亞硝酸鹽氮對次溴酸鈉氧化法氨氮測定的影響

閆坤朋，宋志文，劉 洋，梁滬蓮，徐愛玲

青島理工大學環境與市政工程學院，山東 青島 266033

隨著海水養殖業高密度、集約化、高產出的養殖模式的形成，海水養殖對海洋環境的污染不容忽視，其中氨氮對海水養殖中的魚類具有強毒性，且對海洋環境具有較大污染性，因此海水氨氮的監測越來越受到重視[1-5]。現行國家標準對于海水中氨氮的測定有2種方法(靛酚藍分光光度法和次溴酸鹽氧化法)[6]，其中次溴酸鹽氧化法因其不存在劇毒物質，且測量快速、簡便、靈敏而廣泛應用于海水的氨氮監測。《海洋監測規范》(GB 17378.4—2007)中，次溴酸鹽氧化法測得氨氮和亞硝酸鹽氮(以下簡稱亞硝氮)的總濃度，扣除亞硝氮濃度，即得氨氮的測量結果。筆者通過實驗發現，在亞硝氮存在時，按照標準方法測定氨氮的測量值和實際值相差較大，誤差不可忽略。國內已經有學者研究了次溴酸鈉氧化法的改進方法，任妍冰等提出了次溴酸鹽氧化法中蒸餾水空白樣、操作速度等影響因素對測定結果的影響[7]；張健等通過對次溴酸鹽氧化法的改良，提高了氨氮測定的上限[8]；楊翠鳳等對比了納氏比色法和次溴酸鹽氧化法測定氨氮的優劣[9]。但到目前為止，鮮有關于亞硝氮對氨氮測定結果影響的研究。

實驗采用改良后的次溴酸鈉氧化法，通過多組平行實驗研究了氨氮的測定結果與亞硝氮濃度的影響關系，通過等濃度氨氮不同梯度亞硝氮濃度的氨氮測定值與配制濃度的對比分析，闡明了影響因素，分析了影響原因，并對氨氮測量結果進行了修正。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

UVmini-1240可見-紫外分光光度計；10 mm石英比色皿；可調式移液器；電子天平；容量瓶；50 mL具塞比色管；恒溫箱；水浴鍋。

氨氮標準貯備溶液(1 000 mg/L)；亞硝氮標準貯備溶液(250 mg/L)；亞硝氮標準中間液(50 mg/L)；N-(1-萘基)乙二胺二鹽酸鹽溶液。以上試劑按照《次溴酸鹽氧化法》(GB 17378.4—2007)標準方法配制。

氨氮標準使用溶液(10 mg/L)：氨氮標準貯備溶液稀釋100倍；亞硝氮標準使用溶液1#(2 mg/L)：亞硝氮標準中間液稀釋25倍；亞硝氮標準使用溶液2#(10 mg/L)：亞硝氮標準中間液稀釋5倍。

溴酸鉀-溴化鉀貯備溶液；次溴酸鈉使用溶液；磺胺溶液。以上試劑的配制按照張健等[8]的改良方法配制。

1.2 實驗方法

1.2.1 氨氮和亞硝氮標準曲線的繪制

實驗室溫度為(23±1)℃，移取濃度為10 mg/L的氨氮標準使用液0、0.75、1.50、3.00、5.00、7.00 mL于6支50 mL具塞比色管中，用去離子水稀釋至50 mL，其對應濃度為0、0.15、0.30、0.60、1.00、1.40 mg/L，每支比色管中加5.0 mL現配次溴酸鈉溶液，密塞混勻，30 min后加入5 mL磺胺溶液，靜置5 min，加1.0 mL N-(1-萘基)乙二胺二鹽酸鹽溶液。15 min后用紫外-可見分光光度計于543 nm處，讀取吸光度值，繪制標準曲線。

移取濃度為2 mg/L的亞硝氮標準使用液1#0、0.50、1.50、2.50、3.50、5.00 mL于6支50 mL具塞比色管中，用去離子水稀釋至50 mL，其對應濃度為0、0.02、0.06、0.10、0.14、0.20 mg/L。每支比色管中加入1.0 mL顯色劑，靜置20 min后，用分光光度計于540 nm處，讀取吸光度值，繪制標準曲線。

1.2.2 亞硝氮濃度對氨氮測定結果的影響

研究進行6組平行實驗，每組平行實驗取9支200 mL容量瓶，每組容量瓶中加入的濃度為10 mg/L氨氮標準使用液的量和10 mg/L亞硝氮標準使用液2#的量如表1所示。

表1 氨氮和亞硝氮的添加量

根據表1添加的氨氮和亞硝氮的標準使用液體積，用去離子水稀釋至200 mL，混勻備用。移取50 mL混合液至具塞比色管中，按照次溴酸鹽氧化法的標準步驟測定比色管中溶液的氨氮濃度。另從容量瓶中移取一定量的溶液，用N-(1-萘基)乙二胺光度法測定其亞硝氮的含量[10]，以對氨氮濃度進行校正。由于測定亞硝氮的上限濃度為0.2 mg/L，亞硝氮配制濃度高于0.2 mg/L的混合液，可用水稀釋相應倍數測量。

2 結果與討論

2.1 標準曲線的繪制

根據實驗方法繪制出氨氮和亞硝氮的標準曲線，如圖1和圖2所示。氨氮的標準曲線方程為y=1.371 6x-0.023 7，相關系數(r)為0.999 6，亞硝氮的標準曲線方程為y=0.330 4x-0.003 6，r=0.999 4。

圖1 氨氮標準曲線

圖2 亞硝氮標準曲線

2.2 亞硝氮濃度與氨氮測定結果的關系

氨氮的測量濃度與真實濃度的差值如表2所示。

表2 氨氮測量值和理論值對比

注：①濃度單位均為mg/L；②相對誤差單位為%；③指原國標方法測定亞硝氮與氨氮濃度之和；組別中1.1表示第1組1號比色管，依次類推；“—”表示吸光度超過標準曲線范圍。

由表2可知，國標法測得的亞硝氮濃度與實際配制濃度相差不大，而用標準方法測得的氨氮濃度則出現較大誤差，在同一組氨氮濃度相同的條件下，混合溶液中不含亞硝氮時，氨氮測量值和理論值相差不大，但是隨著亞硝氮濃度的升高，氨氮的測量結果逐漸增大，表現出明顯的測量誤差。以第3組為例，氨氮濃度的理論值為0.5 mg/L，當亞硝氮濃度為0.1 mg/L，氨氮的測量值已經超出0.75 mg/L，相對誤差大于50%；當亞硝氮濃度為0.5 mg/L時，氨氮測量值已達到1.521 mg/L，相對誤差高達204%。硝化反應中，氨氮在好氧環境中轉化為亞硝氮，再由亞硝氮轉化為硝酸鹽氮，因此，整個硝化系統中常含有大量亞硝氮，這樣對氨氮測量的影響就不可避免。此時，按照傳統標準方法實現氨氮的測量準確性是不可能實現的，如果不能消除亞硝氮的影響或修正測量結果，這種測量結果就沒有意義。

6組亞硝氮濃度對氨氮測量結果的影響曲線見圖3。吸光度值在2以內時數據真實可靠，超過2時數據不可信，故忽略吸光度值超過2的結果。

圖3 亞硝氮濃度對氨氮濃度測量值的影響

由圖3可見，氨氮濃度的測量結果不僅隨亞硝氮濃度升高而變大，而且亞硝氮對氨氮的測量結果的影響呈線性正相關，擬制每組氨氮測定值和亞硝氮濃度的線性關系。值得注意的是，每組的線性關系曲線基本平行，關系式中斜率的范圍為1.7～1.9，顯示出在測量范圍內，關系式中的斜率不隨氨氮配制濃度的變化而變化，可見氨氮的測定結果產生的變化值(即氨氮測量的絕對誤差)與氨氮的初始配制濃度無關，只和亞硝氮濃度相關。

2.3 氧化時間和反應溫度對氨氮測定結果的影響

2.3.1 氧化時間對測定結果的影響

配制氨氮濃度分別為0.5、1.0 mg/L的2組標準溶液，室溫穩定，分別在氧化時間為5、15、30 min和1、2 h時測定氨氮含量。測定結果如表3所示。由表3可知，氧化時間在2 h內，測量值均接近于理論值，測量結果的相對誤差均低于5%，可見次溴酸鈉的氧化率與氧化時間無關。

表3 氧化時間對氨氮測定的影響

2.3.2 反應溫度對測定結果的影響

在堿性介質中，次溴酸鈉能夠將海水中的氨氮氧化為亞硝氮，用重氮-偶氮法測定由氨氮生成的亞硝氮和水樣中原有的亞硝氮，然后扣除水樣中原有的亞硝氮濃度，最終得出測定的氨氮濃度。次溴酸鈉在堿性環境中氧化氨氮為亞硝氮時反應電子式為

在研究溫度對次溴酸鈉氧化氨氮為亞硝氮的影響前，應先研究溫度對亞硝氮的重氮-偶氮反應的影響。

配制0.1、0.2 mg/L 2種濃度的亞硝氮溶液，取等量溶液分別在溫度為4、10、20、30、50、70 ℃的恒溫培養箱或水浴鍋中，按照N-(1-萘基)乙二胺光度法測定亞硝氮吸光度值，采用圖2繪制的標準曲線計算亞硝氮的測量濃度，見表4。由表4可知，隨著溫度的變化，亞硝氮測量的相對誤差均保持在2%以內，在溫度為4～70 ℃的范圍內，溫度的變化對亞硝氮的測量結果不產生影響。由此可知，在一定溫度范圍內，亞硝氮的重氮-偶氮反應不受溫度的干擾。

表4 溫度對亞硝氮測定的影響

實驗中由于反應時間對測定結果影響較小，取氧化時間為10 min，繪制標準曲線，得出不同溫度的氨氮標準曲線如圖4所示。

圖4 不同溫度下的氨氮標準曲線

由圖4可知，溫度低于30 ℃(包括30 ℃)時，標準曲線的線性明顯，50、70 ℃時線性較差。其中，4 ℃時氨氮標準曲線方程為y=0.274x-0.001；10 ℃時的標準曲線為y=0.353x+0.013；20 ℃時的標準曲線為y=0.515x+0.023；30 ℃時的標準曲線為y=1.280x+0.083；50 ℃時標準曲線一部分吸光度達到上限，取直線部分做標準曲線，標準曲線為y=2.188x+0.028。隨著溫度的升高，標準曲線的斜率有明顯的上升，即靈敏度明顯變大。在溫度從4 ℃升高至50 ℃的過程中，氨氮標準曲線方程斜率由0.274逐漸增加到2.188，靈敏度隨溫度變化明顯，增加了近7倍。在50 ℃時，甚至出現曲線“提前”達到測定上限的情況，這是由于相同理論濃度的氨氮溶液，溫度越高，產生的吸光度值越大造成的。但在溫度為70 ℃時，布點已經不規律，曲線不規則，可能與次溴酸鹽氧化劑受熱不穩定，性質發生改變有關。由于溫度對亞硝氮的重氮-偶氮反應影響較小，故在整個反應中，溫度對標準曲線靈敏度的影響主要來自溫度對次溴酸鈉氧化劑氧化氨氮的過程影響，因此可以推測次溴酸鈉不能完全將氨氮轉化為亞硝氮，而且氧化率隨著溫度的升高越來越大。以下即為氧化率不足導致亞硝氮對氨氮測量結果影響的理論推導過程：

設氧化率為α，單位濃度亞硝氮產生的吸光度為A，則單位濃度氨氮產生的吸光度為αA，那么氨氮的理論工作曲線方程為

水樣中含有氨氮含量C(a)，亞硝氮含量C(y)，則氨氮的測量濃度為

化簡得：

可知，當α=1時，理論上可達到ρ(a)=C(a)，即測量值等于理論值；當α<1時，ρ(a)=C(a)，即測量值大于理論值，氧化率越低，測量值的誤差越大。此公式也可以解釋上述結果，即在氨氮理論值C(a)一定的情況下，氨氮測量值隨亞硝氮濃度的升高而呈線性增大。

需要注意的是，5～30 ℃時各標準曲線的線性相關性較好，也就是說在溫度一定時，次溴酸鹽氧化率保持穩定不變，所以盡管次溴酸鹽的氧化率不足100%，在一定溫度下，水樣不受亞硝氮干擾時繪制的氨氮標準曲線仍具有參考意義。在 次溴酸鈉氧化法測量氨氮濃度時，次溴酸鈉對氨氮的氧化程度會對測量結果造成直接影響，次溴酸鈉對氨氮的氧化不完全可能是導致亞硝氮含量對氨氮測量結果產生影響的原因。

2.4 氨氮測量值的修正

由圖3知亞硝氮對氨氮測量的絕對誤差的影響與氨氮的理論值無關，即溫度一定時，氨氮測量的誤差只和亞硝氮濃度有關，根據表2中數據，擬合亞硝氮濃度和氨氮測量絕對誤差的關系曲線，見圖5。

圖5 亞硝氮濃度和氨氮測量絕對誤差的關系曲線

參與制作曲線的點共32個，擬制的標準曲線方程為y=1.834x+0.018，r=0.996 7，散點圖的幾何中心為(0.306 3,0.579 6)，該標準曲線的殘余偏差自由度v=30[12]，標準曲線的殘余標準偏差為

標準曲線斜率標準偏差為

取置信區間為95%，查t分布表得t=1.697[13]，則斜率擴展不確定度為

U(k)=s(k)×t=0.027×1.697=0.046

標準曲線截距的標準偏差為

同理可知，截距擴展不確定度為

U(b)=s(b)×t=0.011×1.697=0.019

故標準曲線斜率的參考值為1.834±0.046，截距參考值為0.018±0.019。

據亞硝氮濃度對氨氮測量誤差的關系曲線，可修正(23±1)℃下氨氮測量值的計算公式為

ρ′(a)=N-2.834ρ(y)-0.018

式中:N為查氨氮標準曲線得到的濃度值；ρ(y)為亞硝氮測量值；ρ′(a)為修正后氨氮的計算值。由于溫度對次溴酸鹽氧化法的影響較大，溫度的變化會導致氨氮標準曲線靈敏度的變化，從而引起N值的變化，也使亞硝氮濃度對氨氮測量絕對誤差的關系曲線方程發生改變，使修正公式發生改變。所以在溫度變化較大時，須按照該實驗方法重新推算修正公式。按照該方法可以得出不同溫度下修正公式的通用公式為

ρ′(a)=N-(1+k)ρ(y)-b

式中：ρ′(a)、N、ρ(y)同上一致，k和b為不同溫度下亞硝氮濃度和氨氮測量絕對誤差的線性方程的線性系數。

根據氨氮測定的計算公式，檢測表2中第5組數據，如表5所示。由表5可見依據氨氮計算公式得出的氨氮計算值大大減少了測量誤差，修正后的公式精確性良好。

表5 氨氮修正公式的檢驗

3 結論

1)在次溴酸鹽氧化法測水體氨氮時，水體中亞硝氮的含量會對測量結果造成很大影響，亞硝氮濃度越高，氨氮的測量結果呈線性升高。誤差是由于在次溴酸鹽將氨氮氧化為亞硝氮的過程中氧化率不足導致的，氧化率與反應溫度有關，隨著反應溫度的升高，氧化率變大，且在溫度一定時，氧化率穩定。

2)在室溫為(23±1)℃時，通過擬制亞硝氮對氨氮絕對誤差的影響曲線方程，得出氨氮測量值修正后的公式為ρ′(a)=N-2.834ρ(y)-0.018。

3)建議在實驗室溫度變化超過3 ℃時，重新繪制氨氮的標準曲線，并重新校核亞硝氮對氨氮的影響曲線以校準氨氮測量的計算修正公式，其方法與該研究中提及方法一致。

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