頂空氣相色譜法快速測定污水中氨氮含量

彭 容, 劉 浩*, 柴欣生, 蔣 然

(1. 華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 510641;2. 珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究所, 廣東 廣州 510611)

目前,氨氮的分析方法主要有納氏試劑分光光度法、簡易甲醛法、電化學(xué)分析法等[6]。其中,納氏試劑法分光光度法(HJ 535-2009)最為常用,其測定原理是基于水中的氨氮與納氏試劑反應(yīng)生成淡紅棕色絡(luò)合物,該絡(luò)合物420 nm的吸光度與氨氮含量成正比。該方法具有操作簡單、反應(yīng)靈敏等特點(diǎn)[7,8],但檢測范圍窄(0.025～2.0 mg/L)。常見的混濁污水樣品(10～100 mg/L)必須稀釋并且經(jīng)預(yù)處理才能檢測。而且該方法不適用于色度高的水樣。納氏試劑穩(wěn)定性差,配制過程中需用到劇毒物質(zhì)(如二氯化汞和碘化汞),存在安全隱患。簡易甲醛法[9]通過將銨鹽與甲醛進(jìn)行縮合反應(yīng)并生成等物質(zhì)的量的酸(H+),再滴定測得酸的量,并計(jì)算出氨氮的含量。該方法則簡便、快速,能避免納式試劑法的諸多問題。缺點(diǎn)是樣品中游離酸以及甲醛溶液中的甲酸雜質(zhì)會(huì)引起滴定誤差,使測定結(jié)果偏高。電位滴定儀也能用于氨氮的測定,但其電極易受到水中表面活性劑等物質(zhì)的污染和干擾,且電極壽命短,重現(xiàn)性不佳。

頂空氣相色譜(HS-GC)是一種實(shí)現(xiàn)復(fù)雜揮發(fā)性組分快速、批量測定的分析技術(shù)[10,11],如果將頂空瓶當(dāng)作一個(gè)反應(yīng)器,使一些非揮發(fā)性的成分通過化學(xué)反應(yīng)(如酸堿反應(yīng))轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性組分,就可以進(jìn)行GC分析,從而實(shí)現(xiàn)非揮發(fā)性組分的檢測[12,13]。設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)反應(yīng),將廢水中的氨氮轉(zhuǎn)化為可用GC檢測的揮發(fā)性氣體,就可以實(shí)現(xiàn)廢水中氨氮含量的間接測定。本研究借鑒了簡易甲醛法測定氨氮的化學(xué)反應(yīng)原理,提出了一種新方法:在頂空瓶中將氨氮轉(zhuǎn)化成CO2,再定量檢測CO2,從而得到廢水中氨氮的含量,并研究了適宜的反應(yīng)條件(反應(yīng)時(shí)間、甲醛加入量等)和方法的測試精度、準(zhǔn)確度和可靠性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與溶液

所有化學(xué)試劑均為分析純試劑,購自天津市大茂化學(xué)試劑廠。實(shí)驗(yàn)所用到的水均為去離子水。CH2O溶液(1.083 g/mL)。NaHCO3溶液(0.025 mol/L):準(zhǔn)確稱取NaHCO3粉末0.210 0 g溶于水中,定容至100 mL。氨氮標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液(1 000 mg/L,以N計(jì)):準(zhǔn)確稱取(NH4)2SO44.719 3 g溶于水中,定容至1 000 mL。氨氮標(biāo)準(zhǔn)使用溶液(100 mg/L,以N計(jì)):將上述氨氮標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液稀釋10倍,現(xiàn)用現(xiàn)配。

1.2 儀器與操作條件

頂空自動(dòng)進(jìn)樣器(Thermo HS TriPlus300, US);氣相色譜儀(Agilent GC 7890A, US), DB-5毛細(xì)管柱(30 m×0.32 mm×0.25 μm)(J&W Scientific, US); 5 mL和1 mL規(guī)格的微量移液器;20 mL具塞頂空瓶;玻璃平底內(nèi)插管(直徑7 mm,高40 mm,容積1.2 mL)。

頂空進(jìn)樣條件:爐溫60 ℃,管路溫度70 ℃,傳輸線溫度80 ℃,樣品平衡時(shí)間10 min,搖晃程度為強(qiáng)烈水平,樣品間隔3 min。

氣相色譜條件:進(jìn)樣口壓力41.4 kPa,載氣為氮?dú)?載氣流速3.1 mL/min,柱箱溫度35 ℃,運(yùn)行時(shí)間3 min,熱導(dǎo)檢測器(thermal conductivity detector, TCD)溫度250 ℃。

1.3 測試方法

在頂空樣品瓶中套入玻璃內(nèi)插管,在頂空瓶中加入8.0 mL待測樣品和0.50 mL甲醛溶液,在內(nèi)插管中加入1.0 mL碳酸氫鈉溶液,將頂空瓶封蓋后搖勻,即啟動(dòng)反應(yīng),同時(shí)放入頂空進(jìn)樣器中,按設(shè)置好的程序進(jìn)行檢測。配制2.0～10.0 mg/L的氨氮標(biāo)準(zhǔn)系列溶液用于制作標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.4 應(yīng)用實(shí)例的樣品制備

氨氮培養(yǎng)液的制備:無水葡萄糖5.0 g; (NH4)2SO42.0 g; NaCl 1.0 g; K2HPO41.0 g; MgSO4·7H2O 0.25 g;水1 000 mL。

將配制好的氨氮培養(yǎng)液分裝于250 mL三角瓶中,每瓶100 mL,調(diào)節(jié)pH 7.2～7.4, 120 ℃下滅菌20 min。

菌株接種:分別將生物除臭劑、枯草芽孢桿菌、糞腸球菌、混合菌1#(按2∶1混合的枯草芽孢桿菌和糞腸球菌)以及混合菌2#(按1∶2混合的枯草芽孢桿菌和糞腸球菌)按照108個(gè)/mL的接種量接入上述滅過菌的氨氮培養(yǎng)液中,于37.0 ℃、137 r/min條件下培養(yǎng)24 h。

氨氮降解率:接入菌株培養(yǎng)一定時(shí)間后,取出培養(yǎng)液離心,取上清液測定氨氮濃度,計(jì)算氨氮降解率。以未接種的樣品作為空白對照。

2 結(jié)果與討論

2.1 氨氮轉(zhuǎn)化與色譜檢測

在室溫、酸性或弱堿條件下,水中氨氮主要以銨根離子的形式存在。同時(shí),弱堿性條件下,甲醛具有較強(qiáng)的還原性,過量的甲醛溶液與水溶液中銨鹽發(fā)生縮合反應(yīng),生成等物質(zhì)的量的酸(H+)和六亞甲基四胺[14,15]。生成的酸再與已知濃度的碳酸氫鈉溶液發(fā)生復(fù)分解反應(yīng),產(chǎn)生CO2,即:

(1)

(2)

頂空瓶中釋放出CO2,經(jīng)過頂空取樣,由裝有熱導(dǎo)檢測器的氣相色譜儀測定CO2的峰面積,并通過校正曲線計(jì)算出該水樣中氨氮的含量。

本研究使用氮?dú)庾鳛闅庀嗌V載氣,頂空瓶中主要由O2和CO2產(chǎn)生信號。按照反應(yīng)式(1)生成CO2后,經(jīng)氣相色譜分析,O2和CO2的出峰時(shí)間分別為1.3 min和1.9 min,因此O2不會(huì)對CO2的信號構(gòu)成干擾(見圖1)。

圖 1 二氧化碳與氧氣的頂空氣相色譜圖Fig. 1 Headspace gas chromatogram of oxygen and carbon dioxide

2.2 氨氮含量的測定

2.2.1定量計(jì)算

按照1.3節(jié)方法測定不同濃度的氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液,建立標(biāo)準(zhǔn)曲線,進(jìn)行線性回歸擬合,得如下方程:

A=1.01(±0.013 1)C-0.026 2(±0.079 4)

(3)

式中,A為峰面積;C為氨氮的質(zhì)量濃度,mg/L。

因此,待測水樣中的氨氮含量可按照式(4)計(jì)算:

C=K(A-A0)/1.01

(4)

式中,A0為空氣和去離子水中總的CO2的峰面積;K為樣品的稀釋倍數(shù)。

根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)曲線方程式(3),按照式(5)可計(jì)算出該方法的定量限(LOQ)為0.786 mg/L:

LOQ=a+10|Δa|/S

(5)

式中,a為標(biāo)準(zhǔn)曲線截距;Δa為標(biāo)準(zhǔn)曲線截距的誤差;S為標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率。

與納氏試劑分光光度法(HJ 535-2009)(檢出限為0.025 mg/L,定量限為0.10 mg/L)相比,本方法的靈敏度不及納氏試劑分光光度法。因此,對于低濃度的水樣(比如地表水、地下水和飲用水源等氨氮含量<1.00 mg/L的水樣),并不適用,但對于高濃度的水樣(比如造紙廢水)的快速批量檢測,則具有很大優(yōu)勢。

2.2.2條件優(yōu)化

為了確保上述反應(yīng)(1)和(2)反應(yīng)完全,甲醛的加入量和反應(yīng)時(shí)間是最大的影響因素。一般而言,如果甲醛加入量過少或者反應(yīng)時(shí)間過短,那么上述反應(yīng)將不徹底,測定結(jié)果將偏小;如果甲醛加入量過多或者反應(yīng)時(shí)間過長,浪費(fèi)試劑或者耗時(shí)均不符合當(dāng)前綠色化學(xué)的環(huán)保理念。因此,優(yōu)化了甲醛的加入量和反應(yīng)時(shí)間。

圖 2 甲醛用量對CO2峰面積的影響Fig. 2 Effect of the formaldehyde volume on CO2 peak area (NH4)2SO4: 20 mg/L, 8 mL; NaHCO3: 0.025 mol/L, 1.0 mL; temperature: 60 ℃; equilibrium time: 10 min.

由圖2可知,當(dāng)甲醛加入量在0～500 μL時(shí),甲醛的含量對實(shí)驗(yàn)結(jié)果有顯著的影響;當(dāng)甲醛加入量大于500 μL時(shí),CO2峰面積的變化趨于平緩,說明反應(yīng)達(dá)到平衡。因此,最佳的甲醛加入量為500 μL。

由圖3可知,為了確保待測水樣中的氨氮徹底轉(zhuǎn)化,最佳的平衡時(shí)間為10 min。

圖 3 反應(yīng)時(shí)間對CO2峰面積的影響Fig. 3 Effect of the equilibrium time on CO2 peak area (NH4)2SO4: 20 mg/L, 8 mL; CH2O: 37%, 0.5 mL; NaHCO3: 0.025 mol/L, 1.0 mL; temperature: 60 ℃.

2.2.3方法的重現(xiàn)性

按照上述實(shí)驗(yàn)條件對同一濃度的氨氮溶液重復(fù)制樣、檢測5次。水樣中CO2的峰面積見表1。結(jié)果表明,該方法5次測定的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)均小于2%,說明本方法具有良好的精度。

表 1 HS-GC法測定氨氮水樣的重現(xiàn)性(n=5)

2.2.4方法的準(zhǔn)確性

通過加標(biāo)回收試驗(yàn)驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確度。加入標(biāo)準(zhǔn)溶液后,水樣中的氨氮有兩種來源:加入的氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液和水樣中本身攜帶的氨氮。因此,定量加入氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液后的樣品按照1.3節(jié)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行測定,再通過方程式(4)計(jì)算得出水樣中總的氨氮含量,然后減去原始水樣中的氨氮含量,即可計(jì)算加入的氨氮含量,再計(jì)算加標(biāo)回收率,結(jié)果見表2。

由表2的結(jié)果可知方法的回收率在95%～105%的范圍內(nèi)。由此可見,該檢測方法具有很高的準(zhǔn)確性。

表 2 氨氮在水樣中3個(gè)水平下的加標(biāo)回收率(n=5)

2.2.5方法對比

對4份不同的水樣(其中水樣1和2是用氨氮標(biāo)準(zhǔn)液配制的模擬水樣,3和4取自華南理工大學(xué)西湖,該湖容納了周邊2個(gè)食堂和4棟學(xué)生宿舍以及餐飲商鋪的所有污水,即該處的水為生活污水,具有代表性),分別采用納氏試劑法分光光度法(HJ 535-2009)[16]和頂空氣相色譜法進(jìn)行測定,其結(jié)果如表3所示。兩種方法得到的檢測值的相對偏差均小于5%,進(jìn)一步說明了本方法的可行性。

表 3 HS-GC法與納氏試劑分光光度法測定結(jié)果的比較

表 4 氨氮降解菌的測定結(jié)果

0. blank sample; 1. biological deodorant; 2.Bacillussubtilis; 3.Enterococcusfaecalis; 4.BacillussubtilisandEnterococcusfaecalis(2∶1, v/v); 5.BacillussubtilisandEnterococcusfaecalis(1∶2, v/v).

2.3 應(yīng)用實(shí)例

運(yùn)用本研究建立的方法,對5種氨氮降解菌培養(yǎng)液上清液進(jìn)行檢測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4, 0～5號樣品分別對應(yīng)的是空白樣、生物除臭劑、枯草芽孢桿菌、糞腸球菌、混合菌1和混合菌2的培養(yǎng)液上清液。空白樣不投加任何菌種,在同等條件下進(jìn)行培養(yǎng)。測定結(jié)果表示為:以空白樣中的氨氮含量為基準(zhǔn),投加了氨氮降解菌的水樣在培養(yǎng)24 h后,其水樣中的氨氮含量的變化率。

每組樣品均平行測定3次,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于1%,具有較高的精度。從樣品中氨氮含量的變化來看,生物除臭劑對氨氮的降解效果最好,其次是糞腸球菌。投加了枯草芽孢桿菌、混合菌1和混合菌2的樣品中,氨氮含量不降反升。出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能是由于投加的菌的新陳代謝作用釋放了CO2,而本方法恰恰就是通過檢測CO2的含量來確定樣品中的氨氮含量,從而導(dǎo)致測定結(jié)果偏高;也可能是投加的菌種培養(yǎng)時(shí)間(24 h)過短,細(xì)菌還處于生長的第一階段(延滯期)。具體原因?qū)⒃诤罄m(xù)的試驗(yàn)中進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論

本文基于化學(xué)反應(yīng)型頂空氣相色譜技術(shù),建立了一種檢測水中氨氮含量的方法。該方法具有適用范圍廣、準(zhǔn)確快速、二次污染少等優(yōu)點(diǎn),因此非常適合于污水中氨氮含量的批量快速分析。