任昀,張遙奇,李婭,朱翔
(湖南省計(jì)量檢測(cè)研究院,長(zhǎng)沙 410014)
總有機(jī)碳(Total Organic Carbon,TOC)是表征水體中有機(jī)物總量的一項(xiàng)重要指標(biāo)[1–2],在飲用水、海水、工業(yè)用水、制藥用水等水質(zhì)監(jiān)測(cè)中有著嚴(yán)格要求[3–6]。飲用水水質(zhì)一直是社會(huì)關(guān)注熱點(diǎn),而TOC 作為判定水質(zhì)有機(jī)污染的重要依據(jù)之一[7–9],GB 5749–2006[10]明確規(guī)定生活飲用水TOC 限值為5 mg/L。要準(zhǔn)確測(cè)定水中低含量水平的TOC,除減少環(huán)境影響外,對(duì)測(cè)量方法和測(cè)量?jī)x器的要求均較高[11]。目前已報(bào)道的測(cè)定水中TOC 的主要方法是氧化燃燒–非紅外散射吸收法和濕法氧化–非紅外散射吸收法[12–14],但是上述方法靈敏度不高,且使用的氧化劑和催化劑不僅影響測(cè)量光路,而且長(zhǎng)期使用還會(huì)降低檢測(cè)靈敏度,導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果重復(fù)性不佳。2002 年美國(guó)材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)發(fā)布了ASTM D 5904–2002 (R 2017)[15],提出了基于薄膜電導(dǎo)率原理的TOC 測(cè)量方法。該方法具有檢出限低、靈敏度和準(zhǔn)確度高、操作簡(jiǎn)便、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn),適用于飲用水中低含量水平的TOC 測(cè)定。但是目前國(guó)內(nèi)對(duì)該方法的報(bào)道極少[16]。筆者參照ASTM D 5904–2002,通過(guò)優(yōu)化測(cè)定條件,建立了硫酸鹽氧化–薄膜電導(dǎo)率法測(cè)定自來(lái)水中TOC 的分析方法。該方法準(zhǔn)確度高,適用于自來(lái)水中TOC 含量的測(cè)定,可為健全我國(guó)飲用水中TOC 測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)體系提供參考。
總有機(jī)碳分析儀:GE Sievers 900 型,美國(guó)通用電氣公司;analytikjena multi N/C3100 型,德國(guó)耶拿分析儀器股份公司。
電子天平:Sartorius MSE125P型,量程為120 g,感量為0.1 mg;Sartorius MSE6.6S–OCE–DF 型,量程為6.1 g,感量為0.001 mg,德國(guó)賽多利斯公司。
真空手套箱:BGV–3 型,長(zhǎng)沙天創(chuàng)粉末技術(shù)有限公司。
酸度計(jì):S220-K 型,梅特勒–托利多國(guó)際貿(mào)易(上海)有限公司。
移液器:100~1 000 μL,德國(guó)艾本德公司。容量瓶:A 級(jí),天津市天玻玻璃儀器有限公司。濾膜過(guò)濾器:PTFE 過(guò)濾器,直徑為25 mm,孔徑為0.45 μm,上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司。
樣品瓶(含PVC 墊蓋):40 mL 透明玻璃瓶,美國(guó)通用電氣公司。酸劑:6 mol/L 磷酸溶液,美國(guó)通用電氣公司。氧化劑:15%過(guò)硫酸銨溶液,美國(guó)通用電氣公司。
水中有機(jī)碳溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì):1 000 μg/mL,Urel=2%(k=2),編號(hào)為GBW(E) 080650,中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院。
蔗糖水溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì):10%,Urel=1%(k=2),編號(hào)為GBW(E) 130456,中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院。
硫酸:優(yōu)級(jí)純,上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司。
1,4-對(duì)苯醌對(duì)照品:50 mg/支,中國(guó)食品藥品檢定研究院。
自來(lái)水樣品:出廠水、管網(wǎng)水、水源水的原水樣均來(lái)自長(zhǎng)沙猴子石水廠,采用干潔玻璃容器分裝。
實(shí)驗(yàn)所有器材均用50%硝酸溶液浸泡過(guò)夜,用高純水清洗干凈,備用。
實(shí)驗(yàn)用水為高純水,電阻率為18.2 MΩ·cm。
1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)溶液
水中有機(jī)碳標(biāo)準(zhǔn)貯備溶液:100 mg/L,吸取10 mL 水中有機(jī)碳溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),置于100 mL 容量瓶中,用高純水定容至標(biāo)線(xiàn),搖勻。
系列水中有機(jī)碳標(biāo)準(zhǔn)溶液:依次吸取1、2.5、5、15、25、35、50 mL 水中有機(jī)碳標(biāo)準(zhǔn)貯備溶液,分別置于7 只500 mL 容量瓶中,用高純水定容至標(biāo)線(xiàn),搖勻,配制成TOC 的質(zhì)量濃度分別為0.2、0.5、1、3、5、7、10 mg/L 的系列水中有機(jī)碳標(biāo)準(zhǔn)溶液。
將上述系列水中有機(jī)碳標(biāo)準(zhǔn)溶液分裝于干潔的樣品瓶中,蓋好備用。為減少環(huán)境空氣中二氧化碳對(duì)TOC 的影響,標(biāo)準(zhǔn)溶液配制和分裝均在手套箱內(nèi)完成。
1.2.2 空白對(duì)照溶液
將新制備的高純水分裝于干潔的樣品瓶中,作為空白對(duì)照溶液。
1.2.3 樣品溶液
將自來(lái)水樣品用孔徑為0.45 μm 濾膜過(guò)濾器過(guò)濾,除去樣品中不溶性顆粒雜質(zhì),然后在濾液中加入硫酸調(diào)節(jié)至pH ≤2,置于樣品瓶中密封,并于4℃藥品保存箱中保存,待測(cè)。
1.2.4 1,4-對(duì)苯醌溶液
稱(chēng)取1,4-對(duì)苯醌7.5 mg,加入高純水溶解并定容至100 mL,配制成質(zhì)量濃度為75 mg/L 的1,4-對(duì)苯醌溶液(碳的質(zhì)量濃度為50 mg/L)。將上述溶液進(jìn)一步稀釋至質(zhì)量濃度為0.75 mg/L 的1,4-對(duì)苯醌溶液(碳的質(zhì)量濃度為0.50 mg/L)。
1.2.5 蔗糖溶液
稱(chēng)取1.189 mg 蔗糖水溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),加入高純水稀釋并定容至100 mL,配制成質(zhì)量濃度為1.189 g/L 的蔗糖溶液(碳的質(zhì)量濃度為0.50 mg/L)。
先對(duì)樣品溶液進(jìn)行真空脫氣處理,除去部分無(wú)機(jī)碳,然后再將樣品溶液分別注入無(wú)機(jī)碳(IC)和總碳(TC)兩個(gè)獨(dú)立測(cè)量通道。IC 通道中剩余未去除的無(wú)機(jī)碳經(jīng)過(guò)酸化轉(zhuǎn)化為CO2,而TC 通道中樣品將通過(guò)磷酸酸化、過(guò)硫酸銨氧化、紫外輻射3 個(gè)過(guò)程轉(zhuǎn)化為CO2,兩個(gè)通道中的CO2分別從兩路反應(yīng)器中導(dǎo)出,通過(guò)特效膜后被高純水吸收,通過(guò)測(cè)定高純水電導(dǎo)率信號(hào)變化值即可獲得對(duì)應(yīng)的IC、TC 值,而TOC 含量即為T(mén)C 與IC 之差[15]。IC 和TC 分別采用獨(dú)立的測(cè)量通道,降低了對(duì)TOC 測(cè)量的干擾。
硫酸鹽氧化–薄膜電導(dǎo)率法測(cè)定水中總有機(jī)碳一般有進(jìn)樣瓶進(jìn)樣和進(jìn)樣管進(jìn)樣兩種方式。采用進(jìn)樣瓶直接進(jìn)樣可有效減小環(huán)境空氣對(duì)樣品的影響,故選擇進(jìn)樣瓶直接進(jìn)樣。
系統(tǒng)提示測(cè)定TOC 的質(zhì)量濃度大于1 mg/L的樣品時(shí),可采用試劑自適應(yīng)模式,即分析儀根據(jù)被測(cè)樣品的TOC 質(zhì)量濃度自動(dòng)調(diào)整所需酸劑和氧化劑流量,分析完成后獲取酸劑、氧化劑流量值。如采用手動(dòng)模式,則按表1 設(shè)置酸劑和氧化劑流量。
表1 酸劑、氧化劑流量
按1.3 實(shí)驗(yàn)方法,分別對(duì)1.2 中的系列水中有機(jī)碳標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行測(cè)定,每個(gè)濃度點(diǎn)連續(xù)測(cè)定6 次,以平均值作為該濃度響應(yīng)值。以TOC 的質(zhì)量濃度(x)為橫坐標(biāo),以響應(yīng)值(y)為縱坐標(biāo),進(jìn)行線(xiàn)性擬合,計(jì)算得線(xiàn)性方程為y=1.062 2x+0.136 2,相關(guān)系數(shù)為0.999。結(jié)果表明TOC 的質(zhì)量濃度在0~10 mg/L范圍內(nèi)與響應(yīng)值具有良好的線(xiàn)性關(guān)系,滿(mǎn)足自來(lái)水中TOC 的測(cè)定要求。
以高純水作為試劑空白,按照1.3 實(shí)驗(yàn)方法重復(fù)測(cè)定8 次,測(cè)定結(jié)果分別為59.5、55.0、59.9、54.3、60.7、59.9、55.0、53.6 μg/L,根據(jù)公式MDL=t(n–1,0.99)s,計(jì)算得方法檢出限為0.02 μg/L。
以高純水為試劑空白,分別加入質(zhì)量濃度為1.0、5.0、10 mg/L 的TOC 標(biāo)準(zhǔn)溶液,對(duì)每個(gè)加標(biāo)樣品重復(fù)測(cè)定6 次,結(jié)果見(jiàn)表2。由表2 可知,測(cè)定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為1.3%、0.62%、0.17%。表明該方法具有較高的精密度,滿(mǎn)足測(cè)定要求。
表2 精密度試驗(yàn)結(jié)果
對(duì)自來(lái)水廠的出廠水、管網(wǎng)水、水源水的原水樣進(jìn)行加標(biāo)回收試驗(yàn)。分別在采集的自來(lái)水樣品中加入質(zhì)量濃度為1.0、5.0 mg/L 的水中有機(jī)碳標(biāo)準(zhǔn)溶液,對(duì)每個(gè)加標(biāo)樣品分別重復(fù)測(cè)定6 次,以平均值作為測(cè)定值計(jì)算加標(biāo)回收率,結(jié)果見(jiàn)表3。由表3 可知,不同水源采樣點(diǎn)的自來(lái)水樣品中TOC含量存在一定差異,出廠水、管網(wǎng)水、水源水三處原水水樣的平均加標(biāo)回收率分別為91.0%~95.2%、91.3%~96.2%、100.8%~102.8%。表明該方法準(zhǔn)確度良好,滿(mǎn)足自來(lái)水中TOC 的測(cè)定要求。
表3 加標(biāo)回收試驗(yàn)結(jié)果
對(duì)采集的同一自來(lái)水樣品,分別采用硫酸鹽氧化–薄膜電導(dǎo)率法和濕法氧化–非分散紅外吸收法進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果見(jiàn)表4。由表4 可知,當(dāng)加標(biāo)質(zhì)量濃度為5.0 mg/L 時(shí),兩種方法的加標(biāo)回收率基本一致;當(dāng)加標(biāo)質(zhì)量濃度為1.0 mg/L 時(shí),硫酸鹽氧化–薄膜電導(dǎo)率法和濕法氧化–非分散紅外吸收法的加標(biāo)回收率分別為101%和106%。結(jié)果表明,硫酸鹽氧化–薄膜電導(dǎo)率法對(duì)低TOC 質(zhì)量濃度水樣的測(cè)量準(zhǔn)確度較高,更適合于自來(lái)水中TOC 的分析。
表4 不同測(cè)定方法測(cè)定結(jié)果比對(duì)
根據(jù)美國(guó)藥典(USP)系統(tǒng)方法適用性標(biāo)準(zhǔn),分別對(duì)易氧化的蔗糖標(biāo)準(zhǔn)溶液和難氧化的1,4-對(duì)苯醌標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行TOC 分析,根據(jù)式(1)計(jì)算響應(yīng)效率。如果響應(yīng)效率值在85%~115%范圍內(nèi),則該方法適用[17]。
式中: η——響應(yīng)效率,%;
Rw——空白溶液的TOC 測(cè)定值,mg/L;
RS——蔗糖標(biāo)準(zhǔn)溶液的TOC 測(cè)定值,mg/L;
RSS——1,4-對(duì)苯醌標(biāo)準(zhǔn)溶液的TOC 測(cè)定值,mg/L。
按1.3 實(shí)驗(yàn)方法,分別通入TOC 的質(zhì)量濃度均為500 μg/L 的蔗糖標(biāo)準(zhǔn)溶液和1,4-對(duì)苯醌標(biāo)準(zhǔn)溶液,每種溶液重復(fù)測(cè)定3 次,計(jì)算得響應(yīng)效率值為92%。表明硫酸鹽氧化–薄膜電導(dǎo)率法測(cè)定自來(lái)水中總有機(jī)碳滿(mǎn)足分析要求。
建立了硫酸鹽氧化–薄膜電導(dǎo)率法測(cè)定自來(lái)水中總有機(jī)碳含量的分析方法。該方法操作簡(jiǎn)便,靈敏度和精密度高,分析速度快,適用于自來(lái)水中總有機(jī)碳含量的測(cè)定。