疏水膜氣液分離預處理納氏試劑分光光度法測定氨氮適用性研究

龍雯琪,劉艷菊,陳燕,劉靜怡,魏鳳,李憬然,周桑揚,張政,肖童覺

(湖南省生態環境監測中心,國家環境保護重金屬污染監測重點實驗室,湖南 長沙 410014)

氨氮是我國地表水環境質量標準的基本項目之一,生活飲用水、地下水質量標準等標準對氨氮提出了濃度限值要求[1-3],近年來,重點污染源監測的項目也包含氨氮,污水綜合排放標準、城鎮污水處理廠污染物排放標準等多個排放標準規定了氨氮的排放限值[4-8]。據中國環境監測總站的統計,全國總共有700多個區市級以上環境監測中心站,還有近3 000個縣級站,需針對當地飲用水、地表水、地下水及工業廢水監測氨氮這個指標。目前,國內測定氨氮廣泛使用的方法有蒸餾滴定法、分光光度法、流動注射、電位測定法、氣相分子吸收光譜法等,由于流動注射儀和氣相分子吸收光譜儀相對來說購置費用較高,所以大部分基礎監測站仍在使用傳統的蒸餾裝置和分光光度計開展氨氮的分析工作[9-12]。本研究采用疏水膜氣液分離預處理納氏試劑分光光度法分析水樣中氨氮測定時的校準曲線相關系數、方法檢出限、精密度及準確度等參數,同時將疏水膜氣液分離預處理納氏試劑分光光度法與傳統標準方法《水質 氨氮的測定 納氏試劑分光光度法》(HJ 535—2009)(以下簡稱HJ 535)進行比對實驗,旨在探索疏水膜氣液分離預處理納氏試劑分光光度法測定水質樣品中氨氮的適用性。

1 方法與原理

1.1 疏水膜氣液分離預處理納氏試劑分光光度法的工作原理

通過加熱使樣品沸騰后逸出氨氮氣體組分,在負壓條件下,氨氮氣體通過疏水性膜與水蒸汽分離后進入收集瓶,干擾物質則留在溶液中而得以去除。氨氮與納氏試劑反應生成淡紅棕色絡合物,該絡合物的吸光度與氨氮含量成正比,于波長420 nm處測量吸光度[13]。

1.2 疏水膜氣液分離預處理納氏試劑分光光度法的試劑配置

(1)納氏試劑,稱取15.0 g氫氧化鉀(KOH),溶于50 mL水中,冷卻至室溫。稱取5.0 g碘化鉀(KI),溶于10 mL水中,在攪拌條件下,將2.50 g氯化汞(HgCl2)粉末分多次加入碘化鉀溶液中,直到溶液呈深黃色或出現淡紅色沉淀溶解緩慢時,充分攪拌混合,并改為滴加氯化汞飽和溶液,當出現少量朱紅色沉淀不再溶解時,停止滴加。在攪拌條件下,將冷卻的氫氧化鉀溶液緩慢地加入到上述氯化汞和碘化鉀的混合液中,并稀釋至100 mL,于暗處靜置24 h,傾出上清液,貯于聚乙烯瓶內,用橡皮塞或聚乙烯蓋子蓋緊,存放暗處[13]。

(2)500 g/L酒石酸鉀鈉溶液,稱取50 g酒石酸鉀鈉(KNaC4H6O6·4H2O)溶于100 mL水中,加熱煮沸以驅除氨,充分冷卻后稀釋至100 mL[13]。

(3)20 g/L硼酸溶液,稱取20 g硼酸溶于水中,稀釋至1 L。

(4)0.5 g/L溴百里酚藍指示劑,稱取0.05 g溴百里酚藍溶于50 mL水中,加入10 mL無水乙醇,用水稀釋至100 mL。

1.3 疏水膜氣液分離預處理納氏試劑分光光度法的分析步驟

(1)樣品預處理:將疏水性膜安裝在收集瓶過濾嘴處,向收集瓶內加入硼酸溶液5 mL,稀釋至25 mL。連接收集瓶和抽真空裝置,打開真空泵。取50.0 mL水樣,移入玻璃蒸餾試管中,可加入2滴溴百里酚藍指示劑,用1 mol/L的氫氧化鈉或者1 mol/L的鹽酸調整pH值至6.0(指示劑呈黃色)～7.4(指示劑呈藍色),使溶液呈現淡藍色,再向試管中加入0.20 g輕質氧化鎂,迅速將試管帽、蒸餾試管、收集瓶緊密連接,檢查氣密性。設置加熱溫度140 ℃,時間80 min,調節真空泵擋位,使真空壓力保持在50 kPa左右,調節至氣泡速率為6～8個/s。開始加熱。收集瓶內的吸收液待測。

(2)樣品測定:將收集瓶中的吸收液全部轉移到50 mL比色管中,加入1.0 mL酒石酸鉀鈉溶液,搖勻,再加入納氏試劑1.5 mL,搖勻。放置10 min后,在波長420 nm下,以水作參比,測量吸光度[13]。

2 分析方法研究

2.1 疏水膜氣液分離預處理納氏試劑分光光度法的校準曲線分析

配置氨氮含量分別為0.0,5.0,10.0,20.0,40.0,60.0,80.0 μg和100.0 μg的8個標準溶液濃度系列,經過膜分離蒸餾預處理后,從低濃度到高濃度依次測量吸光度,以扣除試劑空白后的吸光度為縱坐標,以其對應的氨氮含量(μg)為橫坐標,繪制校準曲線。結果如表1所示,結果顯示疏水膜氣液分離預處理納氏試劑分光光度法測定氨氮的擬合曲線線性相關系數為0.999 2,實驗結果表明采用疏水膜氣液分離預處理納氏試劑分光光度法測定氨氮含量在0.0～100.0 μg/L范圍內時,校準曲線線性關系良好。

表1 疏水膜氣液分離預處理納氏試劑分光光度法的校準曲線數據

2.2 疏水膜氣液分離預處理納氏試劑分光光度法的檢出限和測定下限分析

對空白水樣按照樣品全部的分析步驟平行測定7次,測定結果見表2。按照《環境監測分析方法標準制訂技術導則》(HJ 168—2020)的相關規定,根據7次測定結果的標準偏差S計算方法檢出限,并以4倍的檢出限作為方法的測定下限。計算n(n=7)次平行測定的標準偏差,按公式(1)計算方法檢出限[14]。

表2 疏水膜氣液分離預處理納氏試劑分光光度法的方法檢出限及測定下限數據

MDL=t(n-1,0.99)×S

(1)

式中:MDL為方法檢出限;n為樣品的平行測定次數;t為自由度為n-1,置信度為99%時t分布,t值取3.143;S為n次平行測定的標準偏差。

從表2可以看出,空白樣品中檢出氨氮質量濃度在0.065 6～0.072 9 mg/L范圍內,平均值為0.069 8 mg/L,標準偏差為0.002 33 mg/L,根據公式(1)計算出方法的檢出限為0.008 mg/L,測定下限為0.032 mg/L,此檢出限遠低于傳統標準方法HJ 5352009的檢出限0.025 mg/L,表現出較好的靈敏度。

2.3 疏水膜氣液分離預處理納氏試劑分光光度法的精密度分析

分別對低質量濃度地表水、中質量濃度生活污水和高質量濃度工業廢水樣品進行精密度測定(平行6次),計算6次檢測結果的平均值和相對標準偏差RSD,實驗結果見表3。從表3可以看出,采用疏水膜氣液分離預處理納氏試劑分光光度法測定低質量濃度地表水、中質量濃度生活污水和高質量濃度工業廢水中氨氮相對標準偏差范圍為1.9%～3.1%,相對標準偏差均小于5%,疏水膜氣液分離預處理納氏試劑分光光度法表現出良好的精密度。

表3 疏水膜氣液分離預處理納氏試劑分光光度法的精密度測試數據

2.4 疏水膜氣液分離預處理納氏試劑分光光度法的準確度分析

分別對2種低質量濃度(質量濃度范圍0.318±0.018,0.493±0.03 mg/L)和2種高質量濃度(質量濃度范圍6.81±0.41,7.07±0.27 mg/L)的有證標準物質進行測定,計算樣品的相對誤差。測定結果見表4。從表4可以看出,4種不同濃度的有證標準物質的測定結果均在該物質對應的可信值范圍內,相對誤差范圍在-2.8%～1.2%之間,相對誤差不超過±3%,疏水膜氣液分離預處理納氏試劑分光光度法測定氨氮的準確度較高。

表4 疏水膜氣液分離預處理納氏試劑分光光度法的有證標準物質測試數據

2.5 疏水膜氣液分離預處理納氏試劑分光光度法的方法比對分析

采用HJ 5352009和疏水膜氣液分離預處理納氏試劑分光光度法對2種廢水實際樣品進行加標回收實驗比對測定,測定結果見表5。同時用2種方法對地表水、生活污水和工業廢水進行比對測定,每種水樣類型都采集了2種不同濃度的樣品,測定結果見表6。同時用2種方法分別測定7次實驗用水,測定結果見表7。從表5可以看出,兩種方法的實際樣品加標回收率在93%～102%之間,總體回收率較好,均符合國家相關質量控制要求。從表6可以看出,6種不同濃度的實際水樣比對測定的相對偏差范圍在0.90%～3.31%之間,總體上不超過5%,2種方法測定結果的差異性不大。表7結果顯示,采用2種分析方法檢測實驗用水的測定結果無顯著性差異,均符合國家標準方法和相關技術規范要求。

表6 2種方法的實際樣品比對分析結果

表7 2種方法的實驗用水比對分析結果

3 結論與建議

通過對校準曲線、檢出限、精密度、準確度以及方法比對實驗數據分析,可以得出采用疏水膜氣液分離預處理納氏試劑分光光度法測定氨氮時,氨氮含量在0.0～100.0 μg/L范圍內線性關系良好;疏水膜氣液分離預處理納氏試劑分光光度法測定氨氮的檢出限為0.008 mg/L,測定下限為0.032 mg/L;疏水膜氣液分離預處理納氏試劑分光光度法測定低質量濃度地表水、中質量濃度生活污水和高質量濃度工業廢水樣品的氨氮精密度在1.9%～3.1%之間,精密度良好;疏水膜氣液分離預處理納氏試劑分光光度法測定4種不同濃度的氨氮有證標準物質的相對誤差范圍在-2.8%～1.2%之間,準確度較高。采用疏水膜氣液分離預處理納氏試劑分光光度法和傳統標準方法HJ 5352009對2種實際樣品進行加標回收比對實驗,2種方法的加標回收率均符合國家相關質量控制要求,用2種方法對實驗用水、2種地表水、2種生活廢水和2種工業廢水進行比對測定,2種方法測定的實驗用水結果及6種水樣結果無顯著差異,均符合國家標準方法和相關技術規范要求。因此,疏水膜氣液分離預處理納氏試劑分光光度法能夠滿足常規水質氨氮的檢測需求。

疏水膜氣液分離預處理納氏試劑分光光度法采用新型疏水性氣液分離濾膜對樣品進行預處理,讓樣品中的氨氮氣體組分與液體基質較好的分離,能有效減輕大部分干擾物質對實驗結果的影響。該方法在實驗中表現出較好的校準曲線線性、檢出限、精密度和準確度,與國家傳統標準方法的測定結果也無顯著性差異,能較好地適用于常規水質樣品中氨氮的測定,尤其有利于基體復雜的水樣中氨氮的測定。