何云勇,豆艷霞,馬貽翠
(安康市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站 陜西 安康 725000)
磷(P)是所有生物生長和能量傳遞所必需的營養(yǎng)元素,通常是陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)者的限制性營養(yǎng)元素[1-3]。自然界存在豐富的磷源,其主要儲存在陸地環(huán)境,水環(huán)境和大氣環(huán)境相對較少,但在各種生態(tài)系統(tǒng)中隨能量和物質(zhì)交換不斷地遷移轉(zhuǎn)化,在生物地球化學(xué)循環(huán)中發(fā)揮著重要的作用。在過去的幾十年里,由于人類文明發(fā)展過程中對磷的過度使用而導(dǎo)致的富營養(yǎng)化和水華已經(jīng)成為一個世界性的環(huán)境問題[4]。各種人類活動,包括農(nóng)業(yè)、廢水處理、城市擴(kuò)張和工業(yè)發(fā)展,是磷過度使用的主要因素。
磷在自然水體中有多種存在形式,有研究從實(shí)驗(yàn)操作上根據(jù)是否能夠通過0.45 μm/0.2 μm濾膜,將其區(qū)分為總?cè)芙鈶B(tài)磷和總顆粒態(tài)磷[5]。根據(jù)磷的化學(xué)形態(tài),總?cè)芙鈶B(tài)磷和總顆粒態(tài)磷均可分為無機(jī)磷和有機(jī)磷兩種。
磷在水生生態(tài)系統(tǒng)中與多種無機(jī)/有機(jī)物質(zhì)結(jié)合,以多種形式存在,生物活性差異顯著。磷酸鹽是水環(huán)境中最穩(wěn)定、最豐富的磷形態(tài),可被細(xì)菌、藻類、浮游植物等直接利用,是生物最容易獲得的磷形式,也是首要可被吸收的磷源[6]。由于不同的浮游植物對磷酸鹽的需求不同且相互競爭,水體中磷酸鹽濃度的變化可能導(dǎo)致浮游植物群落在季節(jié)或水華過程中發(fā)生更替[7]。
總磷(TP)是指水樣中存在的所有含磷化合物含量的總和,包括正磷酸鹽、磷單酯(C-O-P 鍵)、磷二酯(C-P 鍵)、膦酸酯(C-P 鍵)、聚磷單酯(C-OP-O-P-O-P 鍵)、聚磷酸鹽(P-O-P-O-P 鍵)、焦磷酸鹽(P-O-P 鍵)[8]??偭状砹松锟衫昧椎淖畲鬂撛诹縖9]。因此,在許多標(biāo)準(zhǔn)中總磷是一個重要的環(huán)境指標(biāo)因子,可以作為水質(zhì)指標(biāo)和廢水處理過程中的控制參數(shù)。
我國現(xiàn)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中規(guī)定地表水中總磷的標(biāo)準(zhǔn)限值,見表1。總磷的分析方法采用《水質(zhì)總磷的測定鉬酸銨分光光度法》(GB 11893—1989)(以下簡稱國標(biāo)法),方法檢出限為0.01 mg/L。由于標(biāo)準(zhǔn)限值與要求的檢出限接近,在水質(zhì)評價時存在爭議。有研究指出,湖庫地表水中總磷量超過0.02 mg/L 就會造成富營養(yǎng)化,美國環(huán)保局認(rèn)為中營養(yǎng)化階段總磷為0.01~ 0.02 mg/L,達(dá)到0.02~ 0.03 mg/L呈富營養(yǎng)化狀態(tài)[10]。
表1 地表水中總磷的標(biāo)準(zhǔn)限值Tab.1 Standard limits for total phosphorus in surface water
隨著環(huán)境保護(hù)政策的進(jìn)一步加強(qiáng),管理要求的不斷提高,監(jiān)測數(shù)據(jù)需更加精準(zhǔn),同時現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)分析方法檢出限為0.01 mg/L,對于全國水體環(huán)境總磷監(jiān)測要求太高,針對I 類地表水總磷監(jiān)測過程中“檢出即超標(biāo)”,特別是對湖庫標(biāo)準(zhǔn)無法適應(yīng)問題,急需開發(fā)新的磷測定分析方法。本文主要探討溶解性磷和總磷的監(jiān)測分析方法。
根據(jù)監(jiān)測目的,水環(huán)境中磷的監(jiān)測選擇不同的方法。水體中磷/總磷檢測原理不同,可以將其分為分光光度法[11]、離子色譜法[10]、電感耦合等離子體法[12]。不同的分析方法都有學(xué)者做過一定實(shí)驗(yàn)研究,各自有優(yōu)缺點(diǎn)。受監(jiān)測過程中樣品采集保存和前處理的方式影響,不同方法的檢出限、測定范圍也不同,因此在探討水環(huán)境樣品中磷/總磷測定時不能忽略樣品采集保存和前處理過程。
在采樣之前,重要的是要確保采樣策略適合于監(jiān)測的目的[13]。包括確定適當(dāng)?shù)牟蓸拥攸c(diǎn)(適當(dāng)考慮到道路和安全問題)、采樣頻率以及監(jiān)測哪種形態(tài)的磷。這就需要明確說明采樣方案的目標(biāo),了解磷的生物地球化學(xué)和磷形態(tài)[14]的穩(wěn)定性。
采集樣品可以手工采集(離散采單點(diǎn)樣品或斷面樣品),也可以通過自動采樣器進(jìn)行時間序列采集。同時在每個地點(diǎn)/時間段采集平行樣。有研究提出在單點(diǎn)樣品至少應(yīng)采集分析3 個子樣品,以保證定量測定穩(wěn)健性分析[15]。
采樣點(diǎn)布設(shè)考慮磷濃度的時間和空間變化,并確保所采集的樣本具有被采樣水體的代表性。水體磷濃度空間變異受點(diǎn)源及面源擴(kuò)散輸入、水中過程(如植物、藻類和細(xì)菌周轉(zhuǎn))、混合區(qū)、湖泊中隨深度的熱分層或河口中的鹽度分層的影響。時間變異受到河流流量和物理化學(xué)梯度(例如溫度和鹽度)的季節(jié)性(如夏季徑流量大于冬季)和短期(例如降雨事件)變化的影響[16]。
清潔的樣品容器和采樣器是減少污染的必要先決條件。采樣器具的清潔方法均涉及酸清洗,如在無磷洗滌劑中浸泡一夜,用超純水漂洗,然后在10%的鹽酸中浸泡一夜,最后用超純水[16]沖洗。樣品容器首選聚四氟乙烯(PTFE)或高密度聚乙烯(HDPE)材料??紤]價格因素,一般也可選用石英、硼硅酸鹽玻璃、低密度聚乙烯和聚丙烯等材質(zhì)。采樣的最小體積一般根據(jù)分析方法確定,建議至少500 mL。有研究者建議使用更大尺寸和更小表面積與體積比[17]的容器可以使吸附產(chǎn)生的損失最小化。灌裝樣品時,應(yīng)將樣品容器使用樣品蕩洗3 次后,裝滿整個容器。在采集樣品時,最好使用樣品空白來監(jiān)測取樣過程。
地表水測定總磷時加硫酸或者硝酸至pH<1,測定溶解性正磷酸鹽時不加任何保存劑,樣品于4 ℃以下保存,盡快分析。
測定總磷時水樣的處理方式為消解,一般為消解試劑+加熱的組合方法。常用的消解試劑為過硫酸鉀/過硫酸鈉、硝酸/高氯酸。加熱方式有微波加熱[10]、高壓蒸汽鍋加熱[11]、水浴加熱及烘箱加熱[18]、紫外加熱等[19]。另外也有研究者提出高溫燃燒消解法,即在550 ℃下將所有有機(jī)物轉(zhuǎn)化成無機(jī)鹽類[20],溶解后進(jìn)行測試。
不同的消解方法對不同形態(tài)的磷轉(zhuǎn)化成正磷酸鹽的效率不同。過硫酸鉀/過硫酸鈉+高壓蒸汽消解測定總磷,通過選取6 種含磷有機(jī)物模擬消解過程,發(fā)現(xiàn)不同的消解試劑對不同化合物消解效果不同。存在一些含磷化合物在兩種試劑及兩種加熱作用下均不能完全消解。這說明在傳統(tǒng)的消解方式下,仍然有部分磷未轉(zhuǎn)換成正磷酸鹽,這將會導(dǎo)致后續(xù)測試時測定的正磷酸鹽并非全部的總磷。Zhang[21]指出過硫酸鹽消解法對不同的溶解性磷化合物的轉(zhuǎn)換效率不同,例如肌醇磷酸鹽轉(zhuǎn)化成正磷酸鹽只有66%,相對濕法消解更推薦高溫燃燒法的干法消解方式。
分光光度法的基本依據(jù)是朗伯比爾定律,總磷國標(biāo)法的顯色原理是在酸性環(huán)境中,正磷酸鹽與鉬酸銨在銻鹽存在下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成磷鉬雜多酸,再加入抗壞血酸為還原劑,將其還原成藍(lán)色絡(luò)合物。此方法已有很多研究報道[22-24],通過改變?nèi)芤簆H、更換顯色試劑、更換還原劑等方式以提高方法靈敏度,通過增加比色皿厚度、萃取顯色物等方法提高準(zhǔn)確度。然而方法的弊端依然存在,在實(shí)際樣品測定中色度、濁度的干擾依然是影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不可避免的因素。通常采用補(bǔ)償法、過濾法和離心法去除干擾。但對于低濃度樣品,如果以色度-濁度補(bǔ)償試驗(yàn)會產(chǎn)生較大干擾,數(shù)據(jù)精密度、準(zhǔn)確度無法保證。
離子色譜法的基本原理是將水體中各種形式的磷轉(zhuǎn)化成正磷酸鹽,正磷酸鹽在色譜柱中隨強(qiáng)堿性淋洗液進(jìn)入陰離子色譜柱,以磷酸根的形式被分離出來后,用電導(dǎo)檢測器檢測[25]。根據(jù)保留時間定性,外標(biāo)法定量。這種方法的前提仍然是需要前處理步驟,而且在消解后高濃度的硫酸鹽妨礙磷酸鹽的測定。這可能是以前許多使用離子色譜研究磷酸鹽測定時,避免使用堿性過硫酸鹽消解或開發(fā)出一種更復(fù)雜的方法以最小化掩蔽這種干擾的最常見原因[26]。朱紅霞等[10]將環(huán)境監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室常用的微波消解前處理技術(shù)和離子色譜測定方法相結(jié)合,優(yōu)化微波消解和離子色譜條件,方法檢出限為0.002 mg/L。
電感耦合等離子體發(fā)射光譜法主要過程為:經(jīng)過濾或消解的水樣注入電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀后,目標(biāo)元素在等離子體火炬中被氣化、電離、激發(fā)并輻射出特征譜線,在一定濃度范圍內(nèi),其特征譜線的強(qiáng)度與元素的濃度成正比[12]。該方法測定磷的研究也有諸多報道。方法線性范圍寬,可以和其他元素同時測定;檢出限較高,適合廢水中總磷的測定。
電感耦合等離子體質(zhì)譜法也是一種測定水體中各種元素的方法,其原理是水樣經(jīng)預(yù)處理后,采用電感耦合等離子體質(zhì)譜進(jìn)行檢測,根據(jù)元素的質(zhì)譜圖或特征離子進(jìn)行定性,內(nèi)標(biāo)法定量[27]。待測元素隨進(jìn)樣系統(tǒng)進(jìn)入等離子體炬管后,再在高溫電離環(huán)境下轉(zhuǎn)化成帶電荷的正離子,經(jīng)離子采集系統(tǒng)進(jìn)入質(zhì)譜儀,質(zhì)譜檢測器根據(jù)離子的質(zhì)荷比進(jìn)行分離并定性、定量。該方法應(yīng)用總磷檢測的研究較少,主要受限于儀器發(fā)展的水平,以及對儀器操作人員有一定要求。
儀器:ICAP-RQ 型ICP-MS,美國賽默飛世爾科技公司;723 型分光光度計(jì),上海菁華科技有限公司;LDZF-50KB-Ⅱ型立式壓力蒸汽滅菌器,上海申安醫(yī)療器械廠;MARS6 微波消解儀,美國培安科技有限公司(CEM)。
試劑:硝酸(優(yōu)級純,經(jīng)2 次亞沸提純,科密歐試劑公司);過硫酸鉀(優(yōu)級純,SIGMA 公司);高氯酸(優(yōu)級純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司);磷標(biāo)準(zhǔn)儲備液(國家有色金屬及電子材料分析測試中心)。
樣品采集于湖庫、河流原有固定監(jiān)測斷面,用于測試的樣品分組采集:SA1#~SA10#加1%硝酸保護(hù)劑,SB1#~SB10#不加保護(hù)劑,SC1#~SC10#以0.45 μm 濾膜現(xiàn)場過濾后加1%硝酸保護(hù)劑。所有樣品盛裝在經(jīng)硝酸浸泡24 h 并清洗干凈的聚四氟乙烯采樣瓶中。所有組別均采集全程序空白水樣。
所有樣品按照2 種處理方式。過硫酸鉀消解:取水樣25 mL 置于比色管中,加入飽和過硫酸鉀4 mL,塞蓋以紗布包緊后置于高壓蒸汽鍋內(nèi)(1.1 kg/cm2,121 ℃)保持30 min。微波消解:20 mL 水樣加入到聚四氟乙烯消解管,加入高氯酸1 mL,設(shè)置消解溫度為120 ℃,消解時間實(shí)驗(yàn)優(yōu)化后確定。
ICP-MS 測定磷,提前調(diào)整預(yù)熱儀器,儀器參數(shù)按照儀器自動調(diào)諧的結(jié)果使用,元素選擇31P,配置濃度為1.0 μg/L、5.0 μg/L、10.0 μg/L、50.0 μg/L、100.0 μg/L、500.0 μg/L 的曲線濃度點(diǎn),保持2%硝酸酸度。內(nèi)標(biāo)選擇45Sc,在線添加,內(nèi)標(biāo)濃度為20 μg/L。線性回歸的結(jié)果為:Y=8.444X+9.515,相關(guān)系數(shù)r=0.9999。曲線最低點(diǎn)計(jì)算濃度與實(shí)際濃度相對偏差為6.5%。
分別以低濃度實(shí)際水樣平行測試7 次,計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差δ,以3 倍的標(biāo)準(zhǔn)偏差δ 認(rèn)定為方法的檢出限,即0.4 μg/L;4 倍檢出限認(rèn)定為測定下限,即1.6 μg/L。
正確度驗(yàn)證,以國家環(huán)境保護(hù)部標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所標(biāo)樣驗(yàn)證,結(jié)果均在保證值范圍內(nèi)。平行樣驗(yàn)證相對偏差為6.5%,實(shí)際水樣加標(biāo)濃度為5 μg/L,加標(biāo)回收率為93.2%。
以上結(jié)果說明ICP-MS 可以用于水中痕量磷的測定。
國標(biāo)法中應(yīng)用過硫酸鉀作氧化劑,高壓蒸汽鍋消解法已經(jīng)應(yīng)用多年,存在高溫高壓消解安全隱患、消解時間長等缺點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)研究微波消解,提高效率,降低風(fēng)險。
實(shí)驗(yàn)分別采用標(biāo)準(zhǔn)樣品和實(shí)際樣品在微波消解管中消解,評定在不同消解時間下的測定結(jié)果。分別采用ICP-MS 和光度法測定消解完成的水樣。總磷質(zhì)控樣品編號為200540,濃度為(193±22) ug/L,經(jīng)稀釋后進(jìn)行消解測定,結(jié)果見表2。
表2 不同消解時間下測定結(jié)果Tab.2 Determination results under different digestion time
從表2 可以看出,質(zhì)控樣無論消解時間多久,ICP-MS 法測定結(jié)果總能在給定范圍內(nèi),用光度法測定時消解10 min 以上,結(jié)果能夠在給定范圍內(nèi)。以實(shí)際樣品消解測定,15 min 能完全消解。因此,為提高樣品分析的效率,建議水樣消解時間為15 min。
根據(jù)不同的采樣預(yù)處理、消解方法、分析方法,分析地表水?dāng)嗝鏄悠?,結(jié)果見表3。
表3 不同采樣點(diǎn)位監(jiān)測結(jié)果Tab.3 Monitoring results of different sampling points
從表3 可知,未經(jīng)過濾測定水樣(SA 組)樣品磷的測定結(jié)果比經(jīng)0.45 μm 過濾處理的水樣(SC組)磷含量高,說明水體中懸浮顆粒物吸附有部分含磷物質(zhì),水樣過濾會使部分水樣磷含量監(jiān)測結(jié)果偏低,這符合實(shí)際情況。
微波消解ICP-MS 測定磷的結(jié)果,總體比國標(biāo)光度法測定的結(jié)果高,這可能與消解方式和測定方式有關(guān)。表2 數(shù)據(jù)也表明測定質(zhì)控樣品時,微波ICP-MS 法對消解時間沒有限制,測定值均能在給定范圍內(nèi);光度法必須消解完全后,測定值才能在給定范圍內(nèi)。采用過硫酸鉀+高溫蒸汽消解的方式測定結(jié)果總體偏小,可能是由于水樣中磷未完全轉(zhuǎn)化成正磷酸所致。而使用ICP-MS測定時,可以不考慮消解不完全的問題,只要樣品能夠進(jìn)入ICP 等離子體中,在高達(dá)幾千攝氏度的溫度下,所有含P 化合物電離成P+,進(jìn)而均能檢測到。同時對于較清潔地表水可以不用前處理,直接進(jìn)樣檢測。
加酸保存的水樣(SA 組)比沒有加酸保存的水樣(SC 組)監(jiān)測出磷的濃度高,說明水樣采集和保存方法對監(jiān)測結(jié)果有重要影響;樣品采集后磷會有一定的變化,因此加酸保護(hù)是重要的步驟。數(shù)據(jù)表明,樣品采集后加酸保護(hù)能夠促進(jìn)磷在水體中的穩(wěn)定,防止吸附在容器表面導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果偏小。
水體中磷的監(jiān)測要根據(jù)監(jiān)測目的,考慮采樣過程中的預(yù)處理和保存劑的使用??偭妆O(jiān)測過程中加1%的硝酸保存是可行的方法。本文比較了過硫酸鉀+高溫蒸汽消解+分光光度法與微波消解ICP-MS 法測定水中的磷。應(yīng)用微波消解后ICP-MS 法測定水中微量磷,曲線范圍為1.0~500 μg/L,線性相關(guān)系數(shù)為0.9999,檢出限為0.4 μg/L,能夠滿足Ⅰ類、Ⅱ類水體(特別是湖、庫)低濃度磷的監(jiān)測。同時優(yōu)化了微波消解時間,提高分析效率。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在一些監(jiān)測過程中使用濾膜過濾水樣會使水樣監(jiān)測濃度偏低,使用國標(biāo)分析方法也會低估了水體總磷的含量。微波消解ICP-MS法基于檢測過程中高溫電離環(huán)境能夠克服樣品前處理消解不完全的問題,同時可以不考慮水樣色度帶來的影響,是一種值得推廣的方法。
隨著儀器水平不斷進(jìn)步,本論文中還有許多地方需要進(jìn)一步研究,如:水樣的鹽度、有機(jī)物含量對儀器的干擾、ICP-MS 本身多原子離子干擾消除、消解后酸度控制對儀器靈敏度的影響等方面。