张谦 刘宏玉 吴怡 赵峰 崔淑华

张 谦 ¹ 刘宏玉 ¹ 吴 怡 ¹ 赵 峰 ¹ 崔淑华 ^{1 *}

摘 要 本文采用高效液相色谱法（High Performance Liquid Chromatography，HPLC）对船舶废气洗涤水中的多环芳烃含量进行了测定，以萘为例，建立数学模型，评定了分析过程中的不确定度。实验主要考虑校准过程、样品称量、样品定容、提取过程、测试过程中随机效应等因素对不确定度的影响,最后得出萘含量的扩展不确定度为0.17 µg/L，检测结果表示为（1.91±0.17）μg/L，k＝2。研究表明，在诸多影响因素中，标准储备液浓度带来的不确定度及标准溶液配制引入的不确定度分量最大。该研究结果有助于提升船舶废气洗涤水中多环芳烃检测结果评估工作的准确性与可靠性。

关键词 船舶废气洗涤水；高效液相色谱；多环芳烃；不确定度

Uncertainty Evaluation for Determination of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons in Exhaust Gas Scrubber Washwater from Ships by HPLC Method

ZHANG Qian ¹ LIU Hong-Yu ¹ WU Yi ¹ ZHAO Feng ¹ CUI Shu-Hua ^1*

Abstract This study determined the content of polycyclic aromatic hydrocarbons(PAHs) in exhaust gas scrubber washwater from ships using high performance liquid chromatography (HPLC). A mathematical model was established with naphthalene as an example to evaluate the uncertainty of the analysis process. The main factors considered in the uncertainty evaluation included the calibration process, sample weighing, sample dilution, extraction process, and random effects during testing. The expanded uncertainty for naphthalene concentration was calculated to be 0.17 µg/L, with the result expressed as (1.91±0.17) μg/L, k = 2. The analysis revealed that the large stsources of uncertainty stemmed from the standard stock solution concentration and the preparation of standard solutions. This study helps to assess the accuracy and reliability of PAHs detection in exhaust gas scrubber washwater from ships.

Keywords exhaust gas scrubber washwater;HPLC; polycyclic aromatic hydrocarbons; uncertainty

为控制远洋船舶废气污染，国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）决定自2020年1月1日起，在全球范围内实施船用燃油限硫规定（以下简称“限硫令”），国际航行船舶所用燃油含硫量不得超过0.50% m/m。为满足限硫令的要求，船东一般有三种选择，一是直接使用含硫量低于0.50% m/m的燃油；二是采取替代措施，使船舶废气排放满足《国际防止船舶造成污染公约》（International Convention for the Prevention of Pollution from Ships，MARPOL）附则Ⅵ规定的等效要求，可以继续使用硫含量超过0.50% m/m的燃油；三是采用其他含硫量低的替代能源^[1]。船舶废气清洗系统（Exhaust Gas Cleaning System，EGCS），即脱硫塔，是满足MARPOL要求的有效替代技术。EGCS系统通过大量洗涤水对船舶废气中的氮硫氧化物进行吸收洗脱，会明显减少船舶废气中氮硫氧化物的排放，减轻大气污染，但洗涤水也会吸收重油燃料（Heavy Fuel Oil，HFO）不完全燃烧产生的多环芳烃等污染物，此类污染物会随着EGCS洗涤水（即船舶废气洗涤水，也称为脱硫塔洗涤水）的排放转移到水域中，对海洋环境造成不利影响。目前，日渐增多的国家和地区开始单方面采取措施禁止船舶废气洗涤水在其所属海域排放^[2]，美国等国家明确要求对船舶废气洗涤水中的多环芳烃进行检测，符合限值指标的洗涤废水才允许排入海洋。

船舶废气洗涤水本质上属于海水，含盐量高、基质较为复杂、干扰物多，检测其中的多环芳烃含量难度较高。目前海水中多环芳烃的检测方法主要有高效液相色谱法^[3-4]、气相色谱-质谱法（Gas Chromatography-Mass Spectrometry，GC-MS）^[5]、气相色谱-串联质谱法（Gas Chromatography-Tandem Mass Spectrometry，GC-MS/MS）^[6]等。关于多环芳烃含量测定的不确定度评定研究，多数集中在食品、纺织品、大气、土壤等方面^[7-10]，以水质中多环芳烃为研究对象的并不多见^[11]，海水（包含船舶废气洗涤水）中多环芳烃含量测定的不确定度目前缺乏研究。本文采用高效液相色谱法对船舶废气洗涤水中的多环芳烃含量进行测定，以萘为例，评定分析过程中的不确定度。

1 材料与方法

1.1 仪器、试剂与材料

Agilent 1260液相色谱仪（美国安捷伦公司）；ZORBAX SB-C₁₈柱（5 μm，4.6 mm×150 mm，美国安捷伦公司）；BSA2202S称样电子天平（0.01 g，德国塞多利斯公司）；容量瓶（1000 mL，天津玻璃仪器厂）；移液器（5 mL，1 mL，0.2 mL，0.1 mL，德国普兰德公司）。

正己烷（色谱纯，德国默克公司）；乙腈（色谱纯，德国默克公司）；氯化钠（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）；无水硫酸钠（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）；16种多环芳烃混合标准溶液（200.0 μg/mL，阿尔塔）；有机微孔滤膜（0.45 μm，津腾公司）。

本实验在不含萘的船舶废气洗涤水样品中添加萘，添加浓度为2 μg/L，作为阳性样品进行实验。

1.2 实验方法

本实验依据美国国家环境保护局（United States Environmental Protection Agency，U.S. EPA）方法8310《多环芳烃》（METHOD 8310“POLYNUCLEAR AROMATIC HYDROCARBONS”）进行检测。

量取1000 mL船舶废气洗涤水，加入2000 mL分液漏斗中，分别加入30 g NaCl、50 mL正己烷，摇震5 min，静置分层，收集有机相。重复萃取一次，合并后的有机相用无水硫酸钠干燥，氮吹浓缩近干，用1 mL乙腈复溶，过0.45 μm有机滤膜，上高效液相色谱仪（DAD检测器）测定，以保留时间定性，外标法定量。取浓度为200.0 μg/mL标准储备液，以乙腈为溶剂，配制成浓度为0.1 μg/mL、0.2 μg/mL、0.5 μg/mL、1 μg/mL、5 μg/mL的标准工作溶液来进行校准，通过校准曲线，测得洗涤水中萘的含量。

2 不确定度来源分析

2.1 数学模型

船舶废气洗涤水中萘含量的计算公式如下：

(1)

式（1）中，W为水中萘的残留量，μg/L；c为定容液中萘的浓度，μg/mL；V_A为定容体积，mL；V_B为样品体积，mL；f_rec为回收率校正因子，等于回收率的倒数。

2.2 不确定度分量的主要来源

2.2.1 校准过程

包括标准储备液浓度的不确定度、配制标准工作溶液时引入的不确定度和校准曲线拟合时引入的不确定度。

2.2.2 样品量取

由量筒的最大允许误差以及由温度变化导致水样体积膨胀引入的不确定度组成。

2.2.3 定容过程

由移液器移取体积的准确性以及因温度变化造成溶剂体积膨胀引入的不确定度组成。

2.2.4 回收率校正

样品的前处理需要经过提取、净化、定容等步骤，每一步操作都可能造成待测物的损失，基质效应、仪器的稳定性等同样会造成测量值偏大或偏小，进而影响测量结果的正确度。要明确每一步操作对测量不确定度的贡献是有一定困难的，可以通过加标回收实验计算回收率来进行评价及校正。

2.2.5 测试过程中的随机效应

包括样品的均匀性和代表性，天平与量筒的重复性，制样过程中提取、净化、定容等各步骤的重复性，进样和仪器测定的重复性等因素引入的不确定度。可以通过测量重复性来对该方面的不确定度进行评价。

3 不确定度分量的评定

3.1 校准过程引入的不确定度

3.1.1 标准储备液浓度的相对不确定度

根据供应商提供的标准物质证书，萘储备液的相对拓展不确定度为5%，k = 2，则萘的相对标准不确定度为：

(2)

3.1.2 由标准储备液稀释成标准工作液时引入的不确定度

该过程引入的不确定度由配制标准工作溶液时移液器和容量瓶引入的不确定度组成，包括移液器和容量瓶体积的准确性以及因温度变化造成的溶剂体积膨胀引入的不确定度。

实验室温度（20℃）的波动一般为±5℃，乙腈在室温（20℃）下体积膨胀系数为1.37×10^-3 /℃，量器的容量允许误差用表示，按照均匀分布，量器体积的不确定度和实验室温度变化产生的不确定度计算公式如下：

(3)

(4)

配制0.1 μg/mL、0.2 μg/mL、0.5 μg/mL、1 μg/mL、5 μg/mL的萘标准工作溶液，需要用移液器准确移取0.05 mL、0.10 mL、0.25 mL、0.50 mL、2.50 mL的萘标准储备液到100 mL容量瓶中，定容到100 mL。标液配制时移液器和容量瓶的各个影响数据及不确定度计算见表1。

不同浓度的标准溶液在配制过程中产生的不确定度见表2，由标准储备液稀释成标准工作液时引入的不确定度为：

= 0.0320 (5)

3.1.3 由标准溶液的浓度-色谱峰面积拟合得到线性回归方程时引入的不确定度

萘标准工作溶液各点质量浓度及峰面积见表3。每个点重复测定2次，用最小二乘法拟合标准工作曲线，得到萘的线性回归方程为y = 902.8c－6.121，根据线性回归方程求标准不确定度及相对标准不确定度如下：

(6)

(7)

(8)

表2 不同浓度标准溶液的不确定度

Table 2 Uncertainty in the preparation process of standard

solutions with different concentrations

式（6）中，S_R为标准曲线的剩余标准差；a、b为标准曲线的截距和斜率，a = -6.121，b = 902.8；p为试样平行测量次数，p = 2；n为拟合标准曲线的数据对总数，n = 10；c_w为实际样品中待测物的质量浓度，由于实际样品中萘未检出，选择含量为2 μg/L的模拟水质样品进行2次测量，萘测定结果分别为1.85 μg/L和1.87 μg/L，平均值为1.86 μg/L；c_i为标准系列各点质量浓度；为标准系列各点质量浓度的平均值，=1.36 μg/mL，y_i为第i个标准溶液的响应值。

由上述结果可知，校准过程所引入的相对标准不确定度为：

(9)

3.2 样品量取引入的不确定度

方法要求准确量取1000 mL试样，实验中用1000 mL的量筒量取样品。1000 mL量筒的最大允许误差为±10 mL（20℃），水在室温（20℃）下体积膨胀系数为1.80×10^-3 /℃，按均匀分布，则标准不确定度为：

(10)

(11)

则量取1000 mL样品引入的相对标准不确定度为：

(12)

3.3 由定容过程引入的不确定度

样品经过提取、干燥、浓缩后，用1 mL移液器准确移取1 mL乙腈复溶。根据校准证书，1 mL移液器的允差为±0.01 mL，乙腈在室温（20℃）下体积膨胀系数为1.37×10^-3 /℃,按均匀分布，由定容过程引入的标准不确定度为：

(13)

(14)

则定容引入的相对标准不确定度为：

(15)

3.4 回收率校正

取6份船舶废气洗涤水空白样品进行加标回收实验，萘的添加浓度为2 μg/L，6次平行测定（n = 6）回收率分别为99.1%、93.7%、95.3%、92.5%、98.2%、101.2%，平均回收率（R）为96.7%，标准偏差（S_R）为3.37%，标准不确定度采用平均回收率的标准偏差表示：

(16)

(17)

对于以上结果，需要进行显著性检验，判断平均回收率与理论回收率（100%）之间是否存在显著性差异，以确定回收率是否需要参与不确定度结果的校正。显著性检验采用t检验：

(18)

在置信度为95%，自由度为5时，双边临界值t_(0.05,5) = 2.57，t＜t_(0.05,5)，说明R与100%之间没有显著性差异，不需要用回收率修正结果，u_rel (R)不参与结果的校正。

3.5 测试过程中随机效应引入的不确定度

按照测试过程测定实验室加标样品（萘浓度为2 μg/L），重复测定8次，萘的测定结果分别为1.98 μg/L、1.87 μg/L、1.85 μg/L、1.96 μg/L、2.02 μg/L、1.91 μg/L、1.93 μg/L、1.89 μg/L，平均值= 1.91 μg/L，标准偏差s(W_i) = 0.0590 μg/L，标准不确定度采用平均值的标准偏差表示，则测试过程中随机效应导致的标准不确定度和相对标准不确定度为：

μg/L (19)

(20)

3.6 合成不确定度

船舶废气洗涤水中萘的各标准不确定度分量间相互独立，各不确定度分量见表4。则萘的合成相对标准不确定度为：

= 0.0432 (21)

船舶废气洗涤水中萘含量测定平均值为1.91 μg/L，根据国际惯例，在95%的置信水平下，取包含因子k＝2，则扩展不确定度U为：

μg/L

(22)

表4 不确定度分量

Table 4 Different Parts of standard uncertainty

3.7 测定结果的报告

HPLC法测定海运船舶废气洗涤水中萘含量的结果表示为：1.91±0.17 μg/L，k＝2。

4 结论

本文以萘为例，对高效液相色谱法测定海运船舶废气洗涤水中多环芳烃含量的不确定度进行了评定，合成了萘的相对标准不确定度，并得到了拓展不确定度。结果表明，在各不确定度分量中，标准工作液配制过程引入的不确定度数值最大，其次为标准储备液浓度带来的不确定度，量筒量取试样、定容及线性拟合过程引入的不确定度相对较小。在日常检测中，明确各不确定分量的大小，可以作为实验室质量控制的参考，通过控制占比较大的不确定分量，能进一步提高检测结果的准确度。在标准工作溶液配制时，工作人员需要提高操作水平，要尽可能使用准确度高的量具，移取标准溶液时要使用合适的移液器或移液管一次性移取，尽量增大移液体积；在购置标准物质时，要考察标准物质的纯度和标准溶液的不确定度，购置纯度高、不确定度低的标准物质；在实验过程中，要减小实验环境的温度波动，控制好温湿度，保证实验环境的恒定；当多环芳烃有检出且接近限量时，需要重复检测。通过以上措施，可以更有效地进行海运船舶废气洗涤水中多环芳烃的检测，降低不确定度，保证检测结果有效可靠。

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第一作者：张谦（1992—），男，汉族，助理工程师，本科，主要从事食品化妆品检测工作，E-mail: 1583744492@qq.com

通信作者：崔淑华（1980—），女，汉族，高级工程师，博士，主要从事食品化妆品检测工作，E-mail: ftalab@163.com

1. 青岛海关技术中心 青岛 266000

1. Technology Center of Qingdao Customs, Qingdao 266000

表1 移液器和容量瓶的不确定度

Table 1 Uncertainty of locomotive pipettes and volumetric flasks

表3 萘系列标准溶液的测量结果

Table 3 Results for determination of calibration solutions of Naphthalene