液相色譜法檢測城市污水中總氮的不確定度分析

紀(jì)曉娜，左 妍，艾勝書，劉 晶，張 田，邊德軍

（1.吉林省城市污水處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.長春工程學(xué)院，長春130012）

總氮（TN）是水質(zhì)檢測的重要指標(biāo)，可以表征水體富營養(yǎng)化的程度，也是衡量和評價(jià)城市污水的水質(zhì)變化、監(jiān)控污水排放的主要指標(biāo)［1］?？偟侵杆w中所有形態(tài)氮元素的總和，檢測原理是將所有含氮化合物氧化為＋5價(jià)硝酸根離子的形式，再分析其中硝酸鹽的含量，結(jié)果以氮元素的質(zhì)量濃度來表達(dá)。

總氮的檢測方法很多，各種方法的不確定度分析也有相關(guān)報(bào)道，如國家標(biāo)準(zhǔn)的雙波長紫外分光光度法分析飲用水［2－3］、氣相分子吸收光譜法分析地表水和自來水的總氮不確定分析［4］、連續(xù)流動(dòng)分析法檢測地表水［5－6］、TOC／TN 分析儀測地表水［7］和污水［8］中總氮的不確定度。比較不同方法檢測總氮結(jié)果的不確定度，可以表征其結(jié)果的分散性和可靠性［9］，從而為總氮檢測方法的選擇提供參考。

色譜分析方法逐漸普及，研究該方法的不確定度越來越多，可以發(fā)現(xiàn)其結(jié)果更可靠［10－11］。本文采用的先高溫高壓消解［12］、再用液相色譜法（HPLC）檢測城市污水中的總氮，關(guān)于該方法的不確定度未見報(bào)道。通過該總氮檢測方法與其他方法的不確定度對比，可以確定該方法的可靠程度［13］。在比較時(shí)，應(yīng)同時(shí)考察相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度和擴(kuò)展不確定度，以及樣品的質(zhì)量濃度，三者結(jié)合考量才更科學(xué)［14］。

本實(shí)驗(yàn)室前期研究了HPLC檢測城市污水中硝酸鹽的方法［15－16］，進(jìn)一步將該方法應(yīng)用到總氮的檢測中，經(jīng)過條件優(yōu)化，取得了較好的效果［17］，本文分析了優(yōu)化后的總氮檢測方法的不確定度。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器、試劑和樣品

安捷倫HPLC 1100液相色譜儀（自動(dòng)進(jìn)樣器、DAD檢測器、C18柱）；上海光譜721型雙光束紫外光譜儀；醫(yī)用手提式蒸汽滅菌鍋；國藥總氮標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液（100.00mg·mL－1），4℃保存；乙腈（色譜純），水（超純水），其他試劑為分析純；磷酸緩沖溶液：將2.381 6g磷酸二氫鉀加水溶解，加0.143mL濃磷酸，定容至250mL，即為0.70mol·L－1KH2PO4～0.08mol·L－1H3PO4溶液；堿性過硫酸鉀溶液：分別稱取40g過硫酸鉀和15g氫氧化鈉，溶于水中，冷卻至室溫，混合后，稀釋至1 000mL，溶液存放在聚乙烯瓶內(nèi)，最長可貯存一周；鹽酸（1＋9）：取10mL濃鹽酸慢慢加到90mL水中，邊加邊攪拌。

1.2 色譜分析

取“1.1”節(jié)中的磷酸緩沖溶液稀釋40倍得流動(dòng)相A（pH≈3.3）。

色譜條件：流動(dòng)相A∶乙腈＝92∶8（體積比）；流速0.8mL·min－1；柱溫30 ℃；DAD 檢測波長208nm。按此條件分析城市污水樣品，保留時(shí)間為1.73min。

1.3 樣品前處理

取過濾的城市污水樣品（≤10mL）于25mL比色管中，不足10mL部分用超純水補(bǔ)足，加入堿性過硫酸鉀溶液5mL，塞緊磨口塞，并保證高溫高壓下密閉。將比色管置于高壓蒸汽鍋內(nèi)，在120～124℃下消解（相當(dāng)于壓力0.11～0.14MPa）30min，冷卻、開閥放氣，移去外蓋，取出比色管并放至室溫，待用。

液相色譜法：消解后的樣品經(jīng)0.45μm水系微孔濾膜過濾，HPLC分析。

分光光度法：消解后的樣品加入1mL鹽酸（1＋9），加水定容至25mL，使用721型雙光束紫外光譜儀分析。

2 建立數(shù)學(xué)模型

樣品中總氮的含量按式1計(jì)算：

式中：X表示水樣中含總氮的質(zhì)量濃度，mg·L－1；A為對應(yīng)色譜峰面積，mAU·min；F為進(jìn)樣體積，μL；

3 不確定度分析

不確定度的來源包括樣品前處理、標(biāo)準(zhǔn)曲線、樣品重復(fù)測量和儀器檢測4方面（如圖1），其中樣品前處理的不確定度由取樣、補(bǔ)水和加藥3個(gè)步驟引入，標(biāo)準(zhǔn)曲線的不確定度包括標(biāo)準(zhǔn)品本身的誤差和標(biāo)準(zhǔn)稀釋過程引入的不確定度，儀器檢測包括進(jìn)樣量和DAD檢測波長。

圖1 總氮不確定度的來源和分析

3.1 樣品前處理引入的不確定度

分別用5mL移液管吸取5mL水樣、5mL超純水和5mL堿性過硫酸鉀至25mL比色管。

3.1.1 移取水樣引入的不確定度

5mL移液管的最大允許誤差為±0.015mL，視為矩形分布，取分布因子k＝。移取水樣時(shí)容積引起的不確定度為：

相對不確定度為：

溫度波動(dòng)設(shè)為±4℃時(shí)，溫度引起的不確定度為0.002 425mL，相對不確定度為：

移取水樣引入的相對不確定度合成為：

urel（取 樣）

3.1.2 樣品前處理引入的其他不確定度

移取超純水5mL，補(bǔ)充至10mL時(shí)，引入的相對不確定度的計(jì)算方法同3.1.1。

加入堿性過硫酸鉀5mL，引入的相對不確定度的計(jì)算方法也同3.1.1。

由樣品前處理引入的相對不確定度分量為：

3.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線引入的不確定度

取總氮標(biāo)準(zhǔn)溶液放入100mL的容量瓶中，用超純水定容至刻度，搖勻得一系列總氮標(biāo)準(zhǔn)溶液，按1.3方法處理后，按進(jìn)樣體積F＝10μL進(jìn)行HPLC分析（見表1）。

表1 總氮的標(biāo)準(zhǔn)曲線數(shù)據(jù)

以峰面積對總氮標(biāo)準(zhǔn)品質(zhì)量濃度做標(biāo)準(zhǔn)曲線，標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為A＝241.0 X＋311.4，線性最小二乘法擬合的相關(guān)系數(shù)為0.997 1。

3.2.1 標(biāo)準(zhǔn)品引入的不確定度

標(biāo)準(zhǔn)品的說明書中顯示，總氮標(biāo)準(zhǔn)溶液的不確定度為±0.1mg·L－1，視為矩形分布，取分布因子標(biāo)準(zhǔn)品引入的不確定度為：

標(biāo)準(zhǔn)品引入的相對不確定度為：

3.2.2 標(biāo)準(zhǔn)稀釋過程引入的不確定度

容量瓶的定容最大允許誤差為±0.10mL，視為矩形分布，取分布因子標(biāo)準(zhǔn)稀釋過程中由定容引入的不確定度為：

標(biāo)準(zhǔn)稀釋引入的相對不確定度為：

由標(biāo)準(zhǔn)曲線引入的相對不確定度分量為：

3.3 樣品重復(fù)測量引入的不確定度

本實(shí)驗(yàn)取城市污水水樣5mL（即f＝2），進(jìn)行6個(gè)平行樣品的總氮分析，進(jìn)樣體積F＝10μL，將檢測的峰面積（A）帶入公式（1），結(jié)果分別為：25.01，24.84，24.66，25.13，25.95和25.78mg·L－1。平均值＝25.23mg·L－1。

單次檢測的標(biāo)準(zhǔn)差為：

平均質(zhì)量濃度的不確定度為：

由重復(fù)測量引入的相對不確定度分量為：

3.4 儀器檢測引入的不確定度

3.4.1 進(jìn)樣量引入的不確定度

安捷倫HPLC 1100的自動(dòng)進(jìn)樣器定量環(huán)誤差為±0.10μL，按矩形分布處理，由進(jìn)樣體積引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

進(jìn)樣體積F＝10μL時(shí)的相對不確定度為：

3.4.2 DAD檢測器引入的不確定度

DAD檢測器的波長精度為±1nm，按矩形分布處理，由檢測波長引入的不確定度為：

DAD在208nm檢測的相對不確定度為：

由儀器檢測引入的相對不確定度分量為：

3.5 合成相對不確定度計(jì)算

由上述各相對不確定度分量合成城市污水總氮含量的不確定度為：

3.6 擴(kuò)展不確定度

按置信概率P＝95%時(shí)，取k＝2。則城市污水水樣總氮含量測定的相對擴(kuò)展不確定度為：

故其擴(kuò)展不確定度為：

圖2 城市污水總氮結(jié)果的不確定度來源

該污水樣品中的總氮含量表示為：

3.7 HPLC與分光光度法［12］檢測總氮的簡單對比

影響HPLC分析總氮的不確定的4個(gè)方面中，與分光光度法有較大差別的因素，主要體現(xiàn)在樣品的前處理和儀器檢測2個(gè)方面，下面就這2個(gè)方面的不確定度做簡單的對比分析。

3.7.1 樣品前處理的對比

樣品的消解過程與HPLC的樣品前處理引入的相對不確定度相等：

加鹽酸中和消解液中剩余的堿時(shí)，使用1mL移液管，引入的相對不確定度（包括容積和溫度）為：

25mL具塞比色管的誤差為±0.25mL，因此定容時(shí)引入的相對不確定度為：

分光光度法的樣品前處理引入的相對不確定度合稱為：

由于分光光度法比HPLC增加了中和和定容的步驟，因此樣品前處理的相對不確定由0.31%增加至0.77%。

3.7.2 儀器檢測的對比

721型雙光束紫外光譜儀波長的誤差為±2nm，因此由儀器的波長引入的相對不確定度為：

光譜儀在220nm和275nm兩個(gè)波長處檢測。雙光束分光光度法的儀器檢測引入的相對不確定度合稱為：

雖然分光光度法不涉及進(jìn)樣量引入的誤差，但是檢測中涉及2個(gè)波長，與HPLC儀器檢測引入誤差相比，還是略有增加，由0.64%增至0.67%。

通過HPLC與雙光束分光光度法檢測總氮的不確定度對比，主要分析了4個(gè)不確定度分量中2個(gè)變化較大的分析步驟——樣品前處理和消解液的檢測，可以發(fā)現(xiàn)HPLC的檢測結(jié)果的可靠性明顯優(yōu)于分光光度法，主要體現(xiàn)在樣品前處理引入的相對不確定度較低?？梢娫诓淮_定度的影響因素中，減化操作步驟是有效的。

4 結(jié)語

本文以城市污水為例，評定了采用高溫消解和液相色譜法聯(lián)合使用測定總氮的不確定度，相對不確定度和擴(kuò)展不確定度的結(jié)果表明本方法可靠。

（1）該方法檢測總氮的不確定度主要來源于儀器和樣品的高溫消解；

（2）同樣采用高溫消解處理樣品，本文采用的HPLC檢測比傳統(tǒng)的雙光束分光光度法的結(jié)果更可靠；

（3）本文采用的方法與文獻(xiàn)中其他水質(zhì)分析的總氮檢測方法相比，相對不確定 度較低［6，7，8］，對于城市污水的總氮檢測可以滿足要求，且具有較高的精確度。

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