硫酸肼還原法測定水中硝酸鹽氮評價

宗宇寒，葛偉偉，趙鳴，汪趙含，楊正意，李宇亮

(1.長安大學 環(huán)境科學與工程學院，陜西 西安 710054；2.旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應教育部重點實驗室，陜西 西安 710054)

硝酸鹽氮是含氮有機物經(jīng)無機化作用得到的最終分解產(chǎn)物[1]，當水中硝酸鹽氮的含量過高時，就會對人體健康產(chǎn)生一定的危害。在氮同位素測定過程以及硝化和反硝化反應過程中，硝酸鹽氮的濃度測定極其重要。與此同時，由于硝酸鹽氮可以作為評價水環(huán)境質量的重要參數(shù)，并且人類活動造成的硝酸鹽污染較為嚴重，因此研究水中硝酸鹽氮的含量對人們生活具有重要意義[2]。

目前，對于測定水中硝酸鹽氮含量的方法主要為紫外分光光度法、離子色譜法以及酚二磺酸光度法等[3]。其中，紫外分光光度法適用于清潔地表水和未受明顯污染的地下水，檢測范圍較小；離子色譜法雖然精確度較高，但是對儀器要求也較高，所需儀器較為昂貴，且離子色譜圖中氯離子會在一定程度上掩蔽硝酸根離子的譜圖，無法消除氯離子對實驗結果的影響；酚二磺酸光度法對反應條件較為嚴格，難以控制，易受到外界因素干擾，導致最終測定結果偏差較大[4]。而硫酸肼還原法精確度較高，且操作簡便、快捷，因此本實驗采用硫酸肼還原法測定水中硝酸鹽氮。但是該方法也存在一定的局限性，測定污染嚴重的水樣時結果偏差較大[5]。

本文建立了線性良好的硝酸鹽氮的標準曲線，并對氯離子、硫酸根離子、亞硝酸根離子、銨根離子干擾離子進行了單因素變量實驗，通過對最終測定結果的分析研究以及掌握各因素對實驗結果的影響來提高最終測定結果的準確度，為之后測定水樣的結果提供較為可靠的依據(jù)。根據(jù)對實驗結果的觀察，采用硫酸肼還原法測定水中的硝酸鹽氮得到的結果較為準確，可廣泛應用到水質監(jiān)測實驗過程中去。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

氫氧化鈉、硫酸肼、鹽酸萘乙二胺、對氨基苯磺酰胺、硝酸鉀、CuSO4·5H2O、ZnSO4·7H2O等均為分析純。

HHS-6恒溫水浴鍋；721分光光度計；BSA6202S分析天平。

1.2 試劑的配制

分別配制10%NaOH溶液、0.07%硫酸肼溶液、0.1%鹽酸萘乙二胺溶液。

1.2.1 銅鋅催化液 準確稱取0.02 g CuSO4·5H2O與0.44 g ZnSO4·7H2O，溶于水，充分溶解后轉移至250 mL容量瓶中，定容，搖勻。

1.2.2 1%的磺胺溶液 稱取1 g對氨基苯磺酰胺，溶于30 mL鹽酸中，加水40 mL，充分溶解后轉移至100 mL容量瓶中，定容，搖勻。

1.2.3 硝酸鉀標準儲備液(100 mg/L) 將適量硝酸鉀在105～110 ℃下烘干2 h，在干燥器中冷卻至室溫；稱取0.721 8 g硝酸鉀溶于適量水，移至1 000 mL容量瓶中，用水稀釋至標線，混勻。在0～10 ℃暗處保存。

1.2.4 硝酸鉀標準使用液(1 mg/L) 稱取1 mL硝酸鉀標準儲備液至100 mL容量瓶中，用水稀釋至標線，混勻，現(xiàn)用現(xiàn)配。

1.3 實驗原理

1.3.1 硫酸肼還原法原理 實驗以氫氧化鈉溶液作為緩沖液，硝酸鹽氮在硫酸銅作為催化劑的條件下，硫酸肼將其還原為亞硝酸鹽氮，亞硝酸鹽氮與對氨基苯磺酰胺發(fā)生重氮作用，再與鹽酸萘乙二胺鹽酸產(chǎn)生偶合反應，生成紫紅色的偶氮染料，比色定量，根據(jù)吸光值與濃度的關系作圖，計算出硝酸鹽氮的含量[6]。

1.3.2 紫外分光光度法原理 利用硝酸鹽在220 nm波長處具有紫外吸收，而在275 nm波長處不具有紫外吸收的性質，在275 nm波長處測得有機物的吸收值在測定結果中校正[7]。

2 結果與討論

2.1 標準曲線

準確吸取0，1，2，3，4，5，6，7 mL硝酸鉀標準使用液于25 mL比色管中，定容至10 mL后，加入10%氫氧化鈉1 mL，混合均勻，然后加入銅鋅催化液和硫酸肼溶液各1 mL，混合均勻。在36 ℃下恒溫水浴加熱1 h，取出，待其冷卻后加入磺胺溶液1 mL，混合均勻，5 min后再加入乙二胺溶液1 mL，用水稀釋至25 mL標線處，混合均勻，待其穩(wěn)定顯色30 min后于550 nm波長下，用1 cm玻璃比色皿比色，以空白做參比測定吸光度，以吸光度對硝態(tài)氮繪制標準曲線，結果見圖1。

圖1 不同時間測定的標準曲線Fig.1 Standard curves for different time measurements

圖1中兩條標準曲線分別為不同時間測定得到，該實驗選取標準曲線為水樣測定當天測量得出，線性良好(R2=0.999 2)，且多次測量的標準曲線線性相關系數(shù)能夠穩(wěn)定在0.999 0左右，故該實驗方法可應用到實際水樣測量過程當中去。

2.2 干擾離子測定

2.2.1 氯離子對實驗結果的影響 各取2 mL硝酸鉀標準使用液于比色管中，分別向比色管中加入0，1，2，3，4，5，6 mL氯化鉀溶液，定容至10 mL，以下均與標準曲線的制作步驟相同，測定吸光度。得到的結果見圖2。

由圖2可知，隨著所加入氯離子濃度的增加，所測得的吸光度值不斷減小。其干擾原因可能為硝酸根離子和氯離子在酸性條件下發(fā)生如下反應[8]：HNO3+3HCl→NOCl+Cl2+2H2O，導致硝酸根濃度減小，所以測得的吸光度值降低。因此在進行水樣處理前，需要消除氯離子對實驗的影響，向溶液中加入與氯離子含量等量的硫酸銀(Ag2SO4)溶液，形成氯化銀沉淀后進行過濾是目前去除氯離子的最有效方法[9]。

圖2 氯離子含量的影響Fig.2 The influence of the content of Cl-

在得出氯離子對實驗結果的影響關系的基礎上，又測定了不同濃度氯離子對標準曲線線性的影響，結果見圖3。圖中4條曲線分別代表標準曲線、在標準曲線基礎上分別加入2 mL不同濃度氯離子(5，10，15 mg/L)后得到的曲線，由圖可知，最終曲線仍呈線性，且R2均大于0.995 4。在此基礎上，又加入等量的2 mol/L的氯離子，得到的曲線仍呈線性，表明氯離子對標準曲線的線性范圍并無明顯影響，因此標準曲線可直接用于測定水樣中硝酸鹽氮濃度。

圖3 加入等量不同濃度氯離子的線性關系Fig.3 Linear relationship between equal and different concentrations of chloride ions added

圖4是由圖3中加入等量不同濃度的3條曲線吸光度值求取平均值所得到標準曲線，可用于求取氯離子濃度<15 mg/L的水樣。

圖4 加入不同濃度氯離子得到的吸光度平均值Fig.4 Average absorbance obtained by adding chloride ions of different concentrations

在得出氯離子會對硫酸肼還原法測定硝酸鹽氮的結果產(chǎn)生影響的前提下，又對紫外分光光度法是否受氯離子影響進行實驗，在加入相同量硝酸根的基礎上加入不同量的氯離子，結果見表1。

表1 氯離子對紫外分光光度法測定硝酸鹽氮的影響

由表1可知，氯離子對紫外分光光度法測定水中硝酸鹽氮的結果也會產(chǎn)生影響，且與硫酸肼還原法相同，加入氯離子濃度越大，得到的結果越小。

2.2.2 亞硝酸根對實驗結果的影響 各取2 mL硝酸鉀標準使用液于比色管中，分別向比色管中加入0，1，2，3，4，5 mL亞硝酸鈉溶液(1 mg/L)，定容至10 mL，以下均與標準曲線的制作步驟相同，得到吸光度1。記錄并分析實驗數(shù)據(jù)。在此實驗基礎上，分別向比色管中只加入0，1，2，3，4，5 mL的亞硝酸鈉溶液(1 mg/L)，得到吸光度2，再用吸光度1減去吸光度2得到吸光度3。結果見表2。

表2 亞硝酸根對實驗結果的影響

由表2中的吸光度2可知，隨著溶液中亞硝酸根加入量的不斷增大，吸光度值也隨之增大。由于該實驗采取的是硫酸肼還原法測定水中硝酸鹽氮，其原理即為硫酸肼將硝酸根還原為亞硝酸根，因此向溶液中加入亞硝酸鹽則會影響實驗結果，且加入量越大，最終測得的吸光度值就會越大。根據(jù)表中結果可知，在扣除只加入亞硝酸根的吸光度后，得到的吸光度3基本相同，說明亞硝酸根不會消耗該方法中所需試劑對硝酸根的測定。

2.2.3 硫酸根對實驗結果的影響 各取2 mL硝酸鉀標準使用液于比色管中，分別向比色管中加入0，1，2，3，4，5，6，7 mL硫酸鈉溶液(1 mg/L)，定容至10 mL，以下均與標準曲線的制作步驟相同，測定吸光度，結果見圖5。

圖5 硫酸根含量對實驗結果的影響Fig.5 The influence of the content of

由圖5可知，向硝酸鹽氮溶液中加入濃度不同的硫酸鈉溶液時，測得的吸光度值較為穩(wěn)定，受外界環(huán)境因素影響，吸光度值在小范圍內存在波動，且波動范圍最大值不超過0.07，故硫酸根在該實驗中對硝酸鹽氮的測定結果基本無影響。

2.2.4 銨根離子對實驗結果的影響 在硫酸根對實驗影響的測定分析的基礎上，各取2 mL硝酸鉀標準使用液于比色管中，分別向比色管中加入0，1，2，3，4，5，6 mL硫酸銨溶液(1 mg/L)，定容至10 mL，以下均與標準曲線的制作步驟相同，測定吸光度，結果見圖6。

圖6 銨根離子的含量對實驗結果的影響Fig.6 The influence of the content of

在進行了硫酸根對水中硝酸鹽氮的影響實驗，并得出硫酸根對該實驗結果無明顯影響的基礎上，采用硫酸銨(1 mg/L)溶液來分析測定銨根離子對該實驗結果的影響。由圖6可知，加入銨根離子后測得的吸光度值較為穩(wěn)定，無明顯波動，因此銨根離子對該實驗結果亦無明顯影響。

2.3 準確度實驗

分別采用硫酸肼還原法和紫外分光光度法對模擬水樣[10](硝酸根濃度為0.1 mg/L)進行測定，水樣重復測定3次進行準確度實驗(其中，硫酸肼還原法標準曲線公式為y=0.291 7x-0.011 3，R2=0.999 2；紫外分光光度法標準曲線公式為y=2.267 6x-0.000 3，R2=0.999 1)，由表3可知，兩種方法的相對標準偏差均符合規(guī)定，且硫酸肼還原法的準確度較紫外分光光度法更準確。

表3 亞硝酸根對實驗結果的影響

3 結論

(1)采用硫酸肼還原法測定水中硝酸鹽氮的實驗過程中，氯離子會使實驗結果偏低；亞硝酸根則會使得實驗結果偏高；硫酸根和銨根離子對實驗測定結果無明顯影響。

(2)氯離子對于硫酸肼還原法測定水中硝酸鹽氮的濃度得到的標準曲線的線性無明顯影響。

(3)該實驗方法具有快速、準確的特點，適用于多種水質的檢測，但對于污染嚴重的水質不適用，因為該種水體中亞硝酸鹽含量往往高于硝酸鹽，測定結果誤差較大。

(4)硫酸肼還原法的準確度比紫外分光光度法的準確度更好。