硫酸肼還原法測定水中硝酸鹽氮評價(jià)

宗宇寒，葛偉偉，趙鳴，汪趙含，楊正意，李宇亮

(1.長安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

硝酸鹽氮是含氮有機(jī)物經(jīng)無機(jī)化作用得到的最終分解產(chǎn)物[1]，當(dāng)水中硝酸鹽氮的含量過高時(shí)，就會對人體健康產(chǎn)生一定的危害。在氮同位素測定過程以及硝化和反硝化反應(yīng)過程中，硝酸鹽氮的濃度測定極其重要。與此同時(shí)，由于硝酸鹽氮可以作為評價(jià)水環(huán)境質(zhì)量的重要參數(shù)，并且人類活動造成的硝酸鹽污染較為嚴(yán)重，因此研究水中硝酸鹽氮的含量對人們生活具有重要意義[2]。

目前，對于測定水中硝酸鹽氮含量的方法主要為紫外分光光度法、離子色譜法以及酚二磺酸光度法等[3]。其中，紫外分光光度法適用于清潔地表水和未受明顯污染的地下水，檢測范圍較小；離子色譜法雖然精確度較高，但是對儀器要求也較高，所需儀器較為昂貴，且離子色譜圖中氯離子會在一定程度上掩蔽硝酸根離子的譜圖，無法消除氯離子對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響；酚二磺酸光度法對反應(yīng)條件較為嚴(yán)格，難以控制，易受到外界因素干擾，導(dǎo)致最終測定結(jié)果偏差較大[4]。而硫酸肼還原法精確度較高，且操作簡便、快捷，因此本實(shí)驗(yàn)采用硫酸肼還原法測定水中硝酸鹽氮。但是該方法也存在一定的局限性，測定污染嚴(yán)重的水樣時(shí)結(jié)果偏差較大[5]。

本文建立了線性良好的硝酸鹽氮的標(biāo)準(zhǔn)曲線，并對氯離子、硫酸根離子、亞硝酸根離子、銨根離子干擾離子進(jìn)行了單因素變量實(shí)驗(yàn)，通過對最終測定結(jié)果的分析研究以及掌握各因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響來提高最終測定結(jié)果的準(zhǔn)確度，為之后測定水樣的結(jié)果提供較為可靠的依據(jù)。根據(jù)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的觀察，采用硫酸肼還原法測定水中的硝酸鹽氮得到的結(jié)果較為準(zhǔn)確，可廣泛應(yīng)用到水質(zhì)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)過程中去。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

氫氧化鈉、硫酸肼、鹽酸萘乙二胺、對氨基苯磺酰胺、硝酸鉀、CuSO4·5H2O、ZnSO4·7H2O等均為分析純。

HHS-6恒溫水浴鍋；721分光光度計(jì)；BSA6202S分析天平。

1.2 試劑的配制

分別配制10%NaOH溶液、0.07%硫酸肼溶液、0.1%鹽酸萘乙二胺溶液。

1.2.1 銅鋅催化液 準(zhǔn)確稱取0.02 g CuSO4·5H2O與0.44 g ZnSO4·7H2O，溶于水，充分溶解后轉(zhuǎn)移至250 mL容量瓶中，定容，搖勻。

1.2.2 1%的磺胺溶液 稱取1 g對氨基苯磺酰胺，溶于30 mL鹽酸中，加水40 mL，充分溶解后轉(zhuǎn)移至100 mL容量瓶中，定容，搖勻。

1.2.3 硝酸鉀標(biāo)準(zhǔn)儲備液(100 mg/L) 將適量硝酸鉀在105～110 ℃下烘干2 h，在干燥器中冷卻至室溫；稱取0.721 8 g硝酸鉀溶于適量水，移至1 000 mL容量瓶中，用水稀釋至標(biāo)線，混勻。在0～10 ℃暗處保存。

1.2.4 硝酸鉀標(biāo)準(zhǔn)使用液(1 mg/L) 稱取1 mL硝酸鉀標(biāo)準(zhǔn)儲備液至100 mL容量瓶中，用水稀釋至標(biāo)線，混勻，現(xiàn)用現(xiàn)配。

1.3 實(shí)驗(yàn)原理

1.3.1 硫酸肼還原法原理 實(shí)驗(yàn)以氫氧化鈉溶液作為緩沖液，硝酸鹽氮在硫酸銅作為催化劑的條件下，硫酸肼將其還原為亞硝酸鹽氮，亞硝酸鹽氮與對氨基苯磺酰胺發(fā)生重氮作用，再與鹽酸萘乙二胺鹽酸產(chǎn)生偶合反應(yīng)，生成紫紅色的偶氮染料，比色定量，根據(jù)吸光值與濃度的關(guān)系作圖，計(jì)算出硝酸鹽氮的含量[6]。

1.3.2 紫外分光光度法原理 利用硝酸鹽在220 nm波長處具有紫外吸收，而在275 nm波長處不具有紫外吸收的性質(zhì)，在275 nm波長處測得有機(jī)物的吸收值在測定結(jié)果中校正[7]。

2 結(jié)果與討論

2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線

準(zhǔn)確吸取0，1，2，3，4，5，6，7 mL硝酸鉀標(biāo)準(zhǔn)使用液于25 mL比色管中，定容至10 mL后，加入10%氫氧化鈉1 mL，混合均勻，然后加入銅鋅催化液和硫酸肼溶液各1 mL，混合均勻。在36 ℃下恒溫水浴加熱1 h，取出，待其冷卻后加入磺胺溶液1 mL，混合均勻，5 min后再加入乙二胺溶液1 mL，用水稀釋至25 mL標(biāo)線處，混合均勻，待其穩(wěn)定顯色30 min后于550 nm波長下，用1 cm玻璃比色皿比色，以空白做參比測定吸光度，以吸光度對硝態(tài)氮繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，結(jié)果見圖1。

圖1 不同時(shí)間測定的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Standard curves for different time measurements

圖1中兩條標(biāo)準(zhǔn)曲線分別為不同時(shí)間測定得到，該實(shí)驗(yàn)選取標(biāo)準(zhǔn)曲線為水樣測定當(dāng)天測量得出，線性良好(R2=0.999 2)，且多次測量的標(biāo)準(zhǔn)曲線線性相關(guān)系數(shù)能夠穩(wěn)定在0.999 0左右，故該實(shí)驗(yàn)方法可應(yīng)用到實(shí)際水樣測量過程當(dāng)中去。

2.2 干擾離子測定

2.2.1 氯離子對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響 各取2 mL硝酸鉀標(biāo)準(zhǔn)使用液于比色管中，分別向比色管中加入0，1，2，3，4，5，6 mL氯化鉀溶液，定容至10 mL，以下均與標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作步驟相同，測定吸光度。得到的結(jié)果見圖2。

由圖2可知，隨著所加入氯離子濃度的增加，所測得的吸光度值不斷減小。其干擾原因可能為硝酸根離子和氯離子在酸性條件下發(fā)生如下反應(yīng)[8]：HNO3+3HCl→NOCl+Cl2+2H2O，導(dǎo)致硝酸根濃度減小，所以測得的吸光度值降低。因此在進(jìn)行水樣處理前，需要消除氯離子對實(shí)驗(yàn)的影響，向溶液中加入與氯離子含量等量的硫酸銀(Ag2SO4)溶液，形成氯化銀沉淀后進(jìn)行過濾是目前去除氯離子的最有效方法[9]。

圖2 氯離子含量的影響Fig.2 The influence of the content of Cl-

在得出氯離子對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響關(guān)系的基礎(chǔ)上，又測定了不同濃度氯離子對標(biāo)準(zhǔn)曲線線性的影響，結(jié)果見圖3。圖中4條曲線分別代表標(biāo)準(zhǔn)曲線、在標(biāo)準(zhǔn)曲線基礎(chǔ)上分別加入2 mL不同濃度氯離子(5，10，15 mg/L)后得到的曲線，由圖可知，最終曲線仍呈線性，且R2均大于0.995 4。在此基礎(chǔ)上，又加入等量的2 mol/L的氯離子，得到的曲線仍呈線性，表明氯離子對標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性范圍并無明顯影響，因此標(biāo)準(zhǔn)曲線可直接用于測定水樣中硝酸鹽氮濃度。

圖3 加入等量不同濃度氯離子的線性關(guān)系Fig.3 Linear relationship between equal and different concentrations of chloride ions added

圖4是由圖3中加入等量不同濃度的3條曲線吸光度值求取平均值所得到標(biāo)準(zhǔn)曲線，可用于求取氯離子濃度<15 mg/L的水樣。

圖4 加入不同濃度氯離子得到的吸光度平均值Fig.4 Average absorbance obtained by adding chloride ions of different concentrations

在得出氯離子會對硫酸肼還原法測定硝酸鹽氮的結(jié)果產(chǎn)生影響的前提下，又對紫外分光光度法是否受氯離子影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在加入相同量硝酸根的基礎(chǔ)上加入不同量的氯離子，結(jié)果見表1。

表1 氯離子對紫外分光光度法測定硝酸鹽氮的影響

由表1可知，氯離子對紫外分光光度法測定水中硝酸鹽氮的結(jié)果也會產(chǎn)生影響，且與硫酸肼還原法相同，加入氯離子濃度越大，得到的結(jié)果越小。

2.2.2 亞硝酸根對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響 各取2 mL硝酸鉀標(biāo)準(zhǔn)使用液于比色管中，分別向比色管中加入0，1，2，3，4，5 mL亞硝酸鈉溶液(1 mg/L)，定容至10 mL，以下均與標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作步驟相同，得到吸光度1。記錄并分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在此實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，分別向比色管中只加入0，1，2，3，4，5 mL的亞硝酸鈉溶液(1 mg/L)，得到吸光度2，再用吸光度1減去吸光度2得到吸光度3。結(jié)果見表2。

表2 亞硝酸根對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

由表2中的吸光度2可知，隨著溶液中亞硝酸根加入量的不斷增大，吸光度值也隨之增大。由于該實(shí)驗(yàn)采取的是硫酸肼還原法測定水中硝酸鹽氮，其原理即為硫酸肼將硝酸根還原為亞硝酸根，因此向溶液中加入亞硝酸鹽則會影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，且加入量越大，最終測得的吸光度值就會越大。根據(jù)表中結(jié)果可知，在扣除只加入亞硝酸根的吸光度后，得到的吸光度3基本相同，說明亞硝酸根不會消耗該方法中所需試劑對硝酸根的測定。

2.2.3 硫酸根對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響 各取2 mL硝酸鉀標(biāo)準(zhǔn)使用液于比色管中，分別向比色管中加入0，1，2，3，4，5，6，7 mL硫酸鈉溶液(1 mg/L)，定容至10 mL，以下均與標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作步驟相同，測定吸光度，結(jié)果見圖5。

圖5 硫酸根含量對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響Fig.5 The influence of the content of

由圖5可知，向硝酸鹽氮溶液中加入濃度不同的硫酸鈉溶液時(shí)，測得的吸光度值較為穩(wěn)定，受外界環(huán)境因素影響，吸光度值在小范圍內(nèi)存在波動，且波動范圍最大值不超過0.07，故硫酸根在該實(shí)驗(yàn)中對硝酸鹽氮的測定結(jié)果基本無影響。

2.2.4 銨根離子對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響 在硫酸根對實(shí)驗(yàn)影響的測定分析的基礎(chǔ)上，各取2 mL硝酸鉀標(biāo)準(zhǔn)使用液于比色管中，分別向比色管中加入0，1，2，3，4，5，6 mL硫酸銨溶液(1 mg/L)，定容至10 mL，以下均與標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作步驟相同，測定吸光度，結(jié)果見圖6。

圖6 銨根離子的含量對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響Fig.6 The influence of the content of

在進(jìn)行了硫酸根對水中硝酸鹽氮的影響實(shí)驗(yàn)，并得出硫酸根對該實(shí)驗(yàn)結(jié)果無明顯影響的基礎(chǔ)上，采用硫酸銨(1 mg/L)溶液來分析測定銨根離子對該實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。由圖6可知，加入銨根離子后測得的吸光度值較為穩(wěn)定，無明顯波動，因此銨根離子對該實(shí)驗(yàn)結(jié)果亦無明顯影響。

2.3 準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)

分別采用硫酸肼還原法和紫外分光光度法對模擬水樣[10](硝酸根濃度為0.1 mg/L)進(jìn)行測定，水樣重復(fù)測定3次進(jìn)行準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)(其中，硫酸肼還原法標(biāo)準(zhǔn)曲線公式為y=0.291 7x-0.011 3，R2=0.999 2；紫外分光光度法標(biāo)準(zhǔn)曲線公式為y=2.267 6x-0.000 3，R2=0.999 1)，由表3可知，兩種方法的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均符合規(guī)定，且硫酸肼還原法的準(zhǔn)確度較紫外分光光度法更準(zhǔn)確。

表3 亞硝酸根對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

3 結(jié)論

(1)采用硫酸肼還原法測定水中硝酸鹽氮的實(shí)驗(yàn)過程中，氯離子會使實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏低；亞硝酸根則會使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏高；硫酸根和銨根離子對實(shí)驗(yàn)測定結(jié)果無明顯影響。

(2)氯離子對于硫酸肼還原法測定水中硝酸鹽氮的濃度得到的標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性無明顯影響。

(3)該實(shí)驗(yàn)方法具有快速、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，適用于多種水質(zhì)的檢測，但對于污染嚴(yán)重的水質(zhì)不適用，因?yàn)樵摲N水體中亞硝酸鹽含量往往高于硝酸鹽，測定結(jié)果誤差較大。

(4)硫酸肼還原法的準(zhǔn)確度比紫外分光光度法的準(zhǔn)確度更好。