地表水總磷檢測(cè)條件優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究

于湘紅，莫如寶

(1.湖南省張家界生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，湖南 張家界 427000； 2.張家界市永定區(qū)農(nóng)村供水總站，湖南 張家界 427000)

1 引言

磷是生物生長(zhǎng)所必需的元素之一，低濃度的磷對(duì)人體無直接危害，對(duì)水生生物也無多大影響[1]，但水體中磷含量超過一定限值，可造成藻類過度繁殖以至達(dá)到有害的程度時(shí)，可引起水體的富營(yíng)養(yǎng)化，水體透明度降低，水質(zhì)變壞，極大影響魚類生存。因此在水質(zhì)理化檢測(cè)指標(biāo)中，總磷是重要檢測(cè)項(xiàng)目之一，實(shí)驗(yàn)室常用的總磷測(cè)定方法是鉬酸鹽分光光度法。

《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB3838-2002[2]中總磷標(biāo)準(zhǔn)限值分為一般水體和湖庫水體，其中湖庫水體中總磷標(biāo)準(zhǔn)限值Ⅰ類只有0.01 mg/L，Ⅱ類0.025 mg/L，Ⅲ類0.05 mg/L，Ⅳ類0.1 mg/L，Ⅴ類0.2 mg/L。大量水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)類別因總磷濃度限值而影響水質(zhì)排名，因此，總磷項(xiàng)目監(jiān)測(cè)受到各方關(guān)注，為保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)“真準(zhǔn)全”，總磷監(jiān)測(cè)需從采樣到實(shí)驗(yàn)室分析等全過程實(shí)行條件最大優(yōu)化。

2 總磷檢測(cè)原理

水體中總磷包括溶解的、顆粒的有機(jī)磷和無機(jī)磷。測(cè)定可分兩步進(jìn)行：①使用某種消解方法將水樣中各種不同形態(tài)的磷轉(zhuǎn)化為可被檢測(cè)的磷酸鹽；②測(cè)定消解后樣品中的磷酸鹽濃度。

鉬酸鹽分光光度法測(cè)定原理是：中性條件下，過硫酸鉀消解試樣，使樣品中的磷全部氧化為正磷酸鹽。硫酸介質(zhì)下，正磷酸鹽與鉬酸銨在銻鹽存在下發(fā)生反應(yīng)，生成磷鉬雜多酸，即被抗壞血酸還原，生成藍(lán)色的鉻合物，比色定量[3]。

3 主要儀器、試劑及操作過程

(1)儀器類(檢定合格)：雙光束紫外可見分光光度計(jì)(A580)、電子分析天平(AEY220)、立式壓力蒸汽滅菌器(1.1～1.4 kg/cm2/YXQ-30SⅡ)、醫(yī)用離心機(jī)、濁度儀、50 mL具四氟乙烯旋塞比色管、100 mL容量瓶等。

(2)試劑溶液類：總磷有證標(biāo)液(2 mg/L)、過硫酸鉀消解液(50 g/L)、抗壞血酸溶液(100 g/L)、鉬酸鹽溶液、濁度—色度補(bǔ)償液(臨用現(xiàn)配)等。

(3)操作過程：標(biāo)準(zhǔn)系列及樣品測(cè)定步驟見表1。

4 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果分析

4.1 采樣

4.1.1 采樣瓶洗滌

采集樣品，樣品總磷濃度不高時(shí)，盡量用玻璃瓶采樣，并盡快分析。由于總磷極易吸附，故采樣前需對(duì)采樣瓶進(jìn)行認(rèn)真仔細(xì)清洗，依次用鉻酸洗液蕩洗、自來水沖洗、蒸餾水潤(rùn)洗，烘干，切記不能使用含磷洗滌劑進(jìn)行刷洗。

采樣前，需對(duì)采樣瓶進(jìn)行質(zhì)量檢查，通過采集空白樣品進(jìn)行分析，總磷測(cè)定結(jié)果未檢出，否則需重新洗滌烘干采樣瓶，直至檢查合格方可投入使用。

表1 標(biāo)準(zhǔn)系列及樣品測(cè)定步驟

4.1.2 渾濁樣品前處理

總磷包括溶解的、顆粒的有機(jī)磷和無機(jī)磷。江河湖庫處于豐水期時(shí)，水土流失嚴(yán)重，樣品渾濁，介于泥沙中可能含有很大一部分有機(jī)的和無機(jī)的磷，因此泥沙含量高低有可能影響總磷的測(cè)定結(jié)果。受重力影響，泥沙自然沉降，其沉降時(shí)間不同，樣品中泥沙含量也不盡相同，分析結(jié)果相差甚遠(yuǎn)[4]。根據(jù)中國環(huán)境監(jiān)測(cè)總站印發(fā)《地表水總磷前處理技術(shù)規(guī)定(試行)》總站水字2019年603號(hào)文規(guī)定[5]，濁度不同，水樣采集前處理不同。本文特選取渾濁度不同的6個(gè)點(diǎn)位的地表水(濁度分別為50NTU、150NTU、200NTU、350NTU、500NTU、600NTU)水樣1、水樣2、水樣3、水樣4、水樣5、水樣6進(jìn)行探究?jī)?yōu)化實(shí)驗(yàn)，采取自然沉降30 min(條件1)、自然沉降60 min(條件2)和離心(2000 r/min)離心2 min(條件3)3種前處理方式后，進(jìn)行水樣采集和總磷測(cè)定，結(jié)果如表2。

由表2數(shù)據(jù)可以看出，濁度為50 NTU水樣1和150 NTU水樣2，自然沉降30 min(條件1)和自然沉降60 min(條件2)采集樣品所測(cè)總磷結(jié)果偏差不大；濁度為200 NTU和350 NTU水樣，自然沉降30 min比自然沉降60 min采集樣品所測(cè)總磷結(jié)果大，自然沉降60 min和2000 r/min離心2 min前處理采集樣品測(cè)定結(jié)果偏差不大；濁度為500 NTU和600 NTU水樣自然沉降30 min測(cè)定結(jié)果遠(yuǎn)大于自然沉降60 min和2000 r/min離心2 min前處理樣的測(cè)定值，2000 r/min離心2 min前處理采集樣品測(cè)定結(jié)果比自然沉降60 min測(cè)定值要低27.3%。因此水樣濁度不高時(shí)，將水樣自然沉降30 min采取上清液即可；當(dāng)濁度大于200 NTU，需增加自然沉降時(shí)間，若濁度達(dá)到500 NTU及以上時(shí)，水樣需用離心機(jī)離心處理后再采集。隨著自然沉降時(shí)間延長(zhǎng)，取上清液分析同一樣品，總磷測(cè)定結(jié)果逐漸降低。濁度不同的樣品，濁度增大，水樣自然沉降時(shí)間需加長(zhǎng)。

根據(jù)上述條件探索性實(shí)驗(yàn)看出：自然沉降時(shí)間對(duì)地表水總磷的測(cè)定有非常重要的影響。樣品不同自然沉降時(shí)間的選取對(duì)于真實(shí)反映水質(zhì)有重要影響。為采樣工作有效開展，通過短時(shí)間將樣品離心可達(dá)到長(zhǎng)時(shí)間自然沉降的效果，極大縮短前處理時(shí)間。

4.1.3 水樣運(yùn)輸影響

采樣完成，不規(guī)范運(yùn)輸也會(huì)對(duì)水中總磷含量測(cè)定值的精準(zhǔn)性產(chǎn)生影響。樣品運(yùn)輸過程中，水樣受溫度、光照、震動(dòng)等因素的影響而發(fā)生變化，不利于水中總磷含量測(cè)定工作的開展[6]。樣品需在低溫防震及避光條件下運(yùn)輸。

表2 不同采樣前處理采集樣品總磷測(cè)定結(jié)果

4.2 實(shí)驗(yàn)室分析

4.2.1 消解方式

取樣前充分搖勻試樣，以得到具有代表性的溶解態(tài)和懸浮態(tài)的樣品。實(shí)驗(yàn)室常用消解液是過硫酸鉀溶液(50 g/L)。

4.2.2 影響因素及實(shí)驗(yàn)條件改進(jìn)措施

4.2.2.1 水樣pH值及保存時(shí)間

取一份水樣進(jìn)行酸化，平行分成5份，分別在4、10、15、20、255個(gè)恒溫箱放置，設(shè)置2 h，24 h、48 h、72 h、96 h不同保存時(shí)間，對(duì)酸化水樣是否回調(diào)pH值進(jìn)行總磷測(cè)定探索實(shí)驗(yàn)，測(cè)定結(jié)果如表3。

通過實(shí)驗(yàn)得出：樣品總磷濃度測(cè)定結(jié)果先隨樣品保存時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增大，而后慢慢變得平穩(wěn)，直至濃度不再有變化。加酸保存的樣品隨保存時(shí)間的增長(zhǎng)，由于泥沙和懸浮物中溶出的有機(jī)磷和無機(jī)磷的量增加，逐漸達(dá)到溶出平衡。直接取酸性水樣和調(diào)至中性的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行結(jié)果比對(duì)，所測(cè)結(jié)果相差不大[7,8]。樣品保存條件加酸在4 ℃保存最佳，保存期限24 h之內(nèi)。在實(shí)際的常規(guī)地表水監(jiān)測(cè)分析中，總磷是一必測(cè)項(xiàng)目，由于樣品量比較大，且壓力鍋消解的時(shí)間本身就比較長(zhǎng)，把每個(gè)樣品都調(diào)至中性，將浪費(fèi)大量的時(shí)間，可不用調(diào)pH值，直接取樣進(jìn)行分析。

表3 水樣不同保存條件對(duì)總磷結(jié)果影響 mg/L

4.2.2.2 水樣色度-濁度

清澈透明水樣，按國標(biāo)方法檢測(cè)結(jié)果相差不大[9]，可比性很高。消解后依然渾濁有色度的樣品，處理方式不同，其測(cè)定結(jié)果差別卻很大。李小如等[10]、李艷萍等[11]分別用補(bǔ)償法、過濾法、離心法去除水中濁度的干擾及顯色前后離心進(jìn)行了一系列比較分析。針對(duì)該情況，本實(shí)驗(yàn)選取高、中、低3種濃度水平的總磷樣品，采用“未色度濁度補(bǔ)償”“濾紙過濾+色度濁度補(bǔ)償”“離心分離+色度濁度補(bǔ)償”3種補(bǔ)償方式進(jìn)行探索實(shí)驗(yàn)，測(cè)定結(jié)果如表4。

表4 不同補(bǔ)償方式測(cè)定高、中、低3種濃度水平總磷測(cè)定結(jié)果

對(duì)于有濁度或色度的樣品且其總磷含量低時(shí)，水樣不做濁度—色度補(bǔ)償，會(huì)使樣品濃度值大大增高，由于色度濁度影響光的透過率使吸光度增大；用濾紙過濾的測(cè)定結(jié)果偏低，這可能是濾紙能吸附顯色物質(zhì)磷鉬藍(lán)，使樣品吸光度降低，測(cè)定結(jié)果偏低；進(jìn)行離心分離后再進(jìn)行色度濁度補(bǔ)償測(cè)定結(jié)果滿足實(shí)驗(yàn)要求。實(shí)際工作中，遇到樣品有濁度或色度時(shí)，可先將消解后的雙份樣品先經(jīng)過離心，再進(jìn)行濁度色度補(bǔ)償，可達(dá)到滿意效果。

4.2.2.3 試劑

市售的一些過硫酸鉀質(zhì)量層次不齊，雜質(zhì)含量比較高，空白吸光度變大，影響總磷樣品測(cè)定結(jié)果。過硫酸鉀不易溶解，配制時(shí)，可將其水浴加熱，水浴溫度不超過50 ℃。加熱溫度過高，過硫酸鉀分解失效。鉬酸銨溶液的配制需要用到硫酸，配制時(shí)需要緩慢進(jìn)行，鉬酸銨溶液和(1+1)硫酸分開配制，否則會(huì)使鉬酸銨溶液變藍(lán)，測(cè)定時(shí)使水樣顯色不充分，測(cè)定結(jié)果偏低。

4.4.2.4 顯色及比色時(shí)間

選取實(shí)際樣品，平行取樣9份，在不同顯色溫度和顯色時(shí)間條件下進(jìn)行總磷測(cè)定，結(jié)果詳見表5。

表5 不同顯色溫度和顯色時(shí)間總磷測(cè)定結(jié)果

顯色溫度小于15 ℃，隨著顯色時(shí)間增加，總磷測(cè)定結(jié)果增大，30 min顯色時(shí)間可滿足實(shí)驗(yàn)要求，顯色時(shí)間從30～60 min，測(cè)定結(jié)果變小；顯色溫度15～30 ℃，15 min顯色時(shí)間即可滿足要求，隨著顯色時(shí)間增加測(cè)定結(jié)果變??；顯色溫度35～40 ℃，短時(shí)間顯色就可達(dá)到實(shí)驗(yàn)顯色要求，隨著顯色時(shí)間增加測(cè)定結(jié)果變小。

由實(shí)驗(yàn)可知，室溫變化，對(duì)總磷顯色時(shí)間有很大的影響，溫度升高，分子運(yùn)動(dòng)速度加快，分子間碰撞頻繁，顯色快。測(cè)定樣品時(shí)需嚴(yán)格控制比色時(shí)間[12,13]。顯色穩(wěn)定后盡快測(cè)定樣品吸光度，時(shí)間放置越久測(cè)定結(jié)果偏低。

4.2.2.5 玻璃儀器及比色皿

實(shí)驗(yàn)中用到的玻璃器皿，用(1+5)鹽酸或硝酸浸泡2 h，或用不含磷酸鹽的洗滌劑清洗。比色皿用后以稀硝酸或鉻酸洗液浸泡片刻，以除去吸附的鉬藍(lán)有色物[14,15]。比色時(shí)，最終成色的磷鉬藍(lán)在比色皿上的吸附能力強(qiáng)，特別是高濃度的吸附更明顯，因此在測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)系列后，應(yīng)多用純水洗滌比色皿，若清洗不徹底，會(huì)使后續(xù)測(cè)定的樣品吸光度增大，導(dǎo)致結(jié)果偏高。測(cè)定完成后，應(yīng)將比色皿放入鉻酸洗液或稀硝酸中浸泡片刻，再用自來水和純水分別進(jìn)行沖洗供下次使用。

4.2.2.6 檢出限、測(cè)定下限

鉬酸銨分光光度法測(cè)定總磷檢出限(當(dāng)樣品取樣體積為25 mL時(shí))為0.01 mg/L，根據(jù)定義，檢出限指產(chǎn)生一個(gè)能可靠地被檢出的分析信號(hào)所需要的某元素的最小濃度或含量。在限定誤差能滿足預(yù)定要求的前提下，用特定方法能夠準(zhǔn)確定量測(cè)定被測(cè)物質(zhì)的最低濃度或含量，稱為該方法的測(cè)定下限。檢出限只能粗略地表征，僅僅是一種定性判斷，測(cè)定下限反映出分析方法能準(zhǔn)確地定量測(cè)定低濃度水平的待測(cè)物的極限值。鉬酸銨分光光度法測(cè)定總磷能準(zhǔn)確測(cè)定最小濃度值為0.04 mg/L，然而湖庫水體中總磷標(biāo)準(zhǔn)限值Ⅰ類只有0.01 mg/L，Ⅱ類0.025 mg/L，Ⅲ類0.05 mg/L。能準(zhǔn)確測(cè)出總磷濃度的湖庫水樣至少為Ⅲ類水，受分析方法制約將嚴(yán)重影響水質(zhì)類別的分類與評(píng)價(jià)。

5 結(jié)論

地表水總磷的測(cè)定，影響結(jié)果的因素多，受標(biāo)準(zhǔn)局限性的影響，為保證檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性和真實(shí)性，需從采樣環(huán)節(jié)到實(shí)驗(yàn)分析全過程進(jìn)行質(zhì)量控制。采樣容器和樣品瓶必須潔凈并用酸泡洗，要特別注意水樣色度濁度的影響，并視情做相應(yīng)前處理，水樣濁度小于200 NTU時(shí)，水樣自然沉降30 min，取上清液；若濁度在200～500 NTU之間，水樣需自然沉降60 min，取上清液；若濁度大于500 NTU，水樣需用離心機(jī)在2000 r/min下離心2 min，取上清液分析，必要時(shí)可先將消解后的雙份樣品離心，再進(jìn)行濁度色度補(bǔ)償。采集水樣后需加固定劑以及保證樣品運(yùn)輸科學(xué)，保證低溫避光防震；玻璃器皿，用(1+5)鹽酸或硝酸浸泡，所用試劑達(dá)優(yōu)級(jí)純?cè)噭┮陨?，水樣顯色溫度以及顯色時(shí)間應(yīng)合適，顯色溫度15～30 ℃，顯色15 min可達(dá)到要求，顯色完成后應(yīng)盡快進(jìn)行吸光度測(cè)定以免影響比色結(jié)果準(zhǔn)確性。