王少偉，張英紅，張聰，鄭峻峰，李妍，趙珮妮

(1.山東省煙臺(tái)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，山東煙臺(tái) 264000； 2.濟(jì)南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，濟(jì)南 250022)

水中硫化物主要包括溶解性H2S、HS-、S2-、懸浮物中的可溶性硫化物、酸可溶性金屬硫化物以及未電離的有機(jī)、無(wú)機(jī)類硫化物，具有高毒性、高腐蝕性、惡臭等特性[1-2]。雖然硫化物不存在于天然水中，但地下水(溫泉水、硫磺泉)、生活污水和某些工業(yè)廢水如石化煉焦、印染、制革、選礦等廢水中均可發(fā)現(xiàn)硫化物、硫酸鹽以及含硫有機(jī)物，硫酸鹽和含硫有機(jī)物在厭氧菌或微生物作用下會(huì)轉(zhuǎn)變成硫化物[3]。作為水環(huán)境中一項(xiàng)危害嚴(yán)重的污染源，硫化物能消耗水體中的氧氣，輕則造成水生物體質(zhì)下降，免疫力降低，重則出現(xiàn)急性中毒，造成大量死亡。水中硫化氫不僅能腐蝕金屬，而且能被水中的微生物氧化成硫酸，酸化、破壞水質(zhì)，甚至腐蝕下水道、自來(lái)水管等市政設(shè)施，損害公共設(shè)施，造成更大范圍的污染事故。硫化物在自然條件下很容易轉(zhuǎn)化成硫化氫并從水中逸散，在環(huán)境中產(chǎn)生毒性很大的臭味，被吸入人體的硫化氫與體內(nèi)的細(xì)胞色素、氧化酶等發(fā)生作用，破壞細(xì)胞氧傳遞過(guò)程，造成細(xì)胞組織缺氧窒息[4]。空氣中低濃度硫化氫對(duì)眼睛、呼吸系統(tǒng)及中樞神經(jīng)產(chǎn)生刺激作用，當(dāng)硫化氫濃度超過(guò)1%時(shí)，則會(huì)迅速引起頭疼、暈眩等現(xiàn)象，甚至造成昏迷或死亡[5]，因此，準(zhǔn)確測(cè)定水質(zhì)中硫化物含量對(duì)環(huán)境污染調(diào)查和生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有十分重要的意義。

目前，我國(guó)測(cè)定水質(zhì)硫化物的主要方法有碘量法[6]、亞甲基藍(lán)分光光度法[7]、流動(dòng)注射法[8]、離子色譜法[9]、火焰原子吸收法[10]、氣相分子吸收光譜法[11]等，其中《水質(zhì)硫化物的測(cè)定 碘量法》(HJ/T 60—2000)[6]和《水質(zhì)硫化物的測(cè)定 亞甲基藍(lán)分光光度法》(HJ 1226—2021)[7]應(yīng)用較廣泛。碘量法一般適用于硫化物濃度高于0.4 mg/L 的高濃度水樣測(cè)定，但不能滿足《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)[12]、《海水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3097—1997)[13]和《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)[14]中I 類、II 類、III 類甚至IV 類、V 類水質(zhì)硫化物的濃度限值要求，而且氧化還原性物質(zhì)、懸浮物等均會(huì)對(duì)測(cè)定造成干擾[15]。亞甲基藍(lán)分光光度法[7]引入了“酸化-蒸餾-吸收”法，規(guī)定了“酸化-吹氣-吸收”法處理溫度，改善了樣品預(yù)處理過(guò)程中硫化物損失大，硫化物回收率低，重復(fù)性不好等問(wèn)題[16-18]，并提出了高、低濃度兩條標(biāo)準(zhǔn)曲線等改進(jìn)措施后，降低了檢出限，提高了靈敏度，適用于低含量硫化物水質(zhì)測(cè)定。但該方法在實(shí)際應(yīng)用中，樣品制備涉及使用高溫加熱設(shè)備(水浴鍋、蒸餾儀)，不利于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定工作的順利開展，而且高、低濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線限制了樣品的分析過(guò)程。

為解決亞甲基藍(lán)分光光度法分析硫化物中存在的上述問(wèn)題，筆者進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究與討論，針對(duì)光照、顯色液加入量和加入方式、顯色液的配制方法對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響進(jìn)行了優(yōu)化，考察了校準(zhǔn)曲線的穩(wěn)定性，提出了N，N-二甲基對(duì)苯二胺溶液的配制新方法，推出了快速測(cè)定法，為準(zhǔn)確測(cè)定水質(zhì)硫化物測(cè)定提供一種簡(jiǎn)便易行的方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

可見分光光度計(jì)：T6 新悅型，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司。

全自動(dòng)硫化物前處理儀：HS-4A 型，北京斯珀特科技有限公司。

電熱恒溫水浴鍋：DK-101-IIa 型，天津市泰斯特儀器有限公司。

電子天平：BSA822-CW 型，感量為0.01 g，德國(guó)賽多利斯集團(tuán)。

純水系統(tǒng)：Milli-Q 型，美國(guó)密理博公司。

氫氧化鈉、硫酸鐵銨：優(yōu)級(jí)純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司。

抗壞血酸、乙二胺四乙酸二鈉：分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

N，N-二甲基對(duì)苯二胺鹽酸鹽：化學(xué)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

磷酸、硫酸、鹽酸：優(yōu)級(jí)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

氮?dú)猓杭兌炔恍∮?9.999%。

硫化物標(biāo)準(zhǔn)溶液：100 mg/L，k=2，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)編號(hào)為GSB 07-2733-2019，環(huán)境保護(hù)部標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所。

實(shí)驗(yàn)用水為去離子水，由Milli-Q 型純水系統(tǒng)制備。

1.2 溶液配制

氫氧化鈉溶液：10 g/L，稱取10.0 g 氫氧化鈉溶于1 000 mL 水中，搖勻。

抗氧化劑溶液：稱取4.0 g 抗壞血酸、0.2 g 乙二酸四乙酸二鈉、0.6 g 氫氧化鈉溶于100 mL 水中，搖勻貯存于棕色試劑瓶中，現(xiàn)用現(xiàn)配。

N，N-二甲基對(duì)苯二胺硫酸溶液：稱取2.0 gN，N-二甲基對(duì)苯二胺鹽酸鹽溶于200 mL 水中，緩緩加入200 mL 濃硫酸，冷卻后用水稀釋至1 000 mL，搖勻后室溫貯存于密閉的棕色瓶?jī)?nèi)。

N，N-二甲基對(duì)苯二胺磷酸溶液：稱取2.0 gN，N-二甲基對(duì)苯二胺鹽酸鹽溶于200 mL 水中，緩緩加入200 mL 濃磷酸，冷卻后用水稀釋至1 000 mL，搖勻后室溫貯存于密閉的棕色瓶?jī)?nèi)。

硫酸鐵銨溶液：稱取25.0 g 硫酸鐵銨溶于100 mL 含有5 mL 濃硫酸的水中，用水稀釋至250 mL，搖勻，溶液中如果出現(xiàn)不溶物或渾濁，需過(guò)濾后使用。

混合顯色液：將N，N-二甲基對(duì)苯二胺硫酸溶液或N，N-二甲基對(duì)苯二胺磷酸溶液與硫酸鐵銨溶液按照體積比7∶1 進(jìn)行預(yù)混合制成混合顯色液，搖勻后貯存于密閉的棕色瓶?jī)?nèi)，現(xiàn)用現(xiàn)配。

硫化物標(biāo)準(zhǔn)使用液：10.0 mg/L，準(zhǔn)確移取10.00 mL 100 mg/L 硫化物標(biāo)準(zhǔn)溶液于100 mL 棕色容量瓶中，用穩(wěn)定劑稀釋至標(biāo)線，充分搖勻。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1.3.1 校準(zhǔn)曲線的繪制

取6 支100 mL 具塞比色管，各加入氫氧化鈉溶液20 mL，分別量取0.00、0.50、1.00、2.00、4.00、7.00 mL 硫化物標(biāo)準(zhǔn)使用液加至各比色管中，沿比色管壁緩慢加入8 mL 混合顯色液，立即密塞并充分搖勻，放置10 min，用水定容至標(biāo)線，搖勻。采用10 mm 比色皿，以水作參比，在波長(zhǎng)665 nm 處測(cè)定吸光度。以硫化物的質(zhì)量濃度(mg/L)為橫坐標(biāo)，以扣除零濃度點(diǎn)后的吸光度值為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)工作曲線。

1.3.2 樣品制備與測(cè)定

移取適量混勻的固定水樣(以去離子水作空白樣品)轉(zhuǎn)移至500 mL 反應(yīng)瓶中，加水稀釋至200 mL，加入5 mL 抗氧化劑溶液，輕搖2～3 s。量取20 mL 氫氧化鈉溶液于100 mL 比色管中，導(dǎo)氣管下端插入吸收液液面下，連接好酸化-吹氣-吸收裝置，開啟水浴加熱使水溫升至60～70 ℃，氮?dú)庖?00 mL/min 速率吹掃5 min 除去系統(tǒng)中的空氣，加入10 mL 鹽酸溶液(1+1)，繼續(xù)以300 mL/min 速率吹氣30 min，清洗管路，關(guān)閉氣源。取下吸收比色管，沿比色管壁緩慢加入8 mL 混合顯色液，立即密塞并充分搖勻。放置10 min，用水定容至標(biāo)線，搖勻，測(cè)定吸光度。

2 結(jié)果與討論

2.1 光照對(duì)吸光度的影響

硫化物不穩(wěn)定，具有還原性，易被氧化或見光分解轉(zhuǎn)化為單質(zhì)硫，使測(cè)定結(jié)果偏低，因此樣品、抗氧化劑溶液、顯色液、硫化物標(biāo)準(zhǔn)溶液等均需裝于棕色玻璃瓶中，但HJ 1226—2021 未規(guī)定顯色反應(yīng)過(guò)程是否需要避光。

在避光與未避光條件下，分別對(duì)0.050 mg/L 和0.200 mg/L 硫化物標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行7 次測(cè)定，考察光照對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響，結(jié)果見表1。由表1 可知，0.050 mg/L 硫化物標(biāo)準(zhǔn)溶液避光與未避光條件下7次測(cè)定平均值分別為0.049、0.048 mg/L，測(cè)定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為5.0%和5.4%；0.200 mg/L硫化物標(biāo)準(zhǔn)溶液避光與未避光條件下7 次測(cè)定平均值分別為0.195、0.192 mg/L，測(cè)定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為2.6%和2.4%。結(jié)果表明，光照對(duì)吸光度無(wú)顯著影響，主要原因是當(dāng)把硫化物溶液加至氫氧化鈉吸收液中時(shí)，硫化物能被氫氧化鈉快速固定，不會(huì)被氧化或見光分解。加入顯色液后，在強(qiáng)酸性條件下，硫化物與N，N-二甲基對(duì)苯二胺和硫酸鐵銨反應(yīng)生成藍(lán)色絡(luò)合物亞甲基藍(lán)，反應(yīng)快速，基本不受光照條件影響，因此分析時(shí)無(wú)需考慮光照對(duì)比色反應(yīng)影響。

表1 避光與光照條件下硫化物標(biāo)準(zhǔn)溶液質(zhì)量濃度測(cè)定結(jié)果

2.2 顯色液的優(yōu)化

2.2.1 顯色液加入量

亞甲基藍(lán)分光光度法測(cè)定硫化物的原理是硫離子在硫酸鐵銨酸性溶液中與N，N-二甲基對(duì)苯二胺反應(yīng)生成藍(lán)色亞甲基藍(lán)，硫化物含量與吸光度成正比，其中N，N-二甲基對(duì)苯二胺的量可影響該顯色反應(yīng)。向質(zhì)量濃度分別為0.05、0.20、0.40、0.70 mg/L 的硫化物標(biāo)準(zhǔn)溶液中分別加入5、7、10、12、15 mLN，N-二甲基對(duì)苯二胺硫酸溶液，測(cè)定吸光度并繪制標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，結(jié)果如圖1 所示。從圖1 可見，當(dāng)N，N-二甲基對(duì)苯二胺硫酸溶液體積為7 mL時(shí)，4 種濃度的硫化物標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度均處于較高值，體積繼續(xù)增大，吸光度略微下降。HJ 1226—2021 中對(duì)N，N-二甲基對(duì)苯二胺硫酸溶液的規(guī)定加入量為10 mL，而該結(jié)果表明7 mLN，N-二甲基對(duì)苯二胺硫酸溶液可滿足顯色反應(yīng)需求，同時(shí)還將有毒試劑的消耗量降低了30%。

圖1 顯色液加入量對(duì)硫化物測(cè)定結(jié)果的影響

2.2.2 顯色液加入方式

在HJ 1226—2021 中，對(duì)顯色液加入方式規(guī)定為先向硫化物標(biāo)準(zhǔn)溶液或制備的樣品加入N，N-二甲基對(duì)苯二胺溶液，蓋塞倒轉(zhuǎn)后，再加入硫酸鐵銨溶液，《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法指南》[19]對(duì)亞甲基藍(lán)比色測(cè)定硫化物中顯色劑加入順序曾指出，“加入Fe3+和胺試劑的混合溶液則斜率明顯低于分別加入的”，但《空氣和廢氣監(jiān)測(cè)分析方法》[20]中測(cè)定硫化氫使用混合顯色劑，為考察混合顯色液在亞甲基藍(lán)分光光度法分析硫化物中應(yīng)用效果，配制并使用了N，N-二甲基對(duì)苯二胺-硫酸鐵銨混合顯色液，并與分步加入顯色液的校準(zhǔn)序列溶液吸光度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖2 所示。從圖2 可見，通過(guò)兩種不同顯色液加入方式的系列硫化物標(biāo)準(zhǔn)使用液吸光度ΔA≤0.005。分步加入顯色液和加入混合顯色液的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線的回歸方程分別為y=0.910 6x+0.006 9，y=0.904 3x+0.009 0，斜率降低0.69%，線性相關(guān)系數(shù)r分別為0.999 6、0.999 5。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，在兩種顯色液加入條件下，校準(zhǔn)曲線斜率和截距具有較高一致性，因此，可通過(guò)加入混合顯色液方式簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)分析步驟，提高分析效率。

圖2 顯色液不同加入方式對(duì)應(yīng)的吸光度

2.2.3 顯色劑配制方法

在HJ 1226—2021 中，采用濃硫酸配制N，N-二甲基對(duì)苯二胺溶液建立亞甲基藍(lán)分光光度體系，以10 mm 和30 mm 比色皿分別建立了高濃度和低濃度標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，并針對(duì)高、低濃度制定了相應(yīng)的樣品制備方式，但未提供樣品硫化物濃度粗判方法，僅按照水質(zhì)類型進(jìn)行分類(低濃度試樣：海水、地下水)，限制了該方法的實(shí)際應(yīng)用效果。實(shí)驗(yàn)中以濃磷酸代替濃硫酸配制N，N-二甲基對(duì)苯二胺磷酸溶液，繪制校準(zhǔn)曲線，考察顯色時(shí)間對(duì)吸光度的影響，并與原校準(zhǔn)曲線進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，(1) HJ 1226—2021 所指定N，N-二甲基對(duì)苯二胺硫酸溶液亞甲基藍(lán)分光光度體系穩(wěn)定性高，顯色2 h 內(nèi)的校準(zhǔn)曲線高度重合，但0.25 mg/L 硫化物溶液(高濃度曲線較低濃度范圍)在10 mm 比色皿條件下吸光度約為0.24，則在30 mm 比色皿條件下吸光度＞0.7，不滿足使吸光度落在0.2～0.7 內(nèi)；(2)N，N-二甲基對(duì)苯二胺磷酸溶液亞甲基藍(lán)分光光度法斜率與顯色時(shí)間呈正相關(guān)，可通過(guò)調(diào)整顯色時(shí)間改變靈敏度；(3)雖然相同濃度硫化物溶液在N，N-二甲基對(duì)苯二胺磷酸溶液亞甲基藍(lán)分光體系吸光度(靈敏度)低于使用N，N-二甲基對(duì)苯二胺硫酸溶液顯色液的吸光度，但可通過(guò)使用30 mm 光程比色皿提高靈敏度，并將HJ 1226—2021 高、低濃度兩條標(biāo)準(zhǔn)曲線整合，配制質(zhì)量濃度分別為0.02、0.05、0.10、0.15、0.20、0.40 mg/L 的系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液，繪制線性回歸方程y=1.255 2x+0.042 0，判別系數(shù)R2=0.998 5，線性相關(guān)系數(shù)r=0.999 2，簡(jiǎn)化了標(biāo)準(zhǔn)工作曲線的建立和樣品分析過(guò)程。

圖3 顯色液配制對(duì)硫化物測(cè)定結(jié)果的影響

2.3 快速測(cè)定法

在HJ 1226—2021 中，樣品制備主要通過(guò)“酸化-吹氣-吸收”法或“酸化-蒸餾-吸收”法，以上兩種方法均涉及使用高溫加熱設(shè)備，而且“酸化-吹氣-吸收”法還需使用純度不小于99.999%的氮?dú)?，因此上述操作只能在?shí)驗(yàn)室中完成。為簡(jiǎn)化分析步驟、減少分析時(shí)間，推出快速測(cè)定法對(duì)樣品進(jìn)行分析。

2.3.1 分析步驟

向100 mL 具塞比色管中加入氫氧化鈉溶液，加入待測(cè)樣品至標(biāo)線。沿比色管壁緩慢加入混合顯色液，立即密塞并充分搖勻，放置30 min 后，以水作參比測(cè)定吸光度，以扣除空白試樣的吸光度計(jì)算樣品中硫化物的濃度。以實(shí)驗(yàn)用水代替實(shí)際樣品，重復(fù)上述操作，進(jìn)行空白試樣處理。

2.3.2 加標(biāo)回收試驗(yàn)

優(yōu)化后的快速測(cè)定法中使用氫氧化鈉溶液固定硫化物時(shí)，考察氫氧化鈉溶液體積分別為2、10、20 mL 時(shí)的加標(biāo)回收率，快速測(cè)定法基質(zhì)加標(biāo)回收率結(jié)果如表2 所示。

表2 快速測(cè)定法基質(zhì)加標(biāo)回收率

由表2 可知，在氫氧化鈉溶液體積分別為2、10、20 mL 3 種條件下，硫化物的加標(biāo)回收率分別為72.0%～107%、79.4%～114%、84.8%～102%，測(cè)試結(jié)果滿足分析要求，表明快速分析法中氫氧化鈉溶液體積可以選擇2 mL，該方法提高了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急分析的能力。

2.4 比對(duì)試驗(yàn)

采用優(yōu)化后的方法對(duì)某地表水實(shí)際水樣進(jìn)行6次平行測(cè)定，并與HJ 1226—2021 方法測(cè)定結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果列于表3。由表3 可知，對(duì)于不含硫化物的地表水樣品，加標(biāo)回收率由63.9%提升至72.5%和75.2%，加標(biāo)樣品測(cè)定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差由15.7%降至11.9%和9.11%。通過(guò)優(yōu)化，該方法具有更好的精密度和加標(biāo)回收率，可用于水質(zhì)中硫化物的測(cè)定。

表3 比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

通過(guò)考察多個(gè)分析條件對(duì)測(cè)定水質(zhì)硫化物的HJ 1226—2021 方法進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果表明：

(1)雖然S2-在光照下易轉(zhuǎn)化，但在比色分析過(guò)程中，反應(yīng)不受光照影響，不需要避光操作；

(2)優(yōu)化了N，N-二甲基對(duì)苯二胺硫酸溶液顯色液加入量和加入方式，降低了顯色液的使用量，改用混合顯色液，降低有毒試劑使用量，簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)分析步驟，提高分析效率；

(3)改變顯色液配制方法，引入N，N-二甲基對(duì)苯二胺磷酸溶液顯色液，將高、低濃度兩條標(biāo)準(zhǔn)工作曲線進(jìn)行整合，簡(jiǎn)化了標(biāo)準(zhǔn)工作曲線的建立和樣品分析過(guò)程；

(4)提出了快速測(cè)定法，使用2 mL 氫氧化鈉溶液固定加標(biāo)量為5～70 μg 硫化物，回收率為72.0%～107%。

通過(guò)以上研究和優(yōu)化措施，相對(duì)于現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，該方法簡(jiǎn)化了標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立和樣品分析步驟、提高了回收率、提高了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急分析能力，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)方法有更好的改進(jìn)意義。日常工作中，應(yīng)根據(jù)樣品類型、分析過(guò)程、儀器條件等多方面考察，提高對(duì)實(shí)際樣品分析的準(zhǔn)確度。