簡(jiǎn)述堿性過(guò)硫酸鉀法測(cè)定水中總氮時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題及解決措施

肖艷蕾

（梅州市梅縣生態(tài)環(huán)境管理服務(wù)中心，廣東 梅州 514700）

總氮是有機(jī)氮和無(wú)機(jī)氮的和，無(wú)機(jī)氮包括氨氮、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮。未經(jīng)處理的工業(yè)廢水、農(nóng)田排水和生活污水直接排入水體，使水中的氮含量增加。當(dāng)?shù)乇硭械?、磷等物質(zhì)超標(biāo)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)大量生物及微生物和浮游植物，導(dǎo)致水中溶解氧被消耗，出現(xiàn)水體的富營(yíng)養(yǎng)化。所以衡量水質(zhì)的重要指標(biāo)之一是水中的總氮含量?？偟臏y(cè)定一般采用過(guò)硫酸鉀氧化法將有機(jī)氮和無(wú)機(jī)氮化合物轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，再分別用紫外分光光度法、離子色譜法或氣相分子吸收光譜法進(jìn)行測(cè)定。本文的研究方向?yàn)閴A性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定水中總氮時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題及解決措施。

1 測(cè)定原理

在溫度為120～124 ℃的堿性介質(zhì)中，水中的氨氮、亞硝酸鹽氮和大部分有機(jī)氮化合物以過(guò)硫酸鉀為氧化劑氧化成硝酸鹽，分別在220 nm 和275 nm波長(zhǎng)處用紫外分光光度法測(cè)定其吸光度。用A=A220-2A275計(jì)算硝酸鹽氮的吸光度值，再計(jì)算出總氮的含量[1]。

2 重要試劑與儀器

本法所需的重要試劑有：鹽酸（1+9）、堿性過(guò)硫酸鉀（在600毫升水中加入過(guò)硫酸鉀40.0 g并置于50 ℃水浴中加熱至溶解，在300 mL水中加入氫氧化鈉15.0 g，使氫氧化鈉溶解并冷卻至室溫后，將兩種溶液混合，用水稀釋至1 000 mL。）、硝酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液（100 mg/L）。在實(shí)驗(yàn)中用到的儀器設(shè)備主要有：T6新世紀(jì)紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)、高壓蒸汽滅菌鍋、25 mL具塞磨口玻璃比色管、10 mm石英比色皿。

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

3.1 取樣消解

取10 mL水樣或適量水樣，將5 mL堿性過(guò)硫酸鉀溶液加入比色管中，蓋好磨口塞，然后用紗布和繩子扎緊管口，以防液體濺出。然后將比色管放進(jìn)高壓蒸汽滅菌鍋中，加熱至頂壓閥吹氣，關(guān)掉放氣閥，繼續(xù)加熱，當(dāng)溫度達(dá)到120 ℃時(shí)開(kāi)始計(jì)算時(shí)間，溫度維持在120～124 ℃之間30 min。當(dāng)壓力降為0時(shí)，開(kāi)閥放氣，打開(kāi)外蓋，并拿出比色管自然冷卻，按住管塞，把比色管顛倒混勻2～3次。在消解過(guò)程中注意觀察比色管的管口或塞子是否破損，如果破損，應(yīng)重新取樣并進(jìn)行分析。

3.2 比色

在每個(gè)比色管中加入1 mL（1+9）的鹽酸，并用水稀釋至25 mL，將管塞塞緊，搖勻。將水樣裝入10 mm石英比色皿中，用純水作參比，用T6紫外分光光度計(jì)分別在波長(zhǎng)220 nm和275 nm處測(cè)量吸光度。

4 存在的問(wèn)題

4.1 空白值偏高

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)空白值偏高的情況，出現(xiàn)此種情況的原因多種多樣，主要有以下幾方面因素：實(shí)驗(yàn)用水、關(guān)鍵試劑（堿性過(guò)硫酸鉀）、消解時(shí)間及冷卻時(shí)間、玻璃器皿的潔凈程度、實(shí)驗(yàn)環(huán)境等。

4.1.1 實(shí)驗(yàn)用水

表1 不同水質(zhì)的空白吸光度值

從表1得知，上述5種水除了去離子水之外，其他都能符合實(shí)驗(yàn)用水空白吸光度＜0.030的規(guī)定，去離子水的空白吸光度不滿(mǎn)足條件是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室里去離子水的輸水管道比較長(zhǎng)，可能已經(jīng)被氮污染了。另外還需要注意的是無(wú)氨水需要現(xiàn)制現(xiàn)用，且制備比較費(fèi)時(shí)[2]。

4.1.2 關(guān)鍵試劑

在標(biāo)準(zhǔn)中堿性過(guò)硫酸鉀紫外分光光度法測(cè)定水中總氮主要用到的試劑為：堿性過(guò)硫酸鉀溶液、鹽酸，其中堿性過(guò)硫酸鉀對(duì)總氮的測(cè)定結(jié)果有比較大的影響，過(guò)硫酸鉀的純度和氫氧化鈉的純度對(duì)空白值的吸光度也有影響。在標(biāo)準(zhǔn)中要求過(guò)硫酸鉀含氮量應(yīng)小于0.000 5%，氫氧化鈉含氮量應(yīng)小于0.000 5%。過(guò)硫酸鉀含氮量和氫氧化鈉含氮量過(guò)高都會(huì)導(dǎo)致空白值偏大，不能滿(mǎn)足空白值小于0.030的要求。由于目前市場(chǎng)上銷(xiāo)售的試劑質(zhì)量參差不齊，不同廠家、不同批次的試劑存在質(zhì)量差異，故此新購(gòu)買(mǎi)過(guò)硫酸鉀試劑和氫氧化鈉試劑時(shí)，需要對(duì)其含氮量進(jìn)行測(cè)定，符合要求才能使用。

除了過(guò)硫酸鉀和氫氧化鈉的純度對(duì)空白值有影響，堿性過(guò)硫酸鉀溶液的存放時(shí)間也對(duì)空白值有影響。在相同實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)不同時(shí)間段的堿性過(guò)硫酸鉀溶液進(jìn)行空白試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知：隨著堿性過(guò)硫酸鉀的存放時(shí)間越久，空白值就越高。新配置的堿性過(guò)硫酸鉀測(cè)得的空白值最低，七天內(nèi)空白值差異不大，放置30天內(nèi)的空白值亦可以滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，放置時(shí)間為40天后空白值大于0.030，達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)的要求。所以堿性過(guò)硫酸鉀在7天內(nèi)使用效果最佳，如果試劑保存得當(dāng)，可延長(zhǎng)到一個(gè)月[3]。

4.1.3 消解時(shí)間及冷卻時(shí)間

消解是測(cè)定水中總氮很關(guān)鍵的一環(huán)，而消解時(shí)間是很重要的因素，在消解過(guò)程中必須嚴(yán)格控制。標(biāo)準(zhǔn)中明確指出工作壓力不低于1.1～1.4 kg/cm2，溫度不低于120～124 ℃，維持30分鐘。消解時(shí)間過(guò)短，氧化分解過(guò)程不能充分進(jìn)行，導(dǎo)致空白值偏高；消解時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則會(huì)造成時(shí)間上的浪費(fèi)，影響總氮測(cè)定的效率。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)證明，消解時(shí)間在25～35分鐘以?xún)?nèi)還會(huì)出現(xiàn)空白值大于0.030的情況，消解時(shí)間在40分鐘以上，空白值趨于穩(wěn)定且能滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，在總氮測(cè)定中，將消解時(shí)間控制在40分鐘左右，堿性過(guò)硫酸鉀分解得更加完全，測(cè)定出來(lái)的結(jié)果相對(duì)比較準(zhǔn)確[4]。

（3）碾壓機(jī)具組合。碾壓機(jī)具組合形式對(duì)路面壓實(shí)度有較大影響，該高速公路設(shè)計(jì)三種碾壓機(jī)具組合并檢測(cè)碾壓后路面壓實(shí)度。三種碾壓方案路面壓實(shí)度均超過(guò)95%，符合規(guī)范要求，第二種方案在第一種方案的基礎(chǔ)上增加鋼輪壓路機(jī)振動(dòng)碾壓，壓實(shí)效果明顯提升，第三種方案在第二種方案的基礎(chǔ)上增加膠輪壓路機(jī)噸位，在碾壓遍數(shù)相同情況下壓實(shí)效果也得到一定提升。GTM法瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)其密度較大，但通過(guò)合理的碾壓工藝可完全滿(mǎn)足規(guī)范要求。

標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定水樣消解后從高壓蒸汽滅菌鍋中取出，比色管應(yīng)冷卻至室溫，說(shuō)明水樣消解后的冷卻時(shí)間對(duì)空白值也會(huì)產(chǎn)生影響，冷卻時(shí)間太短，會(huì)造成實(shí)驗(yàn)空白值偏高。根據(jù)日常工作經(jīng)驗(yàn)得出冷卻時(shí)間最好在2小時(shí)以上，實(shí)驗(yàn)空白值基本趨于穩(wěn)定，且滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.1.4 玻璃器皿的潔凈程度

在水中總氮的測(cè)定中，玻璃器皿潔凈度直接影響著總氮數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，玻璃器皿受到污染會(huì)導(dǎo)致空白值偏高，進(jìn)而影響總氮的最終結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中主要用到的玻璃器皿是25 mL具塞磨口玻璃比色管。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定玻璃器皿要用鹽酸（1+9）或者硫酸（1+35）浸泡之后，用自來(lái)水沖洗干凈，再用無(wú)氨水沖洗2～3次，清洗干凈后應(yīng)立即使用。在日常操作中，通常都是拿直接洗好晾干的比色管來(lái)用，因而造成一定的誤差。將用1+9鹽酸浸泡后清洗干凈的比色管放置一周與用1+9鹽酸浸泡后清洗干凈立即使用的比色管進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)放置一周的比色管的空白吸光度有了較大變化，空白值偏大，因而影響了總氮的最終結(jié)果。

高壓蒸汽滅菌鍋?zhàn)鳛橄鈨x器，水樣在高壓蒸汽滅菌鍋里形成一個(gè)密閉的空間，在高溫高壓下，水分蒸發(fā)，使少部分蒸汽進(jìn)入比色管，其性能和清潔度直接影響實(shí)驗(yàn)室空白和樣品結(jié)果。在標(biāo)準(zhǔn)中指出使用高壓蒸汽滅菌鍋要定期檢查壓力表，同時(shí)檢查橡膠密封圈的密封情況，避免出現(xiàn)漏氣而減壓的情況，同時(shí)高壓蒸汽滅菌鍋應(yīng)每周清洗，確保無(wú)氮污染。

4.1.5 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)環(huán)境達(dá)標(biāo)是確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的必要條件。在總氮分析測(cè)試中，實(shí)驗(yàn)環(huán)境污染主要是指氮污染，是由揮發(fā)性氣體或者沉降粒子引起的。實(shí)驗(yàn)環(huán)境氮污染會(huì)造成實(shí)驗(yàn)空白值偏高，進(jìn)而影響樣品的最終結(jié)果。因此必須保證實(shí)驗(yàn)環(huán)境無(wú)氮污染，總氮實(shí)驗(yàn)區(qū)域不能與氨氮、使用氨水、硝酸、銨鹽類(lèi)的分析項(xiàng)目在同一片區(qū)域。

4.2 總氮測(cè)定值小于氨氮測(cè)定值

在氨氮水樣濃度高的時(shí)候最容易出現(xiàn)總氮測(cè)定值比氨氮測(cè)定值小的情況。高濃度氨氮與堿性過(guò)硫酸鉀發(fā)生反應(yīng)會(huì)有氨氣產(chǎn)生，部分氨氣有逸出的可能，從而導(dǎo)致總氮測(cè)定值小于氨氮測(cè)定值。但這不是唯一的原因，根據(jù)日常經(jīng)驗(yàn)可知，造成總氮測(cè)定值小于氨氮測(cè)定值的原因很多，主要有分析方法不同、氧化劑純度及其氧化性、移液速度、消解時(shí)間、水樣消解開(kāi)塞前顛倒混勻與否、玻璃器皿潔凈度、比色管密封性、實(shí)驗(yàn)環(huán)境等。

4.2.1 分析方法不同

堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法是總氮采用的分析方法。氨氮采用的是納氏試劑分光光度法[5]。其原理是氨氮以游離氨或銨離子的形式與納氏試劑反應(yīng)生成紅棕色絡(luò)合物，絡(luò)合物的吸光度與氨氮含量成正比，并在波長(zhǎng)420 nm處測(cè)定絡(luò)合物的吸光度。根據(jù)兩者測(cè)定方法和原理比較，總氮的測(cè)定比氨氮的測(cè)定多了一個(gè)消解過(guò)程。消解過(guò)程是指在高壓高溫的條件下，將水樣中的有機(jī)氮和無(wú)機(jī)氮化物轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮的過(guò)程，該過(guò)程中很難做到消解效率為百分之百，特別是某些含氮有機(jī)物在該標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定條件下不能完全轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，所以這個(gè)環(huán)節(jié)必然會(huì)產(chǎn)生損失，從而造成最終結(jié)果偏小。

4.2.2 氧化劑的純度及氧化性

過(guò)硫酸鉀作為氧化劑，其純度直接影響總氮分析的實(shí)驗(yàn)室空白和樣品結(jié)果。由于現(xiàn)在市場(chǎng)上銷(xiāo)售的大部分試劑都不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，含氮量達(dá)不到小于0.000 5%的要求，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)空白偏大，總氮測(cè)試結(jié)果偏低。為了消除這種影響，可以對(duì)過(guò)硫酸鉀進(jìn)行提純。提純方法為：把裝有1 000 mL新制備無(wú)氨水的燒杯放入50 ℃水浴鍋中加熱，加熱時(shí)一邊攪拌一邊加入過(guò)硫酸鉀，直到過(guò)硫酸鉀不再溶解為止，然后把燒杯口用保鮮膜密封，馬上放進(jìn)4 ℃的冰箱中進(jìn)行重結(jié)晶，經(jīng)過(guò)一夜，倒掉上清液，并用高純水對(duì)晶體進(jìn)行清洗，清洗2～3遍，接著放入烘箱50 ℃烘干。最后把冷卻后重結(jié)晶的固體過(guò)硫酸鉀裝入棕色玻璃瓶中避光保存。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)之后，發(fā)現(xiàn)1次提純就可以達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求，本著精益求精的精神，提純2次效果將更加完美，產(chǎn)生的誤差更小。

堿性過(guò)硫酸鉀的氧化性影響著消解效果，消解不完全，造成實(shí)驗(yàn)空白偏高，樣品測(cè)定值偏低。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定堿性過(guò)硫酸鉀儲(chǔ)存在聚乙烯瓶中可以放置一周。據(jù)實(shí)驗(yàn)可知，在保存條件良好的情況下，堿性過(guò)硫酸鉀可以存放30天，30天之后堿性過(guò)硫酸鉀的氧化性將會(huì)大打折扣，造成樣品測(cè)定值偏低。

堿性過(guò)硫酸鉀的配置過(guò)程要特別注意，水浴溫度不可超過(guò)60 ℃，而且氫氧化鈉跟過(guò)硫酸鉀要分開(kāi)配置，待氫氧化鈉冷卻后才可以與過(guò)硫酸鉀混合。這些都是為了防止在配置過(guò)程中過(guò)硫酸鉀分解失效，出現(xiàn)總氮結(jié)果偏小。

4.2.3 堿性過(guò)硫酸鉀的移液速度

堿性過(guò)硫酸鉀的移液速度對(duì)氨氮含量高的水樣影響較大，移液速度慢或者移液之后沒(méi)有立馬蓋上磨口塞，造成生成的一部分氨氣逃逸出去。工作中直接將全部樣品加入堿性過(guò)硫酸鉀后才蓋上磨口塞，這樣操作對(duì)于高濃度氨氮的總氮水樣分析結(jié)果存在比較大的影響。加入堿性過(guò)硫酸鉀溶液，氨氮會(huì)以氨氣的形式逸出，導(dǎo)致水樣總氮測(cè)定值偏低。

4.2.4 消解時(shí)間

消解完全與否直接影響總氮測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確度，在氨氮高濃度水樣中，如果消解不完全，會(huì)導(dǎo)致氨氮的測(cè)定值大于總氮的測(cè)定值。

根據(jù)王婷婷[6]關(guān)于總氮小于氨氮測(cè)定值的研究可知：消解時(shí)間在30分鐘時(shí)，總氮的測(cè)定值較低，當(dāng)消解時(shí)間在50分鐘時(shí)，總氮測(cè)定值最高，然后消解時(shí)間越長(zhǎng)，總氮的測(cè)定值越低。

4.2.5 水樣消解開(kāi)塞前顛倒混勻

標(biāo)準(zhǔn)中提出水樣在消解冷卻后開(kāi)塞前應(yīng)顛倒搖勻2～3次，但就在實(shí)際操作中工作人員一般會(huì)簡(jiǎn)化步驟，都是會(huì)直接打開(kāi)塞子，然后分別加入1+9的鹽酸后再統(tǒng)一進(jìn)行搖勻，這樣就會(huì)造成總氮測(cè)定值偏低或者精密度較差的情況。水樣在消解冷卻后開(kāi)塞前進(jìn)行顛倒搖勻，可以使比色管內(nèi)的氨氣和硝酸鹽更好地溶解在水樣中。經(jīng)過(guò)對(duì)這兩種操作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較，發(fā)現(xiàn)水樣消解冷卻后開(kāi)塞前不進(jìn)行顛倒混勻檢測(cè)出來(lái)的結(jié)果準(zhǔn)確度差，而且回收率低[6]。

4.2.6 比色管的密封性

比色管的密封性影響著總氮的實(shí)驗(yàn)空白和樣品測(cè)定結(jié)果。比色管的密封性較差會(huì)導(dǎo)致空白值偏高，樣品測(cè)定值與實(shí)際值相差較遠(yuǎn)，而且準(zhǔn)確度差。造成此種現(xiàn)象的原因是在消解過(guò)程中，樣品的氨氮、含氮化合物部分會(huì)轉(zhuǎn)化為氨氣，若密封性較差，部分氨氣就會(huì)沿著其縫隙逃逸到高壓蒸汽滅菌鍋中，濃度越高的樣品，生成的氨氣越多，所造成的損失就越大，也就會(huì)導(dǎo)致測(cè)量值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實(shí)際值，此時(shí)逃逸的氨氣也就有可能沿著縫隙進(jìn)入空白比色管中，因而造成空白值偏大，甚至不符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4.3 其他問(wèn)題

在對(duì)總氮的分析測(cè)試中還會(huì)出現(xiàn)水樣消解完成、加入1+9鹽酸搖勻后，水樣還是呈渾濁狀態(tài)的現(xiàn)象，直接影響比色，同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)A275吸光值很大，導(dǎo)致測(cè)定值與實(shí)際值相差甚遠(yuǎn)，甚至出現(xiàn)A275/A220大于20%的情況。針對(duì)這種情況實(shí)驗(yàn)人員可以通過(guò)加入鹽酸后搖勻，并將水樣進(jìn)行過(guò)濾，再進(jìn)行比色。

5 結(jié)論與對(duì)策

綜上所述，在堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定總氮的過(guò)程中，主要出現(xiàn)的問(wèn)題是空白值偏高和總氮小于氨氮，造成這些問(wèn)題的原因主要有：實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)用水純度、玻璃器皿潔凈度、比色管密封性、過(guò)硫酸鉀純度及存放時(shí)間、消解時(shí)間及冷卻時(shí)間等。針對(duì)這些原因可以采取以下措施：實(shí)驗(yàn)室里應(yīng)有明顯的分區(qū)，氨氮項(xiàng)目不可與總氮項(xiàng)目在同一個(gè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行分析；在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)采用新制備的超純水或者無(wú)氨水，如果條件允許還可以購(gòu)買(mǎi)純凈水；選擇密封性良好的比色管進(jìn)行分析，且比色管應(yīng)該用鹽酸或硫酸浸泡后，再用無(wú)氨水沖洗干凈，而且要現(xiàn)洗現(xiàn)用，高壓蒸汽滅菌鍋每周清洗一次，確保其無(wú)氮污染；針對(duì)過(guò)硫酸鉀試劑不純問(wèn)題，可以對(duì)其進(jìn)行2次提純或者直接購(gòu)買(mǎi)進(jìn)口試劑；堿性過(guò)硫酸鉀溶液存放時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，最好在7天內(nèi)使用，保存得當(dāng)可以延長(zhǎng)到30天；在消解過(guò)程中延長(zhǎng)消解時(shí)間及冷卻時(shí)間可以有效降低空白值，消解時(shí)間40分鐘為宜；對(duì)于氨氮濃度高的水樣，可以對(duì)水樣進(jìn)行稀釋?zhuān)靡埔簶尲涌靿A性過(guò)硫酸鉀的移液速度并立即蓋上蓋子，延長(zhǎng)消解時(shí)間至50分鐘，消解后開(kāi)塞前顛倒混勻可以有效降低氨的損耗，提高總氮測(cè)定值的準(zhǔn)確度。