次氯酸鈣-水楊酸鈉分光光度法測定水質中氨氮

蔣 艷，雍曉蕾,*，黃朝顏，劉 煦，佟 玲，王照麗

(1.成都市排水有限責任公司，四川成都 610063；2.成都市環境保護科學研究院，四川成都 610072)

氨氮檢測方法有分光光度法、電極法、滴定法等。分光光度法由于靈敏度高、穩定性好，是氨氮檢測最常用的方法，主要以納氏試劑分光光度法和水楊酸分光光度法為主[1-3]。近些年，由于配制納氏試劑的多種方法均含有汞的化合物和強堿，對環境和人體危害嚴重，產生的廢液不可直接排放，需另行處理，大大增加了檢測成本[2]。目前越來越多的檢測人員更愿選擇所用試劑無毒、對環境污染小、產生廢液可以直接排放的水楊酸法檢測氨氮，更符合現代檢測機構的環保理念[4-7]。

國標方法水楊酸法檢測氨氮的檢出上限僅為1.00 mg/L，同時需要顯色60 min，耗時較長，在較高氨氮濃度的工業廢水以及應急快速檢測等方面均有較大限制[1]。此外，該法所用次氯酸鈉溶液化學性質不穩定，需要經常對其有效氯及游離堿進行驗證，較短的保質期也增加了新溶液配制頻率，帶來了檢測的不便和浪費。水楊酸法檢測氨氮是通過檢測氨氮與次氯酸鹽和水楊酸鹽反應生成的水溶性藍色化合物的吸光度變化來確定氨氮的含量，目前已有不少研究者選擇穩定性更好的二氯異氰酸鈉代替次氯酸鈉用于水質氨氮檢測[6-9]。次氯酸鈣作為一種含氯穩定、價格更便宜的次氯酸鹽，目前還尚未有用于水質氨氮檢測的報道。本研究選擇次氯酸鈣代替次氯酸鈉，通過優化其與水楊酸鈉等試劑的加入比、顯色時間、顯色溫度等條件，擬為水質氨氮快速、準確檢測提供一種更優的方法。

1 試驗部分

1.1 儀器與試劑

儀器：普析TU-1901紫外-可見光分光光度計；上海雷磁PHS-3C型pH計；梅特勒AL204電子天平；北京中興偉業DZKW-4電子恒溫水浴鍋；10 mL具塞比色管；電子移液器、移液管等。所有玻璃器皿在使用前均先用每升含有100 g氫氧化鉀和900 mL乙醇的清洗溶液清洗，再用去離子水多次沖洗。

試劑：水楊酸鈉、酒石酸鉀鈉、亞硝基鐵氰化鈉、次氯酸鈣(有效氯含量為60%)、NaOH均為分析純，購自Sigma-Aldrich公司；氯化銨(NH4Cl)為優級純。其中混合試劑A為亞硝基鐵氰化鈉、水楊酸鈉、酒石酸鉀鈉、NaOH質量比為4∶60∶20∶5的混合溶液，即每100 mL混合試劑A含1.0 g亞硝基鐵氰化鈉、15.0 g水楊酸鈉、5.0 g酒石酸鉀鈉、1.25 g NaOH。混合試劑B為NaOH和次氯酸鈣質量比為6∶1的混合溶液，即每100 mL含3.0 g NaOH和0.5 g次氯酸鈣。1 000 mg/L的氨氮標準貯備液的配制為稱取在100～105 ℃干燥 2 h的NH4Cl 3.819 0 g，溶于無氨水，再轉移到 1 000 mL棕色容量瓶中，稀釋至標線備用，以此為基礎稀釋成試驗所需的不同濃度的氨氮標準溶液。

1.2 試驗原理

1.3 試驗方法

取300 μL混合試劑A和300 μL混合試劑B的上清液加入10.0 mL具塞比色管，再分別加入0.00、0.50、1.00、3.00、5.00 mL質量濃度為1.00 mg/L的氨氮標準使用液和1.00、2.00、2.50 mL質量濃度為10.0 mg/L的氨氮標準使用液，配制成0、0.05、0.10、0.30、0.50、1.00、2.00、2.50 mg/L 8個不同質量濃度的標準系列，混勻定容。在室溫反應20 min后，用10 mm比色皿在697 nm比色測定其吸光度并做3個平行，參比溶液為去離子水。實際樣品則在最優試驗條件下進行氨氮濃度測定。

2 結果與討論

2.1 反應條件的選擇

2.1.1 藥劑的選擇

水楊酸法檢測氨氮是在亞硝基鐵氰化鈉存在下，氨氮與水楊酸鹽和次氯酸鹽生成水溶性藍色化合物，其顯色吸光度與氨氮含量成正比，滿足朗伯爾定律。國標法HJ 536—2009測氨氮時水楊酸溶解需要調pH，且選用次氯酸鈉作為次氯酸離子的來源，使用時需準確測定其有效氯和游離堿值，步驟繁瑣且次氯酸鈉不穩定，不宜長期存貯。目前已有不少研究者選擇二氯異氰酸鈉代替次氯酸鈉用于水質氨氮檢測[5-8]，而次氯酸鈣與二氯異氰酸鈉一樣具有有效氯含量高、緩釋時間長和性質穩定等優點，且更易得，價格也更便宜，故本文選擇次氯酸鈣參與顯色反應。

2.1.2 試劑用量選擇

在空白樣和含有0.50、2.50 mg/L氨氮的標準溶液中加入不同量的混合試劑A和混合試劑B，在(25±2)℃的室溫下顯色20 min后，用10 mm比色皿在697 nm測定吸光度，結果如表1所示。由表1可知，隨著混合試劑A和混合試劑B加入量的增加，其吸光度值也隨之增加。但在加入400 μL混合試劑A和混合試劑B時，溶液顯色受試劑亞硝基鐵氰化鈉影響，穩定性不佳，且空白樣吸光度大于0.030[1-2]。故混合試劑A和混合試劑B的用量均為300 μL最佳。

表1 混合試劑A與混合試劑B的用量對顯色吸光度的影響

2.1.3 顯色時間選擇

分別取0.30、1.50、2.50 mg/L的氨氮標準溶液，在(25±2)℃室溫下，按照1.3小節試驗步驟進行試驗。從加樣定容就開始進行吸光度的掃描，記錄90 min的結果如圖1所示。不論低、中、高氨氮濃度均在加入5 min左右就開始出現快速的化學反應；10～15 min時，吸光度逐漸趨于平衡；待顯色20 min后，化學反應完全完成，吸光度基本不變。由此可知，采用本法測定水中氨氮的顯色時間為20 min，這是HJ 536—2009標準規定的60 min顯色時間的1/3。

圖1 時間與吸光度的變化曲線

2.1.4 顯色溫度選擇

選取0.50 mg/L和2.50 mg/L 氨氮標準溶液，通過水浴條件考察了5、10、20、25、30、35、40、45 ℃溫度條件下，顯色20 min后的吸光度值(圖2)。結果表明，低于10 ℃和高于35 ℃時，氨氮反應液的吸光度值均偏低，當溫度在10～35 ℃時，其吸光度變化誤差不大于2%。因此，反應溫度以10～35 ℃為宜。

圖2 不同溫度下吸光度變化

2.2 試劑穩定性

隨著混合試劑A和混合試劑B的失效，所測得的氨氮濃度會比實際值低。為確定混合試劑A和混合試劑B的有效使用時間，試驗采用固定間隔時間在同一溫度下，即25 ℃時，對最高量程氨氮濃度按照1.3小節試驗方法進行結果測定，根據此測量值較實際濃度降低的誤差來確定混合試劑A與混合試劑B的有效使用時間[9]。試驗連續10周，每間隔一周檢測2.50 mg/L氨氮標準溶液的檢測結果。由圖3可知，第1～8周的結果相對誤差均小于2%，但到了第9周，檢測結果顯著降低，相對誤差也超過了5%。因此，本方法所用混合試劑A與混合試劑B需要于4 ℃低溫密封避光存放，有效期為2個月。

圖3 混合試劑A和混合試劑B的有效使用時間試驗

2.3 標準曲線與檢出限

由圖4可知，NH4Cl質量濃度在0～2.50 mg/L時，其含量與吸光度呈良好線性關系，線性方程為y=0.867x+0.007，線性相關系數R為0.999 8，說明該方法檢測范圍相比HJ 536—2009擴大了2.5倍。

圖4 氨氮的標準曲線

對質量濃度為0.03 mg/L的氨氮標準使用液分兩組各測定8次，吸光度分別為0.033、0.035、0.038、0.037、0.032、0.035、0.038、0.034和0.032、0.036、0.038、0.037、0.035、0.036、0.034、0.036，帶入曲線得到氨氮質量濃度分別為0.030、0.032、0.036、0.035、0.029、0.032、0.036、0.031 mg/L和0.029、0.033、0.036、0.035、0.032、0.033、0.031、0.033 mg/L。根據《環境監測分析方法標準制修訂技術導則》(HJ 168—2020)[10]中附錄 A1.1的一般確定方法，按式(1)得到方法檢出限(MDL)分別為0.008 mg/L和0.006 mg/L，均滿足選擇的氨氮標準使用液在所得MDL的3～5倍的要求，故選擇較大數據(0.008 mg/L)為本方法的MDL。

MDL=t(n-1,0.99)×S

(1)

其中：n——樣品的平行測定次數；

t——自由度為n-1，置信度為99%時的t分布值(單側)；

S——n次平行測定的標準偏差。

當平行測定次數為8時，t值為2.998。

2.4 準確度和精密度試驗

按照1.3小節試驗方法的樣品分析的全部步驟，用本法對生態環境監測標準樣品研究所的標準樣品[GSB 07-3164-2014號，保證值為(9.13±0.36)mg/L]進行7次平行測定。7次測定結果分別為9.17、9.05、9.28、9.19、9.31、9.22、9.01 mg/L，均滿足保證值的不確定度要求，樣品的平均值為9.18 mg/L，相對標準偏差為1.21%。選取某城鎮污水處理廠再生水及地表水分別進行0.20 mg/L和0.50 mg/L兩個質量濃度氨氮的加標，加標方法為在100.0 mL水樣中加入0.2 mL或0.5 mL質量濃度為100.0 mg/L的氨氮標準溶液，每種樣品做3個平行樣，得到再生水和地表水的加標回收率分別為 94.0%、102.6%和102.0%、99.4%，說明該方法的精密度和準確度均良好(表2)。此外，HJ 536—2009 國標方法在消除干擾中提到水樣中存在高濃度的鈣會影響檢測結果，而本研究所用次氯酸鈣溶液為上清液，且用量較小，且從方法的精密度和準確度良好也驗證了少量鈣離子對檢測結果不存在干擾，這與團體標準T/CPMA 021—2020[11]結論一致。

表2 加標回收試驗 (n=3)

2.5 實際樣本測定

選取某工業廢水、某城鎮生活污水、再生水和地表水4類實際水樣，用該方法與 HJ 536—2009 國標方法進行對比。由表3可知，本試驗方法與 HJ 536—2009 國標方法在精密度和準確度上基本一致，說明方法準確可靠。另外，由于該方法的檢測范圍比 HJ 536—2009 國標方法擴大了2.5倍，對于氨氮含量比較高的水樣減少了取樣過程中的稀釋倍數，使得最終的測量結果相對誤差略微低于HJ 536—2009 國標方法，表明檢測量程范圍的擴大有利于提高方法準確性。

表3 該方法與HJ 536—2009的對比 (n=3)

3 結論

本研究建立了次氯酸鈣-水楊酸鈉分光光度法，可快速簡便測定水質中的氨氮含量。通過配制水楊酸鈉、亞硝基鐵氰化鈉混合顯色劑，優化試劑配比，結果表明僅需反應20 min，氨氮便可顯色完全，且氨氮質量濃度在0～2.50 mg/L時與吸光度線性良好，線性相關系數達到0.999 0以上。與HJ 536—2009國標法比較，檢測范圍擴大了2.5倍，顯色時間為規定時間的1/3，準確度和精密度與HJ 536—2009國標法基本一致。另外，堿性次氯酸鈣溶液與水楊酸鈉、亞硝基鐵氰化鈉混合顯色劑分別僅需加入300 μL參與反應，不僅節省了反應試劑用量，還降低了人工勞動強度，操作更簡便。所建立新方法通過混合試劑的開發縮短了檢測時間，并且不存在有毒有害試劑，不造成環境二次污染，可廣泛推廣于地表水、再生水、生活污水、工業廢水等不同水體的氨氮測定。