堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定水質(zhì)中總氮實(shí)驗(yàn)空白的分析與研究

景勝元

(山西省交通保護(hù)中心站(有限公司)，山西 太原 030006)

引 言

總氮含量是反映水體受營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)污染狀況、衡量區(qū)域水質(zhì)好壞的重要指標(biāo)，水中總氮的測(cè)定對(duì)評(píng)價(jià)水質(zhì)情況、加強(qiáng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)十分必要。目前，國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定水中總氮主要按照 HJ 636-2012中UV法，該檢測(cè)方法原理簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、成本較低，但實(shí)驗(yàn)空白是影響總氮測(cè)定準(zhǔn)確度的關(guān)鍵，尤其是總氮含量較低的水樣，若空白校正吸光度不達(dá)要求，就會(huì)出現(xiàn)含量測(cè)量不準(zhǔn)、數(shù)據(jù)重現(xiàn)性較差等問(wèn)題。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者也作過(guò)相關(guān)研究，如黃玲等[1]對(duì)造成水中總氮測(cè)定實(shí)驗(yàn)空白值增大的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行探究，徐莉等[2]對(duì)水中總氮測(cè)定實(shí)驗(yàn)空白值的主要影響因素實(shí)驗(yàn)用水等級(jí)、試劑純度與器皿潔凈度等進(jìn)行分析，并給出對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)質(zhì)量控制方法。本研究結(jié)合筆者日常工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)影響UV法測(cè)定水中總氮實(shí)驗(yàn)空白的主要因素進(jìn)行了分析與研究。

1 總氮定義及測(cè)定原理

總氮是指水樣中溶解態(tài)氮及懸浮物中氮的總和。其測(cè)定原理是水樣中的含氮化合物于試驗(yàn)體系溫度120 ℃～124 ℃下被加入的堿性過(guò)硫酸鉀溶液轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，然后試液在紫外分光光度計(jì)上于波長(zhǎng)220 nm和275 nm處分別測(cè)定吸光度，并根據(jù)水樣中總氮含量(以N計(jì))與校正吸光度A(A220-2A275)的比例關(guān)系采用標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)法來(lái)定量。

2 主要儀器及試劑

主要儀器：紫外分光光度計(jì)(TU-1950)；立式壓力蒸汽滅菌器；10 mm石英比色皿；25 mL具塞磨口玻璃比色管。

主要試劑：不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的過(guò)硫酸鉀，優(yōu)級(jí)純；氫氧化鈉，優(yōu)級(jí)純；鹽酸溶液(1+9)；無(wú)氨水、新鮮去離子水、放置3 d去離子水、新鮮超純水。

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

參照國(guó)標(biāo)方法HJ 636-2012進(jìn)行樣品采集、試樣制備和試劑溶液配制。

使用移液器準(zhǔn)確移取10.00 mL待測(cè)試樣于25 mL具塞比色管中，加入5.00 mL堿性過(guò)硫酸鉀溶液后加塞，再用紗布和細(xì)繩扎緊(或塑料膠布包扎)后置于立式壓力蒸汽滅菌器中，加熱至頂壓閥吹氣時(shí)關(guān)閥并繼續(xù)加熱至120 ℃，于120 ℃～124 ℃下加熱30 min，冷卻、放氣后，待比色管內(nèi)試液恢復(fù)到室溫，混勻，再加入1.0 mL(1+9)鹽酸溶液，用水稀釋定容至刻度后混勻。取適量試液于石英比色皿中，用水作參比，使用TU-1950紫外分光光度計(jì)于波長(zhǎng)220 nm與275 nm處測(cè)定其吸光度。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

水中總氮測(cè)定國(guó)標(biāo)方法的質(zhì)控要求為每批樣品至少做一個(gè)空白實(shí)驗(yàn)，且其校正吸光度Ab應(yīng)小于0.030[3]。而實(shí)際檢測(cè)中Ab往往大于0.030，造成最終總氮測(cè)定結(jié)果的不準(zhǔn)確。造成該結(jié)果一般有多種原因，本研究就空白值偏大的原因進(jìn)行深入分析。

4.1 試劑的純度

在UV法測(cè)定水中總氮的實(shí)驗(yàn)中，堿性過(guò)硫酸鉀作為起氧化作用的關(guān)鍵試劑，其純度直接可以影響到實(shí)驗(yàn)空白值的高低，通常使用純度較低的試劑，導(dǎo)致空白值吸光度較高。HJ 636-2012中要求過(guò)硫酸鉀的含氮量低于0.000 5%，但由汪曼[4]等學(xué)者的研究可知，國(guó)內(nèi)的試劑廠(chǎng)商中幾乎沒(méi)有能生產(chǎn)符合該國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的。本研究使用兩家國(guó)產(chǎn)試劑廠(chǎng)商和一家進(jìn)口試劑廠(chǎng)商(標(biāo)示含氮量0.000 5%)提供的過(guò)硫酸鉀，參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法配制堿性過(guò)硫酸鉀溶液進(jìn)行空白實(shí)驗(yàn)，每個(gè)廠(chǎng)家做7次平行空白，測(cè)其吸光度值進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同廠(chǎng)家過(guò)硫酸鉀對(duì)空白值的影響

從表1可以看出，不同試劑廠(chǎng)商提供的過(guò)硫酸鉀配制堿性過(guò)硫酸鉀溶液進(jìn)行空白實(shí)驗(yàn)后測(cè)得的空白值差異較大，使用兩家國(guó)產(chǎn)試劑廠(chǎng)商生產(chǎn)的過(guò)硫酸鉀均不能滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中空白值小于0.030的要求，進(jìn)口試劑廠(chǎng)商提供的過(guò)硫酸鉀則滿(mǎn)足要求。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步研究，對(duì)國(guó)產(chǎn)廠(chǎng)商提供的過(guò)硫酸鉀進(jìn)行提純，可以采用重結(jié)晶方法對(duì)過(guò)硫酸鉀進(jìn)行提純，提純?cè)硎抢眠^(guò)硫酸鉀和其他雜質(zhì)在水中的溶解度不同，使過(guò)硫酸鉀在過(guò)飽和溶解中析出，從而分離出純度較高的過(guò)硫酸鉀。將過(guò)硫酸鉀在50 ℃～60 ℃去離子水中溶解，將濾液冷卻，使晶體在過(guò)飽和溶液中析出，而將其他雜質(zhì)仍留在過(guò)飽和溶液中。這一方法也得到國(guó)內(nèi)其他學(xué)者的驗(yàn)證，如重結(jié)晶-緩慢冷卻法在提純過(guò)硫酸鉀的應(yīng)用[5]，測(cè)定經(jīng)過(guò)提純的過(guò)硫酸鉀的含氮量，避免由試劑純度不達(dá)標(biāo)造成空白偏高的問(wèn)題。

4.2 堿性過(guò)硫酸鉀的配制及保存期限

堿性過(guò)硫酸鉀的配制過(guò)程十分重要，掌握不好，會(huì)影響消解結(jié)果，對(duì)測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。過(guò)硫酸鉀的溶解速度非常慢，常溫時(shí)難以溶解，若要加快溶解速度，也不能直接加熱，最好采用超聲波振蕩，然后水浴加熱，并且加熱溫度控制在50 ℃，因?yàn)檫^(guò)硫酸鉀超過(guò)60 ℃會(huì)分解失效。配制堿性過(guò)硫酸鉀溶液時(shí)，應(yīng)分別配制過(guò)硫酸鉀和氫氧化鈉，待氫氧化鈉溶液降到室溫后再加入過(guò)硫酸鉀溶解。避免因氫氧化鈉溶解時(shí)放熱使得溶液體系溫度過(guò)高導(dǎo)致過(guò)硫酸鉀分解。HJ 636-2012中注明配制好的堿性過(guò)硫酸鉀溶液保存于聚乙烯瓶中，保存期限不超過(guò)7 d，本研究先后數(shù)次對(duì)在聚乙烯瓶中存放不同天數(shù)的堿性過(guò)硫酸鉀溶液進(jìn)行空白實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)做7次平行空白，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 過(guò)硫酸鉀存放時(shí)間對(duì)空白值的影響

從表2可以看出，配制好的堿性過(guò)硫酸鉀溶液隨著存放時(shí)間延長(zhǎng)，其實(shí)驗(yàn)空白值也會(huì)增大，且在一周內(nèi)使用基本可以滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中空白值小于0.030的要求，因此，為保證水中總氮測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確率，日常實(shí)驗(yàn)中一定要嚴(yán)格按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求最好現(xiàn)配現(xiàn)用，其最長(zhǎng)存放時(shí)間不能超過(guò)7 d。

4.3 實(shí)驗(yàn)用水的純度

在UV法測(cè)定水中總氮的實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)用水也是對(duì)實(shí)驗(yàn)空白值產(chǎn)生影響的一個(gè)重要因素。HJ 636-2012中要求使用無(wú)氨水或新鮮去離子水，因無(wú)氨水需使用濃硫酸蒸餾，操作復(fù)雜且效率較低，本研究使用無(wú)氨水、新鮮去離子水、放置3 d的去離子水及超純水等不同純度實(shí)驗(yàn)用水分別進(jìn)行空白實(shí)驗(yàn)，每種實(shí)驗(yàn)用水做7次平行空白實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)第133頁(yè)表3。

從表3可以看出，使用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的無(wú)氨水、新鮮去離子水及超純水均能滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)需求，且超純水測(cè)得的空白值要低于前兩者，而使用放置3 d的去離子水測(cè)得的實(shí)驗(yàn)空白值明顯超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。結(jié)合目前國(guó)內(nèi)檢驗(yàn)檢測(cè)領(lǐng)域發(fā)展實(shí)際，超純水機(jī)在分析實(shí)驗(yàn)室的普及率較高，可以隨制隨用，且出水量較大，代替無(wú)氨水不僅有助于提高實(shí)驗(yàn)效率，而且也能減少實(shí)驗(yàn)空白，使得測(cè)定結(jié)果更為準(zhǔn)確。

表3 實(shí)驗(yàn)用水對(duì)空白值的影響

4.4 消解環(huán)境的污染狀況

消解環(huán)境狀況主要包括所用到的比色管、高壓蒸氣鍋等的清潔程度，消解所使用的比色管應(yīng)先用鹽酸(1+9)浸泡后，再用超純水沖洗數(shù)次使用，高壓蒸氣鍋也應(yīng)使用超純水沖洗數(shù)次使用，另外，消解時(shí)要塞緊管塞，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)推薦用紗布和線(xiàn)繩扎緊管塞，防止彈出，實(shí)際消解時(shí)有些檢驗(yàn)人員使用塑料膠布進(jìn)行包扎。本研究為探究不同消解環(huán)境對(duì)空白吸光度的影響，采用之前驗(yàn)證過(guò)的進(jìn)口過(guò)硫酸鉀和超純水進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)配制堿性過(guò)硫酸鉀溶液，一組采用酸洗過(guò)比色管、紗布和線(xiàn)繩包扎，另一組采用未酸洗比色管、塑料膠布包扎分別進(jìn)行消解，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 消解環(huán)境對(duì)空白值的影響

從表4可以看出，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，酸洗過(guò)比色管、紗布和線(xiàn)繩包扎的空白值可以達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法中規(guī)定的空白值要求，而未酸洗比色管、塑料膠布包扎測(cè)得的空白值大于0.030，所以實(shí)際操作中檢驗(yàn)人員不能為圖省事而采用這種方式。分析其原因，塑料膠布上膠水主要成分為異氰酸酯丙烯酸乙酯，是一種化學(xué)物質(zhì)，分子式是C6H7NO3，消解時(shí)會(huì)造成氮污染，影響實(shí)驗(yàn)空白。

4.5 消解時(shí)間

消解過(guò)程是UV法測(cè)定水中總氮含量的關(guān)鍵步驟，消解的時(shí)間、體系壓力以及溫度等因素對(duì)實(shí)驗(yàn)空白值影響也較大，其中消解時(shí)間長(zhǎng)短尤為關(guān)鍵。HJ 636-2012中要求試樣處于120 ℃～124 ℃下消解30 min，為研究不同消解時(shí)間對(duì)空白吸光度的影響，本研究采用之前驗(yàn)證過(guò)的進(jìn)口過(guò)硫酸鉀和超純水進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)配制堿性過(guò)硫酸鉀溶液，分別消解10 min、20 min、30 min、40 min，來(lái)研究消解時(shí)間對(duì)空白值的影響，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 消解時(shí)間對(duì)空白值的影響

從表5可以看出，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，消解時(shí)間10 min、20 min的空白吸光度大于0.030，不在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)；消解時(shí)間30 min、40 min的空白吸光度小于0.030，可以達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法中規(guī)定的空白值要求。這一結(jié)果也得到國(guó)內(nèi)其他學(xué)者的驗(yàn)證，如崔靜等研究表明適當(dāng)延長(zhǎng)消解時(shí)間有助于堿性過(guò)硫酸鉀消解作用的發(fā)揮[6]，有利于降低實(shí)驗(yàn)空白值和提升結(jié)果準(zhǔn)確度，因此實(shí)驗(yàn)中須按照標(biāo)準(zhǔn)要求消解時(shí)間不得低于30 min。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在堿性過(guò)硫酸鉀消解UV法測(cè)定水中總氮實(shí)驗(yàn)中，過(guò)硫酸鉀純度、堿性過(guò)硫酸鉀配制及存放時(shí)長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)用水情況、消解環(huán)境的污染狀況及消解時(shí)長(zhǎng)等均是影響實(shí)驗(yàn)空白吸光度的因素，其中以試劑純度的影響最為關(guān)鍵。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用進(jìn)口過(guò)硫酸鉀可滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求，但因其價(jià)格昂貴，也可將國(guó)產(chǎn)廠(chǎng)商提供的過(guò)硫酸鉀進(jìn)行1次～2次重結(jié)晶后使用；堿性過(guò)硫酸鉀配制時(shí)溶液體系溫度須控制在60 ℃以下，且最好現(xiàn)配現(xiàn)用，若確需存放只可于聚乙烯瓶中保存7 d；消解環(huán)境的污染狀況、消解時(shí)間對(duì)空白值也有影響，建議嚴(yán)格按照HJ 636-2012操作，消解所使用的比色管應(yīng)先用鹽酸(1+9)浸泡后，再用超純水沖洗數(shù)次使用，高壓蒸氣鍋也應(yīng)使用超純水沖洗數(shù)次使用，另外，消解時(shí)要塞緊管塞，并用紗布和線(xiàn)繩扎緊管塞，將比色管置于高壓蒸汽滅菌器中，并控制消解時(shí)間不低于30 min。