分光光度法測定草甘膦生產(chǎn)廢水中草甘膦和甘氨酸的含量

李國鵬， 周彩榮， 石曉華， 楊金金

(鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院 河南 鄭州 450001)

0 引言

草甘膦，化學(xué)名稱為N-膦羧甲基甘氨酸，又稱為鎮(zhèn)草寧、磷甘酸，屬于氨基甲撐膦類含有羧酸基的化合物[1].草甘膦的分子中含有羧酸基、氨基、甲基磷酸基等，可以進(jìn)行酯化、羥氨基化、胺化、亞硝化和脫水等一系列典型的生物化學(xué)反應(yīng).草甘膦是一種高效、低毒、廣譜、安全的除草劑[2]，它具有良好的內(nèi)吸、傳導(dǎo)性能，是目前除草劑中產(chǎn)量最大的品種.由于草甘膦生產(chǎn)廢水中化學(xué)殘留較大，對環(huán)境造成的污染較為嚴(yán)重，為使廢水得到有效處理，廢水中各組分含量的測定顯得尤為重要.雖然已有諸多分析有機(jī)磷農(nóng)藥的方法[3]，也有文獻(xiàn)報(bào)道可用色譜法對草甘膦和甘氨酸的產(chǎn)品進(jìn)行分析檢測[4]，但對含有大量無機(jī)鹽NaCl的草甘膦生產(chǎn)廢水來說，其方法尚不夠經(jīng)濟(jì)和簡便.

作者針對我國某廠草甘膦生產(chǎn)過程中的廢水，探究其有效成分草甘膦、甘氨酸含量的快速、簡便的檢測方法，為治理草甘膦生產(chǎn)廢水和回收廢水中的有效成分奠定基礎(chǔ).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)藥品與儀器

硫酸、溴化鉀、亞硝酸鈉為市售分析純；水(實(shí)驗(yàn)室自制蒸餾水)；草甘膦(質(zhì)量分?jǐn)?shù)95%)；甘氨酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%)；草甘膦生產(chǎn)廢水由浙江某化工廠提供.

FA1004型電子精密天平(上海精科科學(xué)儀器有限公司)；UV-2401PC紫外-可見光分光光度計(jì)(日本島津公司)；THZ-98A型恒溫振蕩箱(上海恒科科學(xué)儀器有限公司)；自動雙重純水蒸餾器(上海亞榮生化儀器廠).

1.2 草甘膦生產(chǎn)廢水水質(zhì)分析

草甘膦生產(chǎn)廢水水質(zhì)的技術(shù)參數(shù)見表1.

表1 草甘膦生產(chǎn)廢水水質(zhì)分析Tab.1 Components in wastewater of glyphosate produced

2 結(jié)果與討論

2.1 草甘膦含量的測定

2.1.1草甘膦標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制及測定 首先稱取0.300 g(精確至0.000 2 g)質(zhì)量分?jǐn)?shù)95%的草甘膦，用水配制成250 mL草甘膦溶液.再分別配制 250 g/L溴化鉀溶液、6.99 g/L亞硝酸鈉溶液和體積分?jǐn)?shù)50%的硫酸溶液.

用移液管分別移取適量上述草甘膦溶液于編號為1～9號容量瓶中.在容量瓶中再分別加入適量蒸餾水、硫酸溶液、溴化鉀溶液、亞硝酸鈉溶液，將其放入恒溫振蕩箱中振蕩(注意溫度不應(yīng)低于15 ℃)，30 min后，將容量瓶取出，稀釋至刻度，搖勻，備用.用紫外分光光度計(jì)法測定草甘膦含量[5-6].取配制的4號草甘膦標(biāo)準(zhǔn)溶液做紫外光譜檢測，其結(jié)果見圖1中的曲線2.

2.1.2甘氨酸干擾實(shí)驗(yàn) 草甘膦生產(chǎn)廢水中含有未反應(yīng)完全的原料甘氨酸，為排除組分間的相互影響，考察了甘氨酸對草甘膦含量測定的影響.在相同分析條件下，通過紫外分光光度計(jì)測定預(yù)先精確配制的一組草甘膦-甘氨酸溶液(m(草甘膦)∶m(甘氨酸)=1∶0.5，1∶1，1∶1.2，1∶1.5，1∶2)，圖1中的曲線1表明草甘膦-甘氨酸的標(biāo)準(zhǔn)溶液僅在240.5 nm處有最大光吸收，在其他波長下無光吸收信號，故以240.5 nm作為檢測草甘膦-甘氨酸溶液的波長.草甘膦-甘氨酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖2所示.可以看出，在溶液質(zhì)量濃度低于1.70×10-2g/L時(shí)擬合曲線吻合度良好.用已知質(zhì)量濃度的草甘膦標(biāo)準(zhǔn)溶液校正擬合曲線，得到相對標(biāo)準(zhǔn)偏差.由圖2可知，在所測定的草甘膦-甘氨酸溶液質(zhì)量濃度范圍內(nèi)，甘氨酸對草甘膦質(zhì)量濃度的分析幾乎沒有影響，且測量值與實(shí)際值比較誤差較小，表明測量結(jié)果準(zhǔn)確度較高，可達(dá)到精確定量測量的目的.

圖1 草甘膦、甘氨酸及草甘膦-甘氨酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的光譜圖Fig.1 Spectrogram of glyphosate, glycine and glyphosate-glycine standard solution

圖2 草甘膦及系列草甘膦-甘氨酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.2 Standard chart of the standard solution of glyphosate and series of glyphosate-glycine

2.2 甘氨酸含量的測定

2.2.1甘氨酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制及測定 精確稱取0.009 00 g 質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%的甘氨酸，配制成500 mL甘氨酸水溶液；配制pH為5.4，2 mol/L醋酸緩沖液；稱取0.180 g茚三酮和0.040 g還原型茚三酮，用20 mL乙二醇甲醚溶解，配制為顯色液；配制體積分?jǐn)?shù)60%的乙醇溶液.

用移液管分別移取適量上述甘氨酸溶液于編號為1～8號容量瓶中.用蒸餾水補(bǔ)足至1.5 mL，各加入適量醋酸緩沖液，再加入0.5 mL茚三酮顯色液，充分混勻后，蓋住試管口，在100 ℃水浴中加熱15 min，用自來水冷卻.放置5 min后，加入乙醇溶液稀釋至一定體積.

2.2.2草甘膦干擾實(shí)驗(yàn) 將配制好的甘氨酸標(biāo)準(zhǔn)溶液用分光光度計(jì)進(jìn)行掃描檢測，結(jié)果如圖1中的曲線3所示.為排除組分間的相互影響，做草甘膦對甘氨酸含量測定的平行干擾實(shí)驗(yàn).精確配制一組甘氨酸-草甘膦標(biāo)準(zhǔn)溶液(m(甘氨酸)∶m(草甘膦)=1∶0.5，1∶1，1∶1.2，1∶1.5,1∶2)，其可見光光譜見圖1中的曲線4.由圖1可以看出，甘氨酸及甘氨酸-草甘膦標(biāo)準(zhǔn)溶液在570 nm處均有最大光吸收，故選定570 nm作為檢測甘氨酸含量的可見光波長.

由于甘氨酸測定實(shí)驗(yàn)受到諸多因素的影響，為達(dá)到準(zhǔn)確測定的目的，進(jìn)行系列單因素影響實(shí)驗(yàn).

2.2.3緩沖液用量 考察了醋酸緩沖液用量對顯色反應(yīng)的影響.結(jié)果表明, pH為5.4的醋酸緩沖液用量在0.5～1.5 mL時(shí)吸光度最大且恒定, 本實(shí)驗(yàn)選用緩沖液的用量為1.0 mL.

2.2.4顯色劑的配比及用量 改變顯色劑用量, 測定其吸光度.顯色劑配比(質(zhì)量比)在4∶1～3∶1時(shí)顯色良好，選取茚三酮和還原型茚三酮的質(zhì)量比為9 ∶2.結(jié)果表明, 當(dāng)顯色劑用量大于0.5 mL 時(shí), 吸光度最大且恒定, 本實(shí)驗(yàn)選用顯色劑的用量為0.5 mL.

圖3 甘氨酸及系列甘氨酸-草甘膦標(biāo)準(zhǔn)溶液的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.3 Standard chart of the standard solution of glycine and series of glycine-glyphosate

2.2.5顯色時(shí)間及穩(wěn)定性 常溫下反應(yīng)緩慢,在低于50 ℃溫水浴中2 h未顯色,75 ℃時(shí)110 min后開始顯色，沸水浴中15 min就顯色完全.吸光度在4 h內(nèi)基本不變，表明顯色穩(wěn)定性良好.

2.2.6不同質(zhì)量濃度甘氨酸溶液對茚三酮顯色的影響 按上述最優(yōu)測試條件，測定甘氨酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的標(biāo)準(zhǔn)曲線，結(jié)果如圖3所示.可以看出，在甘氨酸質(zhì)量濃度低于4.50×10-2g /L時(shí)，所得曲線擬合性好，當(dāng)甘氨酸質(zhì)量濃度大于4.81×10-2g /L時(shí)，吸光度值有較大變化，所以設(shè)定甘氨酸質(zhì)量濃度的測量上限為5.00×10-2g/L.在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)甘氨酸質(zhì)量濃度過低(≤1.50×10-2g/L)時(shí)，在沸水中的顯色環(huán)節(jié)只需要2～3 min即可，如繼續(xù)加熱至15 min，則溶液顏色不是變成藍(lán)紫色, 而是變成紫紅色，這可能是由于加熱時(shí)間較長而甘氨酸質(zhì)量濃度較低, 酚羥基被氧化顯色所致[7-8].因此，要嚴(yán)格控制低質(zhì)量濃度甘氨酸溶液的沸水顯色反應(yīng)時(shí)間，以確保所測結(jié)果的準(zhǔn)確性.

2.3 草甘膦生產(chǎn)廢水中草甘膦和甘氨酸含量的測定

2.3.1草甘膦生產(chǎn)廢水中草甘膦含量的測定 用移液管分別移取草甘膦生產(chǎn)廢水0, 0.100 mL至100 mL容量瓶，按2.1.1所述方法配制草甘膦生產(chǎn)廢水溶液，在240.5 nm波長下檢測廢水溶液的紫外吸光度，結(jié)果如表2所示，其表觀摩爾吸光系數(shù)為6.53×103L /(mol·cm ). 通過換算公式(1)，得到草甘膦生產(chǎn)廢水中草甘膦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.10%.

(1)

式中：c為稀釋的草甘膦生產(chǎn)廢水中草甘膦質(zhì)量濃度，g/L；V1為稀釋的草甘膦生產(chǎn)廢水總體積，L；V2為從草甘膦生產(chǎn)廢水中量取的廢水體積，L；ρ為草甘膦生產(chǎn)廢水的密度，1.24×103g/L.

2.3.2草甘膦生產(chǎn)廢水中甘氨酸含量的測定 用移液管移取草甘膦生產(chǎn)廢水0.100 mL至100 mL容量瓶，從100 mL容量瓶中分別量取0,0.500 mL移至小試管中，按2.2.1所述方法配制草甘膦生產(chǎn)廢水溶液，測可見光吸光度，結(jié)果如表2所示，其表觀摩爾吸光系數(shù)為1.32×103L /(mol·cm ).通過換算公式(2)，得到草甘膦生產(chǎn)廢水中甘氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.58%.

(2)

式中：c為最終5.00 mL標(biāo)液中草甘膦生產(chǎn)廢水中甘氨酸質(zhì)量濃度， g/L；V為最終測量用的草甘膦標(biāo)液體積，5.00×10-3L；V1為所取廢水體積，0.100×10-3L；V2為0.100 mL廢水定容體積，0.100 L；V3為取用100 mL標(biāo)液的體積，0.500 ×10-3L；ρ為草甘膦生產(chǎn)廢水的密度，1.24×103g/ L.

表2 稀釋的草甘膦生產(chǎn)廢水中草甘膦、甘氨酸質(zhì)量濃度的測定結(jié)果Tab.2 Concentration of glyphosate and glycine in diluted glyphosate wastewater

從表2可以看出，測定結(jié)果與表1中來自工廠提供的草甘膦、甘氨酸含量數(shù)據(jù)相比，所測濃度值均在所提供廢水指標(biāo)值范圍以內(nèi)，表明本實(shí)驗(yàn)建立的分析方法可用于草甘膦生產(chǎn)廢水中草甘膦和甘氨酸含量的分析.

3 結(jié)論

在排除組分間的相互影響之后，測得的分析結(jié)果是可靠的.用紫外分光光度計(jì)法測定草甘膦含量，經(jīng)過多次檢測證實(shí)，該法RSD為0.836%，線性相關(guān)系數(shù)可達(dá)到0.999，廢水中草甘膦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.10%, 表觀摩爾吸光系數(shù)為6.53×103L /(mol·cm )；用可見光分光光度計(jì)法測定甘氨酸含量，標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.13%，線性相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.998，廢水中甘氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.58%，表觀摩爾吸光系數(shù)為1.32×103L/(mol·cm ).用分光光度計(jì)法測定草甘膦生產(chǎn)廢水中的草甘膦和甘氨酸含量，其分析值和實(shí)際值相吻合.

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐明禮，崔世海，王玉萍，等．草甘膦生產(chǎn)廢水的預(yù)處理與綜合應(yīng)用[J]. 南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)：工程技術(shù)版，2007，7(1)：51-53.

[2] 盧信，趙炳梓，張佳寶，等．除草劑草甘膦的性質(zhì)及環(huán)境行為綜述[J]. 土壤通報(bào)，2005,36(5)：785-790.

[3] 趙仕林.水中27種有機(jī)磷農(nóng)藥GC/MS分析方法研究[J]. 四川師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，1997，20(6)：70-78.

[4] Zelenkova N F, Vinokurova N G. Determination of glyphosate and its biodegradation products by chromatographic methods[J]. Journal of Analytical Chemistry,2008,63(9):871-874.

[5] 中華人民共和國化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn). HG 2459—93 10%草甘膦水劑[S].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1993.

[6] 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn). GB12686—90草甘膦原藥[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1990.

[7] 周駿山. 實(shí)用氨基酸手冊[G]. 無錫：無錫市氨基酸研究所科技情報(bào)室,1989：264.

[8] 金恒啟,胡俊英. 茚三酮顯色實(shí)驗(yàn)方法的改進(jìn)[J]. 解放軍醫(yī)學(xué)高等專科學(xué)校學(xué)報(bào),1997,25(4)：66.