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苯乙烯的三维荧光特性及水污染应急处理

文档作者：周昀李军倡陈飞马挺倪永炯文档来源：浙江工业大学		点击数：	更新时间： 2025年05月06日
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第３ ６ 卷，第７ 期　　　　　　　　　　　　光谱学与光谱分析Vol畅３６ ，No畅７ ，pp２１６９‐２１７２
２ ０ １ ６ 年７ 月　　　　　　　　　　　　Spectroscopy and Spectral Analysis July ，２０１６ 　
苯乙烯的三维荧光特性及水污染应急处理
周　昀，李　军倡，陈　飞，马　挺，倪永炯
浙江工业大学，浙江杭州　３１００１４
摘　要　苯乙烯对人体健康和自然环境具有极大的危害，是国际卫生组织确认的致癌物。历年来，苯乙烯泄
漏事故频繁发生，对饮用水安全造成了极大的隐患。对水中苯乙烯污染进行快速监测并采取切实有效的应
急处理措施有助于保障饮用水的卫生安全。利用三维荧光光谱技术对苯乙烯的水溶液进行分析，发现在
Ex２５５／Em３０５ 处有一个明显的荧光峰，荧光峰值与苯乙烯溶液浓度呈现良好的线性相关，相关系数r 达到
了０畅９９５ ７ ，其颜色随浓度增加而变深。苯乙烯中共有４ 个共轭π 键，其中苯环具有大的共轭π 键结构，乙烯
基上同样具有一个共轭π 键。同时，苯乙烯的分子结构中，碳原子处于同一个平面上，属于平面构型且具有
一定的刚性，符合强荧光物质所具有的特征。因此通过三维荧光扫描结合苯乙烯的荧光特性，能快速测定水
体中苯乙烯浓度及判断水体的污染程度。粉末活性炭可以有效地吸附去除水中的苯乙烯。当苯乙烯在源水
中的浓度达到枟生活饮用水卫生标准枠规定的限值０畅０２ mg · L － １ 时，采用１８０ 目的粉末活性炭，投加量为１５
mg · L － １ 时，苯乙烯浓度可降至０畅００１ mg · L － １ ，去除率达９５畅５％ 。
关键词　三维荧光光谱；苯乙烯；饮用水；粉末活性炭
中图分类号：O６５７畅３ 　　文献标识码：A 　　　DOI ：１０畅３９６４／j畅issn畅１０００‐０５９３（２０１６）０７‐２１６９‐０４
　收稿日期：２０１５‐０２‐０７ ，修订日期：２０１５‐０６‐１８
　基金项目：国家自然科学基金项目（５１４７８４３３） ，浙江省科技计划项目（２０１０R５００３７）资助
　作者简介：周　昀，１９９０ 年生，浙江工业大学研究生　　e‐mail ：zhouyun＿１９９０＠ foxmail畅com
倡通讯联系人　　e‐mail ：tanweilijun＠ zjut畅edu畅cn
引　言
　　苯乙烯是合成树脂、离子交换树脂及合成橡胶等的重要
单体，是一种常用的有机化工原料。它具有强烈刺激性，对
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
发生死亡。根据相关文献记载，长期饮用受到低浓度苯乙烯
污染的水可能会导致慢性中毒，表现为对血液和肝脏的损
害，而苯乙烯引起的急性中毒则表现为精神萎靡、意识不清
等［１］ 。除了健康危害以外，其危险性还包括环境危害、燃爆
危险等。在我国的枟生活饮用水卫生标准枠（GB５７４９ — ２００６ ）
中，规定苯乙烯指标为０畅０２ mg · L － １ ，属于非常规类毒理指
标。枟地表水环境质量标准枠（GB３８３８ — ２００２）中，规定苯乙烯
指标为０畅０２ mg · L － １ ，属于集中式生活饮用水地表水源地
特定项目。历年来，苯乙烯泄漏事故频发。２００１ 年，在长江
口水域轮载６３８ t 苯乙烯溢出［２］ 。２０１１ 年，在长江江阴段发
生了苯乙烯泄漏。苯乙烯槽罐车泄漏也时有发生。因此，快
速、灵敏检测水中苯乙烯污染并采用应急处理对供水系统安
全保障显得尤为重要。
苯乙烯的检测方法主要有分光光度法、气相色谱等［３］ 。
这些方法存在操作繁琐、耗时长等问题。近２０ 年来，荧光技
术已快速发展为新型的化学分析手段。其检测时间短、灵敏
度高、测量过程不消耗任何试剂，是一项简便、环境友好的
分析技术。三维荧光光谱法较传统的光谱法能够获得激发波
长和发射波长同时变化的荧光强度信息，提供的信息量大，
荧光特征较明显［４］ 。这种方法已被应用于指示污水［５‐６］ 、河
水［７‐８］ 、湖泊和城市供水［９］ 等水体中有机污染的程度。目前
采用三维荧光光谱法研究苯乙烯荧光特性的报道较少。
本研究旨在探索水中苯乙烯的三维荧光特征，为苯乙烯
的快速检测和识别提供新的方法和技术手段。当供水水源受
到苯乙烯污染后，提出迅速采用在水处理前投加粉末活性炭
的方法保障供水安全的可行性。
１ 　实验部分
　　采用仪器为上海棱光技术有限公司F９７ pro 三维荧光分
光光度计。在分析测试中，荧光分光光度计的PMT 电压设
定为９００ V ，激发波长（Ex）的扫描范围是２００ ～ ４００ nm ，发
射波长（Em）的扫描范围是２００ ～ ４００ nm ，狭缝宽度设定为
１０ nm ，扫描速度６ ０００ nm · min－ １ 。数据分析均在Microsoft
Excel ２０１３ 和Matlab R２０１２b 上进行。
采用三维荧光光谱法来探究苯乙烯的荧光特性。所用苯
乙烯为分析纯，溶解苯乙烯所采用的溶剂为蒸馏水。将苯乙
烯溶于蒸馏水，配制成浓度分别为０畅００１ ， ０畅００５ ，０畅０１ ，
０畅０１５ ，０畅０２ ，０畅０３ 和０畅０４ mg · L － １ 的苯乙烯溶液。
利用活性炭吸附‐三维荧光联用来研究水中突发性苯乙
烯污染的应急处理。采用的粉末活性炭在１８０ 目左右。根据
室外给水工程设计手册中的相关说明，自来水厂在应对突发
性污染时，粉末活性炭的投加量一般在５ ～ ３０ mg · L － １ 的范
围内，吸附时间以３０ ～ ６０ min 为宜［１０‐１１］ 。配制初始浓度为
０畅０２ mg · L － １ 的苯乙烯溶液，粉末活性炭的投加量分别为
１０ ，１５ 和３０ mg · L － １ ，吸附时间定为１ h 。实验采用六联搅
拌机和１ 升烧杯，搅拌的转速为１ ５００ r · min－ １ 。
２ 　结果与讨论
2畅1 　苯乙烯的三维荧光特性
有机物的特征峰位置和特征峰的强度是在分析三维荧光
光谱时较常用的两个参数［１２‐１３］ 。图１ 是不同浓度苯乙烯溶液
的三维荧光光谱图，由于０畅００１ mg · L － １ 苯乙烯溶液没有明
图1 　不同浓度苯乙烯溶液的荧光图谱
Fig畅1 　Influence of the concentration on the 3D fluorescence excitation‐emission matrix spectra of styrene
２１７０ 光谱学与光谱分析 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 第 ３６ 卷
显的指纹图谱，故不在图１ 中列出。通过观察，发现苯乙烯
溶液的荧光图谱上有一个明显的荧光峰，且位置相对固定，
可以将这个荧光峰定义为苯乙烯的特征峰，相应的位置为
Ex２５５ ／Em３０５ ，属于类蛋白质荧光图谱［１４ ］ 。在苯乙烯溶液浓
度由０畅００５ mg · L － １ 增加至０畅０４ mg · L － １ 的过程中，苯乙烯
的特征荧光峰区域面积增大，在相同的位置，光谱颜色变
深，反映出水中苯乙烯的浓度与其特征荧光峰区域面积及颜
色呈现正相关关系。因此可以通过对比三维荧光光谱图的出
峰位置、特征荧光峰区域面积及光谱颜色深浅来判断水中苯
乙烯的浓度或是污染程度。
　　如图２ 所示，在浓度梯度范围内，苯乙烯的荧光性能较
好，荧光峰明显，荧光强度较高，且其特征荧光峰强度与浓
度有较好的线性关系（R２ ＝ ０畅９９１ ４） 。故可利用苯乙烯特征
峰的荧光强度来快速分析水体中苯乙烯的浓度，判断苯乙烯
的污染程度。
图2 　荧光峰值强度和浓度的线性关系
Fig畅2 　Influence of the concentration of styrene
on the intensity of the fluorescent peaks
　　苯乙烯的具有较好的荧光性能可能是由于它的两个官能
团造成的。苯乙烯中共有４ 个共轭双键（π 键） ，其中苯环具
有大的共轭π 键结构，而乙烯基上同样具有一个共轭π 键，
可以跃迁到单线态的电子激发态，属于π → π 倡
１ 的跃迁，而后
通过辐射跃迁的衰变过程而返回基态，在这个过程中伴随着
光子的发射，即产生荧光。同时，苯乙烯的分子结构中，碳
原子处于同一个平面上，属于平面构型且具有一定的刚性，
符合强荧光物质所具有的特征［１５］ 。
2畅2 　苯乙烯的去除
在苯乙烯水溶液中分别投加１０ ，１５ ，３０ mg · L － １ 的粉末
活性炭后，荧光图谱上苯乙烯特征峰所在位置的荧光强度随
投加反应时间变化如图３ 所示。由前文可知，苯乙烯的浓度
与其特征峰的荧光强度具有良好的线性相关关系，可通过其
荧光强度来估计苯乙烯溶液的浓度。图４ 为粉末活性炭投加
量不同时，苯乙烯溶液的浓度及其去除率随时间的变化。可
见粉末活性炭对苯乙烯具有较好的去除效果。在混合３０ min
左右时，３ 个水样基本达到吸附平衡。投加３０ mg · L － １ 粉末
活性炭的水样，前５ min 的去除率为６４畅８％ ，略大于投加１５
mg · L － １ 粉末活性炭５ min 时的去除率，５６畅９％ 。３０ min 时，
两个水样中苯乙烯浓度均降至０畅００１ mg · L － １ 以下，去除率
基本相同，达９５％ 以上；３０ ～ ６０ min ，这两个水样中苯乙烯
的浓度及去除率基本不变。投加１０ mg · L － １ 粉末活性炭的
水样，其去除率要低于投加１５ mg · L － １ 粉末活性炭的水样，
３０ min 时，苯乙烯的浓度为０畅００３ mg · L － １ ， 去除率为
８５畅４％ ；６０ min 时，苯乙烯的浓度为０畅００２ mg · L － １ ，最终
去除率为８９畅１％ 。由此可见，粉末活性炭的最佳投加量为１５
mg · L － １ 。
图3 　苯乙烯特征峰的荧光强度随时间的变化
Fig畅3 　Effect of PAC on the intensity of the distinct
fluorescence peak of styrene over time
图4 　苯乙烯浓度及去除率随时间的变化
Fig畅4 　Effect of PAC on the concentration and
the removal rate of styrene over time
３ 　结　论
　　（１） 　苯乙烯水溶液具有较强的荧光性能，通过三维荧
光扫描可以发现明显的特征荧光峰。利用三维荧光光谱技术
可以快速识别水中苯乙烯。
（２）不同浓度苯乙烯水溶液的三维荧光光谱图中，特征
荧光峰强度与苯乙烯的浓度具有良好的线性相关关系（r ＝
０畅９９５ ７） 。
（３）粉末活性炭对水中苯乙烯具有良好的去除效果，最
佳投加量为１５ mg · L － １ ，此时水中的苯乙烯浓度可由０畅０２
mg · L － １ 降至０畅００１ mg · L － １ ，去除率可以达到９５畅５％ 。
第 ７期 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 光谱学与光谱分析 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畅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畅０２ mg · L － １ ，which is the limited value in sanitary standard
for drinking water ，the concentration could be reduced to ０畅００１ mg · L－ １ and the removal rate of styrene was as high as ９５畅５％ ．
Keywords 　３D fluorescence spectra ；Styrene ；Drinking water ；PAC
倡Corresponding author （Received Feb ．７ ，２０１５ ；accepted Jun ．１８ ，２０１５） 　　
２１７２ 光谱学与光谱分析

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