離子色譜柱后衍生分光光度法測定水中氨氮的方法研究

胡玲， 宋興偉， 李莉莉， 紀(jì)喬木

（1.江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心， 南京 210019； 2.淮安市華測檢測技術(shù)有限公司， 江蘇 淮安 223001）

水中的氨氮指以游離氨（NH3）和銨離子（NH4＋）形式存在的化合氮， 水溫和pH 值會影響其在水中的存在形式。 氨氮是水質(zhì)監(jiān)測的重要指標(biāo)， 目前，水中氨氮的檢測方法主要有納氏比色法、 苯酚-次氯酸鹽（或水楊酸-次氯酸鹽）比色法、 氣相分子吸收法、 離子色譜法等［1-8］。 在實(shí)際監(jiān)測工作中， 采用較多的是納氏比色法和水楊酸-次氯酸鹽比色法。納氏比色法檢測線性范圍窄、 樣品前處理繁瑣， 且使用有毒有害物質(zhì)， 影響分析人員的身體健康； 水楊酸-次氯酸鹽比色法具有檢出限低、 靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)， 但該法檢出上限不高、 線性范圍較窄。 本文采用離子色譜柱后衍生分光光度法測定水中的氨氮， 基于水楊酸分光光度法原理， 利用雙柱塞寶石桿色譜泵為動力， 儀器自動進(jìn)樣、 自動添加試劑。樣品經(jīng)過色譜柱分離后在線自動衍生（柱后顯色），檢測器讀數(shù)后一鍵生成報(bào)告。 本文研究了離子色譜柱后衍生分光光度法的精密度、 準(zhǔn)確度、 檢出限及加標(biāo)回收率等， 并與常用氨氮檢測方法進(jìn)行了對比， 驗(yàn)證了該方法的實(shí)用性。

1 試驗(yàn)部分

1.1 方法原理

本研究基于HJ 666—2013《水質(zhì) 氨氮的測定流動注射-水楊酸分光光度法》［9］， 即在堿性環(huán)境中， 水樣中的氨和銨離子與次氯酸離子反應(yīng)生成氯胺。 在60 ℃和亞硝基鐵氰化鉀存在條件下， 氯胺與水楊酸鹽反應(yīng)生成藍(lán)綠色化合物， 于660 nm 波長處進(jìn)行吸光度的測定。 以時間作為橫坐標(biāo)， 峰高作為縱坐標(biāo)， 繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。 根據(jù)峰面積進(jìn)行定量分析， 目標(biāo)化合物的保留時間進(jìn)行定性分析。

1.2 試驗(yàn)儀器與試劑

電子天平： CP124S； 水浴恒溫振蕩器： THZQ； pH 計(jì)： WTW3210； 離子色譜儀： ELSPE-2 超痕量氨氮分析儀， 帶高精度全peek 雙柱塞桿離子色譜泵4 套， 帶氨氮快速分析柱及自動進(jìn)樣系統(tǒng)，帶可調(diào)節(jié)恒溫加熱系統(tǒng)。

水楊酸鈉溶液： 稱取6.4 g 氫氧化鈉， 緩慢倒入盛有300 mL 純水的燒杯中并不斷攪拌， 待溶液冷卻至室溫后加入25 g 水楊酸鈉， 攪拌溶解， 用純水定容至500 mL， 使用前超聲脫氣10 min。 亞硝基鐵氰化鈉溶液： 稱取1 g 亞硝基鐵氰化鈉， 用純水定容至500 mL， 使用前超聲脫氣10 min。 次氯酸鈉溶液： 量取70 mL 次氯酸鈉， 用純水定容至500 mL， 使用前超聲脫氣10 min。 氨氮標(biāo)準(zhǔn)儲備液： 壇墨質(zhì)檢， B1903126。 氨氮標(biāo)準(zhǔn)工作液： 將氨氮標(biāo)準(zhǔn)儲備液用純水稀釋成50 mg／L 溶液， 臨用前現(xiàn)配。 試驗(yàn)用水： 純水。

1.3 色譜條件

色 譜 柱： 快 速 分 析 柱4.1 mm × 50.0 mm， 5 μm， 或相當(dāng)?shù)年栯x子交換柱； 流動相： 氯化鈉和鹽酸混合液（50 mmol／L 氯化鈉＋10 mmol／L 鹽酸），流 速： 1 mL／min； 柱 溫： 60 ℃； 進(jìn) 樣 體 積： 20 μL； 水楊酸泵流速： 0.6 mL／min； 亞硝基鐵氰化鈉泵流速： 0.2 mL／min； 次氯酸鈉泵流速： 0.4 mL／min； 檢測波長： 660 nm。

1.4 樣品的采集和處理

本試驗(yàn)采集了無錫市某污水處理公司的生活污水、 揚(yáng)州市某石化公司附近地表水、 泰州市某化工公司的工業(yè)廢水、 如皋市近岸海域海水。 根據(jù)水樣類型采取適當(dāng)?shù)谋４婧皖A(yù)處理步驟， 將保存好的水樣轉(zhuǎn)移至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。 樣品上機(jī)測定前經(jīng)過0.45 μm 過濾器過濾， 去除沉淀和雜質(zhì)。

1.5 空白試驗(yàn)

以無氨水代替水樣， 按照與試樣測定相同的儀器分析條件進(jìn)行空白試樣的測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

配置質(zhì)量濃度為0.0、 0.2、 0.5、 1.0、 5.0、 10.0、20.0、 50.0 mg／L 的標(biāo)準(zhǔn)溶液， 進(jìn)樣分析后測定不同濃度氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液的峰面積。 通過工作站軟件，以標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度對其峰面積進(jìn)行曲線擬合， 得到回歸方程y ＝10.709 x， 相關(guān)系數(shù)r ＝0.999 9， 如圖1所示。 結(jié)果表明， 氨氮溶液濃度與峰面積線性關(guān)系良好， 變量間的線性相關(guān)程度高。

圖1 氨氮濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig. 1 Standard curve of ammonia nitrogen

2.2 精密度測定

分別對質(zhì)量濃度為0.100 0、 1.000 0、 10.000 0 mg／L 的氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液平行測定6 次， 測定結(jié)果見表1， 并計(jì)算每次測定的標(biāo)準(zhǔn)偏差（SD）和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差 （RSD）。 由表1 可知， 3 種濃度氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液測定結(jié)果的RSD 均小于2%， 說明該方法精密度較好， 達(dá)到試驗(yàn)要求。

表1 精密度試驗(yàn)結(jié)果Tab. 1 Results of precision test

2.3 準(zhǔn)確度測定

選用國家有證標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)控樣品， 分別進(jìn)行2 次加標(biāo)， 每次加標(biāo)平行測定6 次， 計(jì)算相對誤差和回收率， 結(jié)果見表2。 其測定結(jié)果均在標(biāo)準(zhǔn)值要求范圍內(nèi)， 表明離子色譜柱后衍生分光光度法測定水中氨氮的準(zhǔn)確度良好。

表2 標(biāo)準(zhǔn)樣品加標(biāo)回收試驗(yàn)結(jié)果Tab. 2 Results of standard addition recovery rate of standard samples

2.4 實(shí)際樣品加標(biāo)回收試驗(yàn)

取地表水、 生活污水、 工業(yè)廢水、 海水4 種不同濃度的樣品進(jìn)行試驗(yàn)， 每種樣品加標(biāo)后平行測定6 次， 測定結(jié)果見表3。 平均回收率在84.41% ～96.93% 之間， 試驗(yàn)過程可控， 該檢測方法能夠滿足環(huán)保監(jiān)測的工作要求。

表3 實(shí)際水樣加標(biāo)回收試驗(yàn)結(jié)果Tab. 3 Results of standard addition recovery rate of actual water samples

2.5 檢出限的測定

采用質(zhì)量濃度為0.1 mg／L 和0.2 mg／L 的標(biāo)準(zhǔn)樣品， 分別進(jìn)行7 次平行測定， 根據(jù)測定結(jié)果計(jì)算其SD， 采用99% 置信度， 此時檢出限MDL ＝SD ×3.143。 按照HJ 168—2020《環(huán)境監(jiān)測分析方法標(biāo)準(zhǔn)制訂技術(shù)導(dǎo)則》中的計(jì)算方法的檢出限［10］， 以4 倍方法檢測限確定為本法的測定下限， 如表4 所示。

表4 檢出限測試數(shù)據(jù)Tab. 4 Data of detection limit tests

2.6 樣品pH 值條件試驗(yàn)

根據(jù)水質(zhì)采樣技術(shù)要求， 水樣采集后需要pH ＜2.0 的保存條件， 而不同的標(biāo)準(zhǔn)方法要求樣品調(diào)節(jié)至中性才能上機(jī)檢測。 本方法通過將實(shí)測濃度和標(biāo)準(zhǔn)方法測試結(jié)果進(jìn)行比對， 最終決定是否需要調(diào)節(jié)pH 值， 如果實(shí)際樣品無值則采用樣品處理前加標(biāo)1.0 mg／L 氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行測試， 對多個測試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

在調(diào)節(jié)pH 值測試的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)， pH ＜2.0 時回收率能達(dá)到107%， 符合方法要求。 當(dāng)pH 值調(diào)節(jié)至中性， 回收率能達(dá)到96%。 當(dāng)pH 值調(diào)至堿性時回收率會驟降。 氨氮在水中以氨分子和銨離子2 種形式存在， 且保持著電離平衡NH3＋H2O ?NH4＋＋OH-， 隨著水溶液的pH 值降低， 水中的氨會不斷電離為銨離子， 直至達(dá)到電離平衡。 氨水的解離常數(shù)Kb＝1.75×10-5， 在pH ＝7.0 時， 可計(jì)算出銨離子濃度是氨分子的175 倍， 所以溶液中的氨氮主要存在形式是銨離子， 而隨著溶液pH 值越來越小，這個比例會越來越大， 只要確保樣品是中性或者酸性， 即可直接檢測出溶液中氨氮的含量， 一般樣品采集完保持pH ＜2.0， 故本方法可不進(jìn)行預(yù)調(diào)節(jié)pH 值， 直接測試。 具體結(jié)果如表5 所示。

表5 pH 值條件測試結(jié)果Tab. 5 Test results of pH value conditions

3 結(jié)論

離子色譜柱后衍生分光光度法的檢測限低于現(xiàn)行的國標(biāo)中對氨氮的限值， 標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性關(guān)系良好， 準(zhǔn)確度和精密度高， 樣品上機(jī)之前也無需調(diào)節(jié)pH 值， 完全滿足監(jiān)測工作的需要。 與傳統(tǒng)的測定方法相比， 本法具有如下優(yōu)點(diǎn)： 取樣量少， 樣品前處理簡單， 自動化程度高， 操作更方便、 快捷， 減少人力物力的投入； 靈敏度高， 能反映水中氨氮的真實(shí)含量， 測量范圍較寬， 適用于多種水質(zhì)的檢測； 檢測過程中避免使用毒性較大的試劑， 在保護(hù)檢測人員健康安全的同時， 又能減少給環(huán)境帶來的污染。