國(guó)標(biāo)法測(cè)定水中苯胺類化合物的不足與改進(jìn)

李會(huì)平，李賽男，李明華，王小燕

(青島科技大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，山東 青島 266042)

苯胺是重要的化工原料，對(duì)人和生物危害極大，其含量是環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要指標(biāo)，環(huán)境水中苯胺的測(cè)定是環(huán)境化學(xué)專業(yè)學(xué)生重要的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。苯胺測(cè)定方法主要有分光光度法[1,2]，熒光法[3]，色譜法[4-6]等，其中國(guó)標(biāo)法最經(jīng)典。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，該方法雖然靈敏度高，檢測(cè)限低，但存在如下問題：(1)顯色劑N-(1-萘基)乙二胺溶液濃度大，難于溶解，致使溶液渾濁，試劑空白值高，散射嚴(yán)重；(2)苯胺標(biāo)準(zhǔn)溶液用0.05 mol·L-1硫酸配制，導(dǎo)致后續(xù)的酸度調(diào)節(jié)操作難于標(biāo)準(zhǔn)化；(3)高濃度的苯胺儲(chǔ)備液(約5000 m·gL-1)直接稀釋為10 m·gL-1的苯胺使用液，稀釋倍數(shù)太大而引起的操作誤差；(4)重氮化反應(yīng)及顯色反應(yīng)的酸度范圍，直接影響反應(yīng)時(shí)間和吸光度值，是最重要的實(shí)驗(yàn)條件之一。在國(guó)標(biāo)法中用固體KHSO4調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)溶液酸度，操作繁瑣，且用固體KHSO4和無水Na2CO3調(diào)節(jié)水樣酸度，可能導(dǎo)致水樣鹽度增大，使結(jié)果偏低[7]。以上諸因素導(dǎo)致國(guó)標(biāo)法操作復(fù)雜、分析時(shí)間長(zhǎng)、試劑空白值高、測(cè)定精密度和準(zhǔn)確度差。

針對(duì)以上問題，分別從標(biāo)樣配制和稀釋方法改進(jìn)、酸度調(diào)節(jié)劑改變和操作方法標(biāo)準(zhǔn)化、顯色劑配制方法和用量?jī)?yōu)化等方面，對(duì)國(guó)標(biāo)法測(cè)定水中苯胺類化合物進(jìn)行了探索和改進(jìn)。簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)操作，降低了試劑空白、提高了實(shí)驗(yàn)精密度。并用改進(jìn)后的方法測(cè)定了印染廢水中苯胺的含量，通過精密度及回收率實(shí)驗(yàn)，并與國(guó)標(biāo)法比較，評(píng)價(jià)了本實(shí)驗(yàn)方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

(1)儀器：Cary 60型紫外可見分光光度計(jì)(安捷倫)，分析天平(梅特勒)，PB-10型酸度計(jì)(賽特利斯)，磁力攪拌器，1 cm玻璃比色皿，25 mL比色管，容量瓶(25 mL、50 mL)，移液管(1.0 mL、2.0 mL、10.0 mL)，吸量管(5.0 mL、10.0 mL)，精密pH試紙(0.5～5.0)。

(2)試劑：5000 mg·L-1苯胺標(biāo)準(zhǔn)水溶液，5000 mg·L-1苯胺標(biāo)準(zhǔn)(0.05 mol·L-1H2SO4)溶液，NaOH(6 mol·L-1、0.1 mol·L-1)，H2SO4(10 mol·L-1、0.05 mol·L-1)，KHSO4(s)，Na2CO3(s)，5.0% NaNO2，2.5%氨基磺酸銨，20 g·L-1N-(1-萘基)乙二胺鹽酸鹽水溶液，5.0 g·L-1N-(1-萘基)乙二胺鹽酸鹽(0.05 mol·L-1H2SO4)溶液，實(shí)驗(yàn)用水為二次去離子水。

1.2 標(biāo)樣儲(chǔ)備液和使用液的配制

(1)國(guó)標(biāo)方法：加入10 mL 0.05 mol·L-1H2SO4于25 mL容量瓶中，稱準(zhǔn)至0.0001 g，加苯胺35滴，再稱量，用0.05 mol·L-1H2SO4稀釋，定容。此儲(chǔ)備液濃度約為5000 mg·L-1。使用時(shí)直接將此溶液用0.05 mol·L-1H2SO4稀釋至10 mg·L-1的苯胺使用液(現(xiàn)用現(xiàn)配)。

(2)改進(jìn)方法：加入10 mL水于25 mL容量瓶中，稱準(zhǔn)至0.0001 g，滴加35滴苯胺，再稱量，用水稀釋，定容。此儲(chǔ)備液濃度約為5000 mg·L-1。使用時(shí)先將此溶液用水稀釋10倍，再配成濃度為10 mg·L-1的苯胺使用液(現(xiàn)用現(xiàn)配)。

1.3 酸度的調(diào)節(jié)

(1)國(guó)標(biāo)方法：將水樣過濾后，用KHSO4或無水Na2CO3調(diào)節(jié)pH=6，作為試樣。在制作標(biāo)準(zhǔn)曲線和測(cè)定水樣時(shí)，重氮化反應(yīng)要求的酸介質(zhì)，均以KHSO450 mg加入比色管中，用pH精密試紙(0.5～5.0)控制pH=1.5～2.0(不可用試紙直接測(cè)定酸度，需預(yù)先取另一份相同體積的該水樣作為參考值)。

(2)改進(jìn)方法：將水樣過濾后，根據(jù)其酸度可先用10 mol·L-1H2SO4或6 mol·L-1NaOH調(diào)pH約為6，再用0.05 mol·L-1H2SO4或0.1 mol·L-1NaOH精調(diào)pH=6，作為試樣。在制作標(biāo)準(zhǔn)曲線和測(cè)定水樣時(shí)，重氮化反應(yīng)要求的酸介質(zhì)，均加入1.0 mL 0.05 mol·L-1H2SO4于比色管中，控制 pH=1.5～2.0(不必測(cè)定酸度)。

1.4 顯色劑的配制

(1)國(guó)標(biāo)方法：稱2 gN-(1-萘基)乙二胺鹽酸鹽，溶于水中(必要時(shí)可溫?zé)嶂?。稀釋至100 mL，過濾后使用。此溶液濃度為20 g·L-1。

(2)改進(jìn)方法：稱0.5 gN-(1-萘基)乙二胺鹽酸鹽，溶于100 mL 0.05 mol·L-1H2SO4中，過濾后使用。此溶液濃度為5.0 g·L-1。

1.5 標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作及水樣的測(cè)定

(1)國(guó)標(biāo)方法：準(zhǔn)確移取按國(guó)標(biāo)法配制的10 mg·L-1苯胺標(biāo)準(zhǔn)溶液0.0、0.5、1.0、2.0、3.0、4.0 mL于6支25 mL比色管中，加水至10 mL，加入KHSO450 mg，搖勻，加1滴5% NaNO2溶液，搖勻，靜置3 min，加入0.5 mL 2.5%氨基磺酸銨，充分振蕩，靜置3 min，待氣泡除盡后，加入1.0 mL 20 g·L-1N-(1-萘基)乙二胺鹽酸鹽水溶液，用水稀釋至刻度，搖勻，靜置30 min，用1 cm的比色皿，以試劑空白為參比液，在545 nm處測(cè)定吸光度A，制作標(biāo)準(zhǔn)曲線。準(zhǔn)確移取適量水樣(含苯胺0.5～30 μg)，以同樣方法測(cè)定水樣中苯胺，用標(biāo)準(zhǔn)曲線法計(jì)算結(jié)果。

(2)改進(jìn)方法：準(zhǔn)確移取按改進(jìn)方法配制的10 mg·L-1苯胺標(biāo)準(zhǔn)溶液0.0、0.5、1.0、2.0、3.0、4.0 mL于6支25 mL比色管中，各加入1.0 mL 0.05 mol·L-1H2SO4，加水至10 mL，搖勻。加1滴5% NaNO2溶液，搖勻，放置3 min，加入0.5 mL 2.5%氨基磺酸銨，充分振蕩，放置3 min，待氣泡除盡后，加入8.0 mL 5.0g·L-1N-(1-萘基)乙二胺鹽酸鹽(0.05 mol·L-1H2SO4)溶液，用水稀釋至刻度，搖勻，放置40 min，后續(xù)操作及水樣測(cè)定同1.5(1)國(guó)標(biāo)方法。

2 結(jié)果與討論

2.1 標(biāo)樣配制方法的改進(jìn)

2.1.1 標(biāo)樣的配制溶劑的改進(jìn)

國(guó)標(biāo)法中苯胺標(biāo)準(zhǔn)溶液用0.05 mol·L-1硫酸為溶劑，在制作標(biāo)準(zhǔn)曲線時(shí)，因不同濃度的溶液中加入的標(biāo)準(zhǔn)溶液體積不同(0.5～4.0 mL)，所以在后續(xù)的酸度調(diào)節(jié)步驟中，各濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液中，需加入的固體KHSO4質(zhì)量不同，且各標(biāo)準(zhǔn)溶液調(diào)節(jié)酸度時(shí)不可用試紙直接測(cè)定，均需預(yù)先取另一份相同體積的該水樣作為參考值，操作繁瑣，耗時(shí)費(fèi)力，各溶液pH難于完全一致。

改進(jìn)方法中苯胺標(biāo)準(zhǔn)溶液用水配制(苯胺在水中的溶解度為3.7 g/100 g), 在制作標(biāo)準(zhǔn)曲線時(shí)，各濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液pH相同，在后續(xù)的酸度調(diào)節(jié)步驟中，每種溶液中，需加入的0.05 mol·L-1硫酸體積相同，操作簡(jiǎn)便，且各溶液pH完全一致。

2.1.2 標(biāo)樣稀釋倍數(shù)的改進(jìn)

國(guó)標(biāo)法中苯胺標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液(約5000 mg·L-1)直接稀釋為10 mg·L-1的苯胺使用液，如配制苯胺使用液體積為50 mL，移取儲(chǔ)備液體積僅為0.10 mL，按讀數(shù)誤差最低為±0.01 mL計(jì)算，僅此項(xiàng)引起的濃度誤差就為±10%。改進(jìn)方法中先將苯胺標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液用水稀釋10倍，再配成濃度為10 mg·L-1的苯胺使用液，從而把因稀釋倍數(shù)引起的濃度誤差降至±1.2%。

2.2 酸度的調(diào)節(jié)方法改進(jìn)及用量?jī)?yōu)化

2.2.1 水樣酸度調(diào)節(jié)方法改進(jìn)：

國(guó)標(biāo)法中水樣經(jīng)過濾后，用固體KHSO4或無水Na2CO3調(diào)節(jié)pH=6。印染廠含苯胺廢水常常堿度很大，需要加入大量的固體KHSO4才可調(diào)節(jié)pH=6，這使得水樣的鹽度加大，使苯胺測(cè)定值偏低。改進(jìn)方法中水樣過濾后，先用10 mol·L-1H2SO4或6 mol·L-1NaOH溶液粗調(diào)pH約為6，再用0.05 mol·L-1H2SO4或0.1 mol·L-1NaOH溶液精調(diào)pH=6，操作簡(jiǎn)便，有效避免了水樣的鹽度加大產(chǎn)生的測(cè)定誤差。

2.2.2 重氮化反應(yīng)酸度調(diào)節(jié)方法改進(jìn)及用量?jī)?yōu)化

重氮化反應(yīng)前，國(guó)標(biāo)法以KHSO4為酸度調(diào)節(jié)劑，用精密pH試紙控制pH=1.5～2.0，因不可用試紙直接測(cè)定酸度，需預(yù)先取另一份相同體積的該溶液作為參考值。這種方法除了如2.2.1中所述的導(dǎo)致溶液鹽度加大之外，操作繁瑣，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且不易精確控制溶液酸度。

改進(jìn)方法中，以0.05 mol·L-1H2SO4為酸度調(diào)節(jié)劑。為確定0.05 mol·L-1H2SO4用量，取7支25 mL比色管，各加入苯胺標(biāo)準(zhǔn)溶液(10 mg·L-1)1.0 mL，分別加入不同體積的 0.05 mol·L-1H2SO4，加水稀釋至10 mL搖勻，用酸度計(jì)測(cè)定其pH值，結(jié)果見表1。

由表1可知，當(dāng)0.05 mol·L-1H2SO4加入量在1.0～2.0 mL時(shí)，即可滿足pH=1.5～2.0。本實(shí)驗(yàn)選擇加入1.0 mL 0.05 mol·L-1H2SO4，這樣在制作標(biāo)準(zhǔn)曲線和測(cè)定水樣時(shí)，不必測(cè)定酸度即可精確控制溶液pH在要求的范圍。

表1 重氮化反應(yīng)酸度調(diào)節(jié)劑用量

Table 1 The dosage of acidity regulator for diazo reaction.0.05 molL-1 H2SO4

表1 重氮化反應(yīng)酸度調(diào)節(jié)劑用量

0.05mol?L-1H2SO4用量/mL重氮化反應(yīng)酸度/pH0.52.071.01.751.51.632.01.522.51.433.01.363.51.32

2.2.3 顯色反應(yīng)酸度控制

重氮化后，顯色反應(yīng)酸度需在pH=1.0～2.0之間進(jìn)行。國(guó)標(biāo)法顯色劑為20 g·L-1N-(1-萘基)乙二胺鹽酸鹽水溶液，加入量為1.0 mL。改進(jìn)法顯色劑為5 g·L-1N-(1-萘基)乙二胺鹽酸鹽(0.05 mol·L-1H2SO4)溶液，加入量為8.0 mL。顯色反應(yīng)完畢測(cè)定各標(biāo)準(zhǔn)溶液的酸度，數(shù)據(jù)見表2。

表2 改進(jìn)法的顯色反應(yīng)酸度

由表2可知，改進(jìn)法中顯色劑以0.05 mol·L-1H2SO4為溶劑，顯色反應(yīng)酸度在pH=1.0～2.0之間，并且因前面的重氮化反應(yīng)酸度控制精確，后面的顯色劑加入量一致，所以改進(jìn)法各標(biāo)準(zhǔn)溶液的顯色反應(yīng)酸度條件完全一致，可有效提高測(cè)定數(shù)據(jù)的精密度。

2.3 顯色劑的配制方法改進(jìn)、顯色時(shí)間及用量選擇

2.3.1 顯色劑的配制方法改進(jìn)

國(guó)標(biāo)法中顯色劑的濃度較大(20 g·L-1)，難于溶解，致使溶液渾濁，過濾后仍不清澈，試劑空白值高。改進(jìn)法將顯色劑濃度降低為5.0 g·L-1，并根據(jù)其弱堿性，用0.05 mol·L-1H2SO4溶解，如圖1所示，過濾后溶液清澈，試劑空白值大大降低，散射誤差減小。

圖1 改進(jìn)前后的顯色劑溶液照片

國(guó)標(biāo)法要求顯色劑溶液在冰箱中保存，不宜多配，當(dāng)溶液變渾濁就應(yīng)重新配制。而改進(jìn)法配制的顯色劑溶液室溫放置1.5個(gè)月后，仍保持透明狀態(tài)未變質(zhì)。

2.3.2 顯色劑用量和顯色時(shí)間選擇

為優(yōu)化改進(jìn)法的顯色劑用量和顯色時(shí)間，分別移取10 mg·L-1苯胺標(biāo)準(zhǔn)溶液2.0 mL于10支25 mL比色管中，按1.5(2)方法，依次加入不同體積的顯色劑，改變顯色時(shí)間，測(cè)定吸光度值，結(jié)果見圖2。由圖2數(shù)據(jù)可知，當(dāng)顯色時(shí)間為40 min時(shí)，顯色劑加入量大于8.0 mL時(shí)，吸光度值基本不變。當(dāng)顯色時(shí)間為50 min和60 min時(shí)，顯色劑加入量大于3.0 mL時(shí)，吸光度值基本不變。從提高實(shí)驗(yàn)效率的角度考慮，本實(shí)驗(yàn)選擇顯色劑加入量為8.0 mL，顯色時(shí)間為40 min。

圖2 顯色時(shí)間和顯色劑用量對(duì)吸光度的影響

2.4 改進(jìn)法和國(guó)標(biāo)法的標(biāo)準(zhǔn)曲線、檢出限比較

按1.5(1)(2)操作方法，分別配制兩種標(biāo)準(zhǔn)溶液系列，顯色后如圖3所示。由圖3可見，改進(jìn)法標(biāo)準(zhǔn)溶液系列明顯比國(guó)標(biāo)法標(biāo)準(zhǔn)溶液系列更清澈，因此散射引起的誤差更小。

圖3 改進(jìn)前后的標(biāo)準(zhǔn)系列溶液照片

用國(guó)標(biāo)法和改進(jìn)法分別測(cè)定吸光度-苯胺濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線，結(jié)果如圖4。

圖4 國(guó)標(biāo)法和改進(jìn)法的標(biāo)準(zhǔn)曲線

由圖4可知，國(guó)標(biāo)法標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性方程為A=0.42902c-0.01396，R2=0.9982，方法檢出限為0.05 mg·L-1。改進(jìn)法標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性方程為A=0.49274c+0.00732，R2=0.99991，方法檢出限為0.01 mg·L-1。

比較國(guó)標(biāo)法和改進(jìn)法的標(biāo)準(zhǔn)曲線，改進(jìn)法的相關(guān)系數(shù)更高，方法檢出限更低。

2.5 改進(jìn)法的精密度

移取10 mg·L-1苯胺標(biāo)準(zhǔn)溶液1.0 mL，按1.5(2)節(jié)步驟用改進(jìn)法配制標(biāo)準(zhǔn)溶液(苯胺濃度為0.40 mg·L-1)及吸光度測(cè)定，結(jié)果見表3。

表3 改進(jìn)法的精密度測(cè)定

由表3數(shù)據(jù)可知，改進(jìn)法的測(cè)定結(jié)果重復(fù)性好，精密度高。

2.6 水樣分析

按1.5節(jié)操作方法，用國(guó)標(biāo)法和改進(jìn)法測(cè)定印染廠廢水樣品苯胺含量，同時(shí)用改進(jìn)法做加標(biāo)回收測(cè)定回收率。測(cè)定結(jié)果見表4。

表4 國(guó)標(biāo)法與改進(jìn)法對(duì)廢水中苯胺的測(cè)定

由表4可知，改進(jìn)法測(cè)定兩個(gè)廢水樣品的回收率為98.74%和102.6%，和國(guó)標(biāo)法測(cè)定結(jié)果的相對(duì)誤差分別為1.1%和1.7%。

3 結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)以國(guó)標(biāo)法為理論依據(jù)，改進(jìn)的宗旨是在實(shí)驗(yàn)中最大程度地減免誤差，規(guī)范、簡(jiǎn)化操作，使不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液和水樣在進(jìn)行重氮化及顯色反應(yīng)中條件一致，以提高實(shí)驗(yàn)的精密度和準(zhǔn)確度。

實(shí)驗(yàn)表明，改進(jìn)法的標(biāo)樣稀釋方法誤差大大降低；水樣、重氮化反應(yīng)及顯色反應(yīng)的酸度調(diào)節(jié)操作更簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確，節(jié)省了分析時(shí)間；顯色劑溶解度明顯增大，溶液清澈，試劑空白值低，散射誤差小。通過精密度、回收率實(shí)驗(yàn)以及和國(guó)標(biāo)法的對(duì)比可知，改進(jìn)法結(jié)果重復(fù)性、精密度好，回收率高，測(cè)定結(jié)果和國(guó)標(biāo)法一致。