趙 宇,張茗迪,董建民,劉子杰,張衛(wèi)宏
(中節(jié)能天融科技有限公司,北京 100085)
氣泡間隔連續(xù)流動分析(CFA)法以其檢測速率快、自動化程度高、試劑消耗量少而逐漸成為實(shí)驗(yàn)室水質(zhì)檢測的主流分析方法[1-4],也是新水質(zhì)檢測標(biāo)準(zhǔn)推出的主要側(cè)重方向,目前已有針對地表水、廢水中的總氮、總磷、氨氮實(shí)驗(yàn)室測定的國家標(biāo)準(zhǔn)方法[5-7]。但該方法只適用于實(shí)驗(yàn)室檢測分析,需要滿足長期有人值守、預(yù)制大批量樣品、廢液每日清理等前提條件。在地表水在線監(jiān)測領(lǐng)域,目前采用的順序注射法因產(chǎn)生廢液量高、檢測時間長等問題阻礙了各水質(zhì)指標(biāo)的快速檢測和質(zhì)量控制功能的實(shí)現(xiàn)[8-19]。而截至目前,尚未有將CFA方法應(yīng)用于水質(zhì)在線監(jiān)測領(lǐng)域的報道。
本工作通過泵速優(yōu)化實(shí)驗(yàn),考察了泵速變化對試劑消耗量、廢液產(chǎn)生量、信號波動、出峰時間和檢測穩(wěn)定性的影響,進(jìn)而建立水樣中氨氮的CFA在線監(jiān)測方法。
氯化銨、二水合亞硝基鐵氯化鈉、酒石酸鉀鈉、檸檬酸三鈉、鹽酸、氫氧化鈉、聚氧乙烯月桂醚、水楊酸鈉、二氯異氰脲酸鈉:均為優(yōu)級純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。實(shí)驗(yàn)用水為新鮮制取、電阻率大于10 MΩ·cm(25 ℃)的無氨水。
氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液:稱取3.819 g氯化銨溶于水中,定容至1 000 mL,得到氨氮標(biāo)準(zhǔn)儲備液,將其逐級稀釋即得所需標(biāo)準(zhǔn)溶液。
亞硝基鐵氰化鈉溶液:溶解0.5 g二水亞硝基鐵氯化鈉于300 mL水中,定容至500 mL。緩沖溶液:溶解33 g酒石酸鉀鈉、24 g檸檬酸三鈉于800 mL水中,定容至1 L,用氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH至5.2,最后加入3 mL 3%(w)聚氧乙烯月桂醚混勻。水楊酸鈉溶液:溶解25 g氫氧化鈉、80 g水楊酸鈉于800 mL水中,冷卻后定容至1 L。二氯異氰脲酸鈉溶液:溶解2.0 g二氯異氰脲酸鈉于300 mL水中,定容至500 mL。
HGCF-100型氣泡間隔連續(xù)流動分析儀:北京海光儀器有限公司。
在圖1所示的管路中,水樣和各溶液在蠕動泵的推動下進(jìn)入由石英管組成的密閉管路中,由蠕動泵或電磁閥同時勻速輸入氣泡,將溶液按一定間隔規(guī)律隔開,在由氣泡分隔開的小腔室里混合、反應(yīng),直至顯色完全后,通過浮力作用排出氣泡,各腔室溶液匯合進(jìn)入流通池進(jìn)行分光光度法檢測。由于整個反應(yīng)過程在毛細(xì)管路中進(jìn)行,具有預(yù)處理效率高、反應(yīng)速率快、安全性好、試劑消耗量小的優(yōu)勢。一個反應(yīng)全周期里包括“輸送反應(yīng)時間”和“出峰時間”,在實(shí)驗(yàn)室CFA法持續(xù)進(jìn)樣過程中,輸送反應(yīng)時間相互重疊,從而相對縮短了樣品檢測時間(如圖2所示)。對于在線監(jiān)測過程,采樣時間間隔較長,輸送反應(yīng)時間無法重疊,所以一個反應(yīng)全周期既是檢測時間。
圖1 氨氮CFA法的流路圖
圖2 CFA連續(xù)檢測信號圖
通過蠕動泵,將水樣與緩沖溶液混合,實(shí)現(xiàn)酸度調(diào)節(jié)和對干擾物質(zhì)的掩蔽;然后,依次與堿性水楊酸鈉溶液、亞硝基鐵氰化鈉溶液和二氯異氰脲酸鈉溶液混合;在堿性介質(zhì)中,水樣中的氨、銨離子與二氯異氰脲酸鈉溶液釋放出的次氯酸根反應(yīng)生成氯胺,在45 ℃加熱條件下和亞硝基鐵氰化鈉催化作用下,氯胺與水楊酸鹽反應(yīng)生成5-氨基水楊酸,然后進(jìn)一步縮合生成靛酚藍(lán);在660 nm波長處測定吸光度。由于試劑一直連續(xù)注入,所以660 nm波長處獲得的信號是由淺入深又降為無色的顯色反應(yīng)產(chǎn)生的高斯曲線峰。
按照表1所示實(shí)驗(yàn)參數(shù)(廠家建議儀器條件參數(shù)),結(jié)合《地表水自動監(jiān)測技術(shù)規(guī)范(試行)》HJ 915—2017[20]要求,每隔4 h對水樣進(jìn)行一次檢測,對結(jié)果進(jìn)行對比分析。具體檢測流程為:在原有實(shí)驗(yàn)室CFA檢測流程[20-21]連續(xù)進(jìn)水樣的基礎(chǔ)上,中斷其連續(xù)進(jìn)水樣過程,而以上次水樣出峰完全以及一個完整采樣周期結(jié)束后,進(jìn)樣器引入下一個水樣,開始新的檢測。上一個水樣檢測結(jié)束,新的水樣尚未準(zhǔn)備好的間隔期稱為待機(jī),待機(jī)過程中改變?nèi)鋭颖帽盟伲疾煸噭┫牧亢蛷U液產(chǎn)生量的變化。檢測過程中,改變?nèi)鋭颖帽盟?,考察吸光度信號的大小及其波動性。確定最優(yōu)泵速后,以每4 h一次的采樣頻率,模擬在線監(jiān)測過程對水樣進(jìn)行測定。
表1 在線氨氮CFA法的設(shè)定參數(shù)
CFA法得以對水樣快速檢測的前提條件是樣品連續(xù)進(jìn)入反應(yīng)系統(tǒng),而對于在線監(jiān)測系統(tǒng),樣品采集周期一般為1~4 h,這就造成樣品進(jìn)樣間隔時間相對較長,此時試劑輸送時間成為主要耗時因素。同時,檢測之間的待機(jī)過程也會造成大量試劑的浪費(fèi)和較多廢液的產(chǎn)生。為此,本實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室CFA方法的基礎(chǔ)上,考察了相關(guān)因素的影響。
待機(jī)時間內(nèi)的蠕動泵轉(zhuǎn)動是為了系統(tǒng)壓力穩(wěn)定,避免局部加熱造成檢測的不穩(wěn)定以及試劑的析出。若待機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)速與工作狀態(tài)轉(zhuǎn)速相同,則會消耗大量試劑,并產(chǎn)生廢液。本實(shí)驗(yàn)對比了2~12 r/min轉(zhuǎn)速下各試劑消耗量和廢液產(chǎn)生量(結(jié)果見圖3),發(fā)現(xiàn)隨著轉(zhuǎn)速下降,試劑消耗量和廢液產(chǎn)生量明顯降低。模擬實(shí)際工作中每4 h檢測一次,待機(jī)時間230 min內(nèi),2 r/min轉(zhuǎn)速下廢液產(chǎn)生量比工作狀態(tài)減少80%以上。因此,本實(shí)驗(yàn)選擇2 r/min為待機(jī)轉(zhuǎn)速。
圖3 待機(jī)轉(zhuǎn)速對試劑消耗量和廢液產(chǎn)生量的影響
蠕動泵的工作轉(zhuǎn)速會對反應(yīng)速率以及系統(tǒng)壓力產(chǎn)生影響。泵速太小會造成濃度擴(kuò)散嚴(yán)重,檢測峰形拖尾,靈敏度降低;泵速太大會造成系統(tǒng)壓力過大,泵管柔韌性受損。本實(shí)驗(yàn)對比了工作轉(zhuǎn)速在5~40 r/min范圍內(nèi)檢測時間(出峰時間和峰寬之和)的變化,結(jié)果見圖4。從圖4可以看出:隨著工作轉(zhuǎn)速的增加,出峰逐漸提前,峰寬變窄;當(dāng)泵速大于25 r/min時,峰寬和出峰時間的變化逐漸平穩(wěn)。
圖4 工作轉(zhuǎn)速對檢測時間的影響
蠕動泵從低泵速切換到高泵速時,由于壓力驟增,會造成壓力的劇烈波動,本實(shí)驗(yàn)研究了波動時間(從進(jìn)樣器切換造成基線波動到基線平穩(wěn)所用的時間)、間隔時間(波動平穩(wěn)后與出峰之間的時間間隔)和波動極值(光譜信號最大值與最小值之差)的變化,結(jié)果見圖4和圖5。從圖4和圖5可以看出:雖然波動極值在工作轉(zhuǎn)速20~25 r/min范圍內(nèi)有所減小,但隨工作轉(zhuǎn)速的增加整體仍呈現(xiàn)逐漸增大趨勢;在工作轉(zhuǎn)速大于25 r/min時,波動時間逐漸縮短至2 min之內(nèi),同時與信號峰保持約0.5 min的時間間隔,對檢測出峰不產(chǎn)生影響。
圖5 工作轉(zhuǎn)速對波動極值的影響
泵速對反應(yīng)進(jìn)行程度產(chǎn)生一定影響,進(jìn)而影響檢測結(jié)果穩(wěn)定性。由于工作轉(zhuǎn)速為5 r/min時檢測時間太長,故研究范圍取10~40 r/min。本實(shí)驗(yàn)考察了不同工作轉(zhuǎn)速下氨氮顯色反應(yīng)的穩(wěn)定性,對2.00 mg/L標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行連續(xù)6次檢測,用測定結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)表征檢測的穩(wěn)定性。從圖6可知,在工作轉(zhuǎn)速10~40 r/min范圍內(nèi),RSD均小于5%:在10~25 r/min范圍內(nèi),RSD先升高后降低,這是受泵速變化引起基線波動的影響;在25~40 r/min之間,RSD在一定范圍內(nèi)波動,并在40 r/min時處于最低值。綜合考慮出峰時間和泵管壽命等因素,本實(shí)驗(yàn)選擇25 r/min為實(shí)驗(yàn)所用工作轉(zhuǎn)速。
圖6 工作轉(zhuǎn)速對檢測穩(wěn)定性的影響
綜合分析圖4、圖5和圖6,在25 r/min工作轉(zhuǎn)速下,輸送反應(yīng)時間為3 min,出峰時間約為2 min,即在5 min檢測時間內(nèi),既可實(shí)現(xiàn)對氨氮的快速準(zhǔn)確檢測。
按照水質(zhì)在線自動監(jiān)測儀的技術(shù)要求,常規(guī)采用單點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn),本實(shí)驗(yàn)通過采用多位閥,可對3個濃度點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行校準(zhǔn)。配制高、中、低3個質(zhì)量濃度(0.25,1.00,2.00 mg/L)的氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液,測定氨氮的峰高,并以峰高對質(zhì)量濃度進(jìn)行線性回歸,得到0.25~2.00 mg/L范圍內(nèi)的線性方程為:y= 0.215 9x+ 0.000 7,其相關(guān)系數(shù)為0.999 9。濃度范圍選擇的依據(jù)為地表水多級水質(zhì)濃度的限定范圍[22],如實(shí)際有超出情況,可通過適當(dāng)稀釋測定。
對質(zhì)量濃度為1.60 mg/L的氨氮溶液進(jìn)行7次平行測定,測定結(jié)果(見表2)的RSD為0.8%,精密度良好。
表2 精密度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) ρ,mg/L
平行測定空白溶液11次,測定結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差(S)為0.001 8 mg/L。按照公式t(n-1,0.99)S計算得到方法檢出限為0.005 mg/L。
采用生態(tài)環(huán)境部標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所的氨氮質(zhì)控樣品(編號2005131,標(biāo)準(zhǔn)值1.20 mg/L,不確定度0.07 mg/L),對方法的準(zhǔn)確性進(jìn)行檢驗(yàn),結(jié)果見表3。由表3可知,檢測濃度在質(zhì)控允許范圍內(nèi),證明本實(shí)驗(yàn)方法準(zhǔn)確性較高。
表3 質(zhì)控樣的測定結(jié)果 ρ,mg/L
從北京市昌平區(qū)和通州區(qū)采集地表水水樣,分別用本實(shí)驗(yàn)方法直接測定,并進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn),結(jié)果見表4。由表4可知,該方法回收率在90.8%~108.3%,證明方法穩(wěn)定可靠。
表4 實(shí)際水樣的回收率測定結(jié)果
對實(shí)際水樣檢測結(jié)果與《水質(zhì)氨氮的測定 水楊酸分光光度法》(HJ 536—2009)手工方法[23]進(jìn)行對比,并采用《氨氮水質(zhì)在線自動監(jiān)測技術(shù)要求及檢測方法》(HJ 101—2019)[24]進(jìn)行可靠性評價,結(jié)果見表5。從表5可看出,測定結(jié)果滿足HJ 101—2019要求,可用于地表水在線監(jiān)測。
表5 實(shí)際水樣的測定結(jié)果對比
將本實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)溶液峰形與實(shí)驗(yàn)室CFA方法(泵速12 r/min)[21]標(biāo)準(zhǔn)溶液峰形進(jìn)行對比,結(jié)果見圖7。由圖7可知,泵速提高后雖然峰高均略有降低,但是出峰顯著提前,連續(xù)測定0.25,1.00,2.00 mg/L 3個標(biāo)準(zhǔn)溶液,可在7 min內(nèi)完成檢測。這一結(jié)果顯著優(yōu)于常規(guī)在線檢測儀器連續(xù)測定3個標(biāo)準(zhǔn)溶液的檢測時間(≥15 min)。
圖7 本實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)驗(yàn)室CFA方法的峰形對比
a)本實(shí)驗(yàn)通過研究蠕動泵泵速對氨氮CFA方法的影響,驗(yàn)證了通過增加泵速加快反應(yīng)進(jìn)程,縮短檢測時間的構(gòu)想。本實(shí)驗(yàn)方法可在5 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)水樣檢測,滿足在線監(jiān)測系統(tǒng)延時采樣的要求,為CFA方法應(yīng)用于在線水質(zhì)監(jiān)測奠定了基礎(chǔ)。
b)本實(shí)驗(yàn)方法在0.25~2.00 mg/L范圍內(nèi)的線性方程為y= 0.215 9x+ 0.000 7,相關(guān)系數(shù)為0.999 9。方法檢出限0.005 mg/L,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差0.8%。將本方法應(yīng)用于實(shí)際地表水水樣測定,加標(biāo)回收率為90.8%~108.3%。
c)采用《水質(zhì)氨氮的測定 水楊酸分光光度法》(HJ 536—2009)對分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,測定結(jié)果滿足《氨氮水質(zhì)在線自動監(jiān)測技術(shù)要求及檢測方法》(HJ 101—2019)要求,可用于地表水氨氮在線監(jiān)測。