自動(dòng)氣相分子吸收光譜法測(cè)定水體中高錳酸鹽指數(shù)

＊柯鵬振 劉雄 吳雅琴 夏麗星 朱娟 康得軍

（1.湖北省生態(tài)環(huán)境廳咸寧生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心 湖北 437100 2.湖北省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站 湖北 430071 3.福州大學(xué)土木工程學(xué)院 福建 350108）

高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）為采用高錳酸鹽法測(cè)得的化學(xué)需氧量值，是指以高錳酸鉀作為氧化劑，在酸性或堿性的條件下處理水樣時(shí)所消耗的量，計(jì)算相當(dāng)?shù)难趿浚╩g/L）。在規(guī)定的條件下，高錳酸鉀可氧化水中的亞硝酸鹽、亞鐵鹽和硫化物等還原性無(wú)機(jī)物和部分有機(jī)物[1]。與適用于測(cè)定嚴(yán)重污染的工業(yè)廢水的重鉻酸鉀法相比，高錳酸鹽法適用于測(cè)定污染較輕的地表水、飲用水和生活污水，能在一定范圍內(nèi)表征水體的污染程度，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染，且該法中的高錳酸鉀自身有顏色，不需指示劑，是衡量水體受還原性無(wú)機(jī)物和有機(jī)物污染程度的一項(xiàng)環(huán)境友好型綜合性指標(biāo)[2-3]。由于化學(xué)需氧量的檢出限較高且測(cè)定時(shí)易產(chǎn)生二次污染，故以高錳酸鹽指數(shù)來(lái)表征水體受污染程度的作用變得更加重要[4]。

國(guó)標(biāo)（GB/T 11892-1982）中的滴定法采用的是氧化還原滴定法[5]，為目前應(yīng)用最廣泛測(cè)定高錳酸鹽指數(shù)的方法[6]，但該法存在耗時(shí)長(zhǎng)、操作繁瑣、工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度高和誤差大等缺點(diǎn)。因此，需尋找更為簡(jiǎn)便且精確度高的檢測(cè)方法來(lái)替代此方法，以應(yīng)對(duì)應(yīng)急情況等特定條件下的檢測(cè)。當(dāng)前，相關(guān)環(huán)境監(jiān)測(cè)分析人員在此基礎(chǔ)上提出了許多合理有效的改進(jìn)方法。2008年Tian J等[7]結(jié)合流動(dòng)注射分析，運(yùn)用化學(xué)發(fā)光體系測(cè)定了高錳酸鹽指數(shù)；2009年王野等[8]通過(guò)快速消解加熱法測(cè)定了高錳酸鹽指數(shù)；2018年馬敏娟[9]利用分光光度法與電化學(xué)法測(cè)定了高錳酸鹽指數(shù)。

除上述改進(jìn)方法外，氣相分子吸收光譜法在國(guó)家環(huán)保部檢測(cè)水質(zhì)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中得到重視與應(yīng)用，其可在特定的波長(zhǎng)下，檢測(cè)氣相狀態(tài)下分子的吸光率，從而確定相應(yīng)物質(zhì)（陰陽(yáng)離子、分子）的含量，具有抗干擾性能強(qiáng)、數(shù)據(jù)可靠、綠色無(wú)毒和實(shí)驗(yàn)便捷等優(yōu)點(diǎn)[10]。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于氣相分子吸收光譜法的研究主要在測(cè)定水中的硝酸鹽氮（NO3--N）[11]、氨氮（NH4+-N）或硫化氫（H2S）方面[12-13]，對(duì)于測(cè)定高錳酸鹽指數(shù)的研究不多。2019年樓賽麗等[14]對(duì)氣相分子吸收光譜法快速測(cè)定水中高錳酸鹽指數(shù)進(jìn)行了可行性研究，該法以亞硝酸鹽作為還原劑，通過(guò)測(cè)定亞硝酸鹽氮的含量，建立了一種新型的高錳酸鹽指數(shù)快速定量分析的方法。然而，如何快速準(zhǔn)確地測(cè)定高錳酸鹽指數(shù)、能否在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)氣相分子吸收光譜法測(cè)量水樣高錳酸鹽指數(shù)的自動(dòng)化操作，是該法目前亟待解決的首要問(wèn)題。鑒于此，本研究對(duì)氣相分子吸收光譜法快速測(cè)定水中亞硝酸鹽氮的方法進(jìn)行改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)試劑與進(jìn)樣自動(dòng)化[15]，在保證其他因素不變的前提下，對(duì)水樣和環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行分析檢測(cè)，主要考察全自動(dòng)氣相分子吸收光譜法快速測(cè)定水體中高錳酸鹽指數(shù)的檢出限、準(zhǔn)確性及精密度等性能。

1.實(shí)驗(yàn)原理

當(dāng)水樣中氯離子的濃度穩(wěn)定小于300mg/L時(shí)（酸性法），在其中加入硫酸溶液，使得水樣處于酸性條件，再加入一定量的KMnO4溶液，并使水樣在沸水?。?00℃）中加熱30min[16]。用過(guò)量的亞硝酸鈉還原剩余的KMnO4，加入鹽酸-乙醇溶液，此時(shí)亞硝酸鈉瞬間被轉(zhuǎn)化為二氧化氮?dú)怏w，NO2再通過(guò)載氣進(jìn)入氣相分子吸收儀，在213.9nm處測(cè)定其吸光值，此時(shí)所測(cè)得的亞硝酸鈉氮含量可通過(guò)相應(yīng)公式直接得到水樣的高錳酸鹽指數(shù)。

當(dāng)水樣中氯離子的濃度大于300mg/L時(shí)（堿性法），在其中加入氫氧化鈉溶液，使得水樣處于堿性條件，其他條件同上。

2.試驗(yàn)部分

(1)儀器與試劑

CGM800全自動(dòng)CODMn分析儀（上海北裕分析儀器股份有限公司）專用樣品瓶及配套瓶塞；多通道進(jìn)樣針；高效恒溫水浴裝置；消解管；高錳酸鉀溶液（1/5KMnO4=0.0096mol/L）、硫酸溶液（1+3）、亞硝酸鈉溶液（1/2NaNO2=0.01mol/L）、鹽酸-乙醇溶液、葡萄糖，以上試劑均為分析純，購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)，高錳酸鹽指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)樣品購(gòu)自環(huán)境保護(hù)部標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所。

(2)試驗(yàn)步驟

①加試劑和進(jìn)樣的自動(dòng)化

加試劑和進(jìn)樣的自動(dòng)化的關(guān)鍵點(diǎn)在于一種多通道進(jìn)樣針的應(yīng)用，多通道進(jìn)樣針包括一根長(zhǎng)針和一組短針，進(jìn)樣或加試劑時(shí)，長(zhǎng)針位于液面下用于取樣，短針位于液面上用于加試劑，各個(gè)試劑和樣品分通道進(jìn)樣，互不干擾。具體到本方法，有1根長(zhǎng)針和4根短針，4根短針?lè)謩e為：0#進(jìn)純水，用于稀釋樣品和洗滌，1#進(jìn)高錳酸鉀溶液，2#進(jìn)硫酸溶液，3#進(jìn)亞硝酸鈉溶液。水樣自動(dòng)進(jìn)樣100mL，自動(dòng)進(jìn)樣針吸取10.00mL 0.010mol/L的高錳酸鉀溶液和5mL 1+3的硫酸溶液，水浴加熱消解30min后，再加入10.00mL 0.010mol/L的亞硝酸鈉溶液，用氣相分子吸收光譜儀進(jìn)行剩余亞硝酸鹽氮的測(cè)量，計(jì)算出高錳酸鹽指數(shù)。

②消解隊(duì)列模塊

整個(gè)消解進(jìn)樣分析計(jì)算過(guò)程如下：消解隊(duì)列模塊包含一個(gè)高效恒溫水浴裝置，水浴預(yù)熱到100℃；自動(dòng)進(jìn)樣到消解隊(duì)列模塊中的空閑消解管；對(duì)新進(jìn)樣的消解管加入濃硫酸溶液，加入高錳酸鉀溶液，加熱消解一段時(shí)間（30min）；對(duì)已經(jīng)完成樣品消解的消解管，使用過(guò)量亞硝酸溶液還原多余的高錳酸鉀；對(duì)已經(jīng)完成還原反應(yīng)的消解管，取出剩余的亞硝酸鈉溶液，輸入到氣相分子吸收分析模塊。依據(jù)亞硝酸鈉和高錳酸酸鉀量的關(guān)系計(jì)算高錳酸鹽指數(shù)，見公式（1）。

式中：C1—亞硝酸鹽溶液濃度，mg/L；

V1—亞硝酸溶液總體積，mL；

8—氧（1/2 O）的摩爾質(zhì)量；

7—氮（1/2 N）的摩爾質(zhì)量；

V2—樣品的取樣體積，mL。

以消解隊(duì)列中有5個(gè)消解管，每個(gè)樣品需加熱30min為例，此多通道針在每個(gè)消解管上的工作總共需要在6min內(nèi)完成。第一步（準(zhǔn)備階段）：水浴預(yù)熱到100℃。將亞硝酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液依次泵于消解隊(duì)列模塊，5min后通過(guò)GMAS模塊測(cè)試獲得吸光度，并繪制吸光度校準(zhǔn)曲線。第二步（多通道針在消解管隊(duì)列上的首次遍歷）：多通道針對(duì)消解管1進(jìn)行進(jìn)樣100mL，并泵入1:3的濃硫酸溶5mL，0.01mol/L高錳酸鉀溶液 10mL，耗時(shí)1min，空閑等待5min。依次全部5個(gè)消解管消解完成，總耗時(shí)30min。第三步（多通道針在消解管隊(duì)列上的后續(xù)遍歷）：多通道針回到消解管1，此時(shí)消解管1樣品正好完成30min的加熱消解，泵入0.01mol/L 過(guò)量亞硝酸鈉溶液5mL，并等待反應(yīng)完成（此步驟耗時(shí)1min）。抽取適量亞硝酸鈉溶液到分析模塊，同時(shí)泵入鹽酸-乙醇溶液（25%的鹽酸，30%的乙醇）。GMAS模塊測(cè)出亞硝酸溶液濃度，并計(jì)算對(duì)應(yīng)的高錳酸鹽指數(shù)，排出殘留的廢液（此步驟耗時(shí)1min）。自動(dòng)進(jìn)樣器切換到純水水瓶，抽取純水將管路和消解管清洗干凈，并排出清洗廢液（此步驟耗時(shí)3min）。依次分析全部5個(gè)樣品。

(3)工作環(huán)境條件

室溫15～35℃，工作波長(zhǎng)213.9nm，濕度＜60%，氮?dú)廨斎雺毫?.3MPa。

3.結(jié)果與討論

(1)標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

分別取新配的20.0mg/L亞硝酸鹽氮標(biāo)準(zhǔn)溶液（以氮計(jì)）0.0mg/L、0.2mg/L、0.5mg/L、1.0mg/L、2.0 mg/L、3.0mg/L、4.0mg/L、5.0mg/L，各移取50mL溶液至反應(yīng)瓶?jī)?nèi)，并將其置于自動(dòng)消解器內(nèi)，待反應(yīng)瓶?jī)?nèi)溫度恒定在100℃時(shí)，自動(dòng)進(jìn)樣采集數(shù)據(jù)，并自動(dòng)生成標(biāo)準(zhǔn)曲線。根據(jù)已設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)系列濃度繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，如圖1所示。由圖1可知，標(biāo)準(zhǔn)曲線的相關(guān)系數(shù)范圍在0.9995以上，亞硝酸鹽氮在測(cè)定的濃度范圍內(nèi)線性良好。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

(2)方法檢出限及測(cè)定下限

根據(jù)《環(huán)境監(jiān)測(cè)分析方法標(biāo)準(zhǔn)制修訂技術(shù)導(dǎo)則》（HJ168-2010）[17]，按照樣品分析的全部步驟，重復(fù)n（n≥7）次空白試驗(yàn)，將各測(cè)定結(jié)果換算為樣品中的濃度或含量，計(jì)算n次平行測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)偏差，按公式（2）計(jì)算方法檢出限（MDL）。

式中：n—樣品的平行測(cè)定次數(shù)；

t(n-1,0.99)—自由度為n-1、置信度為99%時(shí)的t分布；

S—n次平行測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

當(dāng)n=7時(shí)，自由度n-1為6，t(6，0.99)為3.143，公式（1）即可簡(jiǎn)化為MDL=3.143×S。本試驗(yàn)對(duì)7個(gè)CODMn值為1.0mg/L的樣品進(jìn)行檢測(cè)，其結(jié)果見表1。

表1 方法檢出限、測(cè)定下限

由表1可知，氣相分子吸收光譜法快速測(cè)定水中高錳酸鹽指數(shù)的7個(gè)平行測(cè)定結(jié)果的平均值為1.037 mg/L，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.021，通過(guò)計(jì)算出檢出限（MDL）為0.066mg/L，測(cè)定下限（4倍檢出限）為0.264mg/L，這低于國(guó)標(biāo)規(guī)定的0.5mg/L[2]。由此體現(xiàn)出該方法檢出限低，靈敏度高的特點(diǎn)，突出精密性。

(3)氯離子干擾的影響

若水中氯離子濃度小于等于300mg/L用酸性法，氯離子濃度高于300mg/L，用堿性法。本次實(shí)驗(yàn)采用環(huán)保部標(biāo)樣所多支有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，加入一定量的氯化鈉溶液，配置成含相應(yīng)濃度梯度的氯離子樣品，用于做干擾試驗(yàn)。在堿性條件下，加入一定量的高錳酸鉀溶液于水樣中，水樣在沸水浴（100℃）中加熱30min。本方法采用還原性極高的亞硝酸鈉與剩余高錳酸鉀反應(yīng)，通過(guò)測(cè)定剩余的亞硝酸鹽氮來(lái)計(jì)算出高錳酸鹽指數(shù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試氯離子濃度大于300mg/L小于等于8000mg/L范圍內(nèi)，氯離子干擾可以忽略不計(jì)，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）低于2.5%。

(4)氣相分子吸收法與國(guó)標(biāo)法測(cè)定樣品的數(shù)據(jù)比較

為了考查氣相分子吸收光譜法測(cè)定高錳酸鹽指數(shù)的準(zhǔn)確性，本試驗(yàn)對(duì)兩種不同數(shù)值的高錳酸鹽指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行研究，即氣相分子吸收光譜法消解批號(hào)分別為（203159）與（203160）的標(biāo)準(zhǔn)樣品，其結(jié)果見表2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)樣品測(cè)定結(jié)果

由表2可知，批號(hào)（203159）標(biāo)準(zhǔn)樣品的氣相分子吸收光譜法測(cè)定結(jié)果為3.90mg/L、3.84mg/L、3.78mg/L，標(biāo)準(zhǔn)值為3.87±0.35mg/L,；批號(hào)（203160）標(biāo)準(zhǔn)樣品的測(cè)定結(jié)果為3.60mg/L、3.54mg/L、3.66mg/L，標(biāo)準(zhǔn)值為3.57±0.26mg/L。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明這兩種標(biāo)準(zhǔn)樣品檢測(cè)所得的數(shù)據(jù)均在要求范圍內(nèi)，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD分別為1.56%和1.67%，即準(zhǔn)確性和精密度均符合規(guī)范要求。這與趙建平等[12]在研究氣相分子吸收光譜法分析標(biāo)準(zhǔn)樣品高錳酸鹽指數(shù)的結(jié)果相一致。

此外，為了進(jìn)一步研究氣相分子吸收光譜法測(cè)量水樣高錳酸鹽指數(shù)準(zhǔn)確性和精密度的性能，本文還將該法與國(guó)標(biāo)滴定法在酸式法和堿式法的條件下分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，其結(jié)果試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 國(guó)標(biāo)法與氣相分子吸收光譜法的對(duì)比

由國(guó)標(biāo)（GB/T 11892-1989）的規(guī)定[6]，高錳酸鹽指數(shù)的測(cè)定分為酸法和堿法。當(dāng)氯離子的質(zhì)量濃度小于300mg/L時(shí)，宜用酸法進(jìn)行測(cè)定，當(dāng)氯離子的質(zhì)量濃度大于300mg/L時(shí)，宜用堿法進(jìn)行測(cè)定[18-19]。由表3可知，在酸式消解方法的條件下，采用兩種不同的方法分別測(cè)定兩種水樣，由國(guó)標(biāo)法測(cè)得的水樣1的數(shù)值分別為5.53mg/L、5.57mg/L和5.58mg/L，RSD為1.39%；測(cè)得的水樣2的數(shù)值分別為3.54mg/L、3.57mg/L和3.61mg/L，RSD為0.98%；由氣相分子吸收光譜法測(cè)得的水樣1數(shù)值分別為5.58mg/L、5.66mg/L和5.70mg/L，RSD為1.08%；測(cè)得的水樣2的數(shù)值分別為3.48mg/L、3.49mg/L和3.60mg/L，RSD為1.80%。結(jié)果表明，氣相分子吸收光譜法測(cè)水樣高錳酸鹽指數(shù)與國(guó)標(biāo)滴定法的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）均低于2.5%，兩者具有相一致的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[19]，其準(zhǔn)確性和精密度均符合規(guī)定要求。

此外，本文還研究了氣相分子吸收光譜法和國(guó)標(biāo)法采用堿式消解不同的水樣的試驗(yàn)，兩者的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）同樣小于2.5%，其高錳酸鹽指數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)同樣能證實(shí)氣相分子吸收光譜法測(cè)水樣高錳酸鹽指數(shù)的方法在準(zhǔn)確性和精密度方面具有跟國(guó)標(biāo)法相一致的結(jié)果，均符合規(guī)定要求。

4.結(jié)論

（1）氣相分子吸收光譜法快速測(cè)定水中高錳酸鹽指數(shù)的方法的檢出限（MDL）為0.066mg/L，測(cè)定下限（4倍檢出限）為0.264mg/L，具有檢出限低、靈敏度高特點(diǎn)，且準(zhǔn)確性和精密度均符合規(guī)范要求。本方法測(cè)定范圍為0.4～5.00mg/L（以O(shè)2計(jì)），樣品濃度超過(guò)測(cè)定上限，可稀釋后測(cè)定。

（2）氣相分子吸收光譜法快速測(cè)定水中高錳酸鹽指數(shù)的方法操作簡(jiǎn)便、自動(dòng)化程度高。在酸式和堿式消解方法中，該方法與國(guó)標(biāo)法對(duì)高錳酸鹽指數(shù)進(jìn)行測(cè)定的結(jié)果表明，兩者具有一致的結(jié)果，有著良好的準(zhǔn)確性和精密度。

（3）氣相分子吸收光譜法快速測(cè)定水中高錳酸鹽指數(shù)的方法具有節(jié)省時(shí)間（分析一個(gè)樣品6min左右）、流程簡(jiǎn)單、檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠的特點(diǎn)。該法適合測(cè)定濁度較高的樣品，且可實(shí)現(xiàn)高精度的自動(dòng)化操作，滿足大批量測(cè)試需求。

（4）因此，氣相分子吸收光譜法測(cè)定水樣高錳的酸鹽指數(shù)在積極探索高效、合理、利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的新方法方面具有重要意義。