纳氏试剂光度法测定水和废水中氨氮关键问题的研究.pdf

监 测 与 评 价 纳氏试剂光度法测定水和废水中氨氮 关键问题的研究 张庆军 泰州市环境监测中心站, 江苏 泰州 225300 摘要 结合环境监测工作实际, 应用国标经典分析方法 纳氏试剂光度法 GB7479 -1987 对水和废水中氨氮的测 定进行系统的研究。 深入探讨运用该方法进行水和废水中氨氮测定中的一些关键操作技术问题, 指出为适应“清洁分 析、节能环保”的要求, 应加强对环境友好型分析测试方法的研发与推广。 关键词 氨氮; 纳氏试剂光度法; 水和废水; 关键问题 RESEARCH ON KEY ISSUES IN DETERMINATION OF AMMONIA NITROGEN IN WATER AND WASTEWATER BY NESSLER S REAGENT SPECTROPHOTOMETRY Zhang Qingjun Taizhou Environmental Monitoring Center, Taizhou 225300, China Abstract Combined with the work practice of environmental monitoring, the application of the national standard classical analytical Nessler s ReagentSpectrophotometry GB7479-1987to the determination of ammonia nitrogen inwater andwaste water was studied systematicly. Some key problems of operating technology in the determination of ammonia nitrogen inwater andwaste water by this have been analyzed in depth, it was pointed out that in order to meet the requirements of “ sanitary analysis, energy conservation and environmental protection ” , the development and popularization of environment-friendly analytical testing should be enhanced. Keywordsammonia nitrogen; Nessler s Reagent Spectrophotometry; water andwastewater;key issues 0 引言 氨氮作为水和废水监测中的一项重要指标,纳氏 试剂光度法因具备操作简便、灵敏度高等特点 ,而被 作为测定氨氮的首选国标经典方法 [ 1] 。考虑到环境 监测工作实际, 本研究主要以分析频率较高的地表水 和工业废水为例 ,探讨应用纳氏试剂光度法进行水和 废水中氨氮测定的方法原理、仪器与试剂 、 分析步骤 和一些关键性操作技术问题, 同时给出了氨氮测定过 程中常见操作技术问题的解决方法 。 1 方法原理 纳氏试剂光度法的原理是在 Hg 2的溶液中加入 I -离子时 ,起初生成红色 HgI 2的沉淀 ,I -离子过量时 因生成[HgI4] 2-配合离子而溶解; 在经絮凝沉淀或蒸 馏法预处理的水样中 ,加入碘化钾和碘化汞的强碱溶 液 纳氏试剂 , 受碱性条件的影响 , 水样中游离氨 NH3 的比例迅速升高 , 与加入的纳氏试剂反应生成 黄棕色胶态配合物碘化氨基氧合二汞 Ⅰ ,其色度与 氨氮含量成线性关系 ,符合朗伯-比尔定律, 在波长为 420 nm处有最大吸收 ,利用可见光分光光度计对水样 进行吸光度定量 ,从而实现氨氮的测定。 2 仪器与试剂 50 mL具塞比色管; 25 mL具塞比色管 ; 带氮球的 定氮蒸馏装置 500 mL凯氏烧瓶、 氮球、直形冷凝管和 导管 ; 中速定性滤纸 ; 可见光分光光度计 ; pH 计。 无氨水 每升去离子水中加0. 1 mL硫酸, 在全玻 璃蒸馏器中重蒸馏, 弃去50 mL初蒸馏液,接取其余馏 出液于具塞磨口的玻璃瓶中, 密塞保存。 纳氏试剂 本试剂有 a . 二氯化汞 -碘化钾 - 氢 氧化钾 HgCl2-KI -KOH 法 和 b. 碘化汞 -碘化 钾-氢氧化钠 HgI- KI - NaOH 法 两种配制方法 。 85 环 境 工 程 2009年 2 月第27 卷第1 期 本研究测定中使用HgCl2- KI- KOH 法 。 酒石酸钾钠溶液 500 g L 。称取50 g酒石酸钾钠 溶于100 mL无氨水中 ,加热煮沸蒸发 必要时加入几 滴25 NaOH 溶液 至溶液剩 1 2 ,以除去氨, 冷却后用 无氨水定容至100 mL ,2 ～ 5 ℃密塞保存 。临用前须 提前从冰箱中取出, 放至室温 。 氨氮标准贮备液 1. 00 mg mL 。称取3. 819 g经 100～ 105 ℃ 干燥2 h的优级纯氯化铵,溶于无氨水中, 定容至1 000 mL 。贮于具塞磨口玻璃瓶中,2～ 5 ℃密 塞保存。临用前须提前从冰箱中取出, 放至室温。 氨氮标准使用液 10. 00ug mL。临用前, 准确吸 取5. 00 mL氨氮标准贮备液于500 mL容量瓶中, 用无 氨水稀释至标线 ,贮于具塞磨口玻璃瓶中。 3 分析步骤 3. 1 水样预处理 由于水样带色或浑浊以及含其他一些干扰物质, 影响氨氮的测定 ,因此需对水样作预处理 ,即对于水 中的钙 、 镁和铁等金属离子 、 硫化物 、 醛类 、 颜色以及 混浊等干扰进行消除 。通常有两种方法消除干扰 对 于较清洁的水, 采用絮凝沉淀法; 对于污染严重的水 或工业废水,采用蒸馏法 。 3. 1. 1 絮凝沉淀法 取100 mL水样于100 mL具塞量筒或比色管中 ,加 入1 mL10 的硫酸锌溶液和 0. 1～ 0. 2 mL25的氢氧 化钠溶液 ,调节 pH 至 10. 5 左右,混匀。静置沉淀 ,倾 取上清液适量以供分析, 必要时 沉淀液中出现有絮 状漂浮物或悬浮物 用经无氨水充分洗涤过的中速滤 纸过滤,弃去初滤液20 mL, 取适量样品进行分析 。 3. 1. 2 蒸馏法 当使用絮凝沉淀法对待测水样进行预处理后 ,水 样仍带色或浑浊 , 则应采用蒸馏法预处理 。具体如 下 分取250 mL水样 氨氮浓度高时可少取 ,加无氨水 至250 mL, 使氨氮含量不超过2. 5 mg , 移入500 mL凯 氏烧瓶中, 加几滴 0. 05溴百里酚蓝指示液 pH 6. 0～ 7. 6 ,用1 mol L氢氧化钠溶液调节至 pH 7 左 右,加入0. 25 g轻质氧化镁和数粒玻璃珠 , 立即连接 凯氏烧瓶和冷凝管, 导管下端插入50 mL 20 g L硼酸 溶液 ,加热蒸馏 , 至馏出液达200 mL时, 停止蒸馏, 定 容至250 mL 。 3. 2 校准曲线的绘制 依据国家标准分析方法 GB7479- 1987纳氏试剂 光度法 。绘制以氨氮含量 mg 对校正吸光度 A 的 校准曲线。 3. 3 水样的测定 水样的测定 a . 分取适量清洁的或经过絮凝沉淀 预处理的水样 使氨氮含量不超过0. 1 mg , 加入 50 mL具塞比色管中 , 稀释至标线, 向各管中加入 1. 0 mL酒石酸钾钠溶液, 混匀 ; b. 分取适量经蒸馏预 处理过的水样, 加入25 mL具塞比色管中,向各管中加 入一定量的氢氧化钠溶液以中和硼酸 ,稀释至标线, 混匀, 向上述 a 和 b 各管中加入1. 5 mL纳氏试剂, 混 匀。放置10 min 后, 同校准曲线步骤 一样测量吸 光度 。 3. 4 全程序空白试验 以无氨水代替水样, 作全程序空白试验。 由水样测得的吸光度减去空白试验的吸光度后, 从校准曲线上查氨氮含量 mg , 采用计算式得到水 样氨氮的质量浓度 mg L 。 4 关键操作技术探讨 4. 1 水样的采集和保存 水样中氨氮含量高低不等 , 且极不稳定, 氨氮水 样的采集与保存方法对分析结果有重大影响 ,具体可 采用以下方法 把水样采集在经充分洗净的聚乙烯或 玻璃 瓶 中, 向每 升 水 样 中加 0. 8 mL H2SO4ρ 1. 84 kg L ,将水样酸化至 pH ≤2,2 ～ 5 ℃冷藏保存。 为保证所添加硫酸的质量及避免样品在运输过程中 受到污染, 要求采样人员用无氨水做全程空白试验, 全程空白样品的测得值必须低于纳氏试剂光度法的 检出限 0. 025 mg L ,否则应查找原因。 4. 2 反应试剂配制 纳氏试剂有 2 种配制方法 第一种方法利用 KI、 HgCl2和 KOH 配制 ; 第二种方法利用 KI、HgI2和 NaOH 配制。2种方法均可产生显色基团[HgI4] 2- ,一 般常用第一种方法配制, 该方法关键在于把握 HgCl2 的加入量, 这决定着获得显色基团量的多少 ,进而影 响方法的灵敏度。应用 HgCl2-KI -KOH 法配制纳 氏试剂的过程中 ,溶液中存在有如下平衡 Hg 2 2I - HgI2↑2I - [HgI4] 2- [HgI4] 2- [HgI3] - I -过量Hg2 HgI2↑ 当出现微量朱红色沉淀不再溶解时 ,应停止加入 氯化汞 ,因为此时 I -不再过量, 若继续加入 HgCl 2则 会使平衡 向生成 HgI2的 方向移动 , 使显 色基团 86 环 境 工 程 2009年 2 月第27 卷第1 期 [HgI4] 2-的浓度不断下降, 显色灵敏度降低 。所以纳 氏试剂应严格按照GB T7479-1987中的方法步骤配 制,但国标方法未给出 HgCl2的确切用量, 需要根据 试剂配制过程中的现象加以判断 , 经验性强 ,因而较 难把握。结合本研究的实际经验, 依据上述纳氏试剂 配制反应原理 , 得出 HgCl2与 KI 的最佳用量比为 m HgCl2 ∶ m KI 0. 41∶ 1 即8. 2 gHgCl2溶于20 gKI 溶 液 , 以此比例配制的纳氏试剂经多次实验检验,灵敏 度均能达到实验要求。配制过程中 ,HgCl2一般溶解 较慢, 为加快反应速度 , 可在低温水浴加热中进行配 制,此法可防止 HgI2红色沉淀提前出现。 酒石酸钾钠溶液配制方法较为简单 ,但某些市售 分析纯试剂铵盐含量较大 ,只靠加热煮沸并不能完全 除去, 可采取以下方法 向酒石酸钾钠溶液中加少量 碱液, 煮沸 蒸发 至 50 mL 左 右后 , 冷却 并定 容至 100 mL 。应用此方法即使铵盐含量很高的酒石酸钾 钠,经处理后空白值也能满足分析测定的要求 。 4. 3 测定方法的改进 应用国家标准分析方法 GB7479 -1987, 进行水 和废水中氨氮测定时 ,存在着 a. 试样取量大, 产生较 多的实验废液; b . 使用剧毒的汞盐, 对环境产生很大 的危害等不足之处 。本研究从“清洁分析” 、 “节能环 保”的理念出发 ,对国标方法进行了一点改进 在满足 分析要求的前提下, 减少水样取样量和减少纳氏试剂 的用量 因为纳氏试剂在反应中属于显色剂 ,存在着 一定的过量 。多次实验表明, 改进法的校准曲线线 性关系良好 ,显色反应体系稳定, 精密度和准确度均 满足分析方法要求。 4. 3. 1 改进法标准系列的校准曲线 于8 支25 mL具塞比色管中分别加入氨氮标准使 用 液 0. 00, 0. 20, 0. 50, 1. 00, 2. 00, 3. 00, 4. 00, 5. 00 mL ,各加无氨水稀释至25 mL标线 , 配制成氨氮 标准系列 。加酒石酸钾钠溶液0. 50 mL ,混匀, 加纳氏 试剂0. 50 mL ,混匀。放置10 min后,以无氨水作参比 , 用光程20 mm比色皿在420 nm波长处测定吸光度, 由 测得的吸光度, 减去零浓度空白管的吸光度 ,得到校 正的吸光度 , 绘制以氨氮含量 mg 对校正吸光度的 校准曲线 , 该标准曲线线性关系良好 , 相关系数 r 0. 999。水样与全程序空白试验的测定步骤同改进法 标准系列的校准曲线 ,由水样测得的吸光度减去空白 试验的吸光度后 ,从校准曲线上查氨氮含量 mg 。 4. 3. 2 校准曲线的精密度和准确度 采用本文 4. 3. 1 氨氮标准系列的校准曲线测定 某地表水样和工业废水样 ,按样品测定的程序进行 6 次平行测定 ,精密度试验结果见表 1。由表 1 可以看 出,实际样品分析的相对标准偏差均在 3. 44以下, 说明该方法具有良好的精密度 。 表 1 精密度实验结果 水样测定结果 mgL- 1平均值 mgL- 1 RSD 地表水样0 . 370 . 390 . 360. 380. 383 . 44 工业废水1 . 471 . 451 . 491. 461. 471 . 16 采用 4. 3. 1 氨氮标准系列的校准曲线对某地表 水和工业废水样品进行测定 , 然后进行加标回收试 验,加标回收实验结果列于表 2。由表 2 可知, 该方 法的加标回收率为 92～ 102, 说明该方法准确度 较高 ,符合文献的要求。 表 2 加标回收实验结果 水样 本底质 量 μ g 加标质 量 μ g 测得质 量 μ g 回收质 量 μ g 回收率 地表水样 19 . 3810. 0018. 799. 4194 地表水样 29 . 2510. 0019. 4310. 18102 工业废水样 136 . 7540. 0073. 5736. 8292 工业废水样 237 . 0640. 0075. 4338. 3796 4. 4 高空白实验值 空白实验值可反映实验过程中各种因素对物质 分析的综合影响 ,空白值高会影响实验的精密度和准 确度 ,因而每个实验对空白值均有一定要求。氨氮实 验空白值一般要求吸光度 A≤0. 030 。但有时空白值 远高于此, 影响因素主要有试剂空白高 、实验用水氨 含量高以及滤纸含有一定铵盐 。 4. 4. 1 试剂对实验空白值的影响 实验表明, 用第 2 节中第二种方法配制的纳氏试 剂的空白实验, 吸光度一般比按第一种方法配制的纳 氏试剂的空白实验值高 1 倍多 , 且 A 0. 030。虽然 用第一种方法配制纳氏试剂较为麻烦,但因实验空白 值较低,所以成为首选的方法 。 考虑到纳氏试剂中碱性条件的影响, 显色剂 纳 氏试剂 在此条件下 ,可缓慢地吸收空气中的 NH3,颜 色逐渐变深 ,使用期缩短 ,这也是造成空白吸光度高 的重要原因 。 市售分析纯酒石酸钾钠, 有时铵盐含量较高, 直 接加热煮沸配制 ,往往造成空白实验值高 。所以要降 低空白值, 可按第 2 节中方法配制酒石酸钾钠溶液, 87 环 境 工 程 2009年 2 月第27 卷第1 期 效果很好 。 4. 4. 2 实验用水对空白值的影响 氨氮实验用水要求为无氨水, 若空气中氨溶于水 或有铵盐通过其他途径进入实验用水中 ,含量达到方 法检测限, 则可导致实验空白值高, 所以无氨水每次 用后应注意密闭保存 。 有实验研究 [ 2] 用新鲜蒸馏水代替无氨水测氨氮, 实验空白值和标准曲线与用无氨水的方法无显著差 异,并具有较高的精密度和准确度 。可见只要实验用 水不含氨或极低含量氨, 不论蒸馏水是否重蒸 ,均可 使用 。 4. 4. 3 滤纸对空白值的影响 氨氮实验需将水样过滤后测定 ,所以实验还需做 过滤空白对照实验, 以扣除滤纸影响。由于我国现行 造纸工艺多采用铵法造纸 [ 3] ,致使滤纸中一般都含有 铵盐, 因而可引起过滤空白值升高。有实验表明 [ 3] , 不同滤纸或同种滤纸但不同张之间铵盐含量差别很 大,有些含量较高的滤纸虽多次用水洗涤 ,但仍达不 到实验要求。因此使用前需对每一批次滤纸进行抽 检,淋洗时要少量多次。 选用经稀盐酸溶液浸泡并洗净的0. 45 μ m醋酸乙 酯纤维滤膜过滤水样 ,解决了用滤纸过滤产生的高空 白问题 。不仅过滤空白值低, 而且重复性好 ,所以推 荐使用滤膜过滤 。 4. 5 反应条件控制 4. 5. 1 反应温度对实验的影响 反应温度对纳氏试剂与氨氮反应的速度有很大 的影响。实验表明 [ 4] , 反应温度为25 ℃时, 显色最完 全; 5～ 15 ℃ 吸光度无显著改变 ,但其显色不完全 ; 当 温度达30 ℃时,溶液颜色逐渐减褪 ,吸光度出现明显 偏低现象。因而实验显色温度应控制在 20 ～ 25 ℃, 以保证分析结果的可靠性 。 4. 5. 2 反应时间对实验的影响 显色时间长短对溶液颜色和浊度的稳定有很大 的影响 。实验表明 [ 4] , 反应时间在10 min之前 , 溶液 显色不完全; 反应时间在 10 ～ 30 min, 溶液颜色较稳 定; 反应时间在 30～ 45 min,溶液颜色有加深趋势 ; 反 应时间在45 min之后, 溶液颜色逐渐减褪。因而, 用 纳氏试剂光度法测定水中氨氮时, 显色时间应控制在 10～ 30 min ,而且要求每次测定的样品不能太多, 以 尽快的速度进行水样吸光度测定, 以便获得准确可靠 的结果。 4. 5. 3 反应体系 pH 对实验的影响 由氨氮反应原理可知,OH -浓度影响反应平衡。 实验表明, 水样 pH 的变化对颜色的强度有明显影 响,水样 pH 值低于 11. 8 时 ,显色不完全; 水样 pH 值 高于 12. 4 时 ,溶液会出现浑浊, 而无法测量吸光度; 当 pH 为 11. 8～ 12. 4 时, 显色较完全, 且不产生浑浊。 所以对于水样应注意调节体系的 pH 值 ,最好将溶液 显色 pH 控制在 11. 8～ 12. 4 [ 5] , 以保证结果的精密度 和准确度。 4. 6 水样中物质干扰 4. 6. 1 有机物质的干扰 脂肪族胺、 芳香胺 、 有机氯胺对纳氏试剂光度法 有干扰 ,如甘氨酸、肼和某些胺类 [ 6] 与纳氏试剂在试 验所需的时间内反应而呈现特征黄色,产生干扰。消 除方法是调节水样 pH 为 9. 5 时, 对水样进行蒸馏处 理,尽可能减少干扰 。 4. 6. 2 金属离子的干扰 一般, 干扰纳氏试剂光度法的金属离子主要是在 碱性溶液中易水解产生沉淀的 Cu 2 、 Mg 2 、 Fe 3等离 子,加入酒石酸钾钠溶液可以消除干扰。当水样中含 有大量的 Cu 2 、 Mg 2 、 Fe 3等金属离子 , 必须采用蒸 馏法对水样进行预处理, 再用纳氏试剂光度法测定。 另一去除金属离子干扰的简便方法是于水样中加入 硫酸锌和氢氧化钠进行共沉淀 , 一般可除去混浊、底 色和易水解的金属离子。 4. 7 水样的稀释 纳氏试剂光度法测定氨氮 , 当水样氨氮质量浓 度 2. 0 mg L时 ,则需将水样稀释后测定, 称为“事前 稀释” 。这种稀释方法相对准确,但测定前不好预料, 不利于大批量样品的及时分析。另一种稀释方法是 直接将显色后的样品进行稀释吸光度定量 , 称为“事 后稀释” 。有研究表明 [ 6] , 对于难以预料的超出浓度 测定线性范围的含氨氮废水样品,用 2 种稀释方法得 到的实验结果相对比 ,相对误差均满足环境监测分析 要求。对比结果还表明, 若用无氨水作稀释溶剂, 事 后稀释以负误差居多 ,但配制一定量的空白溶液作稀 释溶剂可抵消一部分负误差。 5 结语 应用国家标准分析方法GB7479-1987 进行水和 废水中氨氮测定时 ,存在着试样取量大 , 产生较多的 实验废液和使用剧毒的汞盐, 对环境产生很大的危害 下转第114 页 88 环 境 工 程 2009年 2 月第27 卷第1 期 工清扫及加大清扫频次等措施控制二次扬尘 。 3. 7. 2 各冶炼工位渣铁清理时的二次扬尘治理 炼钢厂采用装载机挖掘的方式对脱硫喷溅渣 、 转 炉冶炼溅渣以及直接倾倒渣坑的钢渣进行清理,为了 降低这些渣铁清理产生的二次扬尘 ,钢厂拟在需清理 部位安装汽雾喷嘴, 对渣铁清理时产生的二次扬尘进 行饱和吸收、 沉降,达到防止扬尘的目的 。 4 结语 国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要 提出了“十一五”期间,“单位国内生产总值能耗降低 20左右 、 主要污染物排放总量减少 10 ”等约束性 指标 ,炼钢厂根据生产实际制定了相应的节能减排三 年规划,向“少投入、多产出、 低污染 、 零排放、高效益、 可持续发展”的目标努力迈进, 为提高企业清洁生产 水平、提高企业竞争力 、担负起企业的社会职责作出 贡献 。 参考文献 [ 1] 张福明. 新一代钢铁厂循环经济发展模式的构建 2008 冶金循 环经济发展论坛论文集, 2008. [ 2] 黄卫国. 攀钢转炉一次除尘系统存在的问题与改进措施. 环境 工程, 2008,26 4 65 -67. 作者通信处 黄卫国 617062 四川省攀枝花市弄弄坪 攀枝花新 钢钒股份有限公司提钒炼钢厂 E -mail zhouhuangman163. com 2008- 08-20 收稿 上接第 88页 等不足之处,本研究从“清洁分析” 、 “节能减排”的理 念出发 ,对国标方法进行了一点改进, 在满足分析要 求的前提下,减少水样取样量和纳氏试剂的用量。多 次实验表明 ,改进法的校准曲线线性关系良好 ,相关 系数 r 0. 999, 检出限为 0. 03 mg L , 显色体系在 90 min内保持稳定。相对标准偏差 RSD 4, 加标 回收率为 92～ 102。因此, 改进法完全能满足分 析要求 ,它既保留了标准法具有的优点 , 又克服了标 准法的不足 ,实验废液减少 50, 纳氏试剂的用量减 少66. 7。由于氨氮是水和废水监测中的一项重要 指标 ,分析频率较高 ,因此改进法的使用 ,必将带来较 大的环境效益和经济效益 。 参考文献 [ 1] 国家环保总局, 水和废水监测分析方法编委会. 水与废水监测 分析方法[ M] . 4版. 北京 中国环境科学出版社, 2002 276 -281 . [ 2] 方淑琴, 姜晓波, 易卫东. 用去离子水代替无氨水测定氨氮[ J] . 工业水处理, 2003, 23 2 48-49. [ 3] 纪云峥, 唐金楼, 任敬旭. 纳氏试剂比色法测定水中氨氮的干扰 分析[ J] . 分析试验室, 2007, 26 S1 28 -30 . [ 4] 胡裕明. 纳氏试剂光度法测定氨氮过程中影响因素的探讨[ J] . 治淮, 2007 12 32 -33 . [ 5] 国家环保总局, 水和废水监测分析方法指南编委会. 水和废水 监测分析方法指南[ M] . 上册. 北京 中国环境科学出版社, 1990 138 -139. 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