疏水膜气液分离预处理纳氏试剂分光光度法测定氨氮适用性研究

龙雯琪,刘艳菊,陈燕,刘静怡,魏凤,李憬然,周桑扬,张政,肖童觉

(湖南省生态环境监测中心,国家环境保护重金属污染监测重点实验室,湖南 长沙 410014)

氨氮是我国地表水环境质量标准的基本项目之一,生活饮用水、地下水质量标准等标准对氨氮提出了浓度限值要求[1-3],近年来,重点污染源监测的项目也包含氨氮,污水综合排放标准、城镇污水处理厂污染物排放标准等多个排放标准规定了氨氮的排放限值[4-8]。据中国环境监测总站的统计,全国总共有700多个区市级以上环境监测中心站,还有近3 000个县级站,需针对当地饮用水、地表水、地下水及工业废水监测氨氮这个指标。目前,国内测定氨氮广泛使用的方法有蒸馏滴定法、分光光度法、流动注射、电位测定法、气相分子吸收光谱法等,由于流动注射仪和气相分子吸收光谱仪相对来说购置费用较高,所以大部分基础监测站仍在使用传统的蒸馏装置和分光光度计开展氨氮的分析工作[9-12]。本研究采用疏水膜气液分离预处理纳氏试剂分光光度法分析水样中氨氮测定时的校准曲线相关系数、方法检出限、精密度及准确度等参数,同时将疏水膜气液分离预处理纳氏试剂分光光度法与传统标准方法《水质 氨氮的测定 纳氏试剂分光光度法》(HJ 535—2009)(以下简称HJ 535)进行比对实验,旨在探索疏水膜气液分离预处理纳氏试剂分光光度法测定水质样品中氨氮的适用性。

1 方法与原理

1.1 疏水膜气液分离预处理纳氏试剂分光光度法的工作原理

通过加热使样品沸腾后逸出氨氮气体组分,在负压条件下,氨氮气体通过疏水性膜与水蒸汽分离后进入收集瓶,干扰物质则留在溶液中而得以去除。氨氮与纳氏试剂反应生成淡红棕色络合物,该络合物的吸光度与氨氮含量成正比,于波长420 nm处测量吸光度[13]。

1.2 疏水膜气液分离预处理纳氏试剂分光光度法的试剂配置

(1)纳氏试剂,称取15.0 g氢氧化钾(KOH),溶于50 mL水中,冷却至室温。称取5.0 g碘化钾(KI),溶于10 mL水中,在搅拌条件下,将2.50 g氯化汞(HgCl2)粉末分多次加入碘化钾溶液中,直到溶液呈深黄色或出现淡红色沉淀溶解缓慢时,充分搅拌混合,并改为滴加氯化汞饱和溶液,当出现少量朱红色沉淀不再溶解时,停止滴加。在搅拌条件下,将冷却的氢氧化钾溶液缓慢地加入到上述氯化汞和碘化钾的混合液中,并稀释至100 mL,于暗处静置24 h,倾出上清液,贮于聚乙烯瓶内,用橡皮塞或聚乙烯盖子盖紧,存放暗处[13]。

(2)500 g/L酒石酸钾钠溶液,称取50 g酒石酸钾钠(KNaC4H6O6·4H2O)溶于100 mL水中,加热煮沸以驱除氨,充分冷却后稀释至100 mL[13]。

(3)20 g/L硼酸溶液,称取20 g硼酸溶于水中,稀释至1 L。

(4)0.5 g/L溴百里酚蓝指示剂,称取0.05 g溴百里酚蓝溶于50 mL水中,加入10 mL无水乙醇,用水稀释至100 mL。

1.3 疏水膜气液分离预处理纳氏试剂分光光度法的分析步骤

(1)样品预处理:将疏水性膜安装在收集瓶过滤嘴处,向收集瓶内加入硼酸溶液5 mL,稀释至25 mL。连接收集瓶和抽真空装置,打开真空泵。取50.0 mL水样,移入玻璃蒸馏试管中,可加入2滴溴百里酚蓝指示剂,用1 mol/L的氢氧化钠或者1 mol/L的盐酸调整pH值至6.0(指示剂呈黄色)～7.4(指示剂呈蓝色),使溶液呈现淡蓝色,再向试管中加入0.20 g轻质氧化镁,迅速将试管帽、蒸馏试管、收集瓶紧密连接,检查气密性。设置加热温度140 ℃,时间80 min,调节真空泵挡位,使真空压力保持在50 kPa左右,调节至气泡速率为6～8个/s。开始加热。收集瓶内的吸收液待测。

(2)样品测定:将收集瓶中的吸收液全部转移到50 mL比色管中,加入1.0 mL酒石酸钾钠溶液,摇匀,再加入纳氏试剂1.5 mL,摇匀。放置10 min后,在波长420 nm下,以水作参比,测量吸光度[13]。

2 分析方法研究

2.1 疏水膜气液分离预处理纳氏试剂分光光度法的校准曲线分析

配置氨氮含量分别为0.0,5.0,10.0,20.0,40.0,60.0,80.0 μg和100.0 μg的8个标准溶液浓度系列,经过膜分离蒸馏预处理后,从低浓度到高浓度依次测量吸光度,以扣除试剂空白后的吸光度为纵坐标,以其对应的氨氮含量(μg)为横坐标,绘制校准曲线。结果如表1所示,结果显示疏水膜气液分离预处理纳氏试剂分光光度法测定氨氮的拟合曲线线性相关系数为0.999 2,实验结果表明采用疏水膜气液分离预处理纳氏试剂分光光度法测定氨氮含量在0.0～100.0 μg/L范围内时,校准曲线线性关系良好。

表1 疏水膜气液分离预处理纳氏试剂分光光度法的校准曲线数据

2.2 疏水膜气液分离预处理纳氏试剂分光光度法的检出限和测定下限分析

对空白水样按照样品全部的分析步骤平行测定7次,测定结果见表2。按照《环境监测分析方法标准制订技术导则》(HJ 168—2020)的相关规定,根据7次测定结果的标准偏差S计算方法检出限,并以4倍的检出限作为方法的测定下限。计算n(n=7)次平行测定的标准偏差,按公式(1)计算方法检出限[14]。

表2 疏水膜气液分离预处理纳氏试剂分光光度法的方法检出限及测定下限数据

MDL=t(n-1,0.99)×S

(1)

式中:MDL为方法检出限;n为样品的平行测定次数;t为自由度为n-1,置信度为99%时t分布,t值取3.143;S为n次平行测定的标准偏差。

从表2可以看出,空白样品中检出氨氮质量浓度在0.065 6～0.072 9 mg/L范围内,平均值为0.069 8 mg/L,标准偏差为0.002 33 mg/L,根据公式(1)计算出方法的检出限为0.008 mg/L,测定下限为0.032 mg/L,此检出限远低于传统标准方法HJ 5352009的检出限0.025 mg/L,表现出较好的灵敏度。

2.3 疏水膜气液分离预处理纳氏试剂分光光度法的精密度分析

分别对低质量浓度地表水、中质量浓度生活污水和高质量浓度工业废水样品进行精密度测定(平行6次),计算6次检测结果的平均值和相对标准偏差RSD,实验结果见表3。从表3可以看出,采用疏水膜气液分离预处理纳氏试剂分光光度法测定低质量浓度地表水、中质量浓度生活污水和高质量浓度工业废水中氨氮相对标准偏差范围为1.9%～3.1%,相对标准偏差均小于5%,疏水膜气液分离预处理纳氏试剂分光光度法表现出良好的精密度。

表3 疏水膜气液分离预处理纳氏试剂分光光度法的精密度测试数据

2.4 疏水膜气液分离预处理纳氏试剂分光光度法的准确度分析

分别对2种低质量浓度(质量浓度范围0.318±0.018,0.493±0.03 mg/L)和2种高质量浓度(质量浓度范围6.81±0.41,7.07±0.27 mg/L)的有证标准物质进行测定,计算样品的相对误差。测定结果见表4。从表4可以看出,4种不同浓度的有证标准物质的测定结果均在该物质对应的可信值范围内,相对误差范围在-2.8%～1.2%之间,相对误差不超过±3%,疏水膜气液分离预处理纳氏试剂分光光度法测定氨氮的准确度较高。

表4 疏水膜气液分离预处理纳氏试剂分光光度法的有证标准物质测试数据

2.5 疏水膜气液分离预处理纳氏试剂分光光度法的方法比对分析

采用HJ 5352009和疏水膜气液分离预处理纳氏试剂分光光度法对2种废水实际样品进行加标回收实验比对测定,测定结果见表5。同时用2种方法对地表水、生活污水和工业废水进行比对测定,每种水样类型都采集了2种不同浓度的样品,测定结果见表6。同时用2种方法分别测定7次实验用水,测定结果见表7。从表5可以看出,两种方法的实际样品加标回收率在93%～102%之间,总体回收率较好,均符合国家相关质量控制要求。从表6可以看出,6种不同浓度的实际水样比对测定的相对偏差范围在0.90%～3.31%之间,总体上不超过5%,2种方法测定结果的差异性不大。表7结果显示,采用2种分析方法检测实验用水的测定结果无显著性差异,均符合国家标准方法和相关技术规范要求。

表6 2种方法的实际样品比对分析结果

表7 2种方法的实验用水比对分析结果

3 结论与建议

通过对校准曲线、检出限、精密度、准确度以及方法比对实验数据分析,可以得出采用疏水膜气液分离预处理纳氏试剂分光光度法测定氨氮时,氨氮含量在0.0～100.0 μg/L范围内线性关系良好;疏水膜气液分离预处理纳氏试剂分光光度法测定氨氮的检出限为0.008 mg/L,测定下限为0.032 mg/L;疏水膜气液分离预处理纳氏试剂分光光度法测定低质量浓度地表水、中质量浓度生活污水和高质量浓度工业废水样品的氨氮精密度在1.9%～3.1%之间,精密度良好;疏水膜气液分离预处理纳氏试剂分光光度法测定4种不同浓度的氨氮有证标准物质的相对误差范围在-2.8%～1.2%之间,准确度较高。采用疏水膜气液分离预处理纳氏试剂分光光度法和传统标准方法HJ 5352009对2种实际样品进行加标回收比对实验,2种方法的加标回收率均符合国家相关质量控制要求,用2种方法对实验用水、2种地表水、2种生活废水和2种工业废水进行比对测定,2种方法测定的实验用水结果及6种水样结果无显著差异,均符合国家标准方法和相关技术规范要求。因此,疏水膜气液分离预处理纳氏试剂分光光度法能够满足常规水质氨氮的检测需求。

疏水膜气液分离预处理纳氏试剂分光光度法采用新型疏水性气液分离滤膜对样品进行预处理,让样品中的氨氮气体组分与液体基质较好的分离,能有效减轻大部分干扰物质对实验结果的影响。该方法在实验中表现出较好的校准曲线线性、检出限、精密度和准确度,与国家传统标准方法的测定结果也无显著性差异,能较好地适用于常规水质样品中氨氮的测定,尤其有利于基体复杂的水样中氨氮的测定。