气泡间隔连续流动分析法用于氨氮在线监测

2021-08-19张茗迪董建民刘子杰张卫宏

化工环保 2021年4期

赵宇，张茗迪，董建民，刘子杰，张卫宏

（中节能天融科技有限公司，北京 100085）

气泡间隔连续流动分析（CFA）法以其检测速率快、自动化程度高、试剂消耗量少而逐渐成为实验室水质检测的主流分析方法［1-4］，也是新水质检测标准推出的主要侧重方向，目前已有针对地表水、废水中的总氮、总磷、氨氮实验室测定的国家标准方法［5-7］。但该方法只适用于实验室检测分析，需要满足长期有人值守、预制大批量样品、废液每日清理等前提条件。在地表水在线监测领域，目前采用的顺序注射法因产生废液量高、检测时间长等问题阻碍了各水质指标的快速检测和质量控制功能的实现［8-19］。而截至目前，尚未有将CFA方法应用于水质在线监测领域的报道。

本工作通过泵速优化实验，考察了泵速变化对试剂消耗量、废液产生量、信号波动、出峰时间和检测稳定性的影响，进而建立水样中氨氮的CFA在线监测方法。

1 实验部分

1.1 试剂、材料和仪器

氯化铵、二水合亚硝基铁氯化钠、酒石酸钾钠、柠檬酸三钠、盐酸、氢氧化钠、聚氧乙烯月桂醚、水杨酸钠、二氯异氰脲酸钠：均为优级纯，国药集团化学试剂有限公司。实验用水为新鲜制取、电阻率大于10 MΩ·cm（25 ℃）的无氨水。

氨氮标准溶液：称取3.819 g氯化铵溶于水中，定容至1 000 mL，得到氨氮标准储备液，将其逐级稀释即得所需标准溶液。

亚硝基铁氰化钠溶液：溶解0.5 g二水亚硝基铁氯化钠于300 mL水中，定容至500 mL。缓冲溶液：溶解33 g酒石酸钾钠、24 g柠檬酸三钠于800 mL水中，定容至1 L，用氢氧化钠调节pH至5.2，最后加入3 mL 3%（w）聚氧乙烯月桂醚混匀。水杨酸钠溶液：溶解25 g氢氧化钠、80 g水杨酸钠于800 mL水中，冷却后定容至1 L。二氯异氰脲酸钠溶液：溶解2.0 g二氯异氰脲酸钠于300 mL水中，定容至500 mL。

HGCF-100型气泡间隔连续流动分析仪：北京海光仪器有限公司。

1.2 实验原理

在图1所示的管路中，水样和各溶液在蠕动泵的推动下进入由石英管组成的密闭管路中，由蠕动泵或电磁阀同时匀速输入气泡，将溶液按一定间隔规律隔开，在由气泡分隔开的小腔室里混合、反应，直至显色完全后，通过浮力作用排出气泡，各腔室溶液汇合进入流通池进行分光光度法检测。由于整个反应过程在毛细管路中进行，具有预处理效率高、反应速率快、安全性好、试剂消耗量小的优势。一个反应全周期里包括“输送反应时间”和“出峰时间”，在实验室CFA法持续进样过程中，输送反应时间相互重叠，从而相对缩短了样品检测时间（如图2所示）。对于在线监测过程，采样时间间隔较长，输送反应时间无法重叠，所以一个反应全周期既是检测时间。

图1 氨氮CFA法的流路图

图2 CFA连续检测信号图

通过蠕动泵，将水样与缓冲溶液混合，实现酸度调节和对干扰物质的掩蔽；然后，依次与碱性水杨酸钠溶液、亚硝基铁氰化钠溶液和二氯异氰脲酸钠溶液混合；在碱性介质中，水样中的氨、铵离子与二氯异氰脲酸钠溶液释放出的次氯酸根反应生成氯胺，在45 ℃加热条件下和亚硝基铁氰化钠催化作用下，氯胺与水杨酸盐反应生成5-氨基水杨酸，然后进一步缩合生成靛酚蓝；在660 nm波长处测定吸光度。由于试剂一直连续注入，所以660 nm波长处获得的信号是由浅入深又降为无色的显色反应产生的高斯曲线峰。

1.3 实验方法

按照表1所示实验参数（厂家建议仪器条件参数），结合《地表水自动监测技术规范（试行）》HJ 915—2017［20］要求，每隔4 h对水样进行一次检测，对结果进行对比分析。具体检测流程为：在原有实验室CFA检测流程［20-21］连续进水样的基础上，中断其连续进水样过程，而以上次水样出峰完全以及一个完整采样周期结束后，进样器引入下一个水样，开始新的检测。上一个水样检测结束，新的水样尚未准备好的间隔期称为待机，待机过程中改变蠕动泵泵速，考察试剂消耗量和废液产生量的变化。检测过程中，改变蠕动泵泵速，考察吸光度信号的大小及其波动性。确定最优泵速后，以每4 h一次的采样频率，模拟在线监测过程对水样进行测定。

表1 在线氨氮CFA法的设定参数

2 结果与讨论

CFA法得以对水样快速检测的前提条件是样品连续进入反应系统，而对于在线监测系统，样品采集周期一般为1～4 h，这就造成样品进样间隔时间相对较长，此时试剂输送时间成为主要耗时因素。同时，检测之间的待机过程也会造成大量试剂的浪费和较多废液的产生。为此，本实验在实验室CFA方法的基础上，考察了相关因素的影响。

2.1 泵速对废液产生量的影响

待机时间内的蠕动泵转动是为了系统压力稳定，避免局部加热造成检测的不稳定以及试剂的析出。若待机状态转速与工作状态转速相同，则会消耗大量试剂，并产生废液。本实验对比了2～12 r/min转速下各试剂消耗量和废液产生量（结果见图3），发现随着转速下降，试剂消耗量和废液产生量明显降低。模拟实际工作中每4 h检测一次，待机时间230 min内，2 r/min转速下废液产生量比工作状态减少80%以上。因此，本实验选择2 r/min为待机转速。

图3 待机转速对试剂消耗量和废液产生量的影响

2.2 泵速对检测时间和基线的影响

蠕动泵的工作转速会对反应速率以及系统压力产生影响。泵速太小会造成浓度扩散严重，检测峰形拖尾，灵敏度降低；泵速太大会造成系统压力过大，泵管柔韧性受损。本实验对比了工作转速在5～40 r/min范围内检测时间（出峰时间和峰宽之和）的变化，结果见图4。从图4可以看出：随着工作转速的增加，出峰逐渐提前，峰宽变窄；当泵速大于25 r/min时，峰宽和出峰时间的变化逐渐平稳。

图4 工作转速对检测时间的影响

蠕动泵从低泵速切换到高泵速时，由于压力骤增，会造成压力的剧烈波动，本实验研究了波动时间（从进样器切换造成基线波动到基线平稳所用的时间）、间隔时间（波动平稳后与出峰之间的时间间隔）和波动极值（光谱信号最大值与最小值之差）的变化，结果见图4和图5。从图4和图5可以看出：虽然波动极值在工作转速20～25 r/min范围内有所减小，但随工作转速的增加整体仍呈现逐渐增大趋势；在工作转速大于25 r/min时，波动时间逐渐缩短至2 min之内，同时与信号峰保持约0.5 min的时间间隔，对检测出峰不产生影响。

图5 工作转速对波动极值的影响

2.3 泵速对检测稳定性的影响

泵速对反应进行程度产生一定影响，进而影响检测结果稳定性。由于工作转速为5 r/min时检测时间太长，故研究范围取10～40 r/min。本实验考察了不同工作转速下氨氮显色反应的稳定性，对2.00 mg/L标准溶液进行连续6次检测，用测定结果的相对标准偏差（RSD）表征检测的稳定性。从图6可知，在工作转速10～40 r/min范围内，RSD均小于5%：在10～25 r/min范围内，RSD先升高后降低，这是受泵速变化引起基线波动的影响；在25～40 r/min之间，RSD在一定范围内波动，并在40 r/min时处于最低值。综合考虑出峰时间和泵管寿命等因素，本实验选择25 r/min为实验所用工作转速。

图6 工作转速对检测稳定性的影响

综合分析图4、图5和图6，在25 r/min工作转速下，输送反应时间为3 min，出峰时间约为2 min，即在5 min检测时间内，既可实现对氨氮的快速准确检测。

2.4 线性关系、精密度和检出限

按照水质在线自动监测仪的技术要求，常规采用单点进行校准，本实验通过采用多位阀，可对3个浓度点的标准曲线进行校准。配制高、中、低3个质量浓度（0.25，1.00，2.00 mg/L）的氨氮标准溶液，测定氨氮的峰高，并以峰高对质量浓度进行线性回归，得到0.25～2.00 mg/L范围内的线性方程为：y= 0.215 9x+ 0.000 7，其相关系数为0.999 9。浓度范围选择的依据为地表水多级水质浓度的限定范围［22］，如实际有超出情况，可通过适当稀释测定。

对质量浓度为1.60 mg/L的氨氮溶液进行7次平行测定，测定结果（见表2）的RSD为0.8%，精密度良好。

表2 精密度实验数据 ρ，mg/L

平行测定空白溶液11次，测定结果的标准偏差（S）为0.001 8 mg/L。按照公式t（n-1，0.99）S计算得到方法检出限为0.005 mg/L。

2.5 准确性检验

采用生态环境部标准样品研究所的氨氮质控样品（编号2005131，标准值1.20 mg/L，不确定度0.07 mg/L），对方法的准确性进行检验，结果见表3。由表3可知，检测浓度在质控允许范围内，证明本实验方法准确性较高。

表3 质控样的测定结果 ρ，mg/L

2.6 实际水样的测定

从北京市昌平区和通州区采集地表水水样，分别用本实验方法直接测定，并进行加标回收实验，结果见表4。由表4可知，该方法回收率在90.8%～108.3%，证明方法稳定可靠。

表4 实际水样的回收率测定结果

对实际水样检测结果与《水质氨氮的测定水杨酸分光光度法》（HJ 536—2009）手工方法［23］进行对比，并采用《氨氮水质在线自动监测技术要求及检测方法》（HJ 101—2019）［24］进行可靠性评价，结果见表5。从表5可看出，测定结果满足HJ 101—2019要求，可用于地表水在线监测。

表5 实际水样的测定结果对比

2.7 与实验室CFA方法峰形对比

将本实验标准溶液峰形与实验室CFA方法（泵速12 r/min）［21］标准溶液峰形进行对比，结果见图7。由图7可知，泵速提高后虽然峰高均略有降低，但是出峰显著提前，连续测定0.25，1.00，2.00 mg/L 3个标准溶液，可在7 min内完成检测。这一结果显著优于常规在线检测仪器连续测定3个标准溶液的检测时间（≥15 min）。