水中氨氮含量的测定方法研究进展

2021-12-10何璐红常新中

盐科学与化工 2021年9期

何璐红，常新中，周惠

(河南应用技术职业学院，河南郑州 450042)

1 背景和意义

1.1 背景

中国是一个严重缺水的国家，淡水资源不足世界人均水资源的1/4，是世界上13个缺水国家之一。此外我国水资源还存在分布不均匀的现象。约有4/5的淡水资源集中在南方，北方淡水资源仅占我国淡水资源总量的1/5[1]。近年来，随着我国工业化的快速发展使得水资源污染形势变得更为严峻。一些工业废水、工业垃圾、工业废气，甚至生活污水、生活垃圾、肥料和农药通过不同的方式进入水体中造成水资源污染，一系列由水体污染带来的负面影响接踵而至。水体富营养化、水中鱼虾等生物大量死亡、生态系统遭到严重破坏、人类饮用受污染的水体后对身体造成不同程度的损害等问题频现。水资源污染问题受到越来越多的科研工作者的关注。氨氮是水体富营养化主要污染物之一，对鱼类及某些水生生物有毒害作用。水中氨氮检测方法和治理方法的研究是科研工作者的热门研究话题之一。

1.2 目的和意义

水中氨氮是指污水被微生物分解后能够对鱼类和水中生物产生毒害作用的含氮有机物总称[2]。氨氮以游离氨和铵盐的形式存在于水中，它们的组成由酸碱度和水温决定[3]，一般来说pH值和水温越高则游离氨组成比例就越高。游离氨是引起水生生物毒害的主要因子，而铵盐相对毒性较小。在国家标准Ⅲ类地面水中游离氨的浓度要求为不大于1 mg/L。氨氮作为水体中一种常见污染物其来源十分广泛，自然因素和人为因素均能造成水中氨氮的产生，其主要来源包括自然界中氨和亚硝酸盐的相互转化、工业含氮废渣废水废气通过各种途径流入水体、农田使用的含氮肥料经雨水冲刷流入水体等途径[4]。水体中氨氮含量过高是水体富营养化表现之一，会对鱼类和水中生物的生长造成危害，氨氮经食物链等途径进入人体后也会对身体造成不同程度的损害。因此，氨氮也成为了衡量水体水质好坏的重要标准。水中氨氮的检测对于水资源保护和生态系统的改善具有重要意义。

目前，国内外众多科研工作者研发出多种对水中氨氮的检测和治理体系，但这些方法体系也都存在着不同程度的缺陷，如可操作性不强、测量结果达不到要求、容易造成二次污染等。经过比较分析，该课题主要采用纳氏试剂分光光度法进行改良性研究，以期能够在提高测量精度的基础上，减少有毒有害试剂的危害，同时减少实验对环境造成二次污染。

2 国内外研究进展

目前分光光度法和蒸馏中和滴定法是我国实验室用于测定水中氨氮最常用的方法，国外用于测定水中氨氮的方法则更倾向于电化学分析法、仪器分析法以及其他分析方法[4]。

2.1 分光光度法

分光光度法是一种对物质进行定性和定量分析的物理研究方法。它的基本原理是依靠物质和光的选择性吸收特性。不同的物质具有不同的分子结构对不同波长的光的吸收能力各不相同。即使是同一种物质，由于其含量不同，其吸光程度也有所不同。通过独特的吸收光谱(定性分析)或通过吸收特定波长的光来测量物质含量(定量分析)的方法称为分光光度法。它具有灵敏度高、操作简单、快速等优点，是生化实验中最常用的实验方法。纳氏试剂分光光度法和水杨酸次氯酸盐光度法是目前我国实验室较为常用2种分光光度法。二者原理基本相同均是依靠显色反应。纳氏试剂分光光度法是借助纳氏试剂中的碘离子和汞离子在强碱性条件下与氨进行过量反应，生成红棕色胶体化合物，该化合物在420 nm波长下具有强吸收性[5]。氨氮含量可以通过测试反应溶液的吸收值来确定，氨氮量越高，其吸光度也越高，经过特定关系进行计算并最终测得水中氨氮量。水杨酸次氯酸盐光度法是在碱性条件下用亚硝基铁氰化钠作为催化剂，使水中的氨、铵根离子和水杨酸盐及次氯酸反应可生成蓝色化合物，用分光光度计在波长697 nm处测量其吸光度[6-8]。中国学者郭晓颖[9]分别采用纳氏试剂分光光度法和水杨酸次氯酸盐分光度法测定水中氨氮，结果表明水杨酸法的精确度和稳定性比纳氏法略高，但回收率较低且不适用应急突发事件的检测。迪姆特卡亚和加里宁琴科[10]也对纳氏试剂分光光度法进行过研究，研究结果表明纳氏试剂与乙二胺及其它脂肪族多胺相互作用的产物是不同组成的不溶性络合物和可溶性有色络合物，后者仅在氨存在下形成，证明了纳氏法检测水中氨氮的可行性。

2.2 电化学分析法

电化学分析法最早由德国化学家C.温克勒尔提出。电化学分析是一种基于溶液电化学性质的化学分析方法，其基础依据是电化学池中的电化学反应。根据溶液的电化学性质(如电极电位、电流、电导率、电量等)与被测物质的化学性质或物理性质之间的关系(如化学组成、电解质溶液的浓度等)，将被测物质的浓度转换成电参数进行测量[11]。电化学分析法用于水中氨氮测定的研究方法中最常用的是氨气敏电极法。氨气敏电极法其原理是能量的动态平衡，在氨气敏电极中电位的变化主要是通过调节水样的pH值使铵盐转化为氨水，水样中氨氮的含量就能通过pH值的变化来显示，根据能量的动态平衡最终可用能斯特方程计算出水样中氨氮的含量[12-13]。吴正华[12]对氨气敏电极法和纳氏试剂分光光度法测定不同浓度水样进行实验对比，结果显示氨气敏电极法能更快地反映水质变化情况，但不适合用于测定低浓度水样。

2.3 仪器分析法

仪器分析法是近代兴起的一种分析方法，使用较特殊仪器以物质的物理或物理化学性质为基础对物质进行定性定量分析的分析方法。仪器分析法用于水中氨氮测定的研究方法中最常用的是色谱法。色谱法依靠水样中不同物质在两相之间分配的不同导致随流动相运动速度也不同，随着流动相的运动使得水样中氨氮分离出来从而实现水样中氨氮含量的检测[14]。马云云[15]等使用离子色谱法对环境中水样进行氨氮测定，测定结果表明离子色谱法检出限低于国标要求，可以满足监测工作的需求。玛莉亚·费尔南达安古洛[16]等还提出将超快丹酰化条件与超高效液相色谱法结合用于选择性测定葡萄酒和啤酒中的生物胺的设想，经过试验验证后最终得出结论：新的色谱法比传统高效液相色普法分析时间减少了60%，大大提高了检测效率。

2.4 其他分析方法

目前在国外氨氮检测体系中，蒸馏中和滴定法、流动注射法等也是较为常用检测方法。蒸馏中和滴定法是将硼酸作为吸收液用以吸收水样中蒸馏出的氮，再以盐酸滴定从而计算出吸收液中的氨氮[4，17]。流动注射法是借助分光光度计、原子吸收分光光度计、离子计、荧光光度计等仪器对流动的水样进行容量测定，从而得出被测水样中的氨氮含量[18-19]。