS

在加标回收率的试验中，所取DCAN水样的加标浓度分别为10、 20和40 μg ·L^-1，各浓度的水样样本均为10个. 测定的回收率结果见表 1.

表 1(Table 1)

表 1 DCAN的加标回收率 Table 1 Spike recovery of DCAN 项目 加标 10 μg ·L-1 加标 20 μg ·L-1 加标 40 μg ·L-1 水样本底/μg ·L-1 0 0 0 测定值平均/μg ·L-1 10.76 20.69 39.43 回收率/% 107.6 103.45 98.6

表 1 DCAN的加标回收率 Table 1 Spike recovery of DCAN

本试验的回收率为98.6%-107.6%，均在美国环保署规定的100%±30%之内，因此可以认为本试验的分析方法具有可靠的准确度.

在投氯量为4 mmol ·L^-1，天冬氨酸投加量为1 mmol ·L^-1，pH为5.0-9.0，温度为20℃的条件下，研究pH对天冬氨酸经氯化形成DCAN的影响，试验结果见图 3.

图 3

Fig. 3

图 3 pH对天冬氨酸氯化生成DCAN的影响 Fig. 3 Effect of pH on DCAN formation by aspartate chlorination

从图 3数据分布中可以得出，在酸性或中性条件下(pH 5-7)，反应时间的增加，DCAN的浓度也随之增加. DCAN在前8 h是快速生成的，其生成量基本可达总量的70%，在8-56 h是慢速生成，56 h后基本不再生成，DCAN的浓度基本保持稳定. 在碱性条件下(pH 8-9)，反应时间延长DCAN的浓度随之先增加后减少，DCAN在前8 h是快速生成，在8-24 h是慢速生成，24 h后浓度开始下降. 由图 3可见，DCAN的生成量在碱性条件下明显比酸性和中性条件下低，可能是由于在反应过程中存在次氯酸的取代反应、 氧化反应的相互竞争以及碱性条件下DCAN水解反应，这3种反应之间相互作用导致的结果.

当次氯酸钠溶于水中后，会迅速发生离解并与氢离子形成次氯酸，次氯酸的氧化作用是次氯酸钠消毒的主要机制，同时次氯酸也可与天冬氨酸发生取代反应^[16]，生成氯代消毒副产物DCAN. 次氯酸是弱酸，在水中部分电离，在不同pH条件下溶液中ClO^-和HClO浓度分布亦不同. 当pH从5.0增加至7.0时，HClO的分布系数从1.0降低到0.8，而ClO^-的分布系数从0增加到0.2. HClO和ClO^-在水中作为氧化剂的同时，也可以发生取代反应. 从式(1)和(2)可知，HClO/Cl^-的标准电极电位比ClO^-/Cl^-的高^[17].

当pH逐渐增大时，溶液中HClO浓度在减小，而ClO^-浓度在增大，此时天冬氨酸的氧化作用在逐渐减弱，取代作用在逐渐增强. 所以，在pH 5-7时，DCAN的生成量随着pH的增大而增大.

当pH增加至9.0时，HClO的分布系数降到0.04，而ClO^-的分布系数增加到0.96. 如上所述取代作用DCAN的生成量随着pH的增大而增大，但另一方面，当溶液pH增大呈碱性时，DCAN在水中又会发生式(3)的水解作用，DCAN 的生成量会更低^[18]，并且该过程是一个碱催化过程^[19].

在天冬氨酸投加量为1 mmol ·L^-1，投氯量为4 mmol ·L^-1，pH为7.0，温度在10-30℃的条件下，考察温度对天冬氨酸氯化生成DCAN的影响，结果见图 4.

图 4

Fig. 4

图 4 温度对天冬氨酸氯化生成 DCAN的影响 Fig. 4 Effect of temperature on DCAN formation by aspartate chlorination

从图 4可以看出，氯化反应56 h后，各个温度条件下的DCAN浓度基本保持不变，但是当温度从10℃增加到30℃时，DCAN生成量依次增加，但增加量相对较小，10-30℃时DCAN生成量分别为124.15、 137.43和153.63 μg ·L^-1. 这可能是因为体系的温度升高，参加反应的分子动能增大，活化分子数增多，从而增大了不同分子间的碰撞概率，这样，DCAN的生成量增加. 但是升高温度也会促进DCAN的水解^[20]，因此升高温度，增加的DCAN生成量不大，这是温度对分子动能及已生成的DCAN水解共同影响的结果.

在天冬氨酸投加量为1 mmol ·L^-1，pH为7.0，温度为20℃，投氯量为1-8 mmol ·L^-1的条件下，考察投氯量对天冬氨酸氯化生成DCAN的影响，结果见图 5.

图 5

Fig. 5

图 5 投氯量对天冬氨酸氯化生成 DCAN的影响 Fig. 5 Effects of chlorine dosage on DCAN formation by aspartate chlorination

从图 5可以看出，氯化反应56 h后，DCAN的浓度基本保持不变，当投氯量由1 mmol ·L^-1依次增加到8 mmol ·L^-1时，DCAN的生成量分别为42.37、 81.55、 123.43和172.66 μg ·L^-1. 这主要是因为在天冬氨酸氯化过程中，由于投氯量的不断增加，天冬氨酸参加反应越充分，从而使DCAN的生成量就越大.

研究表明，氨基酸氯化会有二氧化碳、 氯离子和相应的腈类化合物^[21]生成. 对于天冬氨酸氯化形成DCAN的途径，如图 6所示.

图 6

Fig. 6

图 6 天冬氨酸氯化生成DCAN的途径 Fig. 6 Imaginary path diagram of DCAN generation by aspartate chlorination

由图 6可知，天冬氨酸氯化形成DCAN的过程可能包括7个步骤，见反应式(4)-(10). 其中前两步反应为天冬氨酸的氨基官能团被氯化生成氯代天冬氨酸，反应式如下^{[22, 23, 24]}：

第三步反应为氯代天冬氨酸内部的一个羧基发生脱羧反应，脱去一分子二氧化碳及羧酸盐，反应式如下^{[22, 24, 25]}：

第四步反应为上一步氯代天冬氨酸中的另一个羧基继续发生脱羧反应，脱去一分子二氧化碳，反应式如下^{[22, 24, 25]}：

第五步反应为氯代天冬氨酸被HClO氧化，氨基官能团上脱去一分子HCl同时形成 C N 三键，得到乙腈，反应式如下^{[24, 25, 26]}：

第六和第七步反应乙腈继续被HClO氧化，最终形成DCAN，反应式如下^{[24, 26]}：

(1)本试验采用液液微萃取(LEE)-气相色谱/质谱(GC/MS)法进行二氯乙腈(DCAN)的测定，内标物选择1,2-二溴丙烷，萃取剂选择甲基叔丁基醚(MTBE). 工作曲线具有良好的直线线性，相关系数R²=0.999 1，大于0.999. 在已知的试验条件下，DCAN和内标1,2-二溴丙烷在溶液中可以很好地分离开，其中DCAN的存留时间较短，约为3.874 min.

(2)pH值和投氯量是天冬氨酸氯化形成DCAN的重要影响因素，温度对DCAN生成量的影响不大. 在酸性及中性条件下，随着pH值的增大DCAN的生成量提高，主要是因为天冬氨酸的氧化作用在逐渐减弱，取代作用在逐渐增强； 在碱性条件下，DCAN的生成量随着pH值的增大反而在减小，主要是因为尽管取代作用使DCAN的生成量随着pH的增大而增大，但另一方面，当溶液pH增大呈碱性时，DCAN在水中又会发生水解作用，使DCAN 的生成量更低. 投氯量增加，DCAN的生成量也随之不断提高. 在10-30℃范围内，温度对形成DCAN的影响不大.

(3)天冬氨酸氯化形成DCAN的过程包括7个步骤，前两步反应为天冬氨酸的氨基官能团被HClO氯化，第三步反应为氯代天冬氨酸内部的一个羧基发生脱羧反应，第四步反应为氯代天冬氨酸中的另一个羧基继续发生脱羧反应，第五步反应为氯代天冬氨酸被HClO氧化生成乙腈，第六和第七步反应为HClO氯化乙腈中的甲基，最终形成DCAN.