過硫酸鈉同時(shí)消解養(yǎng)殖尾水中總氮和總磷的探索

姜琦，王李寶，黎慧*，萬夕和，史文軍，譚海軍，沈輝，喬毅，蔣葛，成婕

(1.江蘇省海洋水產(chǎn)研究所，江蘇 南通 226000；2.鹽城豐悅源釣餌有限公司，江蘇 鹽城 224345)

總氮和總磷是衡量水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要指標(biāo)之一[1]，水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水產(chǎn)出的大量氮、磷排放到環(huán)境中，會(huì)導(dǎo)致湖泊、河流或近岸海域的水體產(chǎn)生富營(yíng)養(yǎng)化，浮游生物大量繁殖，水中的溶解氧下降，水質(zhì)惡化，魚類及其他生物大量死亡。因此，在養(yǎng)殖尾水的環(huán)境監(jiān)測(cè)中，建立一種及時(shí)、快速、簡(jiǎn)便地測(cè)定總氮、總磷的方法顯得尤為重要，能及時(shí)地對(duì)養(yǎng)殖排放現(xiàn)狀進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，從而提出相應(yīng)的治理措施，為加強(qiáng)尾水排放管理相關(guān)政策的制定提供數(shù)據(jù)支撐，有利于養(yǎng)殖環(huán)境的修復(fù)，有效保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

目前，國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中通常采用過硫酸鉀消解法測(cè)定總氮、總磷。實(shí)際操作過程中發(fā)現(xiàn)，溫度變化對(duì)過硫酸鉀的溶解度影響較大。研究表明，20 ℃時(shí)，100 g水中能溶解5.3 g過硫酸鉀，0 ℃時(shí)，100 g水中僅能溶解1.75 g[2]，低溫配制時(shí)還具有配制時(shí)間過長(zhǎng)，晶體析出的現(xiàn)象。而過硫酸鈉具有強(qiáng)氧化性，易溶于水，在低溫配制時(shí)無晶體析出，配制過程簡(jiǎn)單，溫度的變化對(duì)其溶解度影響甚微。因此，現(xiàn)使用過硫酸鈉代替過硫酸鉀，對(duì)養(yǎng)殖尾水中總氮、總磷同時(shí)進(jìn)行消解，并從樣品的消解效率、精密度分析、加標(biāo)回收、實(shí)際水樣的測(cè)定等方面驗(yàn)證其代替過硫酸鉀進(jìn)行消解的可行性。

1 方法原理

利用堿性過硫酸鉀氧化法測(cè)定水中的總氮、總磷，其原理是在124 ℃的堿性條件下，過硫酸根分解生成氫離子和氧氣，加入氫氧化鈉不斷中和產(chǎn)生的氫離子，使過硫酸根能分解完全，產(chǎn)生的氧可將水體中的氨氮、亞硝酸鹽氮及大部分有機(jī)氮化合物氧化為硝酸鹽，從而實(shí)現(xiàn)總氮的測(cè)定。而總磷的測(cè)定原理是在酸性或偏中性的條件下，利用過硫酸根將水樣中各種含磷類化合物全部轉(zhuǎn)化為正磷酸鹽，從而實(shí)現(xiàn)總磷的測(cè)定。

用過硫酸鉀-氫氧化鈉混合溶液進(jìn)行消解，消解反應(yīng)開始時(shí)由于氫氧化鈉的影響，溶液呈堿性，滿足總氮消解的要求。隨著消解的進(jìn)行，過硫酸鉀不斷消耗，分解產(chǎn)生的氫離子可中和氫氧根離子。在某一時(shí)間點(diǎn)，消解體系由堿性變?yōu)樗嵝?，滿足總磷的消解條件，從而實(shí)現(xiàn)總氮、總磷同時(shí)消解[3-6]。

《海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程 第一部分：海水》(HY/T 147.1—2013)[7]中的總氮、總磷的標(biāo)準(zhǔn)曲線最高質(zhì)量濃度分別為2 和0.24 mg/L，而大部分池塘養(yǎng)殖尾水中總氮、總磷的質(zhì)量濃度都遠(yuǎn)超該限值。故在實(shí)際測(cè)定過程中，需要對(duì)樣品進(jìn)行稀釋，因此會(huì)影響測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確度?！端|(zhì) 總氮的測(cè)定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》(HJ 636—2012)[8]中的總氮最大測(cè)定質(zhì)量濃度為7.0 mg/L。參照該標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)對(duì)消解方法進(jìn)行了改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)高質(zhì)量濃度水體中的總氮、總磷同時(shí)消解的目的。

2 材料與方法

2.1 儀器

HIRAYAMA HVE-50型高壓滅菌鍋(廣州華粵行儀器有限公司)；Lachat 8500S2型流動(dòng)注射分析儀(美國(guó)HACH公司)。

2.2 試劑

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)溶液

總氮標(biāo)準(zhǔn)溶液(100 mg/L，國(guó)家有色金屬及電子材料分析測(cè)試中心，編號(hào)GNM-SNO3N-002b-2013)；總磷標(biāo)準(zhǔn)溶液(300 mg/L，國(guó)家有色金屬及電子材料分析測(cè)試中心，編號(hào)GNM-SP-002b-2013)。

2.2.2 質(zhì)控樣

總氮質(zhì)控樣(環(huán)境保護(hù)部標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所，編號(hào)GSB07-3168-2014)，質(zhì)量濃度及批次分別為(3.08±0.18)mg/L(批次：203266)和(2.94±0.15)mg/L(批次：203273)；總磷質(zhì)控樣(環(huán)境保護(hù)部標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所，編號(hào)GSB07-3169-2014)，質(zhì)量濃度及批次分別為(0.723±0.032)mg/L(批次：203986)和(0.83±0.027)mg/L(批次：203994)。

2.2.3 其他試劑

實(shí)驗(yàn)中所用試劑見表 1。實(shí)驗(yàn)用水均為去離子水。

表1 實(shí)驗(yàn)用試劑①

2.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線及質(zhì)控樣的配制

2.3.1 混合標(biāo)準(zhǔn)曲線的配制

分別量取總磷標(biāo)準(zhǔn)溶液(300 mg/L)、總氮標(biāo)準(zhǔn)溶液(100 mg/L)于100 mL容量瓶中，用去離子水定容，混勻。以表2的體積用量共配置7組總氮、總磷混合標(biāo)準(zhǔn)溶液。

表2 總氮、總磷混合標(biāo)準(zhǔn)溶液配比

2.3.2 質(zhì)控樣的配制

總氮、總磷質(zhì)控樣使用時(shí)打開安瓿瓶，用移液管準(zhǔn)確吸取10 mL，定容到250 mL的容量瓶中。

2.4 實(shí)驗(yàn)方法

分別量取10 mL以上各濃度的總氮、總磷混合標(biāo)準(zhǔn)使用溶液，于60 mL耐高溫的安譜玻璃瓶中，再加入10 mL堿性過硫酸鹽溶液，混勻后蓋上瓶蓋。置于高壓蒸汽滅菌鍋中，加熱至121 ℃，30 min，冷卻后上下顛倒混勻，再重復(fù)1次。用去離子水稀釋至30 mL。實(shí)際水樣與空白樣品的消解過程與標(biāo)準(zhǔn)使用液相同。

消解后的水樣被過硫酸鹽氧化為硝酸鹽后，經(jīng)鎘柱還原為亞硝酸鹽，在酸性介質(zhì)中，亞硝酸鹽與磺胺反應(yīng)后與鹽酸萘乙二胺偶聯(lián)，生成紫紅色化合物，于波長(zhǎng)540 nm處測(cè)量吸光度[7]；水樣中各形態(tài)的磷全部轉(zhuǎn)化為正磷酸鹽，水樣中的正磷酸鹽在酸性介質(zhì)中，與鉬酸銨反應(yīng)后生成的化合物立即被抗壞血酸還原生成藍(lán)色化合物，于波長(zhǎng)880 nm處測(cè)量吸光度[9]。

3 等質(zhì)量過硫酸鈉與過硫酸鉀的消解效果比較

3.1 氫氧化鈉加入量對(duì)消解效果的影響

在消解樣品時(shí)，若氫氧化鈉質(zhì)量濃度過高，會(huì)使總磷氧化不完全，若質(zhì)量濃度過低，總氮氧化不完全。夏首先[10]和王繼國(guó)等[11]提出，把等物質(zhì)的量的過硫酸鉀和氫氧化鈉混合溶液作為氧化劑，開始反應(yīng)時(shí)溶液呈堿性，能滿足總氮的消解條件，當(dāng)氫氧化鈉被完全中和后，溶液逐漸呈酸性，可滿足總磷的消解條件。但由于消解體系的復(fù)雜性，消解液中過硫酸鹽和氫氧化鈉的比例并不固定，因此，通過實(shí)驗(yàn)來確定氫氧化鈉的最佳加入量。按《HY/T 147.1—2013》要求，在1 L水中加入40 g過硫酸鹽，然后分別加入9，11，12 和13 g氫氧化鈉。在不同堿性過硫酸鹽濃度條件下測(cè)定總氮、總磷校準(zhǔn)曲線，總磷測(cè)定結(jié)果為(0.723±0.032)mg/L，總氮測(cè)定結(jié)果為(3.08±0.18)mg/L，并按上述條件測(cè)定其質(zhì)控樣品，測(cè)定結(jié)果見表3。

表3 不同氫氧化鈉加入量對(duì)消解效果的影響

由表3可見，當(dāng)在過硫酸鉀中加入9 g氫氧化鈉時(shí)，其總氮、總磷回歸系數(shù)均能達(dá)到0.999，質(zhì)控均在誤差范圍內(nèi)，且相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)較小。因此，在40 g過硫酸鉀中加入9 g氫氧化鈉同時(shí)消解總氮、總磷效果最佳，這與《HY/T 147.1—2013》相吻合。而在40 g過硫酸鈉中加入11～13 g氫氧化鈉同時(shí)消解總氮、總磷，基本能夠滿足總氮的消解要求，但是總磷消解效果不佳。Lin等[12]認(rèn)為，氫氧化鈉、過硫酸鉀的加入量，以及pH值等均會(huì)影響消解效果。在《HJ 636—2012》中要求每個(gè)比色管中均加入1 mL的鹽酸(鹽酸與水的體積比=1∶9)來調(diào)整pH值，這可能是為了解決消解液pH值差異較大，導(dǎo)致過硫酸鈉消解液不穩(wěn)定的問題。

3.2 pH值對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響

實(shí)驗(yàn)表明，加入不同質(zhì)量的氫氧化鈉時(shí)，各消解液pH值差異較大。加入同等質(zhì)量的氫氧化鈉時(shí)，過硫酸鈉消解后的pH值顯著低于過硫酸鉀對(duì)比組。當(dāng)pH值在2～3.3時(shí)，消解后測(cè)定值較穩(wěn)定；當(dāng)pH值<2時(shí)，總氮、總磷測(cè)定值均不穩(wěn)定；當(dāng)pH值>3.3時(shí)，總磷測(cè)定值不穩(wěn)定。

因此，在消解樣品后用氫氧化鈉將pH值調(diào)整至2～3.3。調(diào)節(jié)pH值后不同氫氧化鈉加入量對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響見表4。由于在過硫酸鉀中加入12 或13 g氫氧化鈉所配消解液在未調(diào)節(jié)pH值的情況下已偏堿性，達(dá)不到總磷消解的條件，故未重復(fù)測(cè)定其結(jié)果。由表4可見，調(diào)整pH值后，在過硫酸鈉中加入9～12 g氫氧化鈉已基本能滿足總磷的消解，其回歸系數(shù)均能達(dá)到0.999，質(zhì)控均在誤差范圍內(nèi)，且RSD均<4.5%。因此，調(diào)節(jié)pH值對(duì)采用過硫酸鈉消解總磷有很大的影響。

表4 調(diào)節(jié)pH值后不同氫氧化鈉加入量對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響

3.3 小結(jié)

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，加入11～12 g氫氧化鈉時(shí)，可采用過硫酸鈉同時(shí)消解總氮、總磷。這一結(jié)果與劉輝利、紀(jì)銳琳[13]認(rèn)為的聯(lián)合消解氫氧化鈉最佳的加入量為12 g/L吻合。李琳[14]、師培[15]認(rèn)為，過硫酸鈉可以代替過硫酸鉀消解總氮，但他們均未考慮總磷的消解。而pH值對(duì)過硫酸鈉消解總磷有很大的影響，因此，在實(shí)際測(cè)樣時(shí)，需要采用氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH值，該方法不僅耗時(shí)長(zhǎng)，且測(cè)定結(jié)果不如采用過硫酸鉀的消解方法穩(wěn)定。這可能是由于等質(zhì)量過硫酸鈉和過硫酸鉀中的過硫酸根物質(zhì)的量不同，導(dǎo)致其消解過程中pH值有所差異。因此，不能直接用等質(zhì)量過硫酸鈉代替過硫酸鉀。綜上，過硫酸鹽和氫氧化鈉的加入比例是同時(shí)滿足總氮、總磷消解條件的關(guān)鍵。

4 等物質(zhì)的量過硫酸鈉與過硫酸鉀的消解效果比較

4.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線與質(zhì)控結(jié)果比較

等質(zhì)量的過硫酸鈉和過硫酸鉀所含的過硫酸根物質(zhì)的量不同，會(huì)導(dǎo)致消解過程中的pH值有所差異。因此，分別稱取35.23和40 g等物質(zhì)的量的過硫酸鈉和過硫酸鉀，同時(shí)加入9 g氫氧化鈉進(jìn)行消解，并按上述條件測(cè)定總氮、總磷質(zhì)控樣，總磷測(cè)定結(jié)果為(0.83±0.027)mg/L，總氮測(cè)定結(jié)果為(2.94±0.15)mg/L，重復(fù)6次實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表5。由表5可見，利用等物質(zhì)的量過硫酸鈉消解所測(cè)標(biāo)準(zhǔn)曲線同樣極具穩(wěn)定性，其總氮、總磷質(zhì)控實(shí)測(cè)值均在誤差范圍內(nèi)，RSD較小，且無須調(diào)整氫氧化鈉的加入量。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加入等物質(zhì)的量過硫酸鈉或過硫酸鉀時(shí)，其pH值都在2.15左右，無須再調(diào)節(jié)待測(cè)樣的pH值。因此，相較于等質(zhì)量的過硫酸鈉，應(yīng)采用等物質(zhì)的量的過硫酸鈉代替過硫酸鉀進(jìn)行消解。

表5 等物質(zhì)的量過硫酸鹽消解效果比較

4.2 加標(biāo)回收結(jié)果比較

選取2個(gè)樣品，分別用等物質(zhì)的量過硫酸鉀和過硫酸鈉進(jìn)行消解，重復(fù)6次?？偟涂偭椎募訕?biāo)質(zhì)量濃度分別為1和0.9 mg/L。1號(hào)樣品(1#)為南美白對(duì)蝦養(yǎng)殖尾水，鹽度為11.7；2號(hào)樣品(2#)為草魚養(yǎng)殖尾水，鹽度為1.17。樣品測(cè)定及加標(biāo)回收結(jié)果見表6。由表6可見，利用過硫酸鉀、過硫酸鈉測(cè)定總氮、總磷的加標(biāo)回收率均>95%，且2種方法的RSD均<8%。經(jīng)校驗(yàn)，2種消解方法的加標(biāo)回收率無顯著差異。

表6 過硫酸鹽加標(biāo)測(cè)定總磷、總氮結(jié)果

4.3 方法精密度

采用過硫酸鈉消解方法，分別測(cè)定不同養(yǎng)殖品種尾水樣品的總氮、總磷質(zhì)量濃度，重復(fù)6次。曾興宇等[16]采用不同鹽度(0～40)的標(biāo)準(zhǔn)海水配制同一質(zhì)量濃度的總磷、總氮混合標(biāo)準(zhǔn)使用液，測(cè)試結(jié)果表明，體系鹽度的變化對(duì)化學(xué)顯色反應(yīng)產(chǎn)生的信號(hào)無影響，因此，選擇不同鹽度的養(yǎng)殖尾水進(jìn)行測(cè)定。1號(hào)養(yǎng)殖品種(1#)為南美白對(duì)蝦，鹽度為10.8，2號(hào)養(yǎng)殖品種(2#)為泥鰍，鹽度為1.03，3號(hào)養(yǎng)殖品種(3#)為脊尾白蝦，鹽度為17.8，樣品包含淡水及海水養(yǎng)殖品種，測(cè)定結(jié)果見表7。由表7可見，樣品總氮、總磷測(cè)定結(jié)果的RSD都<5.5%，表明該方法具有較好的精密度，且適用范圍較廣泛。

表7 過硫酸鈉消解法的精密度分析

5 結(jié)語(yǔ)

通過比較過硫酸鉀和過硫酸鈉2種消解液，發(fā)現(xiàn)相同質(zhì)量的過硫酸鈉與過硫酸鉀所含的過硫酸根物質(zhì)的量不同，會(huì)導(dǎo)致消解過程中產(chǎn)生的pH值有所差異，因此2種消解液中需要的氫氧化鈉加入量也不一樣。過硫酸鉀中只需要加入9 g氫氧化鈉，而過硫酸鈉中需要加入11～12 g，且需要采用氫氧化鈉調(diào)節(jié)待測(cè)樣的pH值，才能初步得到穩(wěn)定的測(cè)定結(jié)果。而采用等物質(zhì)的量的過硫酸鉀或過硫酸鈉消解，結(jié)果表明，即使不改變氫氧化鈉加入量，不調(diào)節(jié)pH值，也可以得到穩(wěn)定的測(cè)定結(jié)果。通過對(duì)實(shí)際樣品進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果表明其精密度、加標(biāo)回收率等各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足分析要求，同時(shí)解決了過硫酸鉀難溶解，遇冷易析出晶體，耗時(shí)長(zhǎng)等問題。因此，可以采用等物質(zhì)的量的過硫酸鈉代替過硫酸鉀對(duì)養(yǎng)殖尾水中的總氮、總磷同時(shí)進(jìn)行消解，該方法尤其適用于氮、磷濃度較高的養(yǎng)殖尾水樣品分析。