蔣 艷，雍曉蕾,*，黃朝顏，劉 煦，佟 玲，王照麗

(1.成都市排水有限責(zé)任公司，四川成都 610063；2.成都市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，四川成都 610072)

氨氮檢測方法有分光光度法、電極法、滴定法等。分光光度法由于靈敏度高、穩(wěn)定性好，是氨氮檢測最常用的方法，主要以納氏試劑分光光度法和水楊酸分光光度法為主[1-3]。近些年，由于配制納氏試劑的多種方法均含有汞的化合物和強(qiáng)堿，對(duì)環(huán)境和人體危害嚴(yán)重，產(chǎn)生的廢液不可直接排放，需另行處理，大大增加了檢測成本[2]。目前越來越多的檢測人員更愿選擇所用試劑無毒、對(duì)環(huán)境污染小、產(chǎn)生廢液可以直接排放的水楊酸法檢測氨氮，更符合現(xiàn)代檢測機(jī)構(gòu)的環(huán)保理念[4-7]。

國標(biāo)方法水楊酸法檢測氨氮的檢出上限僅為1.00 mg/L，同時(shí)需要顯色60 min，耗時(shí)較長，在較高氨氮濃度的工業(yè)廢水以及應(yīng)急快速檢測等方面均有較大限制[1]。此外，該法所用次氯酸鈉溶液化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，需要經(jīng)常對(duì)其有效氯及游離堿進(jìn)行驗(yàn)證，較短的保質(zhì)期也增加了新溶液配制頻率，帶來了檢測的不便和浪費(fèi)。水楊酸法檢測氨氮是通過檢測氨氮與次氯酸鹽和水楊酸鹽反應(yīng)生成的水溶性藍(lán)色化合物的吸光度變化來確定氨氮的含量，目前已有不少研究者選擇穩(wěn)定性更好的二氯異氰酸鈉代替次氯酸鈉用于水質(zhì)氨氮檢測[6-9]。次氯酸鈣作為一種含氯穩(wěn)定、價(jià)格更便宜的次氯酸鹽，目前還尚未有用于水質(zhì)氨氮檢測的報(bào)道。本研究選擇次氯酸鈣代替次氯酸鈉，通過優(yōu)化其與水楊酸鈉等試劑的加入比、顯色時(shí)間、顯色溫度等條件，擬為水質(zhì)氨氮快速、準(zhǔn)確檢測提供一種更優(yōu)的方法。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

儀器：普析TU-1901紫外-可見光分光光度計(jì)；上海雷磁PHS-3C型pH計(jì)；梅特勒AL204電子天平；北京中興偉業(yè)DZKW-4電子恒溫水浴鍋；10 mL具塞比色管；電子移液器、移液管等。所有玻璃器皿在使用前均先用每升含有100 g氫氧化鉀和900 mL乙醇的清洗溶液清洗，再用去離子水多次沖洗。

試劑：水楊酸鈉、酒石酸鉀鈉、亞硝基鐵氰化鈉、次氯酸鈣(有效氯含量為60%)、NaOH均為分析純，購自Sigma-Aldrich公司；氯化銨(NH4Cl)為優(yōu)級(jí)純。其中混合試劑A為亞硝基鐵氰化鈉、水楊酸鈉、酒石酸鉀鈉、NaOH質(zhì)量比為4∶60∶20∶5的混合溶液，即每100 mL混合試劑A含1.0 g亞硝基鐵氰化鈉、15.0 g水楊酸鈉、5.0 g酒石酸鉀鈉、1.25 g NaOH?；旌显噭〣為NaOH和次氯酸鈣質(zhì)量比為6∶1的混合溶液，即每100 mL含3.0 g NaOH和0.5 g次氯酸鈣。1 000 mg/L的氨氮標(biāo)準(zhǔn)貯備液的配制為稱取在100～105 ℃干燥 2 h的NH4Cl 3.819 0 g，溶于無氨水，再轉(zhuǎn)移到 1 000 mL棕色容量瓶中，稀釋至標(biāo)線備用，以此為基礎(chǔ)稀釋成試驗(yàn)所需的不同濃度的氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液。

1.2 試驗(yàn)原理

1.3 試驗(yàn)方法

取300 μL混合試劑A和300 μL混合試劑B的上清液加入10.0 mL具塞比色管，再分別加入0.00、0.50、1.00、3.00、5.00 mL質(zhì)量濃度為1.00 mg/L的氨氮標(biāo)準(zhǔn)使用液和1.00、2.00、2.50 mL質(zhì)量濃度為10.0 mg/L的氨氮標(biāo)準(zhǔn)使用液，配制成0、0.05、0.10、0.30、0.50、1.00、2.00、2.50 mg/L 8個(gè)不同質(zhì)量濃度的標(biāo)準(zhǔn)系列，混勻定容。在室溫反應(yīng)20 min后，用10 mm比色皿在697 nm比色測定其吸光度并做3個(gè)平行，參比溶液為去離子水。實(shí)際樣品則在最優(yōu)試驗(yàn)條件下進(jìn)行氨氮濃度測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)條件的選擇

2.1.1 藥劑的選擇

水楊酸法檢測氨氮是在亞硝基鐵氰化鈉存在下，氨氮與水楊酸鹽和次氯酸鹽生成水溶性藍(lán)色化合物，其顯色吸光度與氨氮含量成正比，滿足朗伯爾定律。國標(biāo)法HJ 536—2009測氨氮時(shí)水楊酸溶解需要調(diào)pH，且選用次氯酸鈉作為次氯酸離子的來源，使用時(shí)需準(zhǔn)確測定其有效氯和游離堿值，步驟繁瑣且次氯酸鈉不穩(wěn)定，不宜長期存貯。目前已有不少研究者選擇二氯異氰酸鈉代替次氯酸鈉用于水質(zhì)氨氮檢測[5-8]，而次氯酸鈣與二氯異氰酸鈉一樣具有有效氯含量高、緩釋時(shí)間長和性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，且更易得，價(jià)格也更便宜，故本文選擇次氯酸鈣參與顯色反應(yīng)。

2.1.2 試劑用量選擇

在空白樣和含有0.50、2.50 mg/L氨氮的標(biāo)準(zhǔn)溶液中加入不同量的混合試劑A和混合試劑B，在(25±2)℃的室溫下顯色20 min后，用10 mm比色皿在697 nm測定吸光度，結(jié)果如表1所示。由表1可知，隨著混合試劑A和混合試劑B加入量的增加，其吸光度值也隨之增加。但在加入400 μL混合試劑A和混合試劑B時(shí)，溶液顯色受試劑亞硝基鐵氰化鈉影響，穩(wěn)定性不佳，且空白樣吸光度大于0.030[1-2]。故混合試劑A和混合試劑B的用量均為300 μL最佳。

表1 混合試劑A與混合試劑B的用量對(duì)顯色吸光度的影響

2.1.3 顯色時(shí)間選擇

分別取0.30、1.50、2.50 mg/L的氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液，在(25±2)℃室溫下，按照1.3小節(jié)試驗(yàn)步驟進(jìn)行試驗(yàn)。從加樣定容就開始進(jìn)行吸光度的掃描，記錄90 min的結(jié)果如圖1所示。不論低、中、高氨氮濃度均在加入5 min左右就開始出現(xiàn)快速的化學(xué)反應(yīng)；10～15 min時(shí)，吸光度逐漸趨于平衡；待顯色20 min后，化學(xué)反應(yīng)完全完成，吸光度基本不變。由此可知，采用本法測定水中氨氮的顯色時(shí)間為20 min，這是HJ 536—2009標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的60 min顯色時(shí)間的1/3。

圖1 時(shí)間與吸光度的變化曲線

2.1.4 顯色溫度選擇

選取0.50 mg/L和2.50 mg/L 氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液，通過水浴條件考察了5、10、20、25、30、35、40、45 ℃溫度條件下，顯色20 min后的吸光度值(圖2)。結(jié)果表明，低于10 ℃和高于35 ℃時(shí)，氨氮反應(yīng)液的吸光度值均偏低，當(dāng)溫度在10～35 ℃時(shí)，其吸光度變化誤差不大于2%。因此，反應(yīng)溫度以10～35 ℃為宜。

圖2 不同溫度下吸光度變化

2.2 試劑穩(wěn)定性

隨著混合試劑A和混合試劑B的失效，所測得的氨氮濃度會(huì)比實(shí)際值低。為確定混合試劑A和混合試劑B的有效使用時(shí)間，試驗(yàn)采用固定間隔時(shí)間在同一溫度下，即25 ℃時(shí)，對(duì)最高量程氨氮濃度按照1.3小節(jié)試驗(yàn)方法進(jìn)行結(jié)果測定，根據(jù)此測量值較實(shí)際濃度降低的誤差來確定混合試劑A與混合試劑B的有效使用時(shí)間[9]。試驗(yàn)連續(xù)10周，每間隔一周檢測2.50 mg/L氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液的檢測結(jié)果。由圖3可知，第1～8周的結(jié)果相對(duì)誤差均小于2%，但到了第9周，檢測結(jié)果顯著降低，相對(duì)誤差也超過了5%。因此，本方法所用混合試劑A與混合試劑B需要于4 ℃低溫密封避光存放，有效期為2個(gè)月。

圖3 混合試劑A和混合試劑B的有效使用時(shí)間試驗(yàn)

2.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線與檢出限

由圖4可知，NH4Cl質(zhì)量濃度在0～2.50 mg/L時(shí)，其含量與吸光度呈良好線性關(guān)系，線性方程為y=0.867x+0.007，線性相關(guān)系數(shù)R為0.999 8，說明該方法檢測范圍相比HJ 536—2009擴(kuò)大了2.5倍。

圖4 氨氮的標(biāo)準(zhǔn)曲線

對(duì)質(zhì)量濃度為0.03 mg/L的氨氮標(biāo)準(zhǔn)使用液分兩組各測定8次，吸光度分別為0.033、0.035、0.038、0.037、0.032、0.035、0.038、0.034和0.032、0.036、0.038、0.037、0.035、0.036、0.034、0.036，帶入曲線得到氨氮質(zhì)量濃度分別為0.030、0.032、0.036、0.035、0.029、0.032、0.036、0.031 mg/L和0.029、0.033、0.036、0.035、0.032、0.033、0.031、0.033 mg/L。根據(jù)《環(huán)境監(jiān)測分析方法標(biāo)準(zhǔn)制修訂技術(shù)導(dǎo)則》(HJ 168—2020)[10]中附錄 A1.1的一般確定方法，按式(1)得到方法檢出限(MDL)分別為0.008 mg/L和0.006 mg/L，均滿足選擇的氨氮標(biāo)準(zhǔn)使用液在所得MDL的3～5倍的要求，故選擇較大數(shù)據(jù)(0.008 mg/L)為本方法的MDL。

MDL=t(n-1,0.99)×S

(1)

其中：n——樣品的平行測定次數(shù)；

t——自由度為n-1，置信度為99%時(shí)的t分布值(單側(cè))；

S——n次平行測定的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

當(dāng)平行測定次數(shù)為8時(shí)，t值為2.998。

2.4 準(zhǔn)確度和精密度試驗(yàn)

按照1.3小節(jié)試驗(yàn)方法的樣品分析的全部步驟，用本法對(duì)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所的標(biāo)準(zhǔn)樣品[GSB 07-3164-2014號(hào)，保證值為(9.13±0.36)mg/L]進(jìn)行7次平行測定。7次測定結(jié)果分別為9.17、9.05、9.28、9.19、9.31、9.22、9.01 mg/L，均滿足保證值的不確定度要求，樣品的平均值為9.18 mg/L，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.21%。選取某城鎮(zhèn)污水處理廠再生水及地表水分別進(jìn)行0.20 mg/L和0.50 mg/L兩個(gè)質(zhì)量濃度氨氮的加標(biāo)，加標(biāo)方法為在100.0 mL水樣中加入0.2 mL或0.5 mL質(zhì)量濃度為100.0 mg/L的氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液，每種樣品做3個(gè)平行樣，得到再生水和地表水的加標(biāo)回收率分別為 94.0%、102.6%和102.0%、99.4%，說明該方法的精密度和準(zhǔn)確度均良好(表2)。此外，HJ 536—2009 國標(biāo)方法在消除干擾中提到水樣中存在高濃度的鈣會(huì)影響檢測結(jié)果，而本研究所用次氯酸鈣溶液為上清液，且用量較小，且從方法的精密度和準(zhǔn)確度良好也驗(yàn)證了少量鈣離子對(duì)檢測結(jié)果不存在干擾，這與團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CPMA 021—2020[11]結(jié)論一致。

表2 加標(biāo)回收試驗(yàn) (n=3)

2.5 實(shí)際樣本測定

選取某工業(yè)廢水、某城鎮(zhèn)生活污水、再生水和地表水4類實(shí)際水樣，用該方法與 HJ 536—2009 國標(biāo)方法進(jìn)行對(duì)比。由表3可知，本試驗(yàn)方法與 HJ 536—2009 國標(biāo)方法在精密度和準(zhǔn)確度上基本一致，說明方法準(zhǔn)確可靠。另外，由于該方法的檢測范圍比 HJ 536—2009 國標(biāo)方法擴(kuò)大了2.5倍，對(duì)于氨氮含量比較高的水樣減少了取樣過程中的稀釋倍數(shù)，使得最終的測量結(jié)果相對(duì)誤差略微低于HJ 536—2009 國標(biāo)方法，表明檢測量程范圍的擴(kuò)大有利于提高方法準(zhǔn)確性。

表3 該方法與HJ 536—2009的對(duì)比 (n=3)

3 結(jié)論

本研究建立了次氯酸鈣-水楊酸鈉分光光度法，可快速簡便測定水質(zhì)中的氨氮含量。通過配制水楊酸鈉、亞硝基鐵氰化鈉混合顯色劑，優(yōu)化試劑配比，結(jié)果表明僅需反應(yīng)20 min，氨氮便可顯色完全，且氨氮質(zhì)量濃度在0～2.50 mg/L時(shí)與吸光度線性良好，線性相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.999 0以上。與HJ 536—2009國標(biāo)法比較，檢測范圍擴(kuò)大了2.5倍，顯色時(shí)間為規(guī)定時(shí)間的1/3，準(zhǔn)確度和精密度與HJ 536—2009國標(biāo)法基本一致。另外，堿性次氯酸鈣溶液與水楊酸鈉、亞硝基鐵氰化鈉混合顯色劑分別僅需加入300 μL參與反應(yīng)，不僅節(jié)省了反應(yīng)試劑用量，還降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，操作更簡便。所建立新方法通過混合試劑的開發(fā)縮短了檢測時(shí)間，并且不存在有毒有害試劑，不造成環(huán)境二次污染，可廣泛推廣于地表水、再生水、生活污水、工業(yè)廢水等不同水體的氨氮測定。