正交實驗在水質硫化物分析中的應用

李有海，林 奕，楊麗仙，金建明

(1.玉溪市生態環境質量分析中心，云南 玉溪 653100；2.云南省生態環境廳駐玉溪市生態環境監測站，云南 玉溪 653100；3.北京工商大學化學與材料學院，北京 100048)

0 引言

水中硫化物指水中溶解性無機硫化物和酸溶性金屬硫化物，其存在形式包括溶解性的H2S、HS-、S2-等，經過水中微生物的分解氧化成硫酸，使水體酸化，危害水生生物。硫化氫毒性大，一定濃度會危害生命，所以硫化物是水質中的一項重要監測指標[1，2]。

目前，對于硫化物的監測方法主要分為化學分析法和儀器分析法兩類?；瘜W分析法是采用亞甲基藍分光光度法，操作簡便，成本低廉，靈敏度高，選擇性好。被分析的水體成分一般比較復雜，一定濃度的SO32-、S2O32-、SCN-等陰離子及部分金屬離子會干擾硫化物的濃度分析[2]，因此分析前對水樣的前處理是得到有效數據的前提。酸化-吹氣-吸收法是排除干擾離子的有效手段，相關文獻及GB/T 16489-1996中均提出，吸收液用乙酸鋅-乙酸鈉溶液，酸化的酸溶液用1+1磷酸是最佳的選擇[1，3，4]。硫化物樣品分析時，嚴格按照GB/T 16489-1996中的步驟，得到的實際樣品回收率不理想，可能受實驗室所用儀器、人為因素、氣壓等因素的影響，需要對吹氣時間、載氣速率、水浴溫度等條件進行優化。對比全面實驗、多次單因素實驗、正交設計實驗、均勻設計實驗等方法[5，6]，選用適合的正交實驗設計法，以回收率為依據，來探索實際樣品分析的前處理最佳條件。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

TTL-HS水質硫化物酸化吹氣儀(北京同泰聯科技生產)，V-1800可見分光光度計(上海美普達儀器有限公司生產)，電子天平JJ330型(d=0.01 g)(常熟市雙杰測試儀器廠生產)，分析天平Mettler Toledo ME204E(d=0.1 mg)(梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司生產)。純水儀UPH-I-20T(成都超純科技有限公司生產)。實驗所用的精密玻璃儀器均用JJG 196-2006所述方法進行檢定并選用達到1級的玻璃儀器[7]。

市售硫化物標準品購于生態環境部標準研究所(編號：GSB 07-2733-2019 104422，濃度為100 mg/L)，磷酸(天津市科密歐化學試劑有限公司生產)，硫酸鐵銨(上?；瘜W試劑四廠生產)，N，N-二甲基對苯二胺(天津市化學試劑研究所有限公司生產)，抗壞血酸、乙酸鋅、乙酸鈉、硫酸(西隴科學股份有限公司生產)，氫氧化鈉(天津市光復科技發展有限公司生產)。所有試劑均為分析純，實驗用水為去離子水。

1.2 實驗方法

正交實驗設計：吹氣時間、載氣速率、水浴溫度三因素三水平的設計(見表1)。根據所設置的因素和水平，適合于該實驗的正交表為L9(34)(見表2)，正交實驗方案如表3所示。除吹氣時間、載氣速率、水浴溫度按表3中的實驗方案外，其余條件按GB/T 16489—1996中所述的方法步驟，以去離子水為空白，做空白加標實驗，標準加入量為2.00 mL，計算回收率為實驗結果。待預設定出最佳實驗條件后，進行該條件下實際樣品分析，以驗證預設定最佳實驗條件的實用性。

表1 實驗因素和水平設計

表2 正交表L9(34)

2 結果與分析

2.1 預設定最佳條件

吹氣時間、載氣速率、水浴溫度極差分別為12.1%、10.3%、2.0%(表3)，可以得出結論，吹氣時間和載氣速率為主要因素，水浴溫度為次要因素。表3中k1、k2、k3分別為吹氣時間、載氣速率、水浴溫度三因素三水平的3次實驗結果平均值，吹氣時間的最大值為k3(91.0%)、載氣速率k3(90.1%)、水浴溫度k2(86.2%)，可以確定最優組合為吹氣時間(第三個水平50 min)、載氣速率(第三個水平500 mL/min)、水浴溫度(第二個水平60℃)，此條件下測得回收率96.4%，為9組實驗中回收率最高的實驗組。

表3 正交實驗方案與實驗結果

由圖1中A所示，吹氣時間與回收率為正相關，隨著時間的增加，回收率在增大。B所示回收率也是隨著載氣速率的增大而增加。C所示為溫度與回收率呈倒鐘型，在60℃附近達到最高，溫度過低，不利于硫化氫氣體的溢出，溫度過高可能是因為燒瓶中的水蒸氣汽化，冷凝成水滴滯留在瓶壁、導管壁，硫化氫氣體隨著氮氣吹出輸送的過程中再次溶于瓶壁、導管壁的水滴中，因此回收率下降。

圖1 回收率與吹氣時間、載氣速率、水浴溫度效應曲線圖

分析實驗6，吹氣時間40 min，載氣速率500 mL/min，水浴溫度50℃，回收率亦達到93.1%。綜合影響因素、實驗數據要求、實驗成本等，預設定TTL-HS水質硫化物酸化吹氣儀樣品前處理的最佳條件為：吹氣時間不少于40 min，載氣速率不小于500 mL/min，水浴溫度60℃，其余與GB/T 16489-1996所述一致。

2.2 實際樣品分析

應用預先設定的TTL-HS水質硫化物酸化吹氣儀樣品前處理的最佳條件，對國家采測分離地表水樣品前處理近4個月的時間，加標樣品為12個，回收率為90.1%～97.5%，平均值為94.0%，相對標準偏差為2.4%(表4)。結果表明，預先設定的最佳實驗條件下，水質硫化物指標分析回收率高，穩定性好，省時高效。

表4 最佳條件回收率應證結果

3 討論

標準GB/T 16489-1996中指出：吹氣速度和吹氣時間的改變均會影響測定結果，必要時可以通過測定硫化物標準使用液的回收率進行檢驗。若是全面實驗，則需要做27次實驗，實驗次數較多。多次單因素實驗則不能體現因素之間的交互作用，可能達不到預期結果。正交實驗設計選取正交表L9(34)，需做9次實驗，均勻分析適用于變量和水平較多的實驗設計。因此選擇正交實驗，對吹氣時間、載氣速率、水浴溫度三個因素分別做三個水平的實驗設計，回收率為評價依據，通過對極差分析，吹氣時間和載氣速率為主要因素，水浴溫度為次要因素。對三個因素的1、2、3水平三次實驗結果進行平均值分析，確定三因素三水平的最優組合為吹氣時間50 min、載氣速率500 mL/min、水浴溫度60℃，此條件下測得回收率為96.4%，是9組實驗中回收率最高的實驗組。但在實際樣品分析時，樣品數量較多且具有時效性，為追求回收率的完美而花費大量時間、犧牲實驗經濟成本來進行酸化-吹氣-吸收顯然不是最佳選擇，分析回收率與吹氣時間、載氣速率效應曲線圖(圖1)可知，回收率與二者之間是呈正相關，二者應能有1+1>2的效果，水浴溫度在60℃時達到最高，分析實驗6，吹氣時間40min，載氣速率500 mL/min，水浴溫度50℃，回收率亦達到93.1%，因此，將吹氣時間適當減少到40 min，載氣速率為500 mL/min，水浴溫度定為60℃，其余與GB/T 16489-1996所述一致，此為預設定的最佳條件。預設定的最佳條件下，對4個月12個實際樣品的回收率分析結果表明，硫化物回收率高，穩定性好，省時高效。