微控技術(shù)結(jié)合順序注射技術(shù)水質(zhì)氨氮在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

李 文，呂 赫，程 李，馬俊源

(北方工業(yè)大學(xué)，北京 100084)

0 引言

氨氮指數(shù)作為海水、地表水和城鎮(zhèn)污水水質(zhì)監(jiān)測(cè)的重要指標(biāo)之一，如今試驗(yàn)室人工分析已無(wú)法滿足對(duì)于可靠、高效、實(shí)時(shí)、自動(dòng)化水質(zhì)監(jiān)測(cè)的需求。目前，氨氮指數(shù)測(cè)定的主要方法有氣相可逆比色法[1]、靛酚藍(lán)法[2]、納氏試劑分光光度法(HJ 535-2009)[3-11]、水楊酸分光光度法(HJ536-2009)[12-18]等，其中納氏法和水楊酸法具有準(zhǔn)確度和精密度較高的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于水質(zhì)氨氮指數(shù)的測(cè)定。

由于水體污染程度參差不齊，測(cè)定條件也受環(huán)境因素制約，在實(shí)際水質(zhì)監(jiān)測(cè)環(huán)境中，往往要求在不同的環(huán)境下對(duì)不同污染程度水質(zhì)進(jìn)行氨氮指數(shù)的精確測(cè)定，因而本文對(duì)納氏法和水楊酸法測(cè)定氨氮指數(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)，在不同環(huán)境和不同污染程度水質(zhì)條件下靈活切換測(cè)定方法，建立了水質(zhì)氨氮在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，完成了地表Ⅰ～Ⅴ類水氨氮指數(shù)的測(cè)定，滿足了地表水質(zhì)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域?qū)τ诎钡笖?shù)測(cè)定的需求。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

1.1.1 儀器

多通道切換閥島：采用特種氟塑料，適用于各種腐蝕性液體，閥芯采用多向自適用平面貼合，可靠性高；高壓電磁閥；立式注射泵：液量準(zhǔn)確性誤差≤1%，液量精確度誤差為0.3%～0.7%，最小進(jìn)液精度為0.002 5 mm/1.038 1 μL；光源：420 nm單波長(zhǎng)發(fā)光管與700 nm單波長(zhǎng)發(fā)光管；檢測(cè)管：光電二極管；0.1 μL～10 mL不同量程的單道可調(diào)量程移液器；0.1 mg高精度電子天平；自主設(shè)計(jì)的系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)顯示模塊；特氟龍管。

1.1.2 試劑

按照HJ 535—2009配制納氏試劑(二氯化汞-碘化鉀-氫氧化鉀溶液)、500 mg/mL酒石酸鉀鈉溶液、1 000 μg/mL氨氮標(biāo)準(zhǔn)貯備溶液、10 μg/mL氨氮標(biāo)準(zhǔn)工作溶液；按照HJ536—2009配制顯色劑(水楊酸-酒石酸鉀鈉溶液)、次氯酸鈉使用液、10 mg/mL亞硝基鐵氰化鈉溶液、100 μg/mL氨氮標(biāo)準(zhǔn)中間液、1 μg/mL氨氮標(biāo)準(zhǔn)使用液；GBW(E)080420濃度為2 μg/mL模擬天然水氨氮溶液成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)；水樣預(yù)處理使用溶液，由100 mg/mL硫酸鋅溶液、250 mg/mL氫氧化鈉溶液、3.5 mg/mL硫代硫酸鈉溶液按照比例混合而成；標(biāo)準(zhǔn)GB/T6682—2008的超純水。

1.2 測(cè)定原理

納氏法與水楊酸法均是基于朗伯比爾定律分光光度法的氨氮測(cè)定方法，朗伯比爾定律如式(1)所示。

(1)

式中：A、T、K、B、C、R、D、S分別為水樣的吸光度、介質(zhì)透射率、摩爾吸收系數(shù)、光程、濃度、光源打開(kāi)狀態(tài)下記錄的超純水測(cè)定光電信號(hào)、光源關(guān)閉狀態(tài)下超純水測(cè)定暗背景的光電信號(hào)、水樣顯色反應(yīng)完畢后的光電信號(hào)。

檢測(cè)池分為納氏法檢測(cè)池和水楊酸法檢測(cè)池。水楊酸法檢測(cè)池由10 mm石英玻璃管、檢測(cè)池架、700 nm單波長(zhǎng)光源固定架、光電檢測(cè)管固定架構(gòu)成；納氏法檢測(cè)池由20 mm內(nèi)徑石英玻璃管、檢測(cè)池架、420 nm單波長(zhǎng)光源固定架、光電檢測(cè)管固定架構(gòu)成。檢測(cè)池結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 檢測(cè)池結(jié)構(gòu)示意圖

水楊酸分光光度法：在堿性(pH=11.7)和亞硝基鐵氰化鈉溶液環(huán)境下，水樣中的氨、銨離子等形式存在的氨氮與水楊酸鹽和次氯酸根離子反應(yīng)生成藍(lán)色化合物，該絡(luò)合物的吸光度與氨氮指數(shù)成正比，在10 mm光程下，于700 nm處采集吸光度，再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)工作曲線得到氨氮指數(shù)。

納氏試劑分光光度法：水樣中以游離態(tài)的氨或銨離子等形式存在的氨氮與納氏試劑反應(yīng)生成淡紅棕色絡(luò)合物，該絡(luò)合物的吸光度與氨氮指數(shù)成正比，在20 mm光程下，于420 nm處采集吸光度，再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)工作曲線得到氨氮指數(shù)。檢測(cè)流程如圖2所示。

圖2 檢測(cè)流程

1.3 方法比對(duì)

水楊酸法與納氏法對(duì)于氨氮指數(shù)的測(cè)定各有利弊，納氏法與水楊酸法的特點(diǎn)對(duì)比如表1所示(表格中的數(shù)據(jù)來(lái)源于HJ535—2009與HJ536—2009)。

表1 納氏法與水楊酸法的特點(diǎn)對(duì)比

GB 3838—2002中將地表水域按照功能高低劃分為5類，Ⅰ類為源頭水，Ⅱ類為生活飲用水源地一級(jí)保護(hù)區(qū)，Ⅲ類為生活飲用水源地二級(jí)保護(hù)區(qū)，Ⅳ類為工業(yè)用水區(qū)，Ⅴ類為農(nóng)業(yè)用水區(qū)，Ⅰ～Ⅴ類水氨氮指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)限值如表2所示。

表2 地表Ⅰ～Ⅴ類水氨氮指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)限值 μg/mL

綜合分析表1和表2可知水楊酸法測(cè)定氨氮指數(shù)下限低，時(shí)間較長(zhǎng)，適合試驗(yàn)室、站房式地表Ⅰ～Ⅲ類水質(zhì)氨氮測(cè)定，納氏法測(cè)定氨氮指數(shù)上限高、時(shí)間短，適宜原位、浮漂式地表Ⅳ～Ⅴ類水質(zhì)氨氮測(cè)定。

1.4 氨氮指數(shù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

依據(jù)納氏法和水楊酸法氨氮指數(shù)測(cè)定的原理，利用微控技術(shù)結(jié)合順序注射技術(shù)建立了氨氮指數(shù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如圖3所示，由數(shù)據(jù)處理與系統(tǒng)控制模塊、水樣預(yù)處理模塊、順序注射模塊、檢測(cè)模塊、電源模塊構(gòu)成。數(shù)據(jù)處理與系統(tǒng)控制模塊包含系統(tǒng)控制電路板、光電信號(hào)處理電路板和GPRS數(shù)據(jù)上傳電路板；水樣預(yù)處理模塊包含除余氯和絮凝沉淀裝置；順序注射模塊包含立式注射泵、多通閥島、高壓電磁閥、儲(chǔ)液環(huán)和試劑瓶；檢測(cè)模塊包含檢測(cè)池、光源和光電檢測(cè)管；電源模塊包含可輸出24、12、±5、3.3 V的穩(wěn)壓電路板。

圖3 氨氮指數(shù)在線檢測(cè)系統(tǒng)

1.5 控制體系及信號(hào)處理流程設(shè)計(jì)

體系采用24 V直流輸入作為系統(tǒng)電源，經(jīng)電源模塊穩(wěn)壓和分壓處理后為其他電氣模塊供電。采用32位ARM芯片作為MCU主控元件，系統(tǒng)控制模塊通過(guò)485信號(hào)與閥島和注射泵進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)試劑的順序進(jìn)樣和流路的流暢切換。由主板控制繼電器板從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥、風(fēng)扇、PTC加熱裝置、光源等電器元件的控制。通過(guò)發(fā)光二極管對(duì)應(yīng)的恒流基準(zhǔn)源提供穩(wěn)定電流，激勵(lì)發(fā)光二極管穩(wěn)定發(fā)光，再由光電二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。

為了提高光電信號(hào)采集的精確度，信號(hào)處理電路由鎖相放大電路、增益放大電路、降噪濾波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成，信號(hào)處理流程如圖4所示。

圖4 信號(hào)處理流程

2 結(jié)果與分析

2.1 影響氨氮指數(shù)測(cè)定的干擾因素

由于地表水體成分復(fù)雜，水體中的有機(jī)化合物、無(wú)機(jī)離子、懸浮顆粒物等會(huì)產(chǎn)生濁度和色度而造成檢測(cè)干擾，因此基于余氯消除和絮凝沉淀法設(shè)計(jì)了水樣預(yù)處理流程，以消除氨氮指數(shù)測(cè)定的干擾因素，水樣預(yù)處理流程如圖5所示。

圖5 水樣預(yù)處理流程

2.2 建立標(biāo)準(zhǔn)工作曲線

水楊酸法：取0.00、2.50、5.00、10.00、15.00、20.00、25.00 mL氨氮標(biāo)準(zhǔn)使用液于25.00 mL容量瓶中，加超純水稀釋至標(biāo)線，即可得到濃度為0.00、0.10、0.20、0.40、0.60、0.80、1.00 μg/mL的水楊酸法標(biāo)準(zhǔn)工作點(diǎn)溶液，通過(guò)氨氮指數(shù)在線檢測(cè)系統(tǒng)于水楊酸法檢測(cè)池中，對(duì)每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工作點(diǎn)進(jìn)行6次平行樣測(cè)定，零氨氮濃度溶液的測(cè)定作為空白試驗(yàn)，扣除空白實(shí)驗(yàn)吸光度后，以標(biāo)準(zhǔn)工作點(diǎn)氨氮濃度值為橫坐標(biāo)，吸光度均值為縱坐標(biāo)繪制水楊酸法標(biāo)準(zhǔn)工作散點(diǎn)圖。

納氏法：取0.00、2.50、3.00、3.50、4.00、4.50、5.00 mL氨氮標(biāo)準(zhǔn)工作溶液于25.00 mL容量瓶中，加超純水稀釋至標(biāo)線，即得到濃度為0.00、1.00、1.20、1.40、1.60、1.80、2.00 μg/mL的納氏法標(biāo)準(zhǔn)工作點(diǎn)溶液，通過(guò)氨氮指數(shù)在線檢測(cè)系統(tǒng)于納氏法檢測(cè)池中，對(duì)每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工作點(diǎn)進(jìn)行6次平行樣測(cè)定，零氨氮濃度溶液的測(cè)定作為空白試驗(yàn)，扣除空白實(shí)驗(yàn)吸光度后，以標(biāo)準(zhǔn)工作點(diǎn)氨氮濃度值為橫坐標(biāo)，吸光度均值為縱坐標(biāo)繪制水楊酸法標(biāo)準(zhǔn)工作散點(diǎn)圖。

利用最小二乘擬合算法建立氨氮指數(shù)測(cè)定的回歸模型，工作曲線的相關(guān)參數(shù)如表3所示，工作曲線如圖6所示。

表3 工作曲線的相關(guān)參數(shù)

圖6 標(biāo)準(zhǔn)工作曲線

2.3 氨氮標(biāo)準(zhǔn)樣品測(cè)試

取3.75、12.50、20.00、25.00、30.00、37.50、45.00、50.00 mL模擬天然水氨氮溶液成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)于50 mL容量瓶中，加超純水稀釋至標(biāo)線，即可得到濃度為0.15、0.50、0.80、1.00、1.20、1.50、1.80、2.00 μg/mL的氨氮標(biāo)準(zhǔn)樣品，利用水楊酸法通過(guò)氨氮指數(shù)在線檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)氨氮指數(shù)為0.15、0.50、0.80、1.00 μg/mL的標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行6次重復(fù)性測(cè)定，利用納氏法通過(guò)氨氮指數(shù)在線檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)氨氮指數(shù)為1.20、1.50、1.80、2.00 μg/mL的標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行6次重復(fù)性測(cè)定，由標(biāo)準(zhǔn)工作曲線得到的標(biāo)準(zhǔn)樣品測(cè)定結(jié)果如表4所示。

表4 標(biāo)準(zhǔn)樣品測(cè)定結(jié)果

為驗(yàn)證氨氮指數(shù)在線檢測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，將氨氮含量為0.4、0.8 μg/mL的標(biāo)準(zhǔn)溶液加入編號(hào)為3、4、6、8的標(biāo)準(zhǔn)樣品中，通過(guò)氨氮指數(shù)在線檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)定，并計(jì)算回收率，結(jié)果如表5所示。

表5 回收率

3 討論與結(jié)論

本文基于順序注射技術(shù)，利用水楊酸分光光度法與納氏試劑分光光度法建立了氨氮指數(shù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)表1和表2中對(duì)水楊酸法和納氏法測(cè)定氨氮指數(shù)的特點(diǎn)的分析比對(duì)，針對(duì)不同地表水質(zhì)類別，提出了利用水楊酸法適合試驗(yàn)室、站房式地表Ⅰ～Ⅲ類水質(zhì)氨氮測(cè)定，納氏法適宜原位、浮漂式地表Ⅳ～Ⅴ類水質(zhì)氨氮測(cè)定，最大程度地提高了測(cè)定精度。表3與圖6充分說(shuō)明，標(biāo)準(zhǔn)工作點(diǎn)吸光度與氨氮指數(shù)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.999 7～0.999 8，線性范圍為0～2 μg/mL，最低檢出限為0.01 μg/mL。利用GBW(E)080420模擬天然水氨氮溶液成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)配制不同濃度氨氮標(biāo)準(zhǔn)樣品，用以模擬地表5類水，系統(tǒng)對(duì)經(jīng)水樣預(yù)處理后的氨氮標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行6次平行測(cè)定，分析表4和表5數(shù)據(jù)可得，重復(fù)性的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為0.069%～2.224%，說(shuō)明系統(tǒng)測(cè)定氨氮指數(shù)重復(fù)性良好，加標(biāo)回收率為98.250%～101.500%，說(shuō)明系統(tǒng)穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、可靠性較高，廢液排量分別為23.73～23.86 mL和78.78～78.85 mL，說(shuō)明試劑消耗量與廢液排量低?；陧樞蜃⑸浼夹g(shù)氨氮指數(shù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度高，結(jié)構(gòu)緊湊，便于集成到水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備中，為水文服務(wù)和環(huán)境保護(hù)提供技術(shù)支撐，具有較高的應(yīng)用前景。