晁 雷,曹 雨,李亞峰

(沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110168)

我國測定水質(zhì)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(chǔ)是繪制總氮的標(biāo)準(zhǔn)曲線,而總氮的標(biāo)準(zhǔn)曲線除了要達(dá)到99.9%以上的線性關(guān)系,還要求曲線測定中的空白值小于0.03。但在實(shí)際操作過程中,往往因?yàn)榭瞻字岛茈y達(dá)到要求,造成標(biāo)準(zhǔn)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(rèn)為過硫酸鉀是總氮測定的關(guān)鍵環(huán)節(jié),過硫酸鉀的純度直接影響標(biāo)準(zhǔn)曲線及空白值能否達(dá)標(biāo)。尹靜章[5]認(rèn)為消解時(shí)間和冷卻時(shí)間也會(huì)對空白值造成一定影響,從而影響標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制以及測定結(jié)果的準(zhǔn)確度。李玉蓮等[6]認(rèn)為堿性過硫酸鉀的存放時(shí)間對空白值有影響,溶液的放置時(shí)間越長,空白值越大。葉玲等[7]認(rèn)為消解溫度對空白值也會(huì)造成影響。除此之外,比色時(shí)間、實(shí)驗(yàn)用水、玻璃器皿的清洗方式等均可能對水質(zhì)總氮的空白值產(chǎn)生一定的影響。筆者分析消解時(shí)間、比色時(shí)間、試劑的純度、實(shí)驗(yàn)用水及比色管的清洗方式對水質(zhì)總氮空白值產(chǎn)生的影響,并對其中的一些影響因素進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 儀器與試劑

儀器:UV-6000 紫外可見光分光光度計(jì),上海元析儀器有限公司生產(chǎn)。10 mm石英比色皿。BXM-30R立式壓力蒸汽滅菌器,上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠生產(chǎn)。

試劑:過硫酸鉀1,由天津奧普升化工有限公司生產(chǎn)的分析純試劑;過硫酸鉀2,由SIGMA公司生產(chǎn)的優(yōu)級純試劑;氫氧化鈉1,由天津市凱通化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)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(chǎn)的分析純試劑;(1+9)鹽酸;蒸餾水;去離子水。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理及步驟

在120～124 ℃的堿性介質(zhì)條件下,過硫酸鉀分解成氫離子和原子態(tài)的氧[8],分解出的原子態(tài)的氧可將水樣中有機(jī)氮化合物氧化為硝酸鹽。再利用紫外分光光度計(jì)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(shí)驗(yàn)的具體操作按照《水質(zhì)總氮的測定堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》(HJ636—2012)規(guī)定的步驟進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 消解時(shí)間對空白值的影響

《水質(zhì)總氮的測定堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》(HJ636—2012)中規(guī)定:消解溫度為120～124 ℃、消解時(shí)間為30 min。但在實(shí)際的操作過程中,由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境、儀器等因素的影響,采用30 min的消解時(shí)間很難滿足要求,仍會(huì)造成空白值的吸光度偏高[9]。蔣晶晶等[10]認(rèn)為,28～30 min的消解時(shí)間是消化劑過硫酸鉀分解是否完全的轉(zhuǎn)折點(diǎn),為使空白值滿足《水質(zhì)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(shí)間。方熠[11]認(rèn)為消解時(shí)間至少在45 min以上。為探求總氮測定的最佳消解時(shí)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(shí)間的延長,空白值在不斷地降低并逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。隨著消解時(shí)間的增長,有機(jī)物中的氮向硝酸氮的轉(zhuǎn)化更加徹底,進(jìn)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(zhì)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(qiáng)總氮空白值的穩(wěn)定性,應(yīng)適當(dāng)延長消解時(shí)間;同時(shí)考慮實(shí)驗(yàn)效率及實(shí)驗(yàn)成本,采用50 min的消解時(shí)間最佳。

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

2.2 比色時(shí)間對空白值的影響

水質(zhì)總磷測定的比色時(shí)間為15 min,水質(zhì)氨氮測定的比色時(shí)間為10 min,但總氮測定《水質(zhì)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(shí)間進(jìn)行規(guī)定。為了探究比色時(shí)間是否會(huì)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(jìn)行吸光度測定,測定結(jié)果如表2所示。

表2 比色時(shí)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(shí)間對總氮空白值并沒有造成影響。氨氮測定時(shí)需要在10 min之后立即進(jìn)行是因?yàn)榉胖脮r(shí)間越長,水樣中的有機(jī)物易分解為其他物質(zhì)或被空氣中的氧氣氧化,而總氮測定時(shí)通過高溫滅菌鍋的消解,有機(jī)物發(fā)生轉(zhuǎn)化并保持穩(wěn)定,因此比色時(shí)間的長短不會(huì)使測數(shù)結(jié)果發(fā)生變化。所以在進(jìn)行總氮測定時(shí),為了節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間,可在加入鹽酸后立即進(jìn)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(guān)鍵在于過硫酸鉀在高溫條件下將水中的氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮,因此過硫酸鉀的好壞在很大程度上決定了測定的準(zhǔn)確性。過硫酸鉀在60 ℃以上發(fā)生分解反應(yīng),為了避免提前分解影響氮的轉(zhuǎn)化,應(yīng)在60 ℃以下進(jìn)行加熱攪拌。配置堿性氫氧化鈉溶液時(shí)應(yīng)分開配置再混合定容,避免氫氧化鈉溶解時(shí)的高溫使過硫酸鉀分解失效。但實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)驗(yàn)用水均采用蒸餾水,測得結(jié)果如表3所示。由表3可知,3組平行實(shí)驗(yàn)中,過硫酸鉀2的校正吸光度的平均值為0.029,達(dá)到《水質(zhì)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(shí),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(fā)出去了。羅瓊等[12]研究發(fā)現(xiàn),國產(chǎn)的過硫酸鉀的總氮含量很高,無法直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。這與筆者實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致,所以在測定總氮時(shí)可采用國外的優(yōu)級純過硫酸鉀。除此之外,還可多次結(jié)晶對藥劑進(jìn)行提純。對國產(chǎn)的過硫酸鉀進(jìn)行3次重結(jié)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(qiáng)化氧化的作用。市場上大多數(shù)分析純試劑規(guī)定其含氮量低于0.005%,但不同廠家所生產(chǎn)的藥劑含氮量可能會(huì)由于生產(chǎn)藥品原材料的優(yōu)劣、生產(chǎn)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(dá)到《水質(zhì)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)用水中含有過多的氮化物,則會(huì)導(dǎo)致空白值過高、測定結(jié)果準(zhǔn)確性過低而無法采用?！端|(zhì)總氮的測定堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》(HJ636—2012)中規(guī)定,測定水質(zhì)總氮時(shí)應(yīng)采用無氨水。但無氨水的制備過程繁瑣,而且實(shí)驗(yàn)用量很大,不易進(jìn)行大量制備,因此在實(shí)驗(yàn)過程中常用蒸餾水和去離子水替代無氨水進(jìn)行試驗(yàn)。筆者對蒸餾水和去離子水的替代效果進(jìn)行研究。

實(shí)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)方法測定空白值,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。由表5可以看出,實(shí)驗(yàn)用水對空白值的確會(huì)造成影響,進(jìn)而也會(huì)影響后續(xù)總氮標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)總氮的測定堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》(HJ636—2012)的規(guī)定(空白值<0.03),用蒸餾水替代無氨水是可以達(dá)到要求。但李慧、潘本鋒等[14-15]也采用去離子水進(jìn)行實(shí)驗(yàn),測得的空白值均小于0.03?！端|(zhì)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)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(shí)間過長,空氣中的氧、二氧化碳等物質(zhì)溶入水中使水的純度下降,造成空白值過高。有關(guān)資料表明,空白值隨著實(shí)驗(yàn)用水放置時(shí)間的增長而不斷增大[16]。因此,在測定總氮時(shí),應(yīng)采用新鮮的蒸餾水或去離子水。

表5 不同實(shí)驗(yàn)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(huì)影響實(shí)驗(yàn)的精確度與準(zhǔn)確度,對于像總氮測定這種精度要求高的實(shí)驗(yàn),僅采用普通清洗過程可能無法滿足空白值要求。實(shí)驗(yàn)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(jié)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(dá)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(zhì)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(shí)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(jié) 論

(1)消解時(shí)間是影響總氮測定的空白值的因素之一。消解時(shí)間越長,水中氮的轉(zhuǎn)化越徹底,空白值越低。消解時(shí)間采用50 min,實(shí)驗(yàn)效果最佳,加入鹽酸后的比色時(shí)間對空白值不會(huì)造成影響,振蕩后可立即進(jìn)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(shí)應(yīng)采用進(jìn)口的優(yōu)級純過硫酸鉀,或者對普通國產(chǎn)的過硫酸鉀進(jìn)行2～3次重結(jié)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(shí)驗(yàn)要求。

(3)水質(zhì)總氮測定應(yīng)采用新鮮的蒸餾水或去離子水,存放時(shí)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(huì)造成一定的影響,應(yīng)采用(1+9)鹽酸浸泡或“空蒸”方式降低空白值。