吳寧安, 王瑞瑞, 劉金利, 房維潔, 杜 川

(清華大學(xué) 天津高端裝備研究院, 天津 300304)

0 引言

1918 年,德國化學(xué)家弗里茨·哈伯使用氮?dú)夂蜌錃獾幕旌蠚怏w為原料,在高溫、高壓和催化劑存在條件下合成了氨氣,在BASF 公司的工程師博施的協(xié)作下,實(shí)現(xiàn)了氨氣的工業(yè)化生產(chǎn),這種人工固氮技術(shù)被后世稱之為哈伯-博施法[1]。 氮肥的大量使用大大提升了農(nóng)作物的產(chǎn)量,有效緩解了人口激增導(dǎo)致的糧食危機(jī)[2]。 此外,氨氣作為化工原料,廣泛應(yīng)用于硝酸、銨鹽等產(chǎn)品的合成[3],同時(shí),還被應(yīng)用于儲(chǔ)氫材料、清潔燃料和冷凍液等行業(yè)[1]。 然而,氨氮和銨鹽極易溶于水中,侵入環(huán)境水體中的高濃度氨氮和銨鹽可導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化,致使藻類等浮游生物大量繁殖,進(jìn)而死亡的浮游生物不斷被好氧菌和厭氧菌分解,消耗水中的溶解氧,產(chǎn)生惡臭物質(zhì),嚴(yán)重破壞了水生生態(tài)系統(tǒng)[4]。 同時(shí),水體中的銨鹽可被氧化成硝酸鹽和亞硝酸鹽,這2 種致癌物會(huì)對(duì)人的身體健康造成嚴(yán)重影響。 另外,氨氣具有強(qiáng)烈的刺激性氣味,僅僅0.05‰ ～0.1‰體積濃度的氨氣就會(huì)灼傷人的眼睛、皮膚,危害人的呼吸系統(tǒng)[5]。

氨氮和銨鹽的控制和檢測受到了人們廣泛的關(guān)注,包括中國、英國、美國、澳大利亞在內(nèi)的眾多國家制定了針對(duì)氨氮和銨鹽排放的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。 其中,相關(guān)的檢測方法包括靛酚藍(lán)分光光度法[6]、納氏試劑分光光度法[7]、熒光分析法[8]、離子選擇電極法[9]、氣敏電極法[4]、離子色譜法[10]、生物酶檢測法[11]等。 分光光度法以其低廉的檢測成本、便捷的操作流程而得到廣泛應(yīng)用,其中以靛酚藍(lán)分光光度法和納氏試劑分光光度法最為常見。 納氏試劑分光光度法利用納氏試劑與氨溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成黃色化合物,這種黃色化合物溶液的吸光度與氨濃度成正比[7]。 納氏試劑分光光度法具有操作簡便,快捷等優(yōu)點(diǎn),但是納氏試劑分光光度法在檢測過程中使用了劇毒物質(zhì)HgCl2或HgI2,存在安全風(fēng)險(xiǎn),因此納氏試劑分光光度法的應(yīng)用受到了一定程度的限制[12]。

1859 年,Berthelot 等[13]將氨、苯酚和次氯酸鹽相混合發(fā)生了化學(xué)反應(yīng),生成了一種藍(lán)綠色化合物。在此Berthelot 反應(yīng)過程中,氨在堿性條件下與次氯酸鹽反應(yīng)生成氯胺,然后氯胺與苯酚反應(yīng)生成藍(lán)綠色化合物,生成化合物的色度與氨的濃度成正比[4],可據(jù)此用來檢測氨氮成分。 但是由于苯酚有很強(qiáng)的毒性,人們使用水楊酸、百里香酚、1-萘酚、愈創(chuàng)木酚和鄰氯苯酚等進(jìn)行了替換,其中以水楊酸的應(yīng)用較為廣泛。 另外,Berthelot 反應(yīng)耗時(shí)較長,人們?cè)诖朔磻?yīng)體系中加入亞硝基鐵氰化鈉作為催化劑,極大地加快了反應(yīng)速率[14]。 靛酚藍(lán)分光光度法是基于Berthelot 反應(yīng)而建立的檢測氨氮和銨鹽的基本方法,被廣泛應(yīng)用于水和空氣中氨氮和銨鹽的檢測[13]。 然而,目前靛酚藍(lán)分光光度法的研究與應(yīng)用多集中于配制成氨濃度低于1 μg/mL 的溶液進(jìn)行測試[6-7,15-16],而在實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)中,特別是涉及氨氮生產(chǎn)、氨氮固廢處理的場所,氨氮濃度較高,使用靛酚藍(lán)分光光度法測試時(shí)易存在檢測誤差,因此,針對(duì)高濃度氨氮溶液的靛酚藍(lán)分光光度法進(jìn)行檢測分析對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)具有一定的參考價(jià)值。 本文使用靛酚藍(lán)分光光度法對(duì)配制的一系列不同氨濃度(0.05 ～100 μg/mL)溶液進(jìn)行吸光度測試,發(fā)現(xiàn)了高氨濃度情況下的低吸光度反?，F(xiàn)象,并進(jìn)行了分析研究,同時(shí)對(duì)此催化反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了推測。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

試驗(yàn)儀器:紫外可見分光光度計(jì),上海儀電分析儀器有限公司;分析天平,Mettler Toledo;pH 計(jì),上海儀電科學(xué)儀器有限公司;1.5 立方密封艙,天津中科錦析科技有限公司;空氣采樣器,鹽城市紫光電子儀器有限公司。

試劑:硫酸,分析純,福晨(天津)化學(xué)試劑有限公司;水楊酸,分析純,福晨(天津)化學(xué)試劑有限公司;檸檬酸鈉,分析純,天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司;氫氧化鈉,分析純,天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司;亞硝基鐵氰化鈉,分析純,福晨(天津)化學(xué)試劑有限公司;氨水,分析純,25% ～28%,上海麥克林生化科技有限公司;氯化銨,優(yōu)級(jí)純,福晨(天津)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

按 照 GB/T 18204.2—2014[6]配 制 吸 收 液(c(H2SO4) =0.005 mol/L)、水楊酸溶液(50 g/L)、亞硝基鐵氰化鈉溶液(10 g/L)、次氯酸鈉溶液(0.05 mol/L)、氨標(biāo)準(zhǔn)溶液(1.00 mg/L),然后分別吸取0.00、0.50 mL、1.00 mL、3.00 mL、5.00 mL、7.00 mL 和10.00 mL 氨標(biāo)準(zhǔn)溶液于具塞比色管中,加吸收液至10 mL,各具塞比色管中氨濃度分別為:0、 0.05 μg/mL、 0.10 μg/mL、 0.30 μg/mL、0.50 μg/mL、0.70 μg/mL 和1.00 μg/mL,即氨含量分別為:0、0.50 μg、1.00 μg、3.00 μg、5.00 μg、7.00 μg 和10.00 μg。 然后分別加入0.5 mL 水楊酸溶液、0.1 mL 亞硝基鐵氰化鈉溶液和0.1 mL 次氯酸鈉溶液,混勻后室溫放置60 min,使用10 mm 比色皿,在697.5 nm 處,使用純水作為參比,測定各具塞比色管中溶液的吸光度。 然后以氨含量為橫坐標(biāo),吸光度為縱坐標(biāo),繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.2.2 樣品測定

將一定量的氯化銨經(jīng)過105 ℃干燥60 min,稱取3.142 g,使用少量純水溶解后倒入100 mL 容量瓶中,然后使用吸收液稀釋至刻度,此溶液氨濃度為10.00 mg/mL,然后用吸收液將其稀釋成氨含量100.00 μg/mL 的溶液。 進(jìn)一步,將溶液用吸收液稀釋成氨濃度范圍為3.00 ～100.00 μg/mL 的溶液。分別取10.00 mL 氨溶液倒入各具塞比色管中,在其中分別加入水楊酸溶液0.50 mL 或1.00 mL、亞硝基鐵氰化鈉溶液0.10 ～0.50 mL、次氯酸鈉溶液0.10 mL或0.20 mL。 將各溶液混勻后室溫放置60 min,使用10 mm比色皿,在697.5 nm 處,使用純水作為參比,測定各具塞比色管中溶液的吸光度,然后使用標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算氨反應(yīng)量。 使用pH 計(jì)測試溶液的pH 值。

分別稱取3.50 g 氨水倒入500 mL 燒杯中,用純水稀釋至100 mL,然后將綁有醫(yī)用脫脂紗布的玻璃棒直立放入燒杯中,再將燒杯放入1.5 立方密封艙中,開啟風(fēng)扇攪拌60 s 后關(guān)閉風(fēng)扇,密封放置24 h。使用裝有10.00 mL 吸收液的氣泡吸收管,以0.5 L/min的抽氣速率采樣0.25 ～2.00 L,使用靛酚藍(lán)分光光度法檢測溶液吸光度,再使用標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算氨反應(yīng)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

圖1 為氨含量-吸光度關(guān)系圖,從圖中可以看出在氨含量0 ～1 000.00 μg 時(shí),即在0 ～100.00 μg/mL的氨濃度范圍內(nèi),隨著氨含量的增加,吸光度先增加后降低。 當(dāng)具塞比色皿中氨含量為0 ～10.00 μg時(shí),即氨濃度在0 ～1.00 μg/mL 范圍內(nèi),氨含量與吸光度呈線性正相關(guān),標(biāo)準(zhǔn)曲線斜率為0.082 77(標(biāo)準(zhǔn)曲 線:y= 0.082 77x+ 0.029 83), 符 合 GB/T 18204.2—2014 中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)曲線斜率范圍(0.008 1 ±0.003)[6,17],此曲線的吸光度與靛酚藍(lán)濃度即氨反應(yīng)量有關(guān),因此可用此標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算各氨濃度下的氨反應(yīng)率;當(dāng)具塞比色皿中氨含量為0 ～30.00 μg 時(shí),即氨濃度在0 ～3.00 μg/mL 范圍內(nèi),即氨含量與吸光度仍然呈線性正相關(guān),標(biāo)準(zhǔn)曲線斜率有所降低,為0.076 45,與GB/T 18204.2—2014 中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)曲線斜率范圍(0.008 1 ±0.003)較為接近。 因此當(dāng)氨濃度在0 ～3.00 μg/mL 范圍內(nèi)時(shí),可認(rèn)為氨已經(jīng)基本完全反應(yīng)生成靛酚藍(lán)。

圖1 氨含量-吸光度關(guān)系Fig.1 The relationship diagram of ammonia-absorbance

當(dāng)具塞比色皿中氨含量為30.00 ～70.00 μg,即氨濃度為3.00 ～7.00 μg/mL 時(shí),氨含量與吸光度仍呈正相關(guān),但斜率進(jìn)一步降低,為0.028 0,這表明溶液中的氨未反應(yīng)完全。 當(dāng)具塞比色皿中氨含量為70.00 ～1 000.00 μg,即氨濃度為7.00 ～100.00 μg/mL時(shí),氨含量與吸光度呈負(fù)相關(guān)。 即其他條件不變的情況下,隨著氨含量的增加,氨反應(yīng)量不但沒有增加或者保持不變,反而出現(xiàn)反常的降低現(xiàn)象。 甚至當(dāng)氨濃度為100.00 μg/mL 時(shí)的吸光度(0.388)低于氨濃度為0.5 μg/mL 時(shí)的吸光度(0.429),這表明高濃度的氨溶液中氨的反應(yīng)受到了抑制。

圖2 為10 μg/mL 和100 μg/mL 氨濃度時(shí)的氨反應(yīng)率對(duì)比圖,從圖中可以看出在第1 h 時(shí),10 μg/mL氨溶液的氨反應(yīng)率為31.7%,即當(dāng)具塞比色皿中氨含量為100 μg 時(shí),氨反應(yīng)量為31.7 μg。而100 μg/mL 氨溶液的氨反應(yīng)率為0.433%,即當(dāng)具塞比色皿中氨含量為1 000 μg 時(shí),氨反應(yīng)量為4.33 μg,遠(yuǎn)低于10 g/mL 氨溶液的反應(yīng)量。 表明100 μg/mL 氨溶液的氨反應(yīng)速率降低,氨反應(yīng)受到抑制。 10 μg/mL 和100 μg/mL 氨溶液隨著反應(yīng)時(shí)間的延長,其氨反應(yīng)率也隨之增加,第5 h 相對(duì)于第1 h 時(shí)的氨反應(yīng)量增加率分別為14.3%、89.3%,表明100 μg/mL 高濃度氨溶液在第1 h 時(shí)氨反應(yīng)受到抑制的程度要高于10 μg/mL 的氨溶液。 高濃度氨溶液的氨反應(yīng)受到抑制的原因可能是氨過多加入對(duì)水楊酸、亞硝基鐵氰化鈉、次氯酸鈉或者pH 值產(chǎn)生了影響。

圖2 10 μg/mL 和100 μg/mL 氨溶液的氨反應(yīng)率對(duì)比Fig.2 Comparison of ammonia reaction rates of 10 μg/mL and 100 μg/mL ammonia solutions

2.2 不同條件下的氨反應(yīng)率

圖3 為不同條件下100 μg/mL 氨溶液的氨反應(yīng)率、pH 值關(guān)系對(duì)比圖。 圖中樣品水楊酸+亞硝基鐵氰化鈉+ 次氯酸鈉添加量分別為1#: 0.5 mL +0.1 mL+0.1 mL;2#:1.0 mL+0.1 mL+0.1 mL;3#:0.5 mL+0.2 mL +0.1 mL;4#: 0.5 mL +0.1 mL +0.2 mL;5#:1.0 mL+0.2 mL+0.1 mL;6#:0.5 mL+0.2 mL+0.2 mL;7#:1.0 mL+0.1 mL+0.2 mL;8#:1.0 mL+0.2 mL+0.2 mL。

圖3 不同條件100 g/mL 氨溶液的氨反應(yīng)率、pH 值關(guān)系對(duì)比Fig.3 Comparison of ammonia reaction rate and pH of 100 μg/mL ammonia solution under different conditions

從圖3 可以看出,各不同條件下100 μg/mL 氨溶液的 pH 值在12.50 左右, 而在氨濃度為1.00 μg/mL時(shí)的pH 值為12.53,各濃度溶液體系的pH 值基本相同,可見pH 值對(duì)此低吸光度反常現(xiàn)象的影響較小。

當(dāng)水楊酸添加量分別為0.5 mL、1.0 mL,亞硝基鐵氰化鈉+次氯酸鈉的添加量分別取0.1 mL +0.1 mL、0.2 mL +0.1 mL、0.1 mL +0.2 mL、0.2 mL+0.2 mL 時(shí),氨反應(yīng)量增加率分別為:31.6%、35.6%、24.7%、11.4%,平均增加率為25.8%。 當(dāng)亞硝基鐵氰化鈉添加量分別為0.1 mL、0.2 mL,水楊酸+次氯酸鈉的添加量分別取0.5 mL +0.1 mL、1.0 mL+0.1 mL、0.5 mL+0.2 mL、1.0 mL+0.2 mL時(shí),氨反應(yīng)量增加率分別為:147.5%、155.1%、141.9%、116.1%,平均增加率為140.2%。 當(dāng)次氯酸鈉添加量分別為0.1 mL、0.2 mL,水楊酸+亞硝基鐵氰化鈉添加量分別取0.5 mL +0.1 mL、1.0 mL+0.1 mL、0.5 mL+0.2 mL、1.0 mL +0.2 mL 時(shí),氨反應(yīng)量增加率分別為:29.1%、22.4%、26.2%、3.7%,平均增加率為20.4%。 可見亞硝基鐵氰化鈉對(duì)氨反應(yīng)率的影響最大,其次為水楊酸,然后是次氯酸鈉。

圖3 中1#～8#溶液第2 h 相對(duì)于第1 h 時(shí)氨反應(yīng)量增加率分別為: 31.3%、 24.0%、 28.7%、11.3%、19.0%、8.0%、1.5%、0.3%。 根據(jù)以上可推斷當(dāng)氨濃度在100.00 μg/mL 時(shí),氨未反應(yīng)完全,反應(yīng)受到抑制,導(dǎo)致此范圍的曲線斜率呈負(fù)值。

圖4 為不同亞硝基鐵氰化鈉添加量的100 μg/mL氨溶液的氨反應(yīng)率對(duì)比圖。 保持水楊酸和次氯酸鈉添加量不變,分別為0.5 mL 和0.1 mL,1#～5#亞硝基鐵氰化鈉添加量分別為0.1 mL、0.2 mL、0.3 mL、0.4 mL 和0.5 mL。

從圖4 可以看出,隨著亞硝基鐵氰化鈉添加量的增加,相同時(shí)間內(nèi)氨反應(yīng)率也隨之增加,第1 h時(shí),相對(duì)于1#,樣品2#～5#氨反應(yīng)量增加率分別為147.5%、414.8%、558.5%和711.6%。 1#～5#樣品均隨著反應(yīng)時(shí)間的增加氨反應(yīng)率增加,第5 h 相對(duì)于第1 h 時(shí)氨反應(yīng)量增加率分別為89.3%、83.4%、50.8%、42.5%和28.3%。 可見隨著亞硝基鐵氰化鈉添加量的增加,氨反應(yīng)率大幅度增加,與圖3 結(jié)論相符,這表明隨著亞硝基鐵氰化鈉添加量的增加,高濃度氨對(duì)亞硝基鐵氰化鈉的抑制作用降低。

圖4 不同亞硝基鐵氰化鈉添加量的100 μg/mL氨溶液的氨反應(yīng)率對(duì)比Fig.4 Comparison of ammonia reaction rates of 100 μg/mL ammonia solution with different amounts of sodium nitroprusside

2.3 1.5 立方艙測試

圖5 為1.5 立方艙采樣溶液-吸光度與標(biāo)準(zhǔn)曲線的對(duì)比圖,共采樣4 組,圖中從左到右采樣體積分別為0.25 L、0.50 L、1 L 和2 L。 從圖中可以看出隨著采樣量的增加,吸光度先增加后降低。 其中,采樣0.25 L 和0.50 L 時(shí)的吸收液吸光度分別為1.984和3.680,對(duì)應(yīng)于0 ～7.00 μg/mL 標(biāo)準(zhǔn)曲線氨濃度范圍內(nèi)的吸光度;而采樣0.25 L 吸收液吸光度對(duì)應(yīng)于0 ～3.00 μg/mL 標(biāo)準(zhǔn)曲線氨濃度范圍內(nèi)。 表明采樣0.25 L 時(shí),溶液中的氨完全反應(yīng),計(jì)算溶液中的氨濃度為2.53 μg/mL,即具塞比色皿中氨含量為25.3 μg。 因此,采樣0.50 L、1 L 和2 L 時(shí)吸收液的氨濃度為5.06 μg/mL、10.12 μg/mL 和20.24 μg/mL,檢測吸光度分別為3.680、3.50 和1.885。 這4 個(gè)點(diǎn)的吸光度與標(biāo)準(zhǔn)曲線相吻合,再次驗(yàn)證前文所述結(jié)論。

圖5 采樣溶液吸光度與標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)比Fig.5 Comparison of the sample solution absorbance and the standard curve comparison diagram

2.4 機(jī)理推測

根據(jù)上文,對(duì)高濃度氨溶液中的催化反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了推測,如圖6 所示,首先,氨與次氯酸鈉反應(yīng)生成氯胺,然后氯胺與水楊酸反應(yīng)生成氨基水楊酸,進(jìn)而發(fā)生異構(gòu)化反應(yīng)生成醌亞胺。 正常情況下,醌亞胺在亞硝基鐵氰化鈉的催化作用下,在堿性條件下,與水楊酸反應(yīng)生成靛酚藍(lán)[15,18]。 但是當(dāng)氨濃度過高時(shí),一方面會(huì)使反應(yīng)轉(zhuǎn)化率降低,另一方面,過量的氯胺可能會(huì)與亞硝基鐵氰化鈉的氰基發(fā)生化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致催化劑失活,進(jìn)而影響催化反應(yīng)活性。

圖6 催化反應(yīng)機(jī)理Fig.6 Catalytic reaction mechanism

3 結(jié)論

本文使用靛酚藍(lán)分光光度法對(duì)配制的一系列不同氨濃度的溶液(0.05 ～100 μg/mL)進(jìn)行吸光度測試,發(fā)現(xiàn)了高濃度情況下的低吸光度反?，F(xiàn)象,并進(jìn)行了分析研究,得出以下結(jié)論。

1)使用靛酚藍(lán)分光光度法測定氨氮吸光度,發(fā)現(xiàn)在0 ～100.00 μg/mL 的氨濃度范圍內(nèi),吸光度先增加后降低。 當(dāng)氨濃度為0 ～1.00 μg/mL 時(shí),氨含量與吸光度呈線型正相關(guān),標(biāo)準(zhǔn)曲線斜率為0.082 77;當(dāng)氨濃度為0 ～3.00 μg/mL 時(shí),氨含量與吸光度呈線型正相關(guān),曲線斜率降低,為0.076 45;當(dāng)氨濃度為3.00 ～7.00 μg/mL 時(shí),氨含量與吸光度仍呈正相關(guān),但斜率進(jìn)一步降低,為0.028 00;當(dāng)氨濃度7.00 ～100.00 μg/mL 時(shí),氨含量與吸光度呈負(fù)相關(guān),斜率為-0.003 24,即其他條件不變的情況下,隨著氨濃度的增加,氨反應(yīng)量出現(xiàn)降低現(xiàn)象。

2)發(fā)現(xiàn)100.00 μg/mL 高氨濃度時(shí)氨反應(yīng)量低于氨濃度為0.50 μg/mL 時(shí)氨反應(yīng)量。 通過對(duì)這種反?，F(xiàn)象研究發(fā)現(xiàn),亞硝基鐵氰化鈉對(duì)于氨反應(yīng)效率具有較大的影響,其次是水楊酸,然后是次氯酸鈉。 其他條件保持一致,亞硝基鐵氰化鈉添加量增加一倍,氨平均反應(yīng)量增加140.2%。

3)對(duì)此催化反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行推測,當(dāng)氨濃度過高時(shí),一方面會(huì)使反應(yīng)轉(zhuǎn)化率降低,另一方面,過量的氯胺可能會(huì)與亞硝基鐵氰化鈉的氰基發(fā)生化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致催化劑失活,進(jìn)而影響催化反應(yīng)活性。