基于间苯二酚分光光度法的总氮检测方法

蒋 凯 王 雷 李 文* 李新民 何 娜

(1.北方工业大学 机电工程研究所, 北京 100144;2.泰安市泰山索道运营中心, 泰安 271099)

引 言

总氮是水体中有机氮和各种无机氮化物的总称,包括无机铵盐氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、溶解态氮以及大多数有机含氮化合物中的氮[1]。水中总氮量过高不仅会导致富营养化现象,破坏水体生态系统,还会严重影响人类健康。因此,及时监测和控制水质总氮含量对于避免水体富营养化、改善水质具有十分重要的意义。

水体中总氮的检测方法主要有碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法[2]、碱性过硫酸钾氧化气相分子吸收光谱法[3]和盐酸萘乙二胺分光光度法[4]。碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法的原理为:在碱性条件下,将待测样本于120 ～124 ℃消解30 min,含氮化合物的氮元素将全部转化为硝酸盐,同时水样中的有机物也被氧化分解,通过测定样品在220 nm 和275 nm 波长处的吸光度,可以得到水样的总氮含量[2]。该方法具有反应简单、精度较高等优点,是目前水质总氮监测系统中应用最广泛的检测方法,但该方法存在空白试验的校正吸光度偏高等问题,会对检测精度和重复性造成影响。碱性过硫酸钾氧化气相分子吸收光谱法的原理为:在碱性环境中,将水样置于70 ℃的恒温水浴箱中加热,使待测样本全部由液相转化为气相状态,再通过气相分子光谱仪测定气体吸光度,得到水样总氮含量[4-5]。该方法的检测量程大,但存在检测成本过高、精度一般、重复性差等缺点。盐酸萘乙二胺分光光度法的原理为:在110 ℃的碱性环境中,样品被过硫酸盐氧化为硝酸盐后,经镉柱还原为亚硝酸盐,在酸性条件下亚硝酸盐进行重氮化反应,然后与盐酸萘乙二胺偶联生成紫红色化合物,通过测定样品在540 nm 波长处的吸光度,得到水样总氮含量。该方法的检测成本低,但反应步骤繁琐,由试剂引入的不确定度较大,影响检测精度[6-7]。

针对以上问题,本文提出了一种基于间苯二酚分光光度法的水中总氮检测方法,该方法的检测成本较低,测量精度高、重复性好,可用于站房式、浮漂式和便携式水质监测站等多种场景下水中总氮含量的测定。

1 实验部分

1.1 实验材料与仪器

1.1.1 实验材料

间苯二酚,分析纯,国药集团化学试剂有限公司;总氮标准试剂(1 000 μg/mL),分析纯,厦门海标科技有限公司;浓硫酸(95.0% ～98.0%),优级纯,国药集团化学试剂有限公司;过硫酸钾(K2S2O8),总氮量≤0.001%,分析纯,德国默克公司;氢氧化钠,总氮量≤0.000 3%,分析纯,德国默克公司;去离子水,自制。

1.1.2 实验仪器

SY08 立式注射泵(南京润泽流体控制设备有限公司),液量准确度误差≤1%,重复性误差≤0.7%,最小进样精度0.002 5 mm/0.416 μL;Smart SV-04 多通道切换阀导(南京润泽流体控制设备有限公司);LC-WB-2 恒温水浴箱(湖南力辰仪器科技有限公司);CS6721D 数字亚硝酸盐传感器(上海淳业仪表科技有限公司),精度2.5%,量程0 ～100 mg/L; 检测器: UV - 035DQ 光电二极管(OSI Optoelectronics 公司);360 nm 光源(深圳高利通科技有限公司),2 W 氙灯(XYM2020),带有360 nm 窄带滤波片。

1.2 实验原理

自然界的水中存在着形式多样的含氮化合物,未经处理下显色剂无法与全部化合物反应,造成检测不完全,导致检测值低于实际值。因此使用强氧化剂(如K2S2O8)的碱性溶液将水中的含氮化合物全部氧化成硝酸根(式(1))[2],然后使用显色剂间苯二酚的酸性溶液与硝酸根反应,生成黄色的2-硝基间苯二酚(式(2)),待颜色稳定后测量溶液在360 nm 处的吸光度,从而间接测得水中的总氮含量[8]。

1.3 检测系统

本研究设计的检测系统的三维结构和二维结构分别如图1 和图2 所示。基于间苯二酚的总氮检测系统以注射泵为动力源,阀导为进液切换手段,可实现定量化进样及控制;消解池不仅作为高温消解、化学反应发生的场所,而且还提供了密闭、遮光的检测环境;加热丝和散热扇可实现检测池的升降温;继电器用于控制压力阀和风扇;主控板可完成信号采集、数据传输等功能。检测系统的直径为160 mm,高度为520 mm,便携性较好。目前,市场上高精度商用总氮检测设备(如CS6721D 型数字亚硝酸盐传感器)的价格均在两万元以上,而基于间苯二酚的总氮检测系统的物料成本仅为7 000 元左右,生产成本更低。

图1 检测系统的三维结构图Fig.1 3D structure diagram of the detection system

图2 检测系统的二维结构图Fig.2 2D structure diagram of the detection system

1.4 检测方法

1.4.1 样品溶液配制

取4 g 过硫酸钾和1.5 g 氢氧化钠,使用去离子水溶解并配制成100 mL 溶液;取0.2 g 间苯二酚,使用去离子水溶解并配制成100 mL 溶液;取标准浓度的总氮试剂用去离子水配制成不同浓度的亚硝酸盐溶液。

1.4.2 检测流程

根据总氮检测原理和反应方程式设计总氮检测流程,如图3 所示。检测系统中,注射泵的主要功能是对反应试剂进行定量,阀导的主要功能是根据试剂的反应顺序切换试剂的进液口。首先,使用去离子水清洗消解池内上次检测残留的物质,为了防止残留的去离子水稀释水样,确保总氮检测的准确性,需使用水样再次润洗消解池。控制注射泵向消解池中定量注射水样5 mL,控制阀导将进液口转换到试剂1,向消解池中注入1 mL 碱性过硫酸钾溶液,并加热至约120 ℃,持续30 min;采用PID 控制温度,可有效稳定加热温度。当加热到100 ℃时,控制阀导,转换进液口为空气,抽取外界空气向消解池中鼓泡3 min,起到搅拌试剂的作用。加热结束后试剂反应完成,此时水样中的氮化合物全部转化为硝酸盐。控制散热扇加速消解池中溶液的冷却,待温度达到室温时,控制阀导将进液口转换到试剂2,控制注射泵向消解池中注射0.3 mL 间二苯酚试剂,同时调节阀导将进液口转换到试剂3,向消解池中注射10 mL 浓硫酸溶液,控制阀导由进液口转向进气口,向消解池中鼓泡3 min,鼓泡结束后试剂已充分反应,使用采集板读取检测电压值,并通过串口将数据发送给上位机。待检测完毕后,排空消解池中的水样并清洗,为下次检测做准备。

图3 总氮检测流程图Fig.3 Flow chart of total nitrogen detection

1.5 标准曲线绘制

使用本文建立的检测方法检测光电二极管的电压。以光电二极管的检测电压为横坐标,总氮标准溶液的质量浓度为纵坐标进行线性回归分析,得到线性回归方程[8]。

1.6 测量重复性考察

为了考察基于间苯二酚的总氮检测方法的重复性,参考GB/T 609—2018[9]对水中总氮检测规定的指标进行测定。室温下使用本文建立的检测方法分别测定总氮质量浓度为0.4、0.8、1.0、2.0、4.0、6.0、8.0、10.0 mg/L 的总氮标准溶液,每个样品测定6 次,结果取平均值并计算重复性[10]。重复性的计算方法见式(3)和(4),精度的计算方法见式(5)。

式中:S为标准偏差,n为测量次数,ci为第i次测得的质量浓度为n次检测的平均质量浓度,St为相对标准偏差(RSD),σ为传感器的测试精度,c′为传感器的量程,c*为传感器的测量值,c0为标准浓度值。

1.7 测量准确性验证

为了验证本研究建立的总氮检测方法的准确性,选用商用CS6721D 型数字亚硝酸盐传感器进行对比实验,采用亚硝酸盐传感器检测时只需将待测样本置于传感器取样口处,通过串口即可获取测量值。使用去离子水将总氮标准试剂配制成质量浓度为0.5、1.0、2.0、4.0、8.0、10.0 mg/L 的亚硝酸盐水样,另外在永定河、北京动物园取实际水样两组,分别使用商用CS6721D 型数字亚硝酸盐传感器和基于间苯二酚分光光度法的总氮检测方法对水样进行测量,每组重复测量3 次,结果取平均值。按照式(6)计算相对误差。

式中:δ为相对误差,ca为商用传感器测得的质量浓度,cb为本检测系统测得的质量浓度。

2 结果与讨论

2.1 检测范围

以总氮标准溶液的质量浓度y为纵坐标,各浓度下对应的电压值x为横坐标进行线性回归分析,结果见图4。得到总氮质量浓度与电压值之间的数学模型:y=6.799 74x-8.166 05,决定系数R2=0.959 26,结果表明,在0.4 ～10 mg/L 的范围内,检测电压与总氮标准溶液质量浓度的线性关系良好。

图4 总氮标准溶液的质量浓度与电压之间的拟合曲线Fig.4 Fitting curve of the mass concentration of total nitrogen standard solution and the voltage

2.2 测量重复性和精度

表1 为采用本文的检测方法对总氮标准溶液含量的测定结果。结果显示,相对标准偏差的最大值为4.75%,精度的最大值为3.23%,表明本文的检测方法的测量重复性较好,精度高,能够满足GB 5009.33—2016[11]和GB 3838—2002[12]对水质亚硝酸盐氮的测定要求。

表1 总氮含量检测结果Table 1 Detection results of total nitrogen content

2.3 测量准确性

表2 为采用本文的检测系统与商用CS6721D型数字亚硝酸盐传感器对总氮标准溶液及实际水样的测定结果比较。可以看出,两种方法的检测结果接近,检测标准样品时最大相对误差不超过5%,检测实际水样时最大相对误差不超过8%,表明本检测方法的测量准确性较好。

表2 本文的检测系统与商用传感器对总氮标准溶液及实际水样的测定结果比较Table 2 Comparison between our detection system and a commercial sensor for the analysis of total nitrogen standard solutions and actual water samples

2.4 干扰因素分析

在使用本检测方法测试总氮的过程中,发现存在一些影响测试性能的干扰因素,针对这些干扰因素,本文提出了相应的解决措施:(1)检测管存在温漂现象,应定期进行校准或使用软件进行补偿;(2)外界光对检测结果有一定干扰,对检测室即消解池应严格进行密闭、遮光设计;(3)水样中悬浮颗粒物对检测精度有影响,进样前应对水样进行预处理;(4)相对于总氮标准溶液样品,实际检测的水样中存在其他离子的干扰,使得检测误差变大,应优化数学模型进行补偿[13]。

3 结论

本文提出了一种基于间苯二酚的总氮检测方法,设计了相应的检测系统和检测流程。对总氮标准溶液的测定结果表明,本检测方法的重复性好,精度高;与商用总氮传感器的测试结果进行了比较,二者测得的总氮含量相差较小,说明本文设计的检测系统具有较好的测量准确性。