疏水膜氣液分離預(yù)處理納氏試劑分光光度法測(cè)定氨氮適用性研究

龍?chǎng)╃?劉艷菊,陳燕,劉靜怡,魏鳳,李憬然,周桑揚(yáng),張政,肖童覺(jué)

(湖南省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,國(guó)家環(huán)境保護(hù)重金屬污染監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410014)

氨氮是我國(guó)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的基本項(xiàng)目之一,生活飲用水、地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)氨氮提出了濃度限值要求[1-3],近年來(lái),重點(diǎn)污染源監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目也包含氨氮,污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)、城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)等多個(gè)排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了氨氮的排放限值[4-8]。據(jù)中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站的統(tǒng)計(jì),全國(guó)總共有700多個(gè)區(qū)市級(jí)以上環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站,還有近3 000個(gè)縣級(jí)站,需針對(duì)當(dāng)?shù)仫嬘盟?、地表水、地下水及工業(yè)廢水監(jiān)測(cè)氨氮這個(gè)指標(biāo)。目前,國(guó)內(nèi)測(cè)定氨氮廣泛使用的方法有蒸餾滴定法、分光光度法、流動(dòng)注射、電位測(cè)定法、氣相分子吸收光譜法等,由于流動(dòng)注射儀和氣相分子吸收光譜儀相對(duì)來(lái)說(shuō)購(gòu)置費(fèi)用較高,所以大部分基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)站仍在使用傳統(tǒng)的蒸餾裝置和分光光度計(jì)開(kāi)展氨氮的分析工作[9-12]。本研究采用疏水膜氣液分離預(yù)處理納氏試劑分光光度法分析水樣中氨氮測(cè)定時(shí)的校準(zhǔn)曲線相關(guān)系數(shù)、方法檢出限、精密度及準(zhǔn)確度等參數(shù),同時(shí)將疏水膜氣液分離預(yù)處理納氏試劑分光光度法與傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)方法《水質(zhì) 氨氮的測(cè)定 納氏試劑分光光度法》(HJ 535—2009)(以下簡(jiǎn)稱HJ 535)進(jìn)行比對(duì)實(shí)驗(yàn),旨在探索疏水膜氣液分離預(yù)處理納氏試劑分光光度法測(cè)定水質(zhì)樣品中氨氮的適用性。

1 方法與原理

1.1 疏水膜氣液分離預(yù)處理納氏試劑分光光度法的工作原理

通過(guò)加熱使樣品沸騰后逸出氨氮?dú)怏w組分,在負(fù)壓條件下,氨氮?dú)怏w通過(guò)疏水性膜與水蒸汽分離后進(jìn)入收集瓶,干擾物質(zhì)則留在溶液中而得以去除。氨氮與納氏試劑反應(yīng)生成淡紅棕色絡(luò)合物,該絡(luò)合物的吸光度與氨氮含量成正比,于波長(zhǎng)420 nm處測(cè)量吸光度[13]。

1.2 疏水膜氣液分離預(yù)處理納氏試劑分光光度法的試劑配置

(1)納氏試劑,稱取15.0 g氫氧化鉀(KOH),溶于50 mL水中,冷卻至室溫。稱取5.0 g碘化鉀(KI),溶于10 mL水中,在攪拌條件下,將2.50 g氯化汞(HgCl2)粉末分多次加入碘化鉀溶液中,直到溶液呈深黃色或出現(xiàn)淡紅色沉淀溶解緩慢時(shí),充分?jǐn)嚢杌旌?并改為滴加氯化汞飽和溶液,當(dāng)出現(xiàn)少量朱紅色沉淀不再溶解時(shí),停止滴加。在攪拌條件下,將冷卻的氫氧化鉀溶液緩慢地加入到上述氯化汞和碘化鉀的混合液中,并稀釋至100 mL,于暗處?kù)o置24 h,傾出上清液,貯于聚乙烯瓶?jī)?nèi),用橡皮塞或聚乙烯蓋子蓋緊,存放暗處[13]。

(2)500 g/L酒石酸鉀鈉溶液,稱取50 g酒石酸鉀鈉(KNaC4H6O6·4H2O)溶于100 mL水中,加熱煮沸以驅(qū)除氨,充分冷卻后稀釋至100 mL[13]。

(3)20 g/L硼酸溶液,稱取20 g硼酸溶于水中,稀釋至1 L。

(4)0.5 g/L溴百里酚藍(lán)指示劑,稱取0.05 g溴百里酚藍(lán)溶于50 mL水中,加入10 mL無(wú)水乙醇,用水稀釋至100 mL。

1.3 疏水膜氣液分離預(yù)處理納氏試劑分光光度法的分析步驟

(1)樣品預(yù)處理:將疏水性膜安裝在收集瓶過(guò)濾嘴處,向收集瓶?jī)?nèi)加入硼酸溶液5 mL,稀釋至25 mL。連接收集瓶和抽真空裝置,打開(kāi)真空泵。取50.0 mL水樣,移入玻璃蒸餾試管中,可加入2滴溴百里酚藍(lán)指示劑,用1 mol/L的氫氧化鈉或者1 mol/L的鹽酸調(diào)整pH值至6.0(指示劑呈黃色)～7.4(指示劑呈藍(lán)色),使溶液呈現(xiàn)淡藍(lán)色,再向試管中加入0.20 g輕質(zhì)氧化鎂,迅速將試管帽、蒸餾試管、收集瓶緊密連接,檢查氣密性。設(shè)置加熱溫度140 ℃,時(shí)間80 min,調(diào)節(jié)真空泵擋位,使真空壓力保持在50 kPa左右,調(diào)節(jié)至氣泡速率為6～8個(gè)/s。開(kāi)始加熱。收集瓶?jī)?nèi)的吸收液待測(cè)。

(2)樣品測(cè)定:將收集瓶中的吸收液全部轉(zhuǎn)移到50 mL比色管中,加入1.0 mL酒石酸鉀鈉溶液,搖勻,再加入納氏試劑1.5 mL,搖勻。放置10 min后,在波長(zhǎng)420 nm下,以水作參比,測(cè)量吸光度[13]。

2 分析方法研究

2.1 疏水膜氣液分離預(yù)處理納氏試劑分光光度法的校準(zhǔn)曲線分析

配置氨氮含量分別為0.0,5.0,10.0,20.0,40.0,60.0,80.0 μg和100.0 μg的8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度系列,經(jīng)過(guò)膜分離蒸餾預(yù)處理后,從低濃度到高濃度依次測(cè)量吸光度,以扣除試劑空白后的吸光度為縱坐標(biāo),以其對(duì)應(yīng)的氨氮含量(μg)為橫坐標(biāo),繪制校準(zhǔn)曲線。結(jié)果如表1所示,結(jié)果顯示疏水膜氣液分離預(yù)處理納氏試劑分光光度法測(cè)定氨氮的擬合曲線線性相關(guān)系數(shù)為0.999 2,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用疏水膜氣液分離預(yù)處理納氏試劑分光光度法測(cè)定氨氮含量在0.0～100.0 μg/L范圍內(nèi)時(shí),校準(zhǔn)曲線線性關(guān)系良好。

表1 疏水膜氣液分離預(yù)處理納氏試劑分光光度法的校準(zhǔn)曲線數(shù)據(jù)

2.2 疏水膜氣液分離預(yù)處理納氏試劑分光光度法的檢出限和測(cè)定下限分析

對(duì)空白水樣按照樣品全部的分析步驟平行測(cè)定7次,測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。按照《環(huán)境監(jiān)測(cè)分析方法標(biāo)準(zhǔn)制訂技術(shù)導(dǎo)則》(HJ 168—2020)的相關(guān)規(guī)定,根據(jù)7次測(cè)定結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差S計(jì)算方法檢出限,并以4倍的檢出限作為方法的測(cè)定下限。計(jì)算n(n=7)次平行測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)偏差,按公式(1)計(jì)算方法檢出限[14]。

表2 疏水膜氣液分離預(yù)處理納氏試劑分光光度法的方法檢出限及測(cè)定下限數(shù)據(jù)

MDL=t(n-1,0.99)×S

(1)

式中:MDL為方法檢出限;n為樣品的平行測(cè)定次數(shù);t為自由度為n-1,置信度為99%時(shí)t分布,t值取3.143;S為n次平行測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

從表2可以看出,空白樣品中檢出氨氮質(zhì)量濃度在0.065 6～0.072 9 mg/L范圍內(nèi),平均值為0.069 8 mg/L,標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.002 33 mg/L,根據(jù)公式(1)計(jì)算出方法的檢出限為0.008 mg/L,測(cè)定下限為0.032 mg/L,此檢出限遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)方法HJ 5352009的檢出限0.025 mg/L,表現(xiàn)出較好的靈敏度。

2.3 疏水膜氣液分離預(yù)處理納氏試劑分光光度法的精密度分析

分別對(duì)低質(zhì)量濃度地表水、中質(zhì)量濃度生活污水和高質(zhì)量濃度工業(yè)廢水樣品進(jìn)行精密度測(cè)定(平行6次),計(jì)算6次檢測(cè)結(jié)果的平均值和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可以看出,采用疏水膜氣液分離預(yù)處理納氏試劑分光光度法測(cè)定低質(zhì)量濃度地表水、中質(zhì)量濃度生活污水和高質(zhì)量濃度工業(yè)廢水中氨氮相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍為1.9%～3.1%,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于5%,疏水膜氣液分離預(yù)處理納氏試劑分光光度法表現(xiàn)出良好的精密度。

表3 疏水膜氣液分離預(yù)處理納氏試劑分光光度法的精密度測(cè)試數(shù)據(jù)

2.4 疏水膜氣液分離預(yù)處理納氏試劑分光光度法的準(zhǔn)確度分析

分別對(duì)2種低質(zhì)量濃度(質(zhì)量濃度范圍0.318±0.018,0.493±0.03 mg/L)和2種高質(zhì)量濃度(質(zhì)量濃度范圍6.81±0.41,7.07±0.27 mg/L)的有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行測(cè)定,計(jì)算樣品的相對(duì)誤差。測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表4。從表4可以看出,4種不同濃度的有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的測(cè)定結(jié)果均在該物質(zhì)對(duì)應(yīng)的可信值范圍內(nèi),相對(duì)誤差范圍在-2.8%～1.2%之間,相對(duì)誤差不超過(guò)±3%,疏水膜氣液分離預(yù)處理納氏試劑分光光度法測(cè)定氨氮的準(zhǔn)確度較高。

表4 疏水膜氣液分離預(yù)處理納氏試劑分光光度法的有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測(cè)試數(shù)據(jù)

2.5 疏水膜氣液分離預(yù)處理納氏試劑分光光度法的方法比對(duì)分析

采用HJ 5352009和疏水膜氣液分離預(yù)處理納氏試劑分光光度法對(duì)2種廢水實(shí)際樣品進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)比對(duì)測(cè)定,測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表5。同時(shí)用2種方法對(duì)地表水、生活污水和工業(yè)廢水進(jìn)行比對(duì)測(cè)定,每種水樣類型都采集了2種不同濃度的樣品,測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表6。同時(shí)用2種方法分別測(cè)定7次實(shí)驗(yàn)用水,測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表7。從表5可以看出,兩種方法的實(shí)際樣品加標(biāo)回收率在93%～102%之間,總體回收率較好,均符合國(guó)家相關(guān)質(zhì)量控制要求。從表6可以看出,6種不同濃度的實(shí)際水樣比對(duì)測(cè)定的相對(duì)偏差范圍在0.90%～3.31%之間,總體上不超過(guò)5%,2種方法測(cè)定結(jié)果的差異性不大。表7結(jié)果顯示,采用2種分析方法檢測(cè)實(shí)驗(yàn)用水的測(cè)定結(jié)果無(wú)顯著性差異,均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法和相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求。

表6 2種方法的實(shí)際樣品比對(duì)分析結(jié)果

表7 2種方法的實(shí)驗(yàn)用水比對(duì)分析結(jié)果

3 結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)校準(zhǔn)曲線、檢出限、精密度、準(zhǔn)確度以及方法比對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,可以得出采用疏水膜氣液分離預(yù)處理納氏試劑分光光度法測(cè)定氨氮時(shí),氨氮含量在0.0～100.0 μg/L范圍內(nèi)線性關(guān)系良好;疏水膜氣液分離預(yù)處理納氏試劑分光光度法測(cè)定氨氮的檢出限為0.008 mg/L,測(cè)定下限為0.032 mg/L;疏水膜氣液分離預(yù)處理納氏試劑分光光度法測(cè)定低質(zhì)量濃度地表水、中質(zhì)量濃度生活污水和高質(zhì)量濃度工業(yè)廢水樣品的氨氮精密度在1.9%～3.1%之間,精密度良好;疏水膜氣液分離預(yù)處理納氏試劑分光光度法測(cè)定4種不同濃度的氨氮有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的相對(duì)誤差范圍在-2.8%～1.2%之間,準(zhǔn)確度較高。采用疏水膜氣液分離預(yù)處理納氏試劑分光光度法和傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)方法HJ 5352009對(duì)2種實(shí)際樣品進(jìn)行加標(biāo)回收比對(duì)實(shí)驗(yàn),2種方法的加標(biāo)回收率均符合國(guó)家相關(guān)質(zhì)量控制要求,用2種方法對(duì)實(shí)驗(yàn)用水、2種地表水、2種生活廢水和2種工業(yè)廢水進(jìn)行比對(duì)測(cè)定,2種方法測(cè)定的實(shí)驗(yàn)用水結(jié)果及6種水樣結(jié)果無(wú)顯著差異,均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法和相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求。因此,疏水膜氣液分離預(yù)處理納氏試劑分光光度法能夠滿足常規(guī)水質(zhì)氨氮的檢測(cè)需求。

疏水膜氣液分離預(yù)處理納氏試劑分光光度法采用新型疏水性氣液分離濾膜對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理,讓樣品中的氨氮?dú)怏w組分與液體基質(zhì)較好的分離,能有效減輕大部分干擾物質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。該方法在實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出較好的校準(zhǔn)曲線線性、檢出限、精密度和準(zhǔn)確度,與國(guó)家傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)方法的測(cè)定結(jié)果也無(wú)顯著性差異,能較好地適用于常規(guī)水質(zhì)樣品中氨氮的測(cè)定,尤其有利于基體復(fù)雜的水樣中氨氮的測(cè)定。