總氮測(cè)定過程中的影響因素及解決方法

曾潤(rùn)娣

（廣東省環(huán)境保護(hù)職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣東 廣州 510655）

前言

目前，在社會(huì)上含氮工業(yè)廢水、生活污水不經(jīng)處理大量排入水體，使水體中以氮形式的化合物含量增加，從而微生物類和生物大量繁殖消耗水中溶解氧（DO），使水體質(zhì)量越來(lái)越差，從而使水體量富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。

1 ．方案論證

目前，我們普遍采用過硫酸鉀氧化法-紫外分光光度法（HJ636-2012），是《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法(第四版)》[1]提及的方法，在堿性環(huán)境下，過硫酸鉀產(chǎn)生反應(yīng)硫酸氫鉀和原子態(tài)氧，分解出的原子態(tài)氧，可以使水中含氮化合物的氮元素轉(zhuǎn)為硝酸鹽，消解后用紫外分光光度計(jì)測(cè)出吸光度，從而得出總氮的含量。

操作步驟簡(jiǎn)單是該方法的優(yōu)勢(shì)，且實(shí)驗(yàn)所使用的儀器為一般實(shí)驗(yàn)室具備的，實(shí)驗(yàn)試劑、實(shí)驗(yàn)用水、消解時(shí)間、溫度等因素對(duì)其造成影響。本課題對(duì)造成測(cè)定結(jié)果不準(zhǔn)確、不穩(wěn)定的等因素進(jìn)行分析，并提出改進(jìn)方法。

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

適用環(huán)境類別：湖泊、水庫(kù)、江河；方法檢測(cè)測(cè)定上限為4mg/L，下限為0.05mg/L；在一定溫度的水溶液中（60℃），過硫酸鉀分解生成H+和氧，詳見下面反應(yīng)方程式：

本方法是使用雙光路雙波長(zhǎng)紫外分光光度計(jì)，在波長(zhǎng)220nm和275nm處測(cè)定其吸光度，按公式： A =A220-2A275計(jì)算硝酸鹽氮的吸光度值，從而計(jì)算總氮的含量。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)使用國(guó)產(chǎn)北京瑞利UV1801紫外分光光度計(jì)：10mm石英比色皿。

本實(shí)驗(yàn)使用手提式壓力蒸汽滅菌鍋：型號(hào)為YX-280(24L)，最高工作溫度不低于120～124℃、最高工作壓力為1.1～1.4kg/cm2。

具塞磨口玻璃比色管。

1.3 實(shí)驗(yàn)試劑和材料

無(wú)氨水

20%氫氧化鈉溶液

堿性過硫酸鉀溶液

（1+9）鹽酸硝酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

1.4.1 校準(zhǔn)曲線的繪制

分別用吸量管量取0、0.50、1.00、2.00、3.00、5.00、7.00、8.00等八個(gè)梯度的硝酸鉀標(biāo)準(zhǔn)使用溶液于25ml比色管中，用水稀釋至10ml。

加入5ml堿性過硫酸鉀溶液，關(guān)緊磨口塞且用紗布包扎比色管，防止在消解過程中飛濺出來(lái)。

將上述比色管放置提式壓力蒸汽滅菌鍋中，放氣使壓力指針回零，加熱30min。待升溫至120～124℃開始計(jì)時(shí)，使比色管加熱30min。

關(guān)閉電源，自然冷卻，待壓力表指針回零后開閥放氣，取出比色管并冷至室溫。取出比色管后，輕輕搖勻，揭蓋并加入鹽酸1ml，加水稀釋至25ml。

在紫外分光光度計(jì)上，用10mm石英比色皿分別在220nm、275nm波長(zhǎng)處測(cè)定吸光度，用校正的吸光度繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.4.2 空白實(shí)驗(yàn)

以10ml水代替水外，其他試劑、用量、分析步驟保持一致進(jìn)行平行操作。

1.5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

Ab=Ab220-2

As=As220-2*As275

Ar=As-Ab

根據(jù)上述公式，計(jì)算試樣Ar，樣品中總氮的質(zhì)量濃度ρ總氮（mg/L）按公式進(jìn)行計(jì)算：

2.過程論述及結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)用水對(duì)測(cè)定的影響

在總氮測(cè)定過程中，實(shí)驗(yàn)用水對(duì)空白實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響較大。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在要求全程使用無(wú)氨水對(duì)總氮進(jìn)行測(cè)定，使用的試劑需符合分析純國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)樗w中含有一定量的硝酸鹽和亞硝酸鹽成分，所以在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所選用的水建議為蒸餾水或者為去離子水。以下用純水和蒸餾水作為空白進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)測(cè)定5個(gè)空白值進(jìn)行比較的情況：

表2 -1實(shí)驗(yàn)過程用水對(duì)實(shí)驗(yàn)空白的影響

由表2-1可知，使用純水作為空白試驗(yàn)得到的空白平均值為0.121，而蒸餾水的空白平均值為0.063，明顯地看出，使用蒸餾水進(jìn)行空白實(shí)驗(yàn)得到的空白值比使用純水進(jìn)行空白實(shí)驗(yàn)的要小，也證明了蒸餾水對(duì)實(shí)驗(yàn)空白的影響較小。建議在實(shí)驗(yàn)用水的選擇中，優(yōu)先選用蒸餾水，可以減小空白的影響。

2.2 堿性過硫酸鉀溶液對(duì)測(cè)定的影響

本方法主要使用的堿性過硫酸鉀進(jìn)行消解，通過各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，過硫酸鉀在總氮測(cè)定中非常重要，本課題過硫酸鉀是進(jìn)口的。過硫酸鉀的純度，一定程度影響空白值的高低和測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確度。不同廠家的試劑，或者同廠家的不同批次，其含氮量常常達(dá)不到要求，使實(shí)驗(yàn)空白值比較高，不符合要求。

2.2.1 堿性過硫酸鉀溶液配置時(shí)水浴溫度對(duì)測(cè)定的影響

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的配置堿性過硫酸鉀的方法，用萬(wàn)分之一電子天平上稱取40.0g過硫酸鉀（含氮量應(yīng)小于0.0005%）溶于600ml無(wú)氨水；另取稱15.0g氫氧化鈉（含氮量應(yīng)小于0.0005%）溶于300ml水中。本課題采用此配置方法，分析改變不同的變量對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。

研究在不同的水浴溫度配置堿性過硫酸鉀溶液時(shí)，對(duì)測(cè)定的影響。

表2 -2不同水浴溫度配置堿性過硫酸鉀溶液對(duì)空白實(shí)驗(yàn)的影響

由表2-2可知，標(biāo)樣1、標(biāo)樣2在溫度20℃、80℃時(shí)，測(cè)定值低于最低允許濃度；標(biāo)樣3低于或高于60℃時(shí)，低于允許溫度；水浴溫度在60℃時(shí)，3個(gè)標(biāo)樣都在允許范圍內(nèi)。因此，配置堿性過硫酸鉀溶液控制溫度在60℃左右為最適合，提高測(cè)定的準(zhǔn)確性。

2.2.2 堿性過硫酸鉀溶液存放時(shí)間對(duì)測(cè)定的影響

堿性過硫酸鉀在總氮的測(cè)定過程中起到氧化劑作用，則其濃度也是重要的影響因素，它決定實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此往往需要避光低溫保存。至于其儲(chǔ)存時(shí)間，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，一般不要超過一周。

研究堿性過硫酸鉀儲(chǔ)存時(shí)間對(duì)測(cè)定的影響

表2 -3堿性過硫酸鉀存放時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)空白實(shí)驗(yàn)的影響

由表2-3驗(yàn)證了堿性過硫酸鉀溶液隨著保存時(shí)間的延長(zhǎng)，空白值也隨著變大。建議堿性過硫酸鉀臨使用前配制，保存時(shí)間不應(yīng)過長(zhǎng)，不超過5天，不然過硫酸鉀的質(zhì)量會(huì)影響測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性和結(jié)果的準(zhǔn)確度。

2.3 消解過程對(duì)測(cè)定的影響

總氮測(cè)定消解過程中主要控制的因素之一—溫度。按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求手提式壓力蒸汽滅菌鍋的要求，其壓力為1.1～1.4kg/cm2時(shí)，溫度才能達(dá)到要求。故應(yīng)定期檢查校準(zhǔn)壓力表，或安裝穩(wěn)壓器，使壓力控制在規(guī)定范圍內(nèi)進(jìn)行使用。消解時(shí)，要求達(dá)到規(guī)定溫度、壓力后，即計(jì)時(shí)，確保電源不中斷，以完成實(shí)驗(yàn)。消解后冷卻時(shí)，放氣要緩慢，防止塞子因熱脹冷縮原因崩開。若消解不充分，如時(shí)間不足、溫度不足，導(dǎo)致空白實(shí)驗(yàn)值過大。按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求消解時(shí)間為30min，但實(shí)際實(shí)驗(yàn)證明，30min不足讓過硫酸鉀消解完全，應(yīng)采用更長(zhǎng)的消化時(shí)間，數(shù)據(jù)證明要40分鐘以上，空白實(shí)驗(yàn)值才趨于穩(wěn)定，可以分解完全。

2.3.1 消解時(shí)間對(duì)測(cè)定的影響

消解過程是將堿性過硫酸鉀溶液完全分解。以兩個(gè)試樣在不同的消解時(shí)間進(jìn)行測(cè)定，并分析結(jié)果。

表2 -4消解時(shí)間對(duì)測(cè)定的影響

由表2-4可知，當(dāng)時(shí)間大于30min時(shí)，總氮含量下降，表明延長(zhǎng)消解時(shí)間可以降低空白樣的水樣總氮測(cè)定值；消解時(shí)間大于45分鐘以后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨于穩(wěn)定，在30min到40min，測(cè)定值變化較大，所以消解時(shí)間控制在45min左右為最適。

2.3.2消解溫度對(duì)測(cè)定的影響

比色管放置高壓蒸汽滅菌鍋，加熱、出氣、關(guān)閥，繼續(xù)加熱至120℃即可計(jì)時(shí)（30min），保持溫度在120～124℃之間。以三個(gè)試樣在不同的消解溫度進(jìn)行測(cè)定。

表2 -5消解溫度對(duì)空白測(cè)定的影響

由表2-5可知，溫度低于120℃或高于128℃時(shí)，空白值較高；溫度在120～124℃時(shí)，空白實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足國(guó)家規(guī)定空白試實(shí)驗(yàn)的校正吸光度Ab低于0.030。導(dǎo)致空白值偏高，是由于堿性過硫酸鉀分解不完全，所以建議在消解時(shí)，將溫度控制在120～124℃。

2.3.3 消解冷卻時(shí)間對(duì)測(cè)定的影響

水樣消解完畢之后，待壓力表指針歸零，打開閥門緩慢放氣，將蓋子打開再取出水樣比色管（戴棉手套以免燙傷手部），自然冷卻至水樣溫度達(dá)到室溫。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，比色管冷卻時(shí)間的長(zhǎng)短，影響測(cè)量的結(jié)果高低。過長(zhǎng)，結(jié)果偏低，相反，過短，則測(cè)定結(jié)果偏高。

2.4 其他因素對(duì)測(cè)定的影響

2.4.1 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)注意事項(xiàng)中提及，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境應(yīng)在無(wú)塵、通風(fēng)良好、無(wú)氨的環(huán)境中進(jìn)行，避免導(dǎo)致含氮量增大，不應(yīng)與氨氮、亞硝酸鹽氨、硝酸鹽氨、揮發(fā)酚、總硬度等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在同一個(gè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。另外實(shí)驗(yàn)所用的試劑、玻璃儀器等用具應(yīng)單獨(dú)保存，避免與氨的交叉污染，盡量專用。

2.4.2 玻璃器皿的洗滌

潔凈的器皿對(duì)總氮測(cè)定很重要。在水樣的采集、分析的器皿建議提前用10%的鹽酸溶液進(jìn)行清洗，再用超純水進(jìn)行清洗，最后用無(wú)氨水進(jìn)行沖洗多次，保證實(shí)驗(yàn)用到的器皿都清洗干凈，不受氮的影響,洗滌器不得使用重鉻酸鉀和硝酸洗液進(jìn)行清洗。

本課題使用的是雙光路的紫外分光光度計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)是避免測(cè)量誤差，同時(shí)快速便捷。建議有條件的實(shí)驗(yàn)室可采用雙光路紫外分光光度計(jì)，不僅避免測(cè)量誤差，器皿間誤差也能自動(dòng)修正。

3.結(jié)論

堿性過硫酸鉀紫外分光光度計(jì)測(cè)定總氮含量的影響因素，總結(jié)課題中提出的幾點(diǎn)結(jié)論：

3.1 選擇適合的水有效降低空白實(shí)驗(yàn)的值，實(shí)驗(yàn)的精確度也有效提高，課題中得出蒸餾水比純水適合。

3.2 堿性過硫酸鉀對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，課題從水浴溫度、儲(chǔ)存時(shí)間研究其對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，課題的得出水浴溫度為60℃左右適合、儲(chǔ)存時(shí)間不宜超過5天，現(xiàn)用現(xiàn)配最好。

3.3 消解對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，課題從消解時(shí)間、消解溫度以及冷卻時(shí)間方面進(jìn)行研究，并得出消解時(shí)間控制在45min左右最適、消解溫度控制在120～124℃之間、冷卻時(shí)間冬天2h、夏天3h。課題還概述了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境、玻璃器皿洗滌以及比色皿比對(duì)等因素對(duì)總氮測(cè)定的影響。通過總氮測(cè)定課題的研究，我們?cè)谌粘？偟獪y(cè)定中必須選用符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的、使用在有效期內(nèi)過硫酸鉀，實(shí)驗(yàn)前必須對(duì)試劑做空白實(shí)驗(yàn)，準(zhǔn)確把握消解溫度、時(shí)間，堿性過硫酸鉀采用優(yōu)質(zhì)的且臨用現(xiàn)配，最好不超過5天，實(shí)驗(yàn)用水為無(wú)氨水。