水楊酸分光光度法測定水中氨氮

婁紅杰，劉威，胡艷晶，張冠楠，吳弘基，趙尹婕

（神華榆林能源化工有限公司，陜西神木 719300）

水中的氨氮是指以游離氨（或稱非離子氨，NH3）和離子氨（NH4+）形式存在的氮，氨氮普遍存在于地下水［1-2］、地表水、生活污水、工業(yè)廢水、農(nóng)田排水及大氣中［3-4］，受pH 值和水溫的影響以不同的形態(tài)存在于水體中［5-6］。廢水中的氮主要以氨氮和有機(jī)氮形式存在，而氮鹽是水體富營養(yǎng)化的最主要原因［7］，污水中的氮是微生物和植物的主要營養(yǎng)物質(zhì)［8］，其引起的水體藍(lán)藻、赤潮現(xiàn)象相當(dāng)嚴(yán)重。水體中的氨氮超標(biāo)對人體及環(huán)境會造成很大的危害，所以氨氮被列為我國水體環(huán)境監(jiān)測的主要指標(biāo)，氨氮含量可用以推斷出水體污染的程度，水質(zhì)監(jiān)測項目中對于氨氮檢測標(biāo)準(zhǔn)的制定與執(zhí)行具有非常重大的意義。

目前國內(nèi)外氨氮測定方法有蒸餾中和滴定法、氣相分子吸收法［9］、納氏試劑分光光度法、水楊酸分光光度法、離子色譜法、電極法等［10］。生產(chǎn)過程的氨氮控制標(biāo)準(zhǔn)可根據(jù)企業(yè)實際需要自行選擇，環(huán)保部門監(jiān)控的氨氮（簡稱環(huán)保氨氮）要求采用環(huán)保相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其中國內(nèi)環(huán)保部門監(jiān)控的污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)［11］和地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)［12］要求檢測結(jié)果精度高且準(zhǔn)確可靠，因此環(huán)保部門對監(jiān)測項目的分析方法有一定的限制，以實現(xiàn)對水體的有效監(jiān)測，確保水質(zhì)健康。在氨氮實際監(jiān)測中，分光光度法及滴定法被廣泛應(yīng)用［13］。我國DB61 224-2011 《黃河流域（陜西段）污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》要求氨氮測定采用納氏試劑分光光度法、水楊酸分光光度法、蒸餾中和滴定法、氣相分子吸收法；地下水監(jiān)測采用分光光度法、離子色譜法［12］，需要根據(jù)不同的水體環(huán)境選擇合適的分析方法。筆者根據(jù)禿尾河流域（屬于黃河流域）水體環(huán)境，考慮無毒化分析以及預(yù)防二次污染，選擇水楊酸分光光度法作為環(huán)保氨氮測定方法，保證測定結(jié)果精度高且準(zhǔn)確可靠，操作簡便，滿足不同水體檢測等要求。但筆者在氨氮測定實際工作中，發(fā)現(xiàn)顯色劑（水楊酸和氫氧化鈉-酒石酸鉀鈉溶液）配制操作繁瑣，少量水楊酸不溶解且懸浮；用氫氧化鈉溶液調(diào)整次氯酸鈉使用液游離堿濃度時，計算復(fù)雜，體積誤差大，致使反應(yīng)達(dá)不到反應(yīng)條件（pH=11.7）而顯綠色不顯示藍(lán)色，不能反映待測物質(zhì)的真實含量。針對上述情況，筆者在在HJ 536-2009 基礎(chǔ)上選擇水楊酸分光光度法測定水中氨氮的同時并對其條件進(jìn)行優(yōu)化，用于實際樣品分析，取得了滿意效果。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

純水機(jī)：Milli-Q Advantage A10 型，法國密理博公司；

紫外可見分光光度計：LAMBDA25 型，配有10～30 mm 比色皿，新加坡PE 公司；

多參數(shù)測試儀：S200 K 型，內(nèi)置pH 值測定模塊，上海梅特勒-托利多公司；

滴瓶：滴管滴出20 滴液體約為1 mL，四川蜀玻（集團(tuán)）有限責(zé)任公司；

氨氮蒸餾裝置：由500 mL 凱式燒瓶、直形冷凝管、氮球和導(dǎo)管組成，冷凝管末端連接一段適當(dāng)長度的滴管，使出口尖端部浸入吸收液的液面下，四川蜀玻（集團(tuán)）有限責(zé)任公司；

實驗室常用玻璃器皿：所有玻璃器皿均用清洗溶液仔細(xì)清洗，并用無氨水沖洗干凈，天津市天玻玻璃儀器有限公司；

乙醇：分析純，天津風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司；

硫酸：分析純，北京化工廠；

輕質(zhì)氧化鎂、氫氧化鈉：分析純，天津北聯(lián)精細(xì)化學(xué)品開發(fā)有限公司；

水楊酸：分析純，天津凱通化學(xué)試劑有限公司；

水楊酸鈉：分析純，天津風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司；

酒石酸鉀鈉：分析純，天津光復(fù)科技發(fā)展有限公司；

次氯酸鈉試劑：標(biāo)定有效氯濃度為25.245 g／L，游離堿濃度為0.078 mol／L（以NaOH 計），天津風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司；

亞硝基鐵氰化鈉溶液：分析純，10 g／L，天津風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司；

溴百里酚藍(lán)指示劑：分析純，0.5 g／L，天津福晨化學(xué)試劑廠；

氨氮標(biāo)準(zhǔn)儲備液：GBW(E) 082818，1 000 μg／mL，國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)認(rèn)證中心；

實驗用水為無氨水，由純水機(jī)直接制備。

1.2 溶液配制

硫酸溶液：1 mol／L，由硫酸用水稀釋配制。

硫酸吸收液：0.01 mol／L，由硫酸用水稀釋配制。

氫氧化鈉溶液：2 mol／L，稱取8 g 氫氧化鈉，溶于水中，稀釋至100 mL。

氨氮標(biāo)準(zhǔn)中間液：100 μg／mL，由氨氮標(biāo)準(zhǔn)儲備液配制得到。

氨氮標(biāo)準(zhǔn)使用液：1 μg／mL 臨用現(xiàn)配。

次氯酸鈉使用液：將7.7 g 固體氫氧化鈉用水溶解，轉(zhuǎn)移至250 mL 容量瓶中，再加入35 mL 已標(biāo)定過的次氯酸鈉試劑，加水稀釋至標(biāo)線，測定調(diào)整后的有效氯濃度為3.516 g／L，游離堿濃度為0.751 2 mol／L。

優(yōu)化前的顯色劑（水楊酸和氫氧化鈉-酒石酸鉀鈉溶液）：稱取50 g 水楊酸，加入約100 mL 水，再加入2 mol／L 氫氧化鈉溶液160 mL，攪拌使之完全溶解；再稱取50 g 灑石酸鉀鈉，溶于水中，與上述溶液合并移入1 000 mL 容量瓶中，加水稀釋至標(biāo)線；再加入數(shù)毫升2 mol／L 氫氧化鈉溶液，直至水楊酸完全溶解為止，并用1 mol／L 硫酸溶液調(diào)節(jié)溶液至pH 6.0～6.5。貯存于帶橡膠塞的棕色玻璃瓶中。

優(yōu)化后的顯色劑（水楊酸鈉-酒石酸鉀鈉溶液）：稱取6.0 g 水楊酸鈉，加入適量水，攪拌使之完全溶解；再稱取5 g 酒石酸鉀鈉，溶于水中，與上述溶液合并移入100 mL 容量瓶中，加水稀釋至標(biāo)線，用酸度計測定pH 值為6.50。

1.3 實驗方法

1.3.1 水樣的預(yù)蒸餾

將50 mL 硫酸吸收液移入接收瓶內(nèi)，將冷凝管出口尖端置于硫酸溶液液面之下。分取250 mL 水樣，移入凱式燒瓶中，加入幾滴溴百里酚藍(lán)指示劑，加入氫氧化鈉或鹽酸調(diào)節(jié)溶液至pH 6.0～7.4，加入數(shù)粒玻璃珠及0.25 g 輕質(zhì)氧化鎂，連接冷凝管和氮球。加熱蒸餾，控制餾出液速率在10 mL／min 左右，待餾出液達(dá)到200 mL 時，停止蒸餾，并加水定容至250 mL。

1.3.2 標(biāo)準(zhǔn)工作曲線的建立

于6 支10 mL 比色管中，分別吸取1 mg／L 氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液0.00，1.00，2.00，4.00，6.00，8.00 mL，用水稀釋至8.00 mL，向比色管內(nèi)分別加入1.00 mL 顯色劑［水楊酸鈉／（水楊酸和氫氧化鈉）］溶液和2滴亞硝基鐵氰化鈉溶液，混勻。再滴入2 滴次氯酸鈉使用液（固體氫氧化鈉調(diào)整后）并混勻，加水稀釋至10 mL 標(biāo)線，充分混勻，靜置顯色60 min 溶液，用10 mm 比色皿以試劑空白為參比，于697 nm 波長處，測其吸光度，吸光度值為同一實驗室5 名化驗員（每人2 平行測定）平均值。

1.3.3 樣品測定

取水樣或經(jīng)過預(yù)蒸餾的試樣8.00 mL（當(dāng)水樣中氨氮濃度高于1.0 mg／L 時，可適當(dāng)稀釋后取樣）于10 mL 比色管中。加入1.00 mL 水楊酸鈉顯色劑和2 滴亞硝基鐵氰化鈉溶液，混勻。再滴入2 滴次氯酸鈉使用液（固體氫氧化鈉調(diào)整后的）并混勻，加水稀釋至標(biāo)線，充分混勻，測定混合后的溶液pH值為11.74。顯色60 min，用10 mm 比色皿，在697 nm 波長處以試劑空白為參比測量吸光度。

1.3.4 空白試驗

以無氨水代替水樣，按與樣品分析相同的步驟進(jìn)行預(yù)處理和測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 分析方法的選擇

根據(jù)陜西段污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)、地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及當(dāng)?shù)厮w環(huán)境要求，選擇分光光度法對水中氨氮進(jìn)行監(jiān)測，標(biāo)準(zhǔn)分光光度法主要有納氏試劑分光光度法和水楊酸分光光度法。其中納氏試劑分光光度法［14］測定氨氮，用20 mm 比色皿時檢出限為0.025 mg／L，測定下限為0.10 mg／L，測定上限為2.0 mg／L，由于靈敏度較高、測定范圍較寬被用于環(huán)保部門及企業(yè)離線監(jiān)測，但納氏試劑使用劇毒物質(zhì)碘化汞和二氯化汞，安全性差且污染環(huán)境，不能用于檢測氨氮含量較低的地下水。我國環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)水楊酸分光光度法［15］測定氨氮，用10 mm 比色皿時檢出限為0.01 mg／L，測定下限為0.04 mg／L，測定上限為1.0 mg／L，用30 mm 比色皿時檢出限為0.004 mg／L，測定下限為0.016 mg／L，測定上限為0.25 mg／L，該方法無毒、靈敏度比納氏試劑法高，穩(wěn)定性好，不僅適用于環(huán)保監(jiān)測，也適用于地表水、生活飲用水、生活污水和工業(yè)廢水等水體中氨氮含量的測定，因此筆者選用水楊酸分光光度法作為環(huán)保氨氮分析方法。在氨氮測定實際工作中，發(fā)現(xiàn)兩個問題，一是水楊酸顯色劑配方較為麻煩，水楊酸和氫氧化鈉溶解混合后，仍有少量水楊酸不溶解且懸浮，需用氫氧化鈉和鹽酸調(diào)至溶液至pH 6.0～6.5 時水楊酸才能全部溶解；二是為達(dá)到反應(yīng)條件（pH=11.7），反應(yīng)物次氯酸鈉在使用前須用水和2 mol／L 氫氧化鈉溶液稀釋成含有效氯濃度3.5 g／L、游離堿濃度0.75 mol／L（以NaOH 計）的次氯酸鈉使用液后使用。用液體氫氧化鈉稀釋調(diào)整次氯酸鈉使用液游離堿濃度，其配制溶液、計算繁瑣，體積誤差大，計算游離堿濃度達(dá)到0.75 mol／L，而實際測定時游離堿濃度偏低，達(dá)不到0.75 mol／L，因而達(dá)不到反應(yīng)條件（pH=11.7），致使反應(yīng)液顯綠色不顯示藍(lán)色，在697 nm 處沒有形成最大吸收，不能反映待測物質(zhì)的真實含量。針對上述情況，在選擇水楊酸分光光度法的同時急需優(yōu)化方法測定氨氮，使測定結(jié)果更準(zhǔn)確，操作更簡便。

2.2 分析方法的優(yōu)化

為簡化操作、使溶液顯色正常，實驗以現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)水楊酸分光光度法（HJ 536-2009）為基礎(chǔ)，在不改變反應(yīng)原理的前提下進(jìn)行如下操作：

（1）優(yōu)化水楊酸分光光度法中水楊酸顯色劑配方，用水楊酸鈉替代水楊酸和氫氧化鈉，便于溶解，根據(jù)定量完全反應(yīng)方程式及試劑規(guī)格計算出水楊酸鈉實際反應(yīng)用量；

（2）用固體氫氧化鈉替代氫氧化鈉溶液，對次氯酸鈉使用液游離堿濃度進(jìn)行稀釋，調(diào)整至0.75 mol／L（以NaOH 計），當(dāng)用市售高濃度次氯酸鈉溶液用水稀釋調(diào)整到有效氯的質(zhì)量濃度為3.5 g／L后，直接加入固體氫氧化鈉進(jìn)行游離堿濃度調(diào)整，穩(wěn)定、不影響反應(yīng)液體積，也避免了計算帶來的體積誤差，達(dá)到反應(yīng)條件（pH=11.7），使反應(yīng)顯色正常，測定結(jié)果準(zhǔn)確可靠；

（3）用固體氫氧化鈉調(diào)整后的次氯酸鈉繪制優(yōu)化前后吸光度-濃度工作曲線，與地下水監(jiān)測井測定結(jié)果進(jìn)行對比；

（4）取地下水、污水、氨氮標(biāo)準(zhǔn)樣品對優(yōu)化后的方法（簡稱水楊酸鈉分光光度法）進(jìn)行精密度和準(zhǔn)確度、加標(biāo)回收驗證試驗。

2.3 方法優(yōu)化前后的標(biāo)準(zhǔn)曲線對比

按照1.3.2 實驗方法使用不同顯色劑進(jìn)行測定，10 mm 比色皿，數(shù)據(jù)列于表1。

表1 優(yōu)化前后測定結(jié)果

對表1 所列數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，以氨氮濃度(c)為橫坐標(biāo)，吸光度(A)為縱坐標(biāo)，得到相應(yīng)的線性方程和相關(guān)系數(shù)。結(jié)果表明，氨氮的質(zhì)量濃度在0.000～1.000 mg／L 的范圍與吸光度線性關(guān)系良好，優(yōu)化前的線性方程為A=0.759 2c+0.006 4，相關(guān)系數(shù)r=0.999 7；優(yōu)化后的的線性方程為A=0.763 5c-0.000 2，相關(guān)系數(shù)r=0.999 96。顯色劑配方優(yōu)化后的標(biāo)準(zhǔn)曲線相關(guān)系數(shù)更精確，線性方程截距小，說明優(yōu)化后方法的誤差小，變量之間的線性相關(guān)程度高，分析準(zhǔn)確度高于優(yōu)化前。

2.4 優(yōu)化前后地下水井測定結(jié)果對比

優(yōu)化前后地下水測定結(jié)果列于表2。由表2 看出，優(yōu)化前后測定結(jié)果無顯著性差異［16-17］，滿足分析要求。

表2 優(yōu)化前后地下水監(jiān)測井測定結(jié)果（n=2）

2.5 精密度和準(zhǔn)確度試驗［18］

取地下水、污水、質(zhì)量濃度為0.500 mg／L 和0.875 mg／L 的氨氮標(biāo)準(zhǔn)樣品，按照實驗所建立的方法（優(yōu)化后的水楊酸鈉分光光度法）進(jìn)行驗證試驗，標(biāo)準(zhǔn)樣品和實際水樣的重復(fù)次數(shù)均為10 次，以10次平行測定結(jié)果的算術(shù)平均值作為氨氮含量，計算相應(yīng)的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差和相對誤差，標(biāo)準(zhǔn)樣品和水樣精密度和準(zhǔn)確度計算結(jié)果見表3。

表3 標(biāo)樣和水樣精密度和準(zhǔn)確度計算結(jié)果

由表3 可知，氨氮標(biāo)準(zhǔn)樣品和實際水樣測定值的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差、相對誤差均在原分析標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，表明水楊酸鈉分光光度法具有良好的精密度和準(zhǔn)確度。

2.6 加標(biāo)回收試驗

在已知含量的樣品中加入一定量的氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液，按照所建立的水楊酸鈉分光光度法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)添加回收率試驗，樣品值為10 次重復(fù)測定結(jié)果的平均值，實測值為10 次重復(fù)測定結(jié)果的平均值，結(jié)果見表4。

表4 加標(biāo)回收試驗結(jié)果

按下式計算回收率的下控制限和上控制限［19］：

由上述計算可知，氨氮的平均回收率為97.9%，在上下控制限范圍內(nèi)（91.45%～104.35%），操作過程處于穩(wěn)定狀態(tài)，實驗過程可控，表明水楊酸鈉分光光度法準(zhǔn)確可行，滿足環(huán)保監(jiān)測要求。

3 結(jié)語

建立了水楊酸分光光度法測定水中氨氮。優(yōu)化后的水楊酸鈉分光光度法，精密度好，準(zhǔn)確度高，方法準(zhǔn)確可行，滿足原分析標(biāo)準(zhǔn)及環(huán)保監(jiān)測要求。與優(yōu)化前相比，不僅節(jié)省了試劑，降低了人工勞動強度，也避免了計算帶來的體積誤差，使反應(yīng)顯色完全，快速準(zhǔn)確測定，操作更簡便。既滿足水質(zhì)的檢測需求，又能反映水中待測物質(zhì)的真實含量，既滿足生產(chǎn)需要又能防止環(huán)境污染及人員危害，達(dá)到分析“無毒”化。該方法廣泛適用于地表水、地下水、生活飲用水、生活污水和工業(yè)廢水中氨氮的測定。地下水監(jiān)測井監(jiān)測數(shù)據(jù)及氨氮在線實時傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)得到了當(dāng)?shù)丨h(huán)保局的認(rèn)可。