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苯乙烯的三維熒光特性及水污染應急處理

文檔作者：周昀李軍倡陳飛馬挺倪永炯文檔來源：浙江工業大學		點擊數：	更新時間： 2025年05月06日
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第３ ６ 卷，第７ 期　　　　　　　　　　　　光譜學與光譜分析Vol暢３６ ，No暢７ ，pp２１６９‐２１７２
２ ０ １ ６ 年７ 月　　　　　　　　　　　　Spectroscopy and Spectral Analysis July ，２０１６ 　
苯乙烯的三維熒光特性及水污染應急處理
周　昀，李　軍倡，陳　飛，馬　挺，倪永炯
浙江工業大學，浙江杭州　３１００１４
摘　要　苯乙烯對人體健康和自然環境具有極大的危害，是國際衛生組織確認的致癌物。歷年來，苯乙烯泄
漏事故頻繁發生，對飲用水安全造成了極大的隱患。對水中苯乙烯污染進行快速監測并采取切實有效的應
急處理措施有助于保障飲用水的衛生安全。利用三維熒光光譜技術對苯乙烯的水溶液進行分析，發現在
Ex２５５／Em３０５ 處有一個明顯的熒光峰，熒光峰值與苯乙烯溶液濃度呈現良好的線性相關，相關系數r 達到
了０暢９９５ ７ ，其顏色隨濃度增加而變深。苯乙烯中共有４ 個共軛π 鍵，其中苯環具有大的共軛π 鍵結構，乙烯
基上同樣具有一個共軛π 鍵。同時，苯乙烯的分子結構中，碳原子處于同一個平面上，屬于平面構型且具有
一定的剛性，符合強熒光物質所具有的特征。因此通過三維熒光掃描結合苯乙烯的熒光特性，能快速測定水
體中苯乙烯濃度及判斷水體的污染程度。粉末活性炭可以有效地吸附去除水中的苯乙烯。當苯乙烯在源水
中的濃度達到枟生活飲用水衛生標準枠規定的限值０暢０２ mg · L － １ 時，采用１８０ 目的粉末活性炭，投加量為１５
mg · L － １ 時，苯乙烯濃度可降至０暢００１ mg · L － １ ，去除率達９５暢５％ 。
關鍵詞　三維熒光光譜；苯乙烯；飲用水；粉末活性炭
中圖分類號：O６５７暢３ 　　文獻標識碼：A 　　　DOI ：１０暢３９６４／j暢issn暢１０００‐０５９３（２０１６）０７‐２１６９‐０４
　收稿日期：２０１５‐０２‐０７ ，修訂日期：２０１５‐０６‐１８
　基金項目：國家自然科學基金項目（５１４７８４３３） ，浙江省科技計劃項目（２０１０R５００３７）資助
　作者簡介：周　昀，１９９０ 年生，浙江工業大學研究生　　e‐mail ：zhouyun＿１９９０＠ foxmail暢com
倡通訊聯系人　　e‐mail ：tanweilijun＠ zjut暢edu暢cn
引　言
　　苯乙烯是合成樹脂、離子交換樹脂及合成橡膠等的重要
單體，是一種常用的有機化工原料。它具有強烈刺激性，對
人眼睛和上呼吸道粘膜有刺激和麻醉作用，吸入者易中毒并
發生死亡。根據相關文獻記載，長期飲用受到低濃度苯乙烯
污染的水可能會導致慢性中毒，表現為對血液和肝臟的損
害，而苯乙烯引起的急性中毒則表現為精神萎靡、意識不清
等［１］ 。除了健康危害以外，其危險性還包括環境危害、燃爆
危險等。在我國的枟生活飲用水衛生標準枠（GB５７４９ — ２００６ ）
中，規定苯乙烯指標為０暢０２ mg · L － １ ，屬于非常規類毒理指
標。枟地表水環境質量標準枠（GB３８３８ — ２００２）中，規定苯乙烯
指標為０暢０２ mg · L － １ ，屬于集中式生活飲用水地表水源地
特定項目。歷年來，苯乙烯泄漏事故頻發。２００１ 年，在長江
口水域輪載６３８ t 苯乙烯溢出［２］ 。２０１１ 年，在長江江陰段發
生了苯乙烯泄漏。苯乙烯槽罐車泄漏也時有發生。因此，快
速、靈敏檢測水中苯乙烯污染并采用應急處理對供水系統安
全保障顯得尤為重要。
苯乙烯的檢測方法主要有分光光度法、氣相色譜等［３］ 。
這些方法存在操作繁瑣、耗時長等問題。近２０ 年來，熒光技
術已快速發展為新型的化學分析手段。其檢測時間短、靈敏
度高、測量過程不消耗任何試劑，是一項簡便、環境友好的
分析技術。三維熒光光譜法較傳統的光譜法能夠獲得激發波
長和發射波長同時變化的熒光強度信息，提供的信息量大，
熒光特征較明顯［４］ 。這種方法已被應用于指示污水［５‐６］ 、河
水［７‐８］ 、湖泊和城市供水［９］ 等水體中有機污染的程度。目前
采用三維熒光光譜法研究苯乙烯熒光特性的報道較少。
本研究旨在探索水中苯乙烯的三維熒光特征，為苯乙烯
的快速檢測和識別提供新的方法和技術手段。當供水水源受
到苯乙烯污染后，提出迅速采用在水處理前投加粉末活性炭
的方法保障供水安全的可行性。
１ 　實驗部分
　　采用儀器為上海棱光技術有限公司F９７ pro 三維熒光分
光光度計。在分析測試中，熒光分光光度計的PMT 電壓設
定為９００ V ，激發波長（Ex）的掃描范圍是２００ ～ ４００ nm ，發
射波長（Em）的掃描范圍是２００ ～ ４００ nm ，狹縫寬度設定為
１０ nm ，掃描速度６ ０００ nm · min－ １ 。數據分析均在Microsoft
Excel ２０１３ 和Matlab R２０１２b 上進行。
采用三維熒光光譜法來探究苯乙烯的熒光特性。所用苯
乙烯為分析純，溶解苯乙烯所采用的溶劑為蒸餾水。將苯乙
烯溶于蒸餾水，配制成濃度分別為０暢００１ ， ０暢００５ ，０暢０１ ，
０暢０１５ ，０暢０２ ，０暢０３ 和０暢０４ mg · L － １ 的苯乙烯溶液。
利用活性炭吸附‐三維熒光聯用來研究水中突發性苯乙
烯污染的應急處理。采用的粉末活性炭在１８０ 目左右。根據
室外給水工程設計手冊中的相關說明，自來水廠在應對突發
性污染時，粉末活性炭的投加量一般在５ ～ ３０ mg · L － １ 的范
圍內，吸附時間以３０ ～ ６０ min 為宜［１０‐１１］ 。配制初始濃度為
０暢０２ mg · L － １ 的苯乙烯溶液，粉末活性炭的投加量分別為
１０ ，１５ 和３０ mg · L － １ ，吸附時間定為１ h 。實驗采用六聯攪
拌機和１ 升燒杯，攪拌的轉速為１ ５００ r · min－ １ 。
２ 　結果與討論
2暢1 　苯乙烯的三維熒光特性
有機物的特征峰位置和特征峰的強度是在分析三維熒光
光譜時較常用的兩個參數［１２‐１３］ 。圖１ 是不同濃度苯乙烯溶液
的三維熒光光譜圖，由于０暢００１ mg · L － １ 苯乙烯溶液沒有明
圖1 　不同濃度苯乙烯溶液的熒光圖譜
Fig暢1 　Influence of the concentration on the 3D fluorescence excitation‐emission matrix spectra of styrene
２１７０ 光譜學與光譜分析 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 第 ３６ 卷
顯的指紋圖譜，故不在圖１ 中列出。通過觀察，發現苯乙烯
溶液的熒光圖譜上有一個明顯的熒光峰，且位置相對固定，
可以將這個熒光峰定義為苯乙烯的特征峰，相應的位置為
Ex２５５ ／Em３０５ ，屬于類蛋白質熒光圖譜［１４ ］ 。在苯乙烯溶液濃
度由０暢００５ mg · L － １ 增加至０暢０４ mg · L － １ 的過程中，苯乙烯
的特征熒光峰區域面積增大，在相同的位置，光譜顏色變
深，反映出水中苯乙烯的濃度與其特征熒光峰區域面積及顏
色呈現正相關關系。因此可以通過對比三維熒光光譜圖的出
峰位置、特征熒光峰區域面積及光譜顏色深淺來判斷水中苯
乙烯的濃度或是污染程度。
　　如圖２ 所示，在濃度梯度范圍內，苯乙烯的熒光性能較
好，熒光峰明顯，熒光強度較高，且其特征熒光峰強度與濃
度有較好的線性關系（R２ ＝ ０暢９９１ ４） 。故可利用苯乙烯特征
峰的熒光強度來快速分析水體中苯乙烯的濃度，判斷苯乙烯
的污染程度。
圖2 　熒光峰值強度和濃度的線性關系
Fig暢2 　Influence of the concentration of styrene
on the intensity of the fluorescent peaks
　　苯乙烯的具有較好的熒光性能可能是由于它的兩個官能
團造成的。苯乙烯中共有４ 個共軛雙鍵（π 鍵） ，其中苯環具
有大的共軛π 鍵結構，而乙烯基上同樣具有一個共軛π 鍵，
可以躍遷到單線態的電子激發態，屬于π → π 倡
１ 的躍遷，而后
通過輻射躍遷的衰變過程而返回基態，在這個過程中伴隨著
光子的發射，即產生熒光。同時，苯乙烯的分子結構中，碳
原子處于同一個平面上，屬于平面構型且具有一定的剛性，
符合強熒光物質所具有的特征［１５］ 。
2暢2 　苯乙烯的去除
在苯乙烯水溶液中分別投加１０ ，１５ ，３０ mg · L － １ 的粉末
活性炭后，熒光圖譜上苯乙烯特征峰所在位置的熒光強度隨
投加反應時間變化如圖３ 所示。由前文可知，苯乙烯的濃度
與其特征峰的熒光強度具有良好的線性相關關系，可通過其
熒光強度來估計苯乙烯溶液的濃度。圖４ 為粉末活性炭投加
量不同時，苯乙烯溶液的濃度及其去除率隨時間的變化。可
見粉末活性炭對苯乙烯具有較好的去除效果。在混合３０ min
左右時，３ 個水樣基本達到吸附平衡。投加３０ mg · L － １ 粉末
活性炭的水樣，前５ min 的去除率為６４暢８％ ，略大于投加１５
mg · L － １ 粉末活性炭５ min 時的去除率，５６暢９％ 。３０ min 時，
兩個水樣中苯乙烯濃度均降至０暢００１ mg · L － １ 以下，去除率
基本相同，達９５％ 以上；３０ ～ ６０ min ，這兩個水樣中苯乙烯
的濃度及去除率基本不變。投加１０ mg · L － １ 粉末活性炭的
水樣，其去除率要低于投加１５ mg · L － １ 粉末活性炭的水樣，
３０ min 時，苯乙烯的濃度為０暢００３ mg · L － １ ， 去除率為
８５暢４％ ；６０ min 時，苯乙烯的濃度為０暢００２ mg · L － １ ，最終
去除率為８９暢１％ 。由此可見，粉末活性炭的最佳投加量為１５
mg · L － １ 。
圖3 　苯乙烯特征峰的熒光強度隨時間的變化
Fig暢3 　Effect of PAC on the intensity of the distinct
fluorescence peak of styrene over time
圖4 　苯乙烯濃度及去除率隨時間的變化
Fig暢4 　Effect of PAC on the concentration and
the removal rate of styrene over time
３ 　結　論
　　（１） 　苯乙烯水溶液具有較強的熒光性能，通過三維熒
光掃描可以發現明顯的特征熒光峰。利用三維熒光光譜技術
可以快速識別水中苯乙烯。
（２）不同濃度苯乙烯水溶液的三維熒光光譜圖中，特征
熒光峰強度與苯乙烯的濃度具有良好的線性相關關系（r ＝
０暢９９５ ７） 。
（３）粉末活性炭對水中苯乙烯具有良好的去除效果，最
佳投加量為１５ mg · L － １ ，此時水中的苯乙烯濃度可由０暢０２
mg · L － １ 降至０暢００１ mg · L － １ ，去除率可以達到９５暢５％ 。
第 ７期 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 光譜學與光譜分析 ２１７１
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Study on the 3D Fluorescence Feature of Styrene and Emergent Treatment
of Styrene Pollutant in Water
ZHOU Yun ，LI Jun倡，CHEN Fei ，MA Ting ，NI Yong‐jiong
Zhejiang University of Technology ，Hangzhou 　３１００１４ ，China
Abstract 　It has been acknowledged by WHO that styrene is a carcinogen which does great harm to human ’s health and natural
environment ．In recent years ，given the frequency of the leakage accidents of styrene that has given rise to potential safety hazard
to drinking water ，the fast detection of styrene pollutant in water and treatment of accidental release are of great significance for
supplying safe drinking water ．Total scanning fluorescence technique was used to unravel the ３D fluorescence feature of styrene
by scanning its aqueous solution ．A distinct fluorescence peak of styrene located at Ex ２５５／Em３０５ was detected ．There was a significant
linear correlation between the concentration of styrene and the value of fluorescence peak ，the correlation index being
０暢９９５ ７ ．The color of the fluorescence peak got darker with the raise of styrene concentration ．There were four conjugated double
bonds existing in the structure of styrene ，among which a cyclic hydrocarbon with a continuous pi bond exists in benzene ring ，
the other one is in vinyl ．All carbon atoms that makes up the structure of styrene were in the same plane ，thus styrene molecules
were completely planar with certain rigidity ，which is the feature of fluorescent substances ．Therefore ，the concentration of styrene
and the pollution of water by the leakage of styrene could be easily detected with the ３D fluorescence spectra ．Powdered activated
carbon （PAC） had a good effect on the absorption of styrene dissolved in water ．Adding PAC（１８０ mesh） at a dosage of
１５ mg · L － １ into source water with the concentration of styrene was ０暢０２ mg · L － １ ，which is the limited value in sanitary standard
for drinking water ，the concentration could be reduced to ０暢００１ mg · L－ １ and the removal rate of styrene was as high as ９５暢５％ ．
Keywords 　３D fluorescence spectra ；Styrene ；Drinking water ；PAC
倡Corresponding author （Received Feb ．７ ，２０１５ ；accepted Jun ．１８ ，２０１５） 　　
２１７２ 光譜學與光譜分析

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