正交实验在水质硫化物分析中的应用

李有海，林 奕，杨丽仙，金建明

(1.玉溪市生态环境质量分析中心，云南 玉溪 653100；2.云南省生态环境厅驻玉溪市生态环境监测站，云南 玉溪 653100；3.北京工商大学化学与材料学院，北京 100048)

0 引言

水中硫化物指水中溶解性无机硫化物和酸溶性金属硫化物，其存在形式包括溶解性的H2S、HS-、S2-等，经过水中微生物的分解氧化成硫酸，使水体酸化，危害水生生物。硫化氢毒性大，一定浓度会危害生命，所以硫化物是水质中的一项重要监测指标[1，2]。

目前，对于硫化物的监测方法主要分为化学分析法和仪器分析法两类。化学分析法是采用亚甲基蓝分光光度法，操作简便，成本低廉，灵敏度高，选择性好。被分析的水体成分一般比较复杂，一定浓度的SO32-、S2O32-、SCN-等阴离子及部分金属离子会干扰硫化物的浓度分析[2]，因此分析前对水样的前处理是得到有效数据的前提。酸化-吹气-吸收法是排除干扰离子的有效手段，相关文献及GB/T 16489-1996中均提出，吸收液用乙酸锌-乙酸钠溶液，酸化的酸溶液用1+1磷酸是最佳的选择[1，3，4]。硫化物样品分析时，严格按照GB/T 16489-1996中的步骤，得到的实际样品回收率不理想，可能受实验室所用仪器、人为因素、气压等因素的影响，需要对吹气时间、载气速率、水浴温度等条件进行优化。对比全面实验、多次单因素实验、正交设计实验、均匀设计实验等方法[5，6]，选用适合的正交实验设计法，以回收率为依据，来探索实际样品分析的前处理最佳条件。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

TTL-HS水质硫化物酸化吹气仪(北京同泰联科技生产)，V-1800可见分光光度计(上海美普达仪器有限公司生产)，电子天平JJ330型(d=0.01 g)(常熟市双杰测试仪器厂生产)，分析天平Mettler Toledo ME204E(d=0.1 mg)(梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司生产)。纯水仪UPH-I-20T(成都超纯科技有限公司生产)。实验所用的精密玻璃仪器均用JJG 196-2006所述方法进行检定并选用达到1级的玻璃仪器[7]。

市售硫化物标准品购于生态环境部标准研究所(编号：GSB 07-2733-2019 104422，浓度为100 mg/L)，磷酸(天津市科密欧化学试剂有限公司生产)，硫酸铁铵(上海化学试剂四厂生产)，N，N-二甲基对苯二胺(天津市化学试剂研究所有限公司生产)，抗坏血酸、乙酸锌、乙酸钠、硫酸(西陇科学股份有限公司生产)，氢氧化钠(天津市光复科技发展有限公司生产)。所有试剂均为分析纯，实验用水为去离子水。

1.2 实验方法

正交实验设计：吹气时间、载气速率、水浴温度三因素三水平的设计(见表1)。根据所设置的因素和水平，适合于该实验的正交表为L9(34)(见表2)，正交实验方案如表3所示。除吹气时间、载气速率、水浴温度按表3中的实验方案外，其余条件按GB/T 16489—1996中所述的方法步骤，以去离子水为空白，做空白加标实验，标准加入量为2.00 mL，计算回收率为实验结果。待预设定出最佳实验条件后，进行该条件下实际样品分析，以验证预设定最佳实验条件的实用性。

表1 实验因素和水平设计

表2 正交表L9(34)

2 结果与分析

2.1 预设定最佳条件

吹气时间、载气速率、水浴温度极差分别为12.1%、10.3%、2.0%(表3)，可以得出结论，吹气时间和载气速率为主要因素，水浴温度为次要因素。表3中k1、k2、k3分别为吹气时间、载气速率、水浴温度三因素三水平的3次实验结果平均值，吹气时间的最大值为k3(91.0%)、载气速率k3(90.1%)、水浴温度k2(86.2%)，可以确定最优组合为吹气时间(第三个水平50 min)、载气速率(第三个水平500 mL/min)、水浴温度(第二个水平60℃)，此条件下测得回收率96.4%，为9组实验中回收率最高的实验组。

表3 正交实验方案与实验结果

由图1中A所示，吹气时间与回收率为正相关，随着时间的增加，回收率在增大。B所示回收率也是随着载气速率的增大而增加。C所示为温度与回收率呈倒钟型，在60℃附近达到最高，温度过低，不利于硫化氢气体的溢出，温度过高可能是因为烧瓶中的水蒸气汽化，冷凝成水滴滞留在瓶壁、导管壁，硫化氢气体随着氮气吹出输送的过程中再次溶于瓶壁、导管壁的水滴中，因此回收率下降。

图1 回收率与吹气时间、载气速率、水浴温度效应曲线图

分析实验6，吹气时间40 min，载气速率500 mL/min，水浴温度50℃，回收率亦达到93.1%。综合影响因素、实验数据要求、实验成本等，预设定TTL-HS水质硫化物酸化吹气仪样品前处理的最佳条件为：吹气时间不少于40 min，载气速率不小于500 mL/min，水浴温度60℃，其余与GB/T 16489-1996所述一致。

2.2 实际样品分析

应用预先设定的TTL-HS水质硫化物酸化吹气仪样品前处理的最佳条件，对国家采测分离地表水样品前处理近4个月的时间，加标样品为12个，回收率为90.1%～97.5%，平均值为94.0%，相对标准偏差为2.4%(表4)。结果表明，预先设定的最佳实验条件下，水质硫化物指标分析回收率高，稳定性好，省时高效。

表4 最佳条件回收率应证结果

3 讨论

标准GB/T 16489-1996中指出：吹气速度和吹气时间的改变均会影响测定结果，必要时可以通过测定硫化物标准使用液的回收率进行检验。若是全面实验，则需要做27次实验，实验次数较多。多次单因素实验则不能体现因素之间的交互作用，可能达不到预期结果。正交实验设计选取正交表L9(34)，需做9次实验，均匀分析适用于变量和水平较多的实验设计。因此选择正交实验，对吹气时间、载气速率、水浴温度三个因素分别做三个水平的实验设计，回收率为评价依据，通过对极差分析，吹气时间和载气速率为主要因素，水浴温度为次要因素。对三个因素的1、2、3水平三次实验结果进行平均值分析，确定三因素三水平的最优组合为吹气时间50 min、载气速率500 mL/min、水浴温度60℃，此条件下测得回收率为96.4%，是9组实验中回收率最高的实验组。但在实际样品分析时，样品数量较多且具有时效性，为追求回收率的完美而花费大量时间、牺牲实验经济成本来进行酸化-吹气-吸收显然不是最佳选择，分析回收率与吹气时间、载气速率效应曲线图(图1)可知，回收率与二者之间是呈正相关，二者应能有1+1>2的效果，水浴温度在60℃时达到最高，分析实验6，吹气时间40min，载气速率500 mL/min，水浴温度50℃，回收率亦达到93.1%，因此，将吹气时间适当减少到40 min，载气速率为500 mL/min，水浴温度定为60℃，其余与GB/T 16489-1996所述一致，此为预设定的最佳条件。预设定的最佳条件下，对4个月12个实际样品的回收率分析结果表明，硫化物回收率高，稳定性好，省时高效。