荧光光谱法解析油砂尾矿中芳香族石脑油替代物从沥青向水相的扩散行为及其环境意义

针对油砂尾矿池（OSTP）中残留石脑油组分扩散机制不明确的问题，加拿大女王大学团队开发了一种低成本、快速可靠的荧光光谱法，通过优化甲醇（20% vol/vol MeOH）作为共溶剂并控制样品暴露时间，成功量化了邻二甲苯（o-xylene）和1-甲基萘（1-MN）在成熟细尾矿（MFT）中的分配行为。该方法为研究油水界面扩散动力学及制定环境治理策略提供了关键技术支撑。

　　

油砂开采过程中产生的尾矿池（OSTP）储存着大量含有残留沥青和石脑油的成熟细尾矿（MFT），这些尾矿不仅是温室气体甲烷的重要来源，更因石脑油组分（如芳香烃）在沥青-水相间的扩散行为不明而成为环境治理的难点。石脑油中的芳香烃若长期滞留于沥青相，其生物降解速率将受扩散过程限制，可能持续释放数十年。然而，传统分析方法如气相色谱（GC）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）存在耗时长、成本高、操作复杂等问题，难以满足大规模环境监测需求。

针对这一挑战，加拿大女王大学（Queen’s University）化学工程系的Avery S. Ling团队创新性地开发了荧光光谱分析法。该方法通过优化实验条件（如使用20%甲醇抑制挥发、6天内完成检测），实现了对邻二甲苯（o-xylene）和1-甲基萘（1-MN）在ppb至ppm级浓度的高灵敏度检测。研究发现，盐度会选择性抑制1-MN的荧光响应但不影响o-xylene，而沥青接触时间延长会导致水溶性组分的光谱干扰增加。值得注意的是，在真实MFT样本中，o-xylene主要富集于沥青相，水相浓度仅为其最大溶解度的4.1%，这揭示了石脑油组分在尾矿中的赋存特征。

关键技术方法

研究采用PTI QuantaMaster 400荧光光谱仪，以260 nm激发波长分析270-410 nm发射光谱，通过甲醇共溶剂稳定样品，并建立模拟OSTP孔隙水体系评估盐度效应。沥青样本经离心分离后，通过多轮甲醇萃取分析MFT中的芳香烃分布。

研究结果

1. 替代物选择：o-xylene（线性范围100 μg/L-100 mg/L）和1-MN（10 μg/L-10 mg/L）因光谱特异性被选为代表物，其检测限分别为210 μg/L和29 μg/L。

2. 共溶剂优化：20%甲醇可将o-xylene的6天挥发损失从40%降至9.5%，并有效抑制沥青组分干扰。

3. 盐度效应：模拟孔隙水使1-MN信号降低，但对o-xylene无影响，表明盐类通过阴离子电子转移机制选择性淬灭多环芳烃荧光。

4. 实际应用：MFT样本中o-xylene的连续萃取实验证实其水相浓度稳定在224±16 mg/L，但仅占添加总量的4.1%，揭示沥青相吸附是主要归宿。

结论与意义

该研究建立的荧光光谱法突破了传统技术的局限性，首次实现了油砂尾矿系统中石脑油组分扩散行为的精准解析。发现盐度和沥青特性共同调控芳香烃的分配过程，为预测尾矿池甲烷排放潜力及设计针对性修复方案（如调节盐度加速降解）提供了理论依据。该方法可推广至其他油水双相体系的环境行为研究，对能源工业的绿色转型具有重要指导价值。论文发表于分析化学领域权威期刊《Talanta》，为复杂环境基质中的痕量污染物监测树立了新范式。