顺序注射平台-分光光度法测定水中总磷

谷晓明，郝龙腾，王庆飞

1.河北师范大学化学与材料科学学院，河北 石家庄 050024 2.河北先河环保科技股份有限公司，河北 石家庄 050035

磷在自然界分布很广，与氧的结合能力很强，因此在自然界中没有单质磷存在。在天然水和废水中，磷几乎都是以各种磷酸盐的形式存在的，分别有正磷酸盐、缩合磷酸盐(焦磷酸盐、偏磷酸盐和多磷酸盐)和有机磷酸盐，但是水体中含有过量的磷(如超过0.2 mg/L)，会造成水中藻类的过度繁殖，直至数量上达到有害的程度，称为营养化，使水体质量恶化[1]。目前国内测定磷酸盐常用方法包括离子色谱法[2]、钼酸铵分光光度法[3]、氯化亚锡还原钼蓝法[4]、孔雀绿-磷钼杂多酸法[5]、罗丹明6G荧光分光光度法[6]，但上述测定方法操作烦琐，在大批量分析方面尤为不便。

总磷是评价水体富营养化的重要指标，是我国地表水监测要求必测的指标之一[7]。目前国内外投入式的磷酸盐在线分析仪只有少数几家，主要监测参数为磷酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮、硅酸盐，其中只有意大利的在线分析仪有投入式总磷、总氮的监测仪器，而国内投入式的磷酸盐在线分析仪还处于空白阶段。该研究基于《基于紫外-可见光谱的LOV及其水质微分析系统研制与产业化示范》课题自主研发的总磷原位分析仪进行磷含量的平台测试，根据国标法的测试原理，采用新型顺序注射分析方法对水中总磷含量进行测定，研究目的在于将传统的湿法化学法[3]应用到投入式顺序注射平台分析仪中，采用分光光度法实现流体的精确测定，解决多种试剂顺序进样、在线消解、在线稀释及试剂回收等问题，为下一步研发微功耗投入式水质总磷在线分析仪提供基础性的数据支持。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

XH/GL-HT-2012-022型总磷原位分析仪。

过硫酸钾溶液：50 g/L，置于室温避光储存，一周内使用。钼酸铵和酒石酸锑钾混合溶液：取13.0 g钼酸铵于100 mL去离子水中，溶解0.35 g酒石酸锑钾于100 mL去离子水中，在不断搅拌下将钼酸铵溶液加入到300 mL(1+1)硫酸中，再加酒石酸锑钾溶液，混合均匀，置于4 ℃冰箱中储存，一个月内使用。抗坏血酸溶液100 g/L，采用棕色试剂瓶，置于4 ℃冰箱中储存。磷酸盐标准溶液50 mg/L，用时稀释至所需的浓度。清洗液：4.0 g氢氧化钠溶解于约80 mL水中，冷却后，加入1.0 g二氯异氰尿酸钠C3Cl2N3NaO3，用去离子水溶解，定容至100 mL，混匀。

1.2 仪器工作条件

按照所测定浓度，计算吸入母液和载液的体积，混合液最终体积为900 μL，鼓入空气700 μL后加抗坏血酸105 μL，再鼓入700 μL的空气，向溶液中加入210 μL钼酸铵和酒石酸锑钾混合溶液，鼓入700 μL空气，延时等待1 200 s，吸取消解后的溶液800 μL，前300 μL排空，剩余500 μL溶液注入显色池，并检测吸光度。测量周期10～30 min，进样流速10～100 μL/s，电压12V。

1.3 实验方法

1.3.1 分析仪的系统结构示意图

仪器的工作流程：主控板按照预设周期调用相应的任务流程，从存储区读取流程程序后，按照该任务中设定的各模块所需完成动作的时间及参数，通过串口向相应的模块发送指令，直至完成该任务。任务完成之后主控板控制整个平台进入休眠状态，直至需要执行下一个任务，仪器的系统结构如图1所示。

1.3.2 分析仪的流路图

采用GB 11893—1989钼酸铵分光光度法，样品经过硫酸酸化全部转化为无机磷，然后与过硫酸钾混合，无机磷被消解为正磷酸盐；在酸性介质中，正磷酸盐与钼酸铵反应，在酒石酸锑钾存在下生成黄色的磷钼杂多酸，加入还原剂抗坏血酸，磷酸黄被还原为磷酸蓝，生成蓝色络合物。被测溶液的浓度与透过溶液的光强度符合朗伯-比尔定律，吸光度同水样中正磷酸盐的浓度呈正比，通过对吸光度的测量，从而间接获得水样中正磷酸盐的含量。

图1 分析仪的系统结构示意图

实验过程按图2将仪器的各个管路与试剂连接好并开机预热。注射泵吸取一定体积的载液后，用一定体积的硫酸溶液进行酸化处理，后吸入氧化剂并和样品一起注入储存管中，采用过硫酸钾和紫外光双重消解一定时间，将无机磷全部转化为正磷酸盐，再向消解后的溶液中加入显色剂和还原剂，推入流通池进行吸光度的检测。

图2 分析仪的流路示意图

2 结果与讨论

2.1 实验条件的选择

2.1.1 测定波长的选择

磷酸蓝为蓝色络合物，该体系的吸收光谱见图3。从图3可以看出，反应产物在700～900 nm处均有吸收。高浓度溶液在波长大于700 nm下，其吸光度无法区分，所以该仪器适用于低浓度总磷的检测。为保证实际水样检测的可靠性，仪器分为0～2、0～5、0～10 mg/L 3个量程。0～2 mg/L为基础量程，高浓度的测定将通过流程中对溶液的进一步稀释后，再进行检测。

图3 不同质量浓度总磷的吸收光谱

基于GB 11893—1989检测波长为700 nm和Systea的投入式总磷显色体系检测波长为880 nm，所以该实验对700 nm和880 nm的吸收光谱和校正曲线进行比较(如图4)。当波长为880 nm时，吸光度大，检测不受色度干扰。因此，选择的吸收波长为880 nm。

图4 检测波长的影响

2.1.2 测定光程的选择

采用可调流通池进行光程实验，可调流通池光程范围为20～40 mm。由图5可知，随着光程的增大，检出限降低。由表1得出，降低光程可以提高检测器的灵敏度，通过改变可调流通池的光程，对灵敏度和检出限2个参数衡量，采用20 mm作为检测光程。

2.1.3 消解温度和消解时间的选择

消解装置的最高控制温度为100 ℃，选择温度分别为80、85、90、95、100 ℃进行实验，标准溶液总磷的质量浓度为1.42 mg/L。如图6所示，实际测定的浓度值随消解温度的升高而增大。当消解装置的控制温度达到100 ℃时，消解管内壁会产生大量气泡，致使检测器灵敏度降低。因此，选择总磷的消解温度为95 ℃。

图5 流通池光程的影响

表1 不同光程的分析结果

图6 消解温度的影响

为了选择合理的消解时间进行高温消解，分别选择5、8、10、12、15、20 min作为消解时间。如图7所示，随着消解时间的增加，吸光度变化很小，所测定浓度值变化也较小。因此，采用10 min作为反应管的消解时间，既保证了消解效率，又能避免能源浪费。

图7 消解时间的影响

2.1.4 过硫酸钾浓度的选择

按照国标法配制的过硫酸钾溶液有结晶析出，所以该实验配制不同浓度的过硫酸钾溶液，比较该浓度下测定的正磷酸盐数值与标准浓度的偏差，实验发现，在20～50 mg/L范围内，随着过硫酸钾浓度的增加，吸光度变化很小，所测定浓度值变化也较小。因此，采用过硫酸钾质量浓度为50 g/L。

2.2 方法的精密度和准确度

按顺序流动注射-分光光度法对质量浓度分别为0.50、1.00、1.50 mg/L 的磷标准溶液(试样浓度在检测量程范围内取值)平行测定5次，精密度标准偏差分别为2.97%、3.79%、1.80%，准确度相对标准偏差分别为3.02%、3.84%、2.00%(表2)。由此可见，该方法具有一定的可靠性和较好的重现性。

表2 样品分析结果(n=5)

2.3 标准曲线及检出限

在优化的实验条件下，按照实验方法得到的标准曲线如图8所示。在总磷质量浓度0.10～2.00 mg/L范围内呈良好的线性关系，建立的线性回归方程y=0.970 3x-0.025 3，相关系数为0.999 5，方法的检出限为1.36×10-2mg/L。

2.4 实际样品分析

按顺序流动注射-分光光度法分别对石家庄藁城市污水处理厂出口水样(水样1)和石家庄南二环外民心河水样(水样2)进行测试，测试的精密度标准偏差分别为2.51%和1.60%，并将该测试值与GB11893—1989的测定结果进行比较，结果见表3。可见，准确度相对标准偏差分别为2.68%和2.00%，表明该分析方法准确性和稳定性良好，能够满足实际地表水样的在线监测。

表3 样品分析结果(n=5) mg/L

3 结论

投入式总磷在线分析仪解决了多种试剂顺序进样、在线稀释、在线消解以及试剂回收等问题，采用分光光度法实现了流体的精确测定。顺序注射分析技术硬件简单可靠，样品和试剂的混合程度、反应时间可完全通过计算机程序控制，样品和试剂的消耗量很小，特别适合于进行时间长、可靠性和自动化有较高要求的过程分析。将传统的湿法化学应用到投入式在线原位测量仪器中，实现微量流体的精确控制和仪器的高度自动化，可为总磷在线检测仪进一步向小型化、集成化的方向发展提供依据。

[1] 应海佳,杨慧中．总磷在线检测技术的探索[J].光谱实验室，2012，29(2):912-917．

[2] 张维.离子色谱法在公共卫生检测中的新进展[J].中国卫生监督杂志，2012, 19(2):44-48.

[3] GB 11893—1989 水质总磷的测定——钼酸铵分光光度法[S].

[4] 黎海珊, 翁艳, 蔡展航.水体中总磷测定的两种钼蓝光度法的比较[J].理化检验：化学分册，2008, 44(8):786-787.

[5] 张莹琪, 冯文珊, 陈林.孔雀绿-磷钼杂多酸分光光度法测定水样中磷的含量[J].工业水处理，2011, 31(12):79-81.

[6] 熊宇迪, 刘霞, 冯长根.杂多酸(蓝)分光光度法在测定痕量元素中的研究进展[J].光谱学与光谱分析，2008,20(1):231-234.

[7] 国家环保局《水和废水监测分析方法》编委会. 水和废水监测分析方法(第四版) [M].北京: 中国环境科学出版社, 2002: 243.