過(guò)硫酸鉀提純對(duì)水體中總氮消解的影響

余浩然，曹意茹，李民敬

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430078)

總氮指溶解態(tài)氮及懸浮物中氮的總和，包括亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、無(wú)機(jī)銨鹽、溶解態(tài)氨以及大部分有機(jī)含氮化合物中的氮。在水體監(jiān)測(cè)和氮相關(guān)科學(xué)研究中，往往需要對(duì)水體中的總氮進(jìn)行測(cè)定，以便反映水體中氮的污染程度和營(yíng)養(yǎng)富集程度。

我國(guó)總氮測(cè)定方法標(biāo)準(zhǔn)《水質(zhì) 總氮的測(cè)定 堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法》(HJ 636—2012)中，要求總氮空白樣吸光度不能超過(guò)0.030。無(wú)論是總氮標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立，還是實(shí)際水樣的分析，其空白樣品都需要符合該標(biāo)準(zhǔn)中質(zhì)量控制的要求。在水體中總氮的測(cè)定過(guò)程中，一般用市售的化學(xué)品按照該標(biāo)準(zhǔn)要求配制試劑并進(jìn)行總氮測(cè)定試驗(yàn)，往往會(huì)發(fā)生總氮空白樣吸光度過(guò)高的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致總氮測(cè)定試驗(yàn)失敗。通過(guò)查閱資料發(fā)現(xiàn)，過(guò)硫酸鉀法是測(cè)定水樣中總氮的一種非常經(jīng)典的方法，但試驗(yàn)過(guò)程中的許多因素都可能會(huì)導(dǎo)致總氮測(cè)定失敗，比如過(guò)硫酸鉀、氫氧化鈉、鹽酸等化學(xué)品的品質(zhì)，配制堿性過(guò)硫酸鉀溶液的細(xì)節(jié)，比色管和高壓滅菌鍋的選擇，消解溫度與時(shí)間，消解后靜置時(shí)間，等等。同時(shí)，在實(shí)際的總氮測(cè)定過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，如果試驗(yàn)用水、器皿、市售的化學(xué)藥品(過(guò)硫酸鉀除外)和試劑等滿足總氮測(cè)定方法標(biāo)準(zhǔn)的要求，其都不會(huì)明顯影響總氮的測(cè)定結(jié)果，但是過(guò)硫酸鉀會(huì)嚴(yán)重影響總氮的測(cè)定結(jié)果。因此，有必要研究過(guò)硫酸鉀種類及其提純次數(shù)對(duì)總氮測(cè)定的影響，以便找到經(jīng)濟(jì)可行的方法解決總氮測(cè)定中空白樣吸光度過(guò)高的問(wèn)題，從而保證在有限的試驗(yàn)條件下總氮測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確、可靠。

1 材料與方法

1.1 化學(xué)藥品和試驗(yàn)儀器

化學(xué)藥品：過(guò)硫酸鉀、氫氧化鈉、鹽酸、鹽酸氰胺，均為分析純；硝酸鉀為優(yōu)級(jí)純。

化學(xué)試劑：堿性過(guò)硫酸鉀溶液(每1 000 mL溶液中含有40 g過(guò)硫酸鉀和15 g氫氧化鈉)、鹽酸溶液(1+9)、硝酸鉀標(biāo)準(zhǔn)使用液(10 mg/L)、鹽酸氰胺溶液(含量5%)。

試驗(yàn)儀器：手提式高壓蒸汽滅菌鍋(YX-280)、紫外-可見(jiàn)光分光光度計(jì)(UV-1900)、數(shù)顯恒溫水浴鍋(HH-2)。

1.2 過(guò)硫酸鉀的提純

由于過(guò)硫酸鉀在不同溫度下的溶解度有較大的差異，如在0℃時(shí)過(guò)硫酸鉀的溶解度為1.75 g/100 mL，在50℃時(shí)過(guò)硫酸鉀的溶解度為16.5 g/100 mL，因此可以根據(jù)這種差異采用重結(jié)晶的方法提純過(guò)硫酸鉀。

過(guò)硫酸鉀的提純方法如下：取一個(gè)1 L的廣口瓶裝入約800 mL的超純水，在50℃的水浴鍋中加熱并緩慢攪拌，期間多次加入適量的過(guò)硫酸鉀粉末，待過(guò)硫酸鉀溶解后繼續(xù)添加，直至底部殘留有少量粉末且不再溶解時(shí)從水浴鍋中取出，自然冷卻后加蓋密封放入冰箱，在0～4℃溫度下冷藏一夜；第二天取出廣口瓶，倒去上清液，將瓶底的過(guò)硫酸鉀結(jié)晶用冷藏過(guò)的超純水清洗兩遍，倒出上清液后放在50℃的烘箱中烘干，即得到提純一次的過(guò)硫酸鉀化學(xué)品，并放入干燥潔凈的玻璃瓶中避光保存。提純一次往往并不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的要求，需要對(duì)提純后的過(guò)硫酸鉀按照同樣的方法再進(jìn)行多次提純。

1.3 總氮的測(cè)定

分別量取一定量(0.00 mL、0.20 mL、0.50 mL、1.00 mL、3.00 mL、7.00 mL)的硝酸鉀標(biāo)準(zhǔn)使用液于25 mL具塞比色管中定容至10 mL，加入5 mL堿性過(guò)硫酸鉀溶液，用紗布包好，于高壓鍋中121℃反應(yīng)30 min后自然冷卻降壓后取出，降至室溫后按住比色管上蓋顛倒3次混勻；加入1.0 mL鹽酸溶液后定容至25 mL，在紫外分光光度計(jì)上用10 mm比色皿以超純水作參比，分別于220 nm和275 nm波長(zhǎng)下測(cè)定試樣的吸光度

A

和

A

，并計(jì)算校正吸光度(

A

=

A

-2

A

)。總氮的含量與校正吸光度成正比。

取10.00 mL試樣于比色管中，按照上述步驟進(jìn)行測(cè)定，若消解后溶液呈現(xiàn)顏色，則在定容前加入1～2 mL鹽酸氰胺溶液混勻后即可繼續(xù)測(cè)定。

在120℃水溶液中，過(guò)硫酸鉀分解產(chǎn)生氫離子(H)和原子態(tài)氧(O)，其反應(yīng)式如下：

KSO+HO→2KHSO+O

(1)

(2)

(3)

原子態(tài)氧在高溫高壓條件下，可將大部分有機(jī)氮化合物和無(wú)機(jī)氮化合物氧化成硝酸鹽；加入的氫氧化鈉用于中和氫離子，促進(jìn)過(guò)硫酸鉀的分解。根據(jù)堿性過(guò)硫酸鉀溶液的配方中1 L堿性過(guò)硫酸鉀溶液包含40.0 g過(guò)硫酸鉀和15.0 g氫氧化鈉，分別為0.148 mol過(guò)硫酸鉀和0.375 mol氫氧化鈉，足以保證氫氧化鈉的完全分解。

2 結(jié)果與討論

2.1 過(guò)硫酸鉀的選擇

過(guò)硫酸鉀的選擇是總氮測(cè)定試驗(yàn)成功與否的關(guān)鍵，如果含氮量大或過(guò)硫酸鉀純度不夠，都會(huì)導(dǎo)致總氮空白樣吸光度過(guò)高，從而影響總氮測(cè)定結(jié)果。但由于在一些文獻(xiàn)中出現(xiàn)的過(guò)硫酸鉀藥品都沒(méi)有詳細(xì)的廠家名稱，并且高純度的進(jìn)口過(guò)硫酸鉀價(jià)格貴、備貨時(shí)間久，所以本文選擇2種市面上常售的、純度高的過(guò)硫酸鉀——過(guò)硫酸鉀1(分析純)和過(guò)硫酸鉀2(99.99%純度)進(jìn)行總氮測(cè)定試驗(yàn)，這兩種過(guò)硫酸鉀都處于有效期內(nèi)且全新未開(kāi)蓋，按照總氮的測(cè)定方法標(biāo)準(zhǔn)測(cè)得2種未提純的過(guò)硫酸鉀消解不同濃度標(biāo)準(zhǔn)樣品后獲取的總氮標(biāo)準(zhǔn)曲線數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。

表1 2種未提純過(guò)硫酸鉀消解不同濃度標(biāo)準(zhǔn)樣品后獲取的總氮標(biāo)準(zhǔn)曲線數(shù)據(jù)Table 1 Standard curve data based on original potassium persulfate

由表1可知，2種未提純的過(guò)硫酸鉀消解不同濃度標(biāo)準(zhǔn)樣品后獲取的總氮標(biāo)準(zhǔn)曲線數(shù)據(jù)均未能達(dá)到總氮測(cè)定方法標(biāo)準(zhǔn)(HJ 636—2012)中“總氮空白樣吸光度小于0.030且總氮標(biāo)準(zhǔn)曲線相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.999以上”的要求，表明總氮測(cè)定試驗(yàn)失敗。在權(quán)衡利弊之后，本文選擇重結(jié)晶法對(duì)過(guò)硫酸鉀進(jìn)行提純，從而使其滿足總氮空白樣吸光度小于0.030的要求，這種方法已有多位學(xué)者驗(yàn)證過(guò)，是一種可靠的方法。

2.2 過(guò)硫酸鉀提純次數(shù)與總氮空白樣吸光度的關(guān)系

為了探究過(guò)硫酸鉀需要提純幾次才能符合總氮測(cè)定方法標(biāo)準(zhǔn)的要求，進(jìn)行了如下試驗(yàn)：另取一瓶新開(kāi)蓋的過(guò)硫酸鉀(過(guò)硫酸鉀1)進(jìn)行提純，每次提純后測(cè)試總氮空白樣的吸光度，每個(gè)樣品重復(fù)4次，其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，隨著過(guò)硫酸鉀提純次數(shù)的增加，總氮空白樣吸光度明顯下降，但是下降幅度逐漸縮小；與過(guò)硫酸鉀未提純相比，第1次過(guò)硫酸鉀提純后總氮空白樣吸光度下降最多，達(dá)到84.1%，其后下降幅度依次減小，第2次、第3次和第4次過(guò)硫酸鉀提純后總氮空白樣吸光度下降幅度分別為14.0%、1.3%和0.1%。這是因?yàn)樵诙啻翁峒冞^(guò)程中過(guò)硫酸鉀中的雜質(zhì)被均勻地分散到整個(gè)溶解體系，只有少部分雜質(zhì)被轉(zhuǎn)移到結(jié)晶的過(guò)硫酸鉀中，在倒去上清液時(shí)雜質(zhì)也被去除掉了，最終只有極少量的雜質(zhì)留存。此外，過(guò)硫酸鉀提純2次后總氮空白樣的吸光度已低于0.030，滿足總氮測(cè)定方法標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表2 過(guò)硫酸鉀1提純次數(shù)與總氮空白樣吸光度A的關(guān)系Table 2 Relationship between purification times of potassium persulfate and TN blank sample- absorbance A

使用提純2次后的過(guò)硫酸鉀進(jìn)行樣品的消解試驗(yàn)，每個(gè)樣品重復(fù)4次，獲取的總氮標(biāo)準(zhǔn)曲線數(shù)據(jù)見(jiàn)表3,據(jù)此作出的總氮標(biāo)準(zhǔn)曲線見(jiàn)圖1。

表3 提純2次后過(guò)硫酸鉀消解不同濃度標(biāo)準(zhǔn)樣品獲取的總氮標(biāo)準(zhǔn)曲線數(shù)據(jù)Table 3 TN standard curve date of potassium persulfate purified three times

圖1 提純2次后過(guò)硫酸鉀消解不同濃度標(biāo)準(zhǔn)樣品得到的總氮標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Standard curve of total nitrogen obtained from purified potassium persulfate

由表3和圖1可見(jiàn)，過(guò)硫酸鉀經(jīng)過(guò)提純后總氮空白樣吸光度不僅低于0.030，而且總氮標(biāo)準(zhǔn)曲線的相關(guān)系數(shù)也均達(dá)到0.999以上，因此該標(biāo)準(zhǔn)曲線符合總氮測(cè)定方法標(biāo)準(zhǔn)的要求，是可靠的數(shù)據(jù)。

2.3 可信度試驗(yàn)

過(guò)硫酸鉀會(huì)在高于60℃的條件下發(fā)生顯著分解，在100℃以上會(huì)完全分解，不再具有氧化性。為了保證過(guò)硫酸鉀在結(jié)晶、烘干的過(guò)程中不發(fā)生分解，且其基本性質(zhì)不發(fā)生改變，應(yīng)控制水浴鍋和烘箱的溫度不能超過(guò)50℃；同時(shí)，在提純過(guò)程中過(guò)硫酸鉀經(jīng)過(guò)反復(fù)的加熱溶解、低溫結(jié)晶和烘干，在反復(fù)溶解與析出的過(guò)程中過(guò)硫酸鉀是否會(huì)發(fā)生變性也是總氮測(cè)定試驗(yàn)成功的關(guān)鍵。

表4 總氮測(cè)定可信度試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Reliability test for the determination of TN

表5 總氮測(cè)定加標(biāo)回收試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Recovery experiment of standard samples for the determination of TN

經(jīng)過(guò)可信度和加標(biāo)回收試驗(yàn)證明：反復(fù)的溶解、結(jié)晶和50℃烘干不會(huì)改變過(guò)硫酸鉀的基本性質(zhì)，得到的過(guò)硫酸鉀依然具有氧化性，且相對(duì)偏差為-5.88%～3.92%，低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)所要求的10%；對(duì)不同濃度樣品的加標(biāo)回收試驗(yàn)所得的加標(biāo)回收率誤差均在1%以內(nèi)，該試驗(yàn)結(jié)果滿足質(zhì)量保證和質(zhì)量控制的要求。

2.4 總氮標(biāo)準(zhǔn)曲線的最大值和高濃度總氮樣品的稀釋倍數(shù)

在實(shí)際測(cè)定過(guò)程中，樣品的總氮濃度有可能很高甚至超出總氮標(biāo)準(zhǔn)曲線的范圍,而且總氮測(cè)定時(shí)間較長(zhǎng)，為了保證不同濃度特別是高濃度樣品一次測(cè)定成功，需要探明總氮標(biāo)準(zhǔn)曲線的最大值和高濃度總氮樣品適宜的稀釋倍數(shù)。據(jù)此，本試驗(yàn)配置了不同總氮含量(0 μg、2 μg、5 μg、10 μg、30 μg、70 μg、80 μg、90 μg、100 μg)的標(biāo)準(zhǔn)樣品，測(cè)定總氮標(biāo)準(zhǔn)曲線，其標(biāo)準(zhǔn)曲線數(shù)據(jù)見(jiàn)表6；此外，取未知濃度的高氮地下水樣品，分別稀釋1倍、2倍、5倍、10倍、20倍、40倍、100倍，每種稀釋倍數(shù)的樣品均進(jìn)行3次重復(fù)測(cè)定,其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表6 不同總氮含量樣品的標(biāo)準(zhǔn)曲線數(shù)據(jù)Table 6 Standard curve data of samples with different TN content

表7 高濃度總氮樣品稀釋不同倍數(shù)后消解試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Result of high concentration TN digestion experiments of the samples with different dilution multiples

由表6可知，總氮含量介于0～30 μg樣品的標(biāo)準(zhǔn)曲線相關(guān)系數(shù)為0.999 8，總氮含量介于0～70 μg和0～80 μg時(shí)樣品的標(biāo)準(zhǔn)曲線相關(guān)系數(shù)均為1，總氮含量介于0～90 μg樣品的標(biāo)準(zhǔn)曲線相關(guān)系數(shù)為0.999 7，總氮含量介于0～100 μg樣品的標(biāo)準(zhǔn)曲線相關(guān)系數(shù)為0.999 6，均大于總氮測(cè)定方法標(biāo)準(zhǔn)中要求相關(guān)系數(shù)大于0.999的規(guī)定，表示總氮測(cè)定試驗(yàn)均合格，因此在該試驗(yàn)中總氮標(biāo)準(zhǔn)曲線的最大值可達(dá)100 μg。

由表7可知，稀釋1倍樣品的空白樣吸光度超過(guò)0.030，稀釋100倍樣品總氮測(cè)定結(jié)果的相對(duì)偏差大于5%，均不滿足總氮測(cè)定方法標(biāo)準(zhǔn)的要求；稀釋2～40倍樣品的吸光度符合總氮測(cè)定方法標(biāo)準(zhǔn)的要求，但是隨著稀釋倍數(shù)的增加，總氮測(cè)定結(jié)果的相對(duì)偏差增加，同時(shí)根據(jù)單因素統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，稀釋2～40倍樣品的總氮測(cè)定結(jié)果無(wú)明顯差異。因此，此高濃度總氮樣品稀釋2～40倍均可，但是考慮到其相對(duì)偏差以及節(jié)省預(yù)試驗(yàn)時(shí)間，稀釋倍數(shù)以樣品稀釋后消解測(cè)得的吸光度落在總氮標(biāo)準(zhǔn)曲線高范圍內(nèi)為宜。

2.5 討論

本試驗(yàn)中，在其他試驗(yàn)條件一致的情況下，過(guò)硫酸鉀提純2次后總氮空白樣的吸光度已經(jīng)低于總氮測(cè)定方法標(biāo)準(zhǔn)的要求(<0.030)，這說(shuō)明過(guò)硫酸鉀的純度對(duì)總氮測(cè)定試驗(yàn)成功與否起著決定性的作用。在總氮空白樣吸光度低于0.030后，再對(duì)過(guò)硫酸鉀提純的意義不大。有研究表明，提純1次后的過(guò)硫酸鉀即可以滿足總氮測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)的要求，這與過(guò)硫酸鉀的初始吸光度有關(guān)，但如果總氮空白樣吸光度數(shù)值偏高則需要提純多次，且需通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定是否滿足總氮測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)的要求。

經(jīng)多次提純后的過(guò)硫酸鉀消解總氮的性能不變，證明了本文所提出方法的正確性。當(dāng)總氮測(cè)試結(jié)果特別是總氮空白樣吸光度過(guò)高時(shí)，應(yīng)首先考慮過(guò)硫酸鉀純度不夠的因素，按照本文提供的方法，僅使用簡(jiǎn)單的工具就可以達(dá)到所需的目標(biāo)。此方法不失為一種可借鑒的方法，可為其他受該問(wèn)題困擾的研究人員提供一種選擇。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)過(guò)硫酸鉀提純對(duì)總氮消解的影響研究，得出如下結(jié)論：

(1) 過(guò)硫酸鉀純度是總氮測(cè)定試驗(yàn)成功與否的主要影響因素，市售分析純過(guò)硫酸鉀提純2次即可以保證總氮空白樣吸光度、總氮標(biāo)準(zhǔn)曲線相關(guān)系數(shù)、總氮樣品加標(biāo)回收率和平行測(cè)定等滿足總氮測(cè)定方法標(biāo)準(zhǔn)的要求。

(2) 過(guò)硫酸鉀提純次數(shù)越多，總氮空白樣吸光度越低,但是其下降幅度變慢；多次提純不會(huì)影響過(guò)硫酸鉀消解總氮的性能。

(3) 總氮標(biāo)準(zhǔn)曲線最大值可拓寬至100 μg(以氮計(jì))，高濃度總氮樣品稀釋倍數(shù)以樣品稀釋后消解測(cè)得的吸光度落在總氮標(biāo)準(zhǔn)曲線高范圍內(nèi)為宜。