水質總氮測定時空白值的影響因素

晁 雷,曹 雨,李亞峰

(沈陽建筑大學市政與環境工程學院,遼寧 沈陽 110168)

我國測定水質總氮主要采用過硫酸鉀消解-紫外分光光度法,這種方法操作過程簡便、所需的儀器和試劑較少。測定水樣中總氮含量的基礎是繪制總氮的標準曲線,而總氮的標準曲線除了要達到99.9%以上的線性關系,還要求曲線測定中的空白值小于0.03。但在實際操作過程中,往往因為空白值很難達到要求,造成標準曲線的繪制不合格,從而影響總氮含量的測定。造成總氮測定空白值異常的因素有很多,郝冬亮、陳瑛、王毛蘭、周英杰等[1-4]認為過硫酸鉀是總氮測定的關鍵環節,過硫酸鉀的純度直接影響標準曲線及空白值能否達標。尹靜章[5]認為消解時間和冷卻時間也會對空白值造成一定影響,從而影響標準曲線的繪制以及測定結果的準確度。李玉蓮等[6]認為堿性過硫酸鉀的存放時間對空白值有影響,溶液的放置時間越長,空白值越大。葉玲等[7]認為消解溫度對空白值也會造成影響。除此之外,比色時間、實驗用水、玻璃器皿的清洗方式等均可能對水質總氮的空白值產生一定的影響。筆者分析消解時間、比色時間、試劑的純度、實驗用水及比色管的清洗方式對水質總氮空白值產生的影響,并對其中的一些影響因素進行改進優化。

1 實 驗

1.1 儀器與試劑

儀器:UV-6000 紫外可見光分光光度計,上海元析儀器有限公司生產。10 mm石英比色皿。BXM-30R立式壓力蒸汽滅菌器,上海博訊實業有限公司醫療設備廠生產。

試劑:過硫酸鉀1,由天津奧普升化工有限公司生產的分析純試劑;過硫酸鉀2,由SIGMA公司生產的優級純試劑;氫氧化鈉1,由天津市凱通化學試劑有限公司生產的分析純試劑;氫氧化鈉2,由上海麥克林生化科技有限公司生產的分析純試劑;(1+9)鹽酸;蒸餾水;去離子水。

1.2 實驗原理及步驟

在120～124 ℃的堿性介質條件下,過硫酸鉀分解成氫離子和原子態的氧[8],分解出的原子態的氧可將水樣中有機氮化合物氧化為硝酸鹽。再利用紫外分光光度計分別測定溶液在220 nm、275 nm下的吸光度A220、A275,按A=A220-2A275得到校正的吸光度A,確定硝酸氮的濃度,即總氮的濃度。

K2S2O8+H2O→2KHSO4+1/2O2

實驗的具體操作按照《水質總氮的測定堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》(HJ636—2012)規定的步驟進行。

2 結果與分析

2.1 消解時間對空白值的影響

《水質總氮的測定堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》(HJ636—2012)中規定:消解溫度為120～124 ℃、消解時間為30 min。但在實際的操作過程中,由于實驗環境、儀器等因素的影響,采用30 min的消解時間很難滿足要求,仍會造成空白值的吸光度偏高[9]。蔣晶晶等[10]認為,28～30 min的消解時間是消化劑過硫酸鉀分解是否完全的轉折點,為使空白值滿足《水質總氮的測定堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》(HJ636—2012)的要求,需要延長消解時間。方熠[11]認為消解時間至少在45 min以上。為探求總氮測定的最佳消解時間,在121 ℃的消解溫度下,分別消解30 min、40 min、50 min、60 min。測得的空白值如表1所示。由表1可知,隨著消解時間的延長,空白值在不斷地降低并逐漸達到穩定狀態。隨著消解時間的增長,有機物中的氮向硝酸氮的轉化更加徹底,進而消解后的溶液在220 nm的吸光度降低,最終使溶液的空白值降低。消解30 min基本可以滿足《水質總氮的測定堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》(HJ636—2012)的要求,但為了增強總氮空白值的穩定性,應適當延長消解時間;同時考慮實驗效率及實驗成本,采用50 min的消解時間最佳。

表1 消解時間對空白值的影響Table 1 Effect of digestion time on blank values

2.2 比色時間對空白值的影響

水質總磷測定的比色時間為15 min,水質氨氮測定的比色時間為10 min,但總氮測定《水質總氮的測定堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》(HJ636—2012)中僅說明了測定步驟,并未對加入鹽酸后的比色時間進行規定。為了探究比色時間是否會對空白值造成影響,筆者對加入鹽酸后0、30 min、60 min后的溶液進行吸光度測定,測定結果如表2所示。

表2 比色時間對空白值的影響Table 2 Effect of colorimetric time on blank values

由表2可知,加入鹽酸后立即比色、30 min后比色、60 min后比色所測得的空白值相差不多,說明比色時間對總氮空白值并沒有造成影響。氨氮測定時需要在10 min之后立即進行是因為放置時間越長,水樣中的有機物易分解為其他物質或被空氣中的氧氣氧化,而總氮測定時通過高溫滅菌鍋的消解,有機物發生轉化并保持穩定,因此比色時間的長短不會使測數結果發生變化。所以在進行總氮測定時,為了節省實驗時間,可在加入鹽酸后立即進行比色。

2.3 過硫酸鉀的純度對空白值的影響

總氮測定的關鍵在于過硫酸鉀在高溫條件下將水中的氮轉化為硝態氮,因此過硫酸鉀的好壞在很大程度上決定了測定的準確性。過硫酸鉀在60 ℃以上發生分解反應,為了避免提前分解影響氮的轉化,應在60 ℃以下進行加熱攪拌。配置堿性氫氧化鈉溶液時應分開配置再混合定容,避免氫氧化鈉溶解時的高溫使過硫酸鉀分解失效。但實驗過程中很多過硫酸鉀含氮量過高從而造成空白值過高,筆者分別選用兩種不同純度的過硫酸鉀,探究純度對實驗結果的影響。分別用兩種過硫酸鉀與氫氧化鈉2配制成堿性過硫酸鉀溶液,實驗用水均采用蒸餾水,測得結果如表3所示。由表3可知,3組平行實驗中,過硫酸鉀2的校正吸光度的平均值為0.029,達到《水質總氮的測定堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》(HJ636—2012)的要求,而過硫酸鉀1的校正吸光度值均大于2。且在用過硫酸鉀1配制堿性過硫酸鉀溶液時,可以明顯聞到氨水的味道,這是由于藥品中氮的含量過高,在加熱過程中以氨氣的形式揮發出去了。羅瓊等[12]研究發現,國產的過硫酸鉀的總氮含量很高,無法直接進行實驗。這與筆者實驗結果一致,所以在測定總氮時可采用國外的優級純過硫酸鉀。除此之外,還可多次結晶對藥劑進行提純。對國產的過硫酸鉀進行3次重結晶也可使空白值降至0.03以下[13]。

表3 過硫酸鉀的純度對空白值的影響Table 3 Effect of purity for potassium persulfate on blank value

2.4 氫氧化鈉的純度對空白值的影響

氫氧化鈉在總氮測定中主要起到強化氧化的作用。市場上大多數分析純試劑規定其含氮量低于0.005%,但不同廠家所生產的藥劑含氮量可能會由于生產藥品原材料的優劣、生產工藝不同等因素而有所差別。因此探究含氮量不同的氫氧化鈉對空白值的影響程度。實驗結果如表4所示。由表4可知,氫氧化鈉的純度對空白值的影響不大,這兩種氫氧化鈉均能達到《水質總氮的測定堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》(HJ636—2012)的要求。分析是由于氫氧化鈉消解后加入1 mL的HCl溶液中和了溶液的酸堿度,因此消解后氫氧化鈉對空白值的影響程度很小。

表4 氫氧化鈉的純度對空白值的影響Table 4 Effect of purity for sodium hydroxide on the blank value

2.5 實驗用水對總氮空白值的影響

在消解過程中,過硫酸鉀將水中的氮化物氧成硝酸鹽,若實驗用水中含有過多的氮化物,則會導致空白值過高、測定結果準確性過低而無法采用?！端|總氮的測定堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》(HJ636—2012)中規定,測定水質總氮時應采用無氨水。但無氨水的制備過程繁瑣,而且實驗用量很大,不易進行大量制備,因此在實驗過程中常用蒸餾水和去離子水替代無氨水進行試驗。筆者對蒸餾水和去離子水的替代效果進行研究。

實驗采用過硫酸鉀2和氫氧化鈉2,分別用蒸餾水和去離子水配制堿性過硫酸鉀溶液及(1+9)鹽酸溶液,按標準方法測定空白值,實驗結果如表5所示。由表5可以看出,實驗用水對空白值的確會造成影響,進而也會影響后續總氮標準曲線的繪制及總氮含量的測定。去離子水的空白值略大于蒸餾水的空白值,按照《水質總氮的測定堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》(HJ636—2012)的規定(空白值<0.03),用蒸餾水替代無氨水是可以達到要求。但李慧、潘本鋒等[14-15]也采用去離子水進行實驗,測得的空白值均小于0.03?！端|總氮的測定堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》(HJ636—2012)中也提到可以用新制備的去離子水代替無氨水進行實驗。實驗中去離子水的空白值過高,分析原因可能是去離子水放置時間過長,空氣中的氧、二氧化碳等物質溶入水中使水的純度下降,造成空白值過高。有關資料表明,空白值隨著實驗用水放置時間的增長而不斷增大[16]。因此,在測定總氮時,應采用新鮮的蒸餾水或去離子水。

表5 不同實驗用水對空白值的影響Table 5 Effect of experimental water quality on blank value

2.6 比色管的清洗方式對空白值的影響

玻璃器皿的清潔程度會影響實驗的精確度與準確度,對于像總氮測定這種精度要求高的實驗,僅采用普通清洗過程可能無法滿足空白值要求。實驗主要研究不同清洗方式對空白值的影響,比色管分別采用普通清洗和(1+9)鹽酸浸泡清洗兩種方式,并分別測定空白值,測得結果如表6所示。由表6可知,普通玻璃儀器的清洗過程無法達到總氮測定要求的精度;采用鹽酸浸泡后空白值明顯降低,符合《水質總氮的測定堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》(HJ636—2012)的要求。祝旭初等[17-18]測定總氮空白值時所有的玻璃器皿均用(1+9)鹽酸浸泡,測得的空白值均小于0.025。

表6 比色管的清洗方式對空白值的影響Table 6 Effect of cleaning method for colorimetric tube on the blank value

3 結 論

(1)消解時間是影響總氮測定的空白值的因素之一。消解時間越長,水中氮的轉化越徹底,空白值越低。消解時間采用50 min,實驗效果最佳,加入鹽酸后的比色時間對空白值不會造成影響,振蕩后可立即進行測定。

(2)過硫酸鉀的純度對空白值的影響最大,總氮測定時應采用進口的優級純過硫酸鉀,或者對普通國產的過硫酸鉀進行2～3次重結晶。氫氧化鈉的純度對空白值的影響不大,分析純的氫氧化鈉完全可以滿足實驗要求。

(3)水質總氮測定應采用新鮮的蒸餾水或去離子水,存放時間越長,測得的空白值越大。玻璃器皿的清洗方式對空白值會造成一定的影響,應采用(1+9)鹽酸浸泡或“空蒸”方式降低空白值。