简述碱性过硫酸钾法测定水中总氮时出现的问题及解决措施

肖艳蕾

（梅州市梅县生态环境管理服务中心，广东 梅州 514700）

总氮是有机氮和无机氮的和，无机氮包括氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮。未经处理的工业废水、农田排水和生活污水直接排入水体，使水中的氮含量增加。当地表水中氮、磷等物质超标时，会出现大量生物及微生物和浮游植物，导致水中溶解氧被消耗，出现水体的富营养化。所以衡量水质的重要指标之一是水中的总氮含量。总氮的测定一般采用过硫酸钾氧化法将有机氮和无机氮化合物转化为硝酸盐，再分别用紫外分光光度法、离子色谱法或气相分子吸收光谱法进行测定。本文的研究方向为碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定水中总氮时出现的问题及解决措施。

1 测定原理

在温度为120～124 ℃的碱性介质中，水中的氨氮、亚硝酸盐氮和大部分有机氮化合物以过硫酸钾为氧化剂氧化成硝酸盐，分别在220 nm 和275 nm波长处用紫外分光光度法测定其吸光度。用A=A220-2A275计算硝酸盐氮的吸光度值，再计算出总氮的含量[1]。

2 重要试剂与仪器

本法所需的重要试剂有：盐酸（1+9）、碱性过硫酸钾（在600毫升水中加入过硫酸钾40.0 g并置于50 ℃水浴中加热至溶解，在300 mL水中加入氢氧化钠15.0 g，使氢氧化钠溶解并冷却至室温后，将两种溶液混合，用水稀释至1 000 mL。）、硝酸钾标准溶液（100 mg/L）。在实验中用到的仪器设备主要有：T6新世纪紫外可见分光光度计、高压蒸汽灭菌锅、25 mL具塞磨口玻璃比色管、10 mm石英比色皿。

3 实验过程

3.1 取样消解

取10 mL水样或适量水样，将5 mL碱性过硫酸钾溶液加入比色管中，盖好磨口塞，然后用纱布和绳子扎紧管口，以防液体溅出。然后将比色管放进高压蒸汽灭菌锅中，加热至顶压阀吹气，关掉放气阀，继续加热，当温度达到120 ℃时开始计算时间，温度维持在120～124 ℃之间30 min。当压力降为0时，开阀放气，打开外盖，并拿出比色管自然冷却，按住管塞，把比色管颠倒混匀2～3次。在消解过程中注意观察比色管的管口或塞子是否破损，如果破损，应重新取样并进行分析。

3.2 比色

在每个比色管中加入1 mL（1+9）的盐酸，并用水稀释至25 mL，将管塞塞紧，摇匀。将水样装入10 mm石英比色皿中，用纯水作参比，用T6紫外分光光度计分别在波长220 nm和275 nm处测量吸光度。

4 存在的问题

4.1 空白值偏高

在实验过程中，会出现空白值偏高的情况，出现此种情况的原因多种多样，主要有以下几方面因素：实验用水、关键试剂（碱性过硫酸钾）、消解时间及冷却时间、玻璃器皿的洁净程度、实验环境等。

4.1.1 实验用水

表1 不同水质的空白吸光度值

从表1得知，上述5种水除了去离子水之外，其他都能符合实验用水空白吸光度＜0.030的规定，去离子水的空白吸光度不满足条件是因为实验室里去离子水的输水管道比较长，可能已经被氮污染了。另外还需要注意的是无氨水需要现制现用，且制备比较费时[2]。

4.1.2 关键试剂

在标准中碱性过硫酸钾紫外分光光度法测定水中总氮主要用到的试剂为：碱性过硫酸钾溶液、盐酸，其中碱性过硫酸钾对总氮的测定结果有比较大的影响，过硫酸钾的纯度和氢氧化钠的纯度对空白值的吸光度也有影响。在标准中要求过硫酸钾含氮量应小于0.000 5%，氢氧化钠含氮量应小于0.000 5%。过硫酸钾含氮量和氢氧化钠含氮量过高都会导致空白值偏大，不能满足空白值小于0.030的要求。由于目前市场上销售的试剂质量参差不齐，不同厂家、不同批次的试剂存在质量差异，故此新购买过硫酸钾试剂和氢氧化钠试剂时，需要对其含氮量进行测定，符合要求才能使用。

除了过硫酸钾和氢氧化钠的纯度对空白值有影响，碱性过硫酸钾溶液的存放时间也对空白值有影响。在相同实验条件下，对不同时间段的碱性过硫酸钾溶液进行空白试验，根据试验结果可知：随着碱性过硫酸钾的存放时间越久，空白值就越高。新配置的碱性过硫酸钾测得的空白值最低，七天内空白值差异不大，放置30天内的空白值亦可以满足标准规定，放置时间为40天后空白值大于0.030，达不到标准的要求。所以碱性过硫酸钾在7天内使用效果最佳，如果试剂保存得当，可延长到一个月[3]。

4.1.3 消解时间及冷却时间

消解是测定水中总氮很关键的一环，而消解时间是很重要的因素，在消解过程中必须严格控制。标准中明确指出工作压力不低于1.1～1.4 kg/cm2，温度不低于120～124 ℃，维持30分钟。消解时间过短，氧化分解过程不能充分进行，导致空白值偏高；消解时间过长，则会造成时间上的浪费，影响总氮测定的效率。经过多次实验证明，消解时间在25～35分钟以内还会出现空白值大于0.030的情况，消解时间在40分钟以上，空白值趋于稳定且能满足标准要求。因此，在总氮测定中，将消解时间控制在40分钟左右，碱性过硫酸钾分解得更加完全，测定出来的结果相对比较准确[4]。

（3）碾压机具组合。碾压机具组合形式对路面压实度有较大影响，该高速公路设计三种碾压机具组合并检测碾压后路面压实度。三种碾压方案路面压实度均超过95%，符合规范要求，第二种方案在第一种方案的基础上增加钢轮压路机振动碾压，压实效果明显提升，第三种方案在第二种方案的基础上增加胶轮压路机吨位，在碾压遍数相同情况下压实效果也得到一定提升。GTM法沥青混合料配合比设计其密度较大，但通过合理的碾压工艺可完全满足规范要求。

标准中规定水样消解后从高压蒸汽灭菌锅中取出，比色管应冷却至室温，说明水样消解后的冷却时间对空白值也会产生影响，冷却时间太短，会造成实验空白值偏高。根据日常工作经验得出冷却时间最好在2小时以上，实验空白值基本趋于稳定，且满足标准要求。

4.1.4 玻璃器皿的洁净程度

在水中总氮的测定中，玻璃器皿洁净度直接影响着总氮数据的准确度，玻璃器皿受到污染会导致空白值偏高，进而影响总氮的最终结果。实验中主要用到的玻璃器皿是25 mL具塞磨口玻璃比色管。标准中规定玻璃器皿要用盐酸（1+9）或者硫酸（1+35）浸泡之后，用自来水冲洗干净，再用无氨水冲洗2～3次，清洗干净后应立即使用。在日常操作中，通常都是拿直接洗好晾干的比色管来用，因而造成一定的误差。将用1+9盐酸浸泡后清洗干净的比色管放置一周与用1+9盐酸浸泡后清洗干净立即使用的比色管进行比较，发现放置一周的比色管的空白吸光度有了较大变化，空白值偏大，因而影响了总氮的最终结果。

高压蒸汽灭菌锅作为消解仪器，水样在高压蒸汽灭菌锅里形成一个密闭的空间，在高温高压下，水分蒸发，使少部分蒸汽进入比色管，其性能和清洁度直接影响实验室空白和样品结果。在标准中指出使用高压蒸汽灭菌锅要定期检查压力表，同时检查橡胶密封圈的密封情况，避免出现漏气而减压的情况，同时高压蒸汽灭菌锅应每周清洗，确保无氮污染。

4.1.5 实验环境

实验环境达标是确保数据准确的必要条件。在总氮分析测试中，实验环境污染主要是指氮污染，是由挥发性气体或者沉降粒子引起的。实验环境氮污染会造成实验空白值偏高，进而影响样品的最终结果。因此必须保证实验环境无氮污染，总氮实验区域不能与氨氮、使用氨水、硝酸、铵盐类的分析项目在同一片区域。

4.2 总氮测定值小于氨氮测定值

在氨氮水样浓度高的时候最容易出现总氮测定值比氨氮测定值小的情况。高浓度氨氮与碱性过硫酸钾发生反应会有氨气产生，部分氨气有逸出的可能，从而导致总氮测定值小于氨氮测定值。但这不是唯一的原因，根据日常经验可知，造成总氮测定值小于氨氮测定值的原因很多，主要有分析方法不同、氧化剂纯度及其氧化性、移液速度、消解时间、水样消解开塞前颠倒混匀与否、玻璃器皿洁净度、比色管密封性、实验环境等。

4.2.1 分析方法不同

碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法是总氮采用的分析方法。氨氮采用的是纳氏试剂分光光度法[5]。其原理是氨氮以游离氨或铵离子的形式与纳氏试剂反应生成红棕色络合物，络合物的吸光度与氨氮含量成正比，并在波长420 nm处测定络合物的吸光度。根据两者测定方法和原理比较，总氮的测定比氨氮的测定多了一个消解过程。消解过程是指在高压高温的条件下，将水样中的有机氮和无机氮化物转化为硝酸盐氮的过程，该过程中很难做到消解效率为百分之百，特别是某些含氮有机物在该标准测定条件下不能完全转化为硝酸盐，所以这个环节必然会产生损失，从而造成最终结果偏小。

4.2.2 氧化剂的纯度及氧化性

过硫酸钾作为氧化剂，其纯度直接影响总氮分析的实验室空白和样品结果。由于现在市场上销售的大部分试剂都不符合标准规定，含氮量达不到小于0.000 5%的要求，导致实验空白偏大，总氮测试结果偏低。为了消除这种影响，可以对过硫酸钾进行提纯。提纯方法为：把装有1 000 mL新制备无氨水的烧杯放入50 ℃水浴锅中加热，加热时一边搅拌一边加入过硫酸钾，直到过硫酸钾不再溶解为止，然后把烧杯口用保鲜膜密封，马上放进4 ℃的冰箱中进行重结晶，经过一夜，倒掉上清液，并用高纯水对晶体进行清洗，清洗2～3遍，接着放入烘箱50 ℃烘干。最后把冷却后重结晶的固体过硫酸钾装入棕色玻璃瓶中避光保存。经过反复试验之后，发现1次提纯就可以达到实验要求，本着精益求精的精神，提纯2次效果将更加完美，产生的误差更小。

碱性过硫酸钾的氧化性影响着消解效果，消解不完全，造成实验空白偏高，样品测定值偏低。标准中规定碱性过硫酸钾储存在聚乙烯瓶中可以放置一周。据实验可知，在保存条件良好的情况下，碱性过硫酸钾可以存放30天，30天之后碱性过硫酸钾的氧化性将会大打折扣，造成样品测定值偏低。

碱性过硫酸钾的配置过程要特别注意，水浴温度不可超过60 ℃，而且氢氧化钠跟过硫酸钾要分开配置，待氢氧化钠冷却后才可以与过硫酸钾混合。这些都是为了防止在配置过程中过硫酸钾分解失效，出现总氮结果偏小。

4.2.3 碱性过硫酸钾的移液速度

碱性过硫酸钾的移液速度对氨氮含量高的水样影响较大，移液速度慢或者移液之后没有立马盖上磨口塞，造成生成的一部分氨气逃逸出去。工作中直接将全部样品加入碱性过硫酸钾后才盖上磨口塞，这样操作对于高浓度氨氮的总氮水样分析结果存在比较大的影响。加入碱性过硫酸钾溶液，氨氮会以氨气的形式逸出，导致水样总氮测定值偏低。

4.2.4 消解时间

消解完全与否直接影响总氮测定结果的准确度，在氨氮高浓度水样中，如果消解不完全，会导致氨氮的测定值大于总氮的测定值。

根据王婷婷[6]关于总氮小于氨氮测定值的研究可知：消解时间在30分钟时，总氮的测定值较低，当消解时间在50分钟时，总氮测定值最高，然后消解时间越长，总氮的测定值越低。

4.2.5 水样消解开塞前颠倒混匀

标准中提出水样在消解冷却后开塞前应颠倒摇匀2～3次，但就在实际操作中工作人员一般会简化步骤，都是会直接打开塞子，然后分别加入1+9的盐酸后再统一进行摇匀，这样就会造成总氮测定值偏低或者精密度较差的情况。水样在消解冷却后开塞前进行颠倒摇匀，可以使比色管内的氨气和硝酸盐更好地溶解在水样中。经过对这两种操作进行实验比较，发现水样消解冷却后开塞前不进行颠倒混匀检测出来的结果准确度差，而且回收率低[6]。

4.2.6 比色管的密封性

比色管的密封性影响着总氮的实验空白和样品测定结果。比色管的密封性较差会导致空白值偏高，样品测定值与实际值相差较远，而且准确度差。造成此种现象的原因是在消解过程中，样品的氨氮、含氮化合物部分会转化为氨气，若密封性较差，部分氨气就会沿着其缝隙逃逸到高压蒸汽灭菌锅中，浓度越高的样品，生成的氨气越多，所造成的损失就越大，也就会导致测量值远远小于实际值，此时逃逸的氨气也就有可能沿着缝隙进入空白比色管中，因而造成空白值偏大，甚至不符合标准的要求。

4.3 其他问题

在对总氮的分析测试中还会出现水样消解完成、加入1+9盐酸摇匀后，水样还是呈浑浊状态的现象，直接影响比色，同时还会出现A275吸光值很大，导致测定值与实际值相差甚远，甚至出现A275/A220大于20%的情况。针对这种情况实验人员可以通过加入盐酸后摇匀，并将水样进行过滤，再进行比色。

5 结论与对策

综上所述，在碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定总氮的过程中，主要出现的问题是空白值偏高和总氮小于氨氮，造成这些问题的原因主要有：实验环境、实验用水纯度、玻璃器皿洁净度、比色管密封性、过硫酸钾纯度及存放时间、消解时间及冷却时间等。针对这些原因可以采取以下措施：实验室里应有明显的分区，氨氮项目不可与总氮项目在同一个区域内进行分析；在实验过程中应采用新制备的超纯水或者无氨水，如果条件允许还可以购买纯净水；选择密封性良好的比色管进行分析，且比色管应该用盐酸或硫酸浸泡后，再用无氨水冲洗干净，而且要现洗现用，高压蒸汽灭菌锅每周清洗一次，确保其无氮污染；针对过硫酸钾试剂不纯问题，可以对其进行2次提纯或者直接购买进口试剂；碱性过硫酸钾溶液存放时间不宜过长，最好在7天内使用，保存得当可以延长到30天；在消解过程中延长消解时间及冷却时间可以有效降低空白值，消解时间40分钟为宜；对于氨氮浓度高的水样，可以对水样进行稀释，用移液枪加快碱性过硫酸钾的移液速度并立即盖上盖子，延长消解时间至50分钟，消解后开塞前颠倒混匀可以有效降低氨的损耗，提高总氮测定值的准确度。