海水中臭氧總殘留氧化物三種檢測方法的比較研究

王興國 , 張延青 李 賢, , 孫國祥, , 王順奎, 于凱松, 劉 鷹,

(1. 青島理工大學(xué), 山東 青島 266033; 2. 中國科學(xué)院 海洋研究所, 山東 青島 266071; 3. 海洋生態(tài)養(yǎng)殖國家地方聯(lián)合工程實驗室, 山東 青島 266071; 4. 山東東方海洋科技股份有限公司, 山東 煙臺, 264003)

臭氧作為一種強氧化消毒劑, 能有效降低病原菌危害并能凈化水質(zhì), 在海水魚蝦循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛。Tang等[1]報道, 在大西洋大比目魚(Pacific Halibut)循環(huán)海水養(yǎng)殖系統(tǒng)中, 當(dāng)海水中投加的臭氧濃度達(dá)到320～340 mV時, 養(yǎng)殖水體總有機碳降解15%, 亞硝酸鹽、水色、懸浮物濃度都有所降低。同時, Schroeder等[2]研究表明, 在海水循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中投加適量臭氧有助于生物濾器中硝化細(xì)菌的生長, 提高了系統(tǒng)的處理效率。在養(yǎng)殖生產(chǎn)應(yīng)用過程中, 特別在海水循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中, 臭氧投加量是一項重要的控制指標(biāo), 投加量太小達(dá)不到理想的處理效果, 投加量太大不僅造成浪費, 而且使臭氧副產(chǎn)物(包括溴酸鹽、氮氧化物)在養(yǎng)殖水體中大量積累, 從而對養(yǎng)殖對象甚至人體造成毒害[3]。因此,采用精確的測量方法及時測定海水養(yǎng)殖水體中臭氧含量, 對指導(dǎo)養(yǎng)殖生產(chǎn)有重要意義。

目前海水中常用臭氧總殘留氧化物(TRO)以mg/L(O3)或 mg/L(Cl2)為單位表示溶解臭氧濃度[5]。TRO主要包括溴酸鹽、氯酸鹽、H2O2、殘留臭氧等。但海水中TRO濃度的檢測尚無國家標(biāo)準(zhǔn)方法, 國際上普遍采用的方法包括 N, N-二乙基-1, 4-苯二胺(DPD)法[8]、碘量法[6]、靛藍(lán)試劑法[7]。而DPD法中KI-DPD分光光度法應(yīng)用廣泛, 具有重復(fù)性高、檢出限低等特點[9]; 碘量法中H3BO3-KI比色法操作簡便準(zhǔn)確度較高[3]; 靛藍(lán)試劑法中IDS分光光度法具有干擾小、檢測限高等特點[10]。但在實際應(yīng)用中, KI-DPD分光光度法、H3BO3-KI比色法、IDS分光光度法的重復(fù)性和準(zhǔn)確度等方面存在較大差異。因此本研究比較了此三種檢測方法的重復(fù)性、檢出限等, 從而確定海水中TRO較理想的檢測方法, 為海水循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)TRO濃度檢測提供有效參考。

1 材料與方法

1.1 實驗儀器

HRCF-G3-20臭氧發(fā)生器(煙臺豪爾臭氧設(shè)備有限公司, 山東煙臺); UV-500-OEM 紫外臭氧濃度檢測儀(淄博愛迪爾測控技術(shù)有限公司, 山東淄博);UV-2000紫外—可見光分光光度計(尤尼柯儀器有限公司, 中國上海); 500 mL厭氧瓶; 玻璃注射器; 10 mL、25mL具塞比色管。

1.2 實驗試劑

實驗室用水為超純水, 所用試劑未特殊說明均為AR。

1.2.1 常用試劑

碘酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液,c(1/6KIO3)=0.1 000 mol/L;5 g/L碘化鉀(KI)溶液; pH6.0乙酸緩沖溶液; 0.4% N,N-二乙基-1, 4-苯二胺(DPD)溶液; 0.5%乙二胺四乙酸二鈉(EDTA-2Na)溶液(GR); 溴酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液,c(1/6KBrO3)=0.1 000 mol/L; 溴酸鉀-溴化鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液,c(1/6KBrO5)=0.0 100 mol/L; 磷酸-磷酸氫二鈉緩沖溶液(pH為2.0)

1.2.2 臨時配制試劑

a. 臭氧標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液: 稱取1.0 g KI溶于水中, 移入100 mL容量瓶, 加入0.1 000 mol/L KIO3溶液10.00 mL及1.0 mol/L H2SO4溶液5 mL, 用水稀釋至標(biāo)線, 即為0.0100 mol/L碘溶液, 此溶液每毫升相當(dāng)于含240 μg 臭氧[3]。

b. H3BO3-KI吸收液: 稱取6.2g硼酸(H3BO3), 溶于水后再加入10.0 gKI溶解后移入1000 mL容量瓶中, 用水稀釋至標(biāo)線。

c. 臭氧標(biāo)準(zhǔn)使用溶液(A): 臭氧標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液(a)用水稀釋成含臭氧10 μg/mL的標(biāo)準(zhǔn)使用溶。

d. 臭氧標(biāo)準(zhǔn)使用溶液(B): 臭氧標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液(a)用H3BO3-KI吸收液稀釋成含臭氧1.2 μg/mL的標(biāo)準(zhǔn)使用溶液。

e. 靛藍(lán)二磺酸鈉(IDS)標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液: 稱取0.25 g用水溶解, 移入500 mL 棕色容量瓶中, 用水稀釋至標(biāo)線, 搖勻, 24 h后標(biāo)定[11]。標(biāo)定后用磷酸-磷酸氫二鈉緩沖溶液稀釋成1.25 μg/mL的IDS標(biāo)準(zhǔn)溶液和2.5 μg/mL的IDS吸收液。

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品采集

開啟精密臭氧發(fā)生器(煙臺豪爾臭氧設(shè)備有限公司)預(yù)熱 15 min, 待儀器穩(wěn)定后, 用玻璃注射器量取薄膜式微孔取樣器中臭氧, 快速注入裝有海水的封閉厭氧瓶(500 mL)中使其充分混合, 40 s后測定其TRO濃度。本實驗通過控制臭氧發(fā)生器氣源流量大小改變注入海水中臭氧濃度大小, 以UV-500臭氧濃度檢測儀在線檢測數(shù)值表示投加到海水中初始臭氧濃度。

1.3.2 KI-DPD分光光度法

標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制: 取7個10 mL比色管, 分別移入吸收液(1.0 mL乙酸緩沖溶液, 1.0 mL碘化鉀溶液,1.0 mLDPD溶液, 1.0 mL EDTA-2Na溶液), 混勻后分別向各管移入臭氧標(biāo)準(zhǔn)使用溶液(A)0、0.05、0.10、0.30、0.50、0.70、1.00 mL, 用水稀釋至標(biāo)線。10 min內(nèi)用10 mm石英比色皿, 以水作參比, 在波長550 nm下測定吸光度A。以TRO(mg/L)為縱坐標(biāo), 吸光度A為橫坐標(biāo), 繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線:y=4.8048(A–A0)–0.0041,R2=0.9999。

樣品測定: 取5 mL水樣移入10 mL比色管中,使其與吸收溶液充分混合后用水稀釋至標(biāo)線。按標(biāo)準(zhǔn)曲線操作步驟測量其吸光值A(chǔ)。然后另取相同體積水做空白試驗,A0為其吸光度值。按擬合公式y(tǒng)=4.8048(A–A0)–0.0041 計算 TRO 含量。

1.3.3 H3BO3-KI比色法

標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制: 取6個25 mL棕色容量瓶, 按表l移入臭氧標(biāo)準(zhǔn)使用溶液(B)制備標(biāo)準(zhǔn)色列管。搖勻后,用10 mm石英比色皿, 以水為參比, 在波長350 nm下測定吸光度A。以TRO(mg/L)為縱坐標(biāo), 吸光度A為橫坐標(biāo), 繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線y=1.8879(A–A0)–0.0019,R2=0.9999。

表1 臭氧標(biāo)準(zhǔn)色列管的配制Tab.1 Preparation ofozone standards concentrations

樣品測定: 于25 mL比色管中加入10 mLH3BO3-KI吸收溶液和10 mL待測水樣, 震蕩后用H3BO3-KI吸收液稀釋定容標(biāo)線。10 min后按標(biāo)準(zhǔn)曲線操作步驟測量其吸光度值A(chǔ)。然后另取相同體積水做空白試驗,A0為其吸光度值。按擬合公式y(tǒng)=[1.8 879(A–A0)–0.0019]×25/10計算TRO含量。

1.3.4 IDS分光光度法

標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制: 取6支10 mL比色管, 按表2制備標(biāo)準(zhǔn)溶液系列用 10 mm比色皿, 以水為參比, 在610 nm波長處測定吸光度值。以臭氧質(zhì)量濃度為縱坐標(biāo), 標(biāo)準(zhǔn)溶液系列中零濃度管的吸光度值A(chǔ)0與各標(biāo)準(zhǔn)管的吸光度值A(chǔ)之差為橫坐標(biāo), 繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線:y= 2.7269(A–A0)–0.004,R2=0.9 998。

樣品測定: 吸取IDS吸收液5.0 mL于10 mL比色管中, 然后用刻度吸管吸取臭氧水樣 5.0 mL, 緩慢加入比色管中同時振蕩。待溶液由深藍(lán)色變?yōu)闇\藍(lán)色時停止加樣, 讀取水樣的加入量。最后用磷酸-磷酸氫二鈉緩沖溶液稀釋至標(biāo)線, 按標(biāo)準(zhǔn)曲線操作步驟測量其吸光值A(chǔ)。取相同體積水做空白試驗,A0為其吸光度值。按擬合公式y(tǒng)=1.25–[2.7269(A0–A)–0.004]計算TRO含量。

表2 臭氧標(biāo)準(zhǔn)溶液系列Tab.2 Ozone standard solution series

1.4 精密度試驗

精密度是指多次重復(fù)測定同一量時各測定值之間彼此相符合的程度, 表征測定過程中隨機誤差的大小。在精密度試驗分析時常用RSD表示精密度, 當(dāng)RSD不超過 5.0%時, 符合精密度試驗要求, 否則不符合要求[13]。本實驗的海水水樣條件為: 水溫 15℃(±1℃)、pH 值 7.55±0.1、鹽度為 27。本實驗中, 配制9種臭氧濃度的標(biāo)準(zhǔn)海水水樣各5份, 對于同一濃度水樣采用三種檢測方法進(jìn)行分析測定, 從而比較三種檢測方法的重復(fù)性。

1.5 TRO濃度與臭氧含量相關(guān)性實驗

本實驗的海水水樣條件為: 水溫15℃(±1℃)、pH值7.55±0.1、鹽度為27。分別配制17個在0.10～1.20 mg/L范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)臭氧海水水樣各5份, 用KI-DPD分光光度法測定TRO濃度, 研究TRO濃度與臭氧含量的相關(guān)關(guān)系。相同條件下分別用 H3BO3-KI比色法和IDS分光光度法測定TRO濃度, 研究TRO濃度與臭氧含量的相關(guān)關(guān)系。

1.6 三種方法檢測TRO濃度比較實驗

本實驗的海水水樣條件為: 水溫 15℃(±1℃)、pH值7.55±0.1、鹽度為 27。分別配制17個在0.10～1.20 mg/L范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)臭氧海水水樣各3份, 用三種檢測方法同時測定同一濃度的標(biāo)準(zhǔn)水樣, 研究比較所測TRO濃度的差異。

2 結(jié)果與討論

2.1 精密度試驗

2.1.1 KI-DPD分光光度法精密度試驗

如表 3所示, KI-DPD分光光度法RSD分別為0.69%、0.95%、0.59%、0.80%、1.36%、1.88%、3.80%、4.28%、6.62%。結(jié)果表明: 水樣濃度在 0.15～1.20 mg/L范圍內(nèi)RSD均小于 5.0%, 其精密度符合要求。當(dāng)檢測濃度小于0.040 mg/L時,RSD＞5.0%, 故本方法最低檢出限為0.040 mg/L。

2.1.2 H3BO3-KI比色法精密度試驗

如表 4 所示, H3BO3-KI比色法RSD分別為1.05%、0.72%、0.66%、1.60%、2.29%、1.55%、0.48%、0.30%、0.36%。結(jié)果表明: 水樣濃度在0.10～1.20 mg/L時,RSD均小于5.0%, 其精密度符合要求。當(dāng)檢測濃度小于0.034 mg/L時,RSD＞5.0%, 故本方法最低檢出限為0.034 mg/L。

表3 KI-DPD分光光度法精密度試驗結(jié)果Tab.3 Precision testresultsof KI-DPD by the spectrophotometric method

表4 H3BO3-KI比色法精密度試驗結(jié)果Tab.4 Precision test results of H3BO3-KI by the colorimetry method

2.1.3 IDS分光光度法精密度試驗

如表5所示, IDS分光光度法RSD分別為4.21%、3.04%、4.90%、3.10%、4.21%、4.08%、12.76%、10.30%、12.90%。結(jié)果表明: 水樣濃度在 0.60～1.20 mg/L范圍時,RSD均小于5.0%, 其精密度符合要求; 在中濃度時RSD均大于 5.0%, 不符合精密度試驗要求; 在低濃度試驗中其吸光度值與空白值相近, 其濃度幾乎為零。當(dāng)檢測濃度小于0.065 mg/L時,RSD＞5.0%, 故本方法最低檢出限為0.065 mg/L。

表5 IDS分光光度法精密度試驗Tab.5 Precision test results of the indigo disulfonic acid sodium faded method

在海水中傳統(tǒng)碘量法極易受常量離子(Mg2+,Ca2+, K+, SO42–)等干擾, 對低臭氧濃度(＜0.1 mg/L)測量的誤差較大。碘量法屬手工滴定操作, 檢測的精度與操作者經(jīng)驗有關(guān), 易引起誤差[14], 故其重復(fù)性較差, 在管崇武等的研究中, 碘量法RSD值高達(dá)17.7%[3]。相比碘量法, 本研究采用的 KI-DPD分光光度法和H3BO3-KI比色法在高、低、中標(biāo)準(zhǔn)臭氧海水樣品測定中重復(fù)性均較好; 而 IDS分光光度法在中、低標(biāo)準(zhǔn)臭氧海水樣品測定中RSD均大于10.0%,重復(fù)性較差(圖1)。

KI-DPD分光光度法和H3BO3-KI比色法精密度較優(yōu)主要有以下兩點原因:

(1)KI-DPD分光光度法基于TRO氧化碘化鉀生成單質(zhì)碘, 單質(zhì)碘進(jìn)一步氧化 DPD, 最后根據(jù)反應(yīng)體系溶液顏色對光的選擇性吸收檢測 TRO濃度, 反應(yīng)方程式為

利用 DPD測水中 TRO時, 只有溶液中存在 I2的條件下DPD的顯色反應(yīng)才能完全[16]。此法吸收液中加入過量 KI不僅使DPD完全顯色, 而且剩余KI將與水樣中具有氧化性的臭氧副產(chǎn)物反應(yīng)產(chǎn)生碘單質(zhì), 從而使測定的 TRO濃度更準(zhǔn)確; 吸收液中加入了 EDTA-2Na, 消除了海水中常量離子(Mg2+, Ca2+,K+, SO42–)對DPD的干擾。因此KI-DPD分光光度法的測定結(jié)果穩(wěn)定性和重復(fù)性較優(yōu)。

圖1 三種檢測方法的精密度比較Fig.1 Comparison ofthe three precision test methods

(2)在弱酸性水溶液中臭氧的穩(wěn)定性最佳[17]。在碘量法檢測中, 需加入強酸將水溶液pH值調(diào)到2.0,對其測定結(jié)果影響較大。而H3BO3-KI比色法吸收液pH值為 5.1±0.2, 呈弱酸性, 水中臭氧穩(wěn)定性最佳, 因此H3BO3-KI比色法的測定結(jié)果穩(wěn)定性和重復(fù)性較佳。

IDS分光光度法是基于臭氧TRO可使靛藍(lán)褪色,且褪色程度與TRO濃度成正比的原理, 采用比色法測定液相中TRO濃度。但在樣品測定中需在IDS溶液變?yōu)榈{(lán)色時停止添加樣品測定其吸光度值, 這一操作節(jié)點的控制與操作者經(jīng)驗有關(guān), 容易引起誤差[18], 從而導(dǎo)致此法的穩(wěn)定性和重復(fù)性較差; 在低濃度測定時由于樣品中 TRO含量較低, IDS溶液幾乎不褪色, 反應(yīng)體系溶液對光的選擇性吸收幾乎無差異, 因此IDS分光光度法只適用于較高TRO測定。

圖2 三種檢測方法測定TRO值與臭氧含量的相關(guān)關(guān)系Fig.2 Relationship of the TRO value and ozone content for the three methods

2.2 線性回歸模擬方程

如圖2所示, KI-DPD分光光度法其線性相關(guān)系數(shù)R2=0.9894, 模擬方程y=0.3918x–0.023; H3BO3-KI比色法其線性相關(guān)系數(shù)R2=0.9926, 模擬方程y=0.3707x–0.0251; IDS分光光度法其線性相關(guān)系數(shù)R2=0.9687, 模擬方程y=0.1431x–0.0232。

2.3 海水中三種檢測方法的比較

如圖 3所示, 分別用三種檢測方法測定水樣TRO, 其檢測值均隨著標(biāo)準(zhǔn)臭氧海水水樣濃度增大而顯現(xiàn)更好的測量精確度。

KI-DPD法的檢測濃度略高于H3BO3-KI比色法,并且兩種方法的測定濃度與標(biāo)準(zhǔn)臭氧濃度成良好的線性關(guān)系, 其線性系數(shù)分別為0.989 4和0.992 6。在使用同一種臭氧標(biāo)準(zhǔn)液時, 試驗中兩種方法的標(biāo)準(zhǔn)曲線R2值均可達(dá)到0.999 9。另外, 此兩種方法均使用KI試劑作為TRO的吸收液, 故其增長趨勢相似。DPD法中過量DPD試劑具有一定還原性, 可與海水中價態(tài)較高的臭氧氧化物反應(yīng)顯色[19], 從而增加了檢測的 TRO含量, 因此 DPD法的檢測濃度略大于H3BO3-KI比色法。在IDS分光光度法中使用溴酸鉀-溴化鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液標(biāo)定 IDS儲備溶液, 并確定其中的臭氧當(dāng)量, 但臭氧投加到海水后生成的氧化性物質(zhì)不能使IDS吸收液褪色[20], 導(dǎo)致了IDS分光光度法的檢測濃度低于另外兩種方法。

圖3 海水中三種臭氧檢測方法趨勢比較Fig.3 Comparison of three ozone detection methods in seawater

3 結(jié)論

在海水中TRO為0～0.5 mg/L范圍內(nèi), KI-DPD分光光度法和H3BO3-KI比色法其線性關(guān)系良好, 檢出限分別為0.040 mg/L和 0.034 mg/L。此兩種方法準(zhǔn)確性、重復(fù)性及RSD均優(yōu)于傳統(tǒng)碘量法。IDS分光光度法只有在高濃度臭氧海水樣品測定時RSD才小于5.0%。綜合分析, KI-DPD分光光度法和H3BO3-KI比色法均可準(zhǔn)確、有效地測定出結(jié)果, 適用于海水中TRO測定。

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