影响总氮测定的关键因素研究.pdf

* 厦门市科技计划项目 3502Z20102016， 3502Z20100134 ; 国家科技支 撑计划子课题 2009BAC57B02 。 影响总氮测定的关键因素研究 * 周英杰王淑梅陈少华 中国科学院城市环境研究所城市环境与健康重点实验室，福建 厦门 361021 摘要 为了解决水质分析中总氮测定的实际问题， 应用 GB 118941989碱性过硫酸钾氧化 紫外分光光度法 ， 从总 氮测定方法的原理出发， 探讨了影响总氮测定的关键因素。结果表明 在标准分析方法的基础上， 要提高水样总氮分 析的准确度， 可采用50 mL优质比色管进行消解， 选用优级纯的过硫酸钾， 消解后的冷却时间需延长至2 h。 关键词 总氮;紫外分光光度法;测定;关键因素 KEY FACTORS ON THE ACCURACY OF TOTAL NITROGEN ANALYSIS Zhou YingjieWang ShumeiChen Shaohua Key Laboratory of Urban Environment and Health， Institute of Urban Environment， Chinese Academy of Sciences，Xiamen 361021，China AbstractTo overcome the drawbacks of the total nitrogen TNdetermination in water quality analysis，the key factors influencing the TN determination were explored using the of“Alkaline Potassium Persulfate Oxidation Digestion-UV Spectrophotometry” GB118941989 ． The results showed that based on the standard ， the accuracy of TN determination can be improved by digesting with potassium persulfate of guarantee reagent in 50 mL high-class digestion colorimetric tube and prolonging the cooling time to 2 h after digesting． Keywordstotal nitrogen;UV spectrophotometric ;measurement;key factors 0引言 生活污水中总氮的存在形式包括亚硝态氮、 硝态 氮、 氨氮和蛋白质、 氨基酸、 尿素、 叠氮化合物、 联氮、 偶氮、 腙类、 腈类等。测定生活污水中总氮通常采用 碱性过硫酸钾氧化， 使有机氮和无机氮化合物转变为 硝态氮后， 再以紫外分光光度法、 偶氮比色法、 离子色 谱法或气相分子吸收法进行测定［1］。由于过硫酸钾 氧化紫外分光光度法操作步骤简单， 使用的仪器一 般实验室都具备， 因而被作为测定总氮的首选方法。 但该方法在测定过程中， 容易受到过硫酸钾的纯度、 消解管、 消解温度、 消解时间及实验室环境等因素的 影响， 其空白吸光度难以达到理想水平。本文应用 GB 118941989碱性过硫酸钾氧化 紫外分光光度 法 测定总氮， 对消解管容积、 试剂纯度、 消解温度、 消解时间等参数进行了探讨， 同时针对总氮测定过程 中一些常见的技术问题提出了建议。 1实验原理与材料 1. 1原理 紫外分光光度法是根据朗伯 － 比耳定律， 通过对 某一特征波长光强度减弱程度进行测定， 建立吸光度 A 与浓度之间的关系校正曲线， 以此确定水溶液中某 组分的浓度。 水中的含氮物质在 120 ～ 124 ℃ 的碱性介质中， 用过硫酸钾作氧化剂， 将这些含氮物质氧化为硝态 氮。分别于220 nm与275 nm处测定其吸光度， 利用式 1 计算硝态氮的吸光度， 从而得出总氮的浓度［2］。 ATN A220－ 2A275 1 1. 2设备 实验主要设备见表 1。 1. 3主要试剂 1 实验用水为超纯水 无氨水 。 2 盐酸 GR 1 9 盐酸。 3碱 性 过 硫 酸 钾 称 取 20 g 过 硫 酸 钾 GR， sigma ， 7. 5 g氢氧化钠 GR ， 分别溶于超纯水中， 稀 601 环境工程 2012 年 2 月第 30 卷第 1 期 表 1实验仪器设备 测试仪器测试仪器型号生产厂家 超纯水机MILLI-PORE 紫外可见分光光度计DR5000Hach USA 电子天平AR2140梅特勒 － 托利多 电热恒温鼓风干燥箱DHG- 9146A上海精密实验设备有限公司 超声波清洗机SB- 4200DTDN宁波新芝 高压灭菌锅SX- 500日本 Tomy 数字生物 释至500 mL。溶液存放于聚乙烯瓶内。 4 硝酸盐标准贮备溶液 称取0. 721 8 g经 105 ～ 110 ℃ 烘干4 h的硝酸钾 GR 溶解于超纯水中， 移至 1 L容量瓶中， 定容。此溶液浓度为100 mg/L。 5 硝酸盐标准使用液 将标准溶液用50 mL移液 管移入500 mL容量瓶中， 用超纯水稀释至刻线。此 溶液浓度为10 mg/L。 6 铵标准贮备溶液 称取3. 819 g经100 ℃ 干燥 过 的 优 级 纯 氯 化 铵 GR溶 于 超 纯 水 中，移 入 1 000 mL容量瓶中， 稀释至标线， ρ NH3-N 1. 00 mg/mL。 7 铵标准使用液 移取5. 00 mL铵标准贮备液于 500 mL容 量 瓶 中， 用 水 稀 释 至 标 线， ρ NH3-N 0. 010 mg/mL。 2实验方法 2. 1总氮标准曲线绘制 分别吸取 4 组 0， 0. 50， 1. 00， 2. 00， 3. 00， 5. 00， 7. 00， 8. 00 mL硝酸钾标准使用溶液， A、 B 两组置于 25 mL比色管中， C、 D 两组置于50 mL比色管中。A、 B 两组用超纯水稀释至10 mL刻线; C、 D 两组直接用移 液器加水至10 mL。然后再分别吸取两组 0， 0. 50， 1. 00， 2. 00， 3. 00， 5. 00， 7. 00， 8. 00 mL铵标准使用溶 液 记为 E、 F 组 ， E 组置于25 mL比色管中， F 组置 于50 mL比色管中。六组比色管均加入5 mL碱性过 硫酸钾溶液， 塞紧磨口塞， 用纱布及棉绳系紧管塞， 以 防迸溅。将比色管置于高压灭菌锅， 升温至122 ℃ 开 始计时， 消解30 min。待温度降低到60 ℃ 时， 取出比 色管。A、 C 组冷却 1h 后加入 1 9 盐酸1 mL， 用超 纯水稀释至25 mL刻线。B、 D、 E、 F 组冷却 2h 后， 加 入 1 9 盐酸1 mL， 用超纯水稀释至25 mL刻线。 在 Hach DR5000 紫外分光光度计上， 以空白作 参比， 用10 mm石英比色皿在 220， 275 nm波长处分别 测定吸光度。用校正后的吸光度绘制校准曲线。 2. 2标准液验证测试 分别用硝酸钾和铵标准使用溶液为水样测量其 总氮。每种标准使用液再分为两组， 每组体积分别取 1 mL和5 mL， 均进行 3 次平行测定。 3实验结果讨论 3. 1标准曲线 实验采用硝酸钾标准使用溶液绘制标准曲线 图 1 。图 1 利用最小二乘法对图中 A 组数据进行 线性回归， 可得到回归方程为 TN 111. 36ATN 1. 0269， R2 0. 9969。 显著性检验 t R n － 2 1 － R 槡 2 0. 9969 8 － 2 1 － 0. 9969 槡 2 31. 036 2 式中 t 为样本均数与总体均数之差对均数标准差的 比值; R 为相关系数; n 为样本数。 因为 是 正 相 关， 用 单 侧 检 验， 查 t 值 表［3］得 t0. 05 6单侧 2. 447。t ＞ ＞ t0. 05 6 ， 说明本实验 ATN和 TN 的线性相关有非常显著的意义。 剩余标准离差 SE， 计算见式 3 SE 1 － R 2 Syy n － 槡 2 3 式中 Syy为对应 TN 的方差。计算得到 Syy 0. 0164， SE 0. 00412， 剩余标准离差可以表征回归的精确度， 剩余标准离差越小精确度越高［4］。当置信度取 95 的时候， 拟合的曲线回归方程为 TN 111. 36ATN 1. 0269 2SE 111. 36ATN 1. 0269 0. 00412 同理， 可以对 B、 C、 D、 E、 F 组进行 t 值检验， 结果 表明各实验组的 ATN和 TN 的线性相关都具有非常显 著的意义。当置信度取 95 的时候， 拟合的曲线回 归方程为 TN B 111. 36ATN 1. 2071 2SE 111. 36ATN 1. 2071 0. 00189; TN C 107. 99ATN 1. 4055 2SE 107. 99ATN 1. 4055 0. 00225; TN D 112. 6ATN－ 0. 5154 2SE 112. 6ATN－ 0. 5154 0. 00174; TN E 120. 95ATN－ 1. 66 2SE 120. 95ATN－ 1. 66 0. 0083; TN F 122. 35ATN－ 1. 6093 2SE 122. 35ATN－ 1. 6093 0. 00635。 A、 B、 C、 D、 E、 F 六组均能得到较好的标准曲线。 从反映各个浓度点的响应值的波动和离散程度的相 701 环境工程 2012 年 2 月第 30 卷第 1 期 a － 采用 KNO3标准使用液， 25 mL 比色管， 冷却 1 h; b － 采用 KNO3标准使用液， 25 mL 比色管， 冷却 2 h; c － 采用 KNO3标准使用液， 50 mL 比色管， 冷却 2 h; d － 采用 KNO3标准使用液， 50 mL 比色管， 冷却 2 h; e － 采用 NH4Cl 标准使用液， 比色管， 冷却 2 h; f － 采用 NH4Cl 标准使用液， 50 mL 比色管， 冷却 2 h 图 1各实验组标准曲线 关系数可以看出 A 组比 C 组， B 组比 D 组， E 组比 F 组的相关系数都低， 见图 1; 从表征回归精确度的剩 余标准离差可以看出 A 组比 C 组， B 组比 D 组， E 组 比 F 组的剩余标准离差高， 因此可以认为， 用25 mL 的比色管消解比用50 mL比色管消解精确度低。同 时， A 组比 B 组， C 组比 D 组的相关系数低， 但剩余标 准离差高， 这说明冷却时间以2 h为更优。 无论从相关系数， 还是从剩余标准离差来说， A、 B、 C、 D 组均比 E、 F 组更精准。表明用铵盐作为 TN 测试的标准试剂不如硝酸盐准确。 3. 2标准液验证测试 3. 2. 1以硝酸钾标准曲线计算 采用25 mL和50 mL比色管， 分别取1 mL和5 mL 硝酸钾和铵标准使用溶液， 消解之后冷却2 h， 以硝酸 钾标准曲线计算硝酸钾和铵标准液浓度， 见表 2。从 测试结果的相对误差来看， 采用50 mL比色管消解均 比采用25 mL比色管消解所得测量结果的相对误差 小; 从测试结果的相对标准偏差 RSD 来看， 50 mL 的消解比色管均比25 mL的消解比色管测量结果的 RSD 小， 可以认为采用50 mL比色管消解所得结果的 准确度和精密度更高。 用铵标准使用液验证测试， TN 的测试结果比采 用硝酸钾标准液验证测试结果的误差更大。 3. 2. 2以铵标准曲线计算 801 环境工程 2012 年 2 月第 30 卷第 1 期 采用铵标准曲线测试硝酸钾和铵标准液浓度， 见 表 3。测量数据的 RSD 均在 3 以下， 说明数据的精 密性好。从相对误差来看， 硝酸钾标准液验证测试的 相对误差相对偏大， 而用铵标准使用液验证测试， 测 试结果的相对误差较小。 表 2标准溶液验证测试结果的准确度和精密度 以 KNO3标准曲线计算 验证 溶液 比色管容 积 / mL 验证液 体积 / mL 验证液浓度 / mg L－ 1 测试结果 / mg L－ 1 相对误 差 / RSD / n 3 KNO3 25110. 0011. 18 0. 2711. 822. 37 550. 0054. 08 0. 208. 160. 37 50110. 0010. 54 0. 115. 351. 04 550. 0052. 97 0. 175. 940. 32 NH4Cl 25110. 008. 52 0. 12－ 14. 851. 36 550. 0044. 88 0. 40－ 10. 240. 89 50110. 009. 73 0. 06－ 2. 680. 65 550. 0045. 45 0. 40－ 9. 100. 87 表 3标准溶液验证测试结果的准确度和精密度 以 NH4Cl 标准曲线计算 验证 溶液 比色管 容积 / mL 验证液 体积 /mL 验证液浓度 / mg L－ 1 测试结果 / mg L－ 1 相对误 差 / RSD / n 3 KNO3 25110. 0012. 61 0. 3226. 122. 54 550. 0064. 50 0. 2429. 000. 38 50110. 0010. 52 0. 285. 221. 16 550. 0057. 74 0. 3715. 480. 32 NH4Cl 25110. 009. 39 0. 14－ 6. 131. 49 550. 0053. 37 0. 486. 750. 91 50110. 009. 64 0. 05－ 3. 570. 49 550. 0049. 38 0. 44－ 1. 250. 89 结合表 2 和表 3 的相对偏差数据可以看出 采用 硝酸钾标准液验证测试时， 应该采用硝酸钾标准曲线 计算; 采用铵标准液验证测试时， 应该采用铵标准曲 线计算。否则会带来更大的相对偏差。 另外， 从测试结果的相对误差和 RSD 来看， 采用 50 mL比色管消解比采用25 mL比色管消解的准确度 和精密度更高。 3. 3比色管的选择 总氮的测定， 一般采用的消解管是25 mL的具玻 璃磨口塞比色管。一般选择密封性较好的比色管， 就 能防止混匀试剂时的漏液现象。 另外， 比色管在消解过程中， 由于热胀冷缩玻璃 磨口塞会出现松动。尤其是在测量氨氮含量高的水 样时， 这种现象会更明显。可能的原因一方面是添加 碱性过硫酸钾时， 溶液呈碱性， 氨氮容易挥发; 另一方 面是消解过程中， 氨氮在未完全氧化之前已部分挥 发。结合 3. 2 验证结果， 推荐使用50 mL的比色管代 替25 mL的比色管 均定容至25 mL 。 3. 4消解后冷却时间 比较 A、 C 和 B、 D 组的标准曲线可以看出， A、 C 比 B、 D 的相关系数稍低， 这说明冷却时间以2 h更优。 3. 5过硫酸钾的选择 本实验需要的所有试剂中， 过硫酸钾的纯度对实 验结果至关重要［5- 6］。它直接影响空白值的高低和测 定结果的准确性。一般普通分析纯过硫酸钾的总氮 含量不超过 0. 005 ， 但由于试剂质量存在差异， 有 些厂家、 批次的试剂含氮量常常超过 0. 005 ， 致使 空白值偏高。因此， 建议使用优级纯的过硫酸钾， 降 低实验空白值; 或者利用蒸发结晶的方法提纯过硫酸 钾， 一般提纯 2 次以上。具体提纯方法如下 往1 L广 口瓶中加入约800 mL水， 50 ℃ 水浴锅加热， 然后逐渐 加入过硫酸钾， 直至不能溶解为止。然后把完全溶解 的饱和溶液放在室温中加盖自然冷却， 再放入4 ℃ 冰 箱进行重结晶。重结晶12 h后， 去除上清液， 用4 ℃ 的去离子水清洗数遍后放入50 ℃ 烘箱烘干即可［7］。 3. 6紫外分光光度计 总 氮 测 定 需 要 使 用 两 个 波 长 220 nm 和 275 nm ， 建议使用双光路紫外分光光度计。使用双 光路测量不仅方便快速， 更可以避免反复调整波长产 生仪器波长误差， 另外比色皿间的误差也能自动修 正。 笔者尝试在同一台仪器 Hach DR5000 紫外分光 光度计 先进行双光路测量两组标准液， 然后再分别 用220 nm和275 nm测量。得到的结果显示见表 4， 使 用双光路的相对误差和 RSD 均比使用单光路的小。 表 4双光路和单光路测试 TN 数据对照 测试 方法 标准液体 积 / mL 标准液浓度 / mg L － 1 测试结果 / mg L － 1 相对偏 差 / RSD / n 3 单光路110. 0010. 75 0. 117. 541. 02 550. 0053. 33 0. 296. 670. 54 双光路110. 0010. 54 0. 115. 351. 04 550. 0052. 97 0. 175. 940. 32 3. 7实验注意事项 1 比色皿。使用后的比色皿须先用超纯水清 洗， 然后用V 盐酸 ∶ V 乙醇 1∶ 2溶液浸泡1 h， 之 后再用超纯水清洗干净， 最后自然晾干。 2 比色管。实验所使用的玻璃器皿均应先用 1 9 盐酸浸泡， 尤其是比色管内壁容易附着杂质， 需 要在 1 9 盐酸中浸泡12 h以上。浸泡之后， 再用超 声波清洗机清洗， 然后再用纯水清洗 3 遍， 最后用超 纯水冲洗 2 次才能保证最佳的测定效果。 3 实验室环境及条件。总氮的分析容易受到扬 尘、 石油类及其他氮化合物的影响， 因此绝对不能在 901 环境工程 2012 年 2 月第 30 卷第 1 期 分析总氮的同一实验室做氨氮项目的分析。要尽量 避免交叉污染影响空白值［8］。 4 碱性过硫酸钾的配制。GB 1189489 中碱性 过硫酸钾的配制方法 称取40 g过硫酸钾 K2S2O8 ， 15 g氢氧化钠， 溶于超纯水中， 稀释至1 000 mL。溶 液存放在聚乙烯瓶内。实际实验过程中， 最好现用现 配。这是由于过硫酸钾属氧化剂， 会随放置时间的延 长而使空白吸光度值增高［9］。另外， 考虑到过硫酸 钾试剂的价格昂贵， 分析测试时， 要按需配制过硫酸 钾溶液。 在实际操作中， 发现过硫酸钾的溶解速度非常缓 慢。绝对不能加热溶解， 因为在60 ℃ 以上的水溶液 中过硫酸钾会分解产生 H 和 O2［10］。配制该溶液 时， 先配制氢氧化钠溶液， 待其温度降到室温后再加 入过硫酸钾溶解。不能将二者放在一只烧杯中溶解， 因为氢氧化钠溶解放热会使溶液温度过高引起部分 过硫酸钾分解。 4总结 采用优质的50 mL比色管消解， 选用纯度较高的 过硫酸钾， 消解后冷却时间延长至2 h， 可以提高水样 总氮分析的精密度和准确度。另外， 比色皿及比色管 的选择与清洗、 碱性过硫酸钾的配制及实验室环境等 都需要引起注意。 参考文献 ［1］张钧，张庆军． 水和废水中总氮测定的关键问题研究［J］． 污 染防治技术，2008，21 5 83- 86． ［2］国家环境保护总局 水和废水监测分析方法 编委会． 水和废 水监测分析方法［M］． 4 版． 北 京中国环境科学出版社， 2002254- 258． ［3］奚旦立，孙欲生，刘秀英． 环境监测［M］． 3 版． 北京高等教 育出版社，2004424- 430． ［4］吴忠标，吴祖成，沈学优． 环境监测［M］． 北京化学工业出 版社，200396- 97． ［5］邵亚凤，过美蓉． 测定总氮时影响空白吸光值的因素［J］． 环 境污染与防治，2001，23 6 304． ［6］孙晶艳，郑少奎． 水质总氮测试中高空白值形成规律与对策 ［J］． 安全与环境学报，2007，7 5 93- 96． ［7］潘本锋，鲁雪生，李莉娜，等． 紫外分光光度法测定总氮空白 值过高原因分析［J］． 环境工程，2010，28 增刊 326- 328． ［8］史竞男，刘荣梅． 测定总氮时应注意的几个问题［J］． 环境科 学与管理，2005，30 4 97- 98． ［9］谭爱平，钟陵，黄滨． 测定总氮的影响因素探讨［J］． 中国环 境监测，2006，22 1 58- 60． ［ 10］董纪珍，宋莹，李建坡，等． 测定总氮时影响空白吸光值的因 素［J］． 光谱实验室，2006，23 4 791- 796． 作者通信处王淑梅361021福建省厦门市集美大道 1799 号中国 科学院城市环境研究所 E- mailsmwang iue． ac． cn 2011 － 07 － 21 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 94 页 3结论 1内配煤粉垃圾焚烧飞灰烧结在 380 ～ 800 ℃ 是其主要的反应阶段， 随着内配煤粉比例的增大， 其 放热最高峰值增加。 2原 飞 灰 中 的 物 相 主 要 是 CaCO3、 CaClOH、 Ca10Si5O18 Cl， OH 4、 CaSO4、 SiO2、 K2CO3、 KCl、 NaCl; 烧结产品中的物相主要转变为硅酸盐和硼酸盐。 3内配煤粉和助熔剂的烧结产品由于煤粉燃烧 发热不均， 表面孔隙比较多。而且在烧结产品表面有 形状规则的晶体出现。典型烧结试样 8- 10- 950 比表 面积为1. 471 m2/g。大多数孔隙的孔径分布在 0. 006 ～ 0. 04 μm范围内。 4内配煤粉垃圾焚烧飞灰烧结在进一步降低能 量消耗的基础上， 可以有效地降低重金属的滤出性。 参考文献 ［1］邓燚超， 李建 新， 袁镇福． 垃圾焚烧飞 灰 的 无 害 化 处 理 技 术 ［J］． 电站系统工程， 2007， 23 4 1- 4． ［2］赵光杰， 李海滨， 赵增立， 等． 燃料式熔融固化垃圾焚烧飞灰的 实验研究［J］． 环境工程， 2005， 23 5 56- 58． ［3］李润东， 于清航， 李彦龙， 等． 烧结条件对焚烧飞灰烧结特性的 影响研究［J］． 安全与环境学报， 2008， 8 3 60- 63． ［4］刘富强， 聂永丰， 刘锋． 调质对垃圾焚烧飞灰烧结处理的影响 ［J］． 环境工程学报， 2008， 2 11 ， 1551- 1554． ［5］Ward D B， Goh Y R， Clarkson P J，et al． A novel energy-efficient process utilizing regenerative burners for the detoxification of fly ash ［J］． Process Safety and Environmental Protection， 2002， 80 6 315- 324． ［6］李润东， 池涌， 王雷， 等． 城市垃圾焚烧飞灰熔融动力学研究 ［J］． 浙江大学学报， 2009， 36 5 498- 503． 作者通信处宋广懂100083北京市学院路 30 号北京科技大学机 械工程学院 E- mailsongguangdong1986 163. com 2011 － 07 － 29 收稿 011 环境工程 2012 年 2 月第 30 卷第 1 期