鎘柱還原法測定海水硝酸鹽氮的研究

韓榮榮，張程，周冰(河北省生態環境監測中心，河北 石家莊 050000)

0 引言

海水富營養化是海水中氮、磷等營養鹽產生和消化失去平衡，過量的氮、磷等植物營養元素逐步被氧化分解，成為水體中微生物和藻類的營養物質，導致水生生態系統物種失衡，藻類迅猛生長，海水透明度明顯降低，陽光難以穿透水層，影響水生生物的光合作用。此外藻類繁殖、死亡、腐敗，引起水體中氧氣大量減少，影響海水生態系統的物質與能量的流動，水質惡化，導致魚、蝦等水生生物死亡，造成水體生態環境的污染破壞。富營養化在湖泊、水庫、河口和近岸海域均可能發生，湖泊中稱為水華，近岸海域中稱為赤潮。隨著人口數量迅速增加，城市化進程不斷加快等因素影響，富營養化已成為許多國家水環境污染治理方面的困擾。

硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、氨氮和少量溶解態氮以及有機氮構成海水中氮，硝酸鹽氮是主要離子態氮[1]。硝酸鹽氮是海水水質監測的基本指標，也是海水富營養化的重要判定指標，對其監測是十分必要和重要的[2]。

目前海水硝酸鹽氮的測定方法很多，常用的有鎘柱還原法、氣相分子吸收光譜法、流動注射法、連續流動注射法等，各具有優缺點。氣相分子吸收光譜法和流動注射法沒有相應測定海水硝酸鹽氮的標準方法，連續流動注射法適合大批量樣品分析，且前期準備試劑多，實際配置相對繁瑣，不適合短時間獲得監測數據。鎘柱還原法所用儀器設備和試劑配置相對簡單，短時間就可以獲得準確可靠的監測數據，所以本文對海洋監測規范的仲裁方法GB/T 17378.4—2007[3]中鎘柱還原法進行探討。

1 測定原理

基于重氮-偶氮光度法，水樣經過鎘柱硝酸鹽氮被還原為亞硝酸鹽，與水樣中原有的亞硝酸鹽一起與對氨基苯磺酰胺重氮化，再與鹽酸萘乙二胺偶合，形成玫紅色偶氮染料。其顏色與亞硝酸鹽氮含量遵循朗伯比爾定律，計算得到水樣中亞硝酸鹽氮的總量，扣除水樣中原有亞硝酸鹽氮含量，進而獲得水樣硝酸鹽氮含量。

2 儀器設備和試劑

2.1 主要儀器設備

(1)紫外可見分光光度計DR6000；

(2)鎘柱還原裝置。

2.2 主要試劑

(1)鍍銅鎘粒：40 g，直徑為1 mm。

(2)硝 酸 鹽-氮 標 準 儲 備 液(100 μg/mL)：GBW(E)081697國家標準物質，國家海洋監測中心。

(3)硝酸鹽-氮使用液(10 μg/mL)：用儲備液稀釋獲得，臨用配置。

(4)氯化銨緩沖溶液10 g/L：用氨水調節pH至8.5。

(5)磺胺溶液：準確稱取0.50 g碘胺(優級純)，溶于350 mL鹽酸(酸與水的比例=1∶6)溶液，純水定容至500 mL，混勻。盛于棕色瓶中。

(6)鹽酸萘乙二胺溶液(1 g/L)：盛于棕色瓶中。

(7)活化液：量取14 mL硝酸鹽-氮標準儲備液(2.2.2)于1 000 mL容量瓶中，加氯化銨緩沖溶液(2.2.4)至標線，混勻。

3 試驗步驟

3.1 填充鎘柱并活化

(1)裝柱：事先清洗還原裝置各個部分，將少許玻璃款纖維塞入還原柱底部并注滿水，然后將鍍銅鎘粒(2.2.1)裝入還原柱中，再將少許玻璃纖維塞至鍍銅鎘粒上方，防止鍍銅鎘粒與外界空氣接觸，為此，在任何操作步驟中還原柱中溶液液面不得低于鍍銅鎘粒上端。

(2)還原速度調節：調節樣品流速為7 mL/min。

(3)還原柱活化：用250 mL活化液(2.2.7)以每分鐘7 mL的流速通過還原柱使之活化，然后再用氯化銨緩沖溶液(2.2.4)過柱洗滌3次，還原柱即可使用。

3.2 鎘柱還原率核查

分別配制濃度為100 μg/L的亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮溶液，按照繪制曲線的操作步驟測量硝酸鹽氮吸光值，取雙份平均吸光度值記為A(NO3-)。同時取兩份分析空白，吸光度值記為Ab(NO3-)。亞硝酸鹽氮溶液無需經鎘柱還原，其雙份平均吸光度值分別記為A(NO2-)和Ab(NO2-)。按下面公式計算還原率R(%)：

當還原率R＜95%時，還原柱需按3.1.1～3.1.3步驟重新進行活化或重新裝柱，以保證實驗數據的準確性。

3.3 還原柱的保存

還原柱每次用使用完畢后，需要用氯化銨緩沖溶液(2.2.4)洗滌2次，之后注入氯化銨緩沖溶液(2.2.4)，使鎘柱完全浸沒于氯化銨緩沖溶液中進行保存，確保與空氣隔絕。如長期不使用，可注滿氯化銨緩沖溶液(2.2.4)后封存保存。

3.4 標準工作曲線繪制

雖然標準曲線簡單方便，且標準曲線穩定、靈敏度高、相關性好，實際工作中多采用標準曲線，但海水硝酸鹽氮的測定實際樣品在鎘柱還原過程中不可避免地有一定損失，所以選擇工作曲線進行實驗分析。工作曲線是校準曲線的一種，是通過測定與樣品步驟完全相同的標準系列而得到的校準曲線[4]。

(1)分別將0、0.25、0.50、1.00、1.50、2.00 mL的硝酸鹽-氮使用液(2.2.3)加入到100 mL容量瓶中，加水至標線；

(2)分別量取50.0 mL上述各濃度溶液(3.4.1)，于100 mL比色管中，用氯化銨緩沖溶液(2.2.4)定容至標線，混勻；

(3)將混合后的溶液(3.4.2)濃度由低到高倒入還原柱中，以每分鐘7 mL的流速通過還原柱，當還原體積達到65 mL時，接取流出液25.0 mL于50 mL比色管中，用水稀釋至50.0 mL，混勻；

(4)各加入1.0 mL磺胺溶液(2.2.5)，混勻，放置2 min；

(5)各加入1.0 mL鹽酸萘乙二胺溶液(2.2.6)，混勻，放置20 min；

(6)用5 cm比色皿，二次去離子水作參比，在543 nm波長處測定其吸光度；

(7)以扣除空白的吸光度值為縱坐標，濃度(mg/L)為橫坐標，繪制工作曲線[4]。

3.5 實際水樣測定

(1)量取50.0 mL經0.45 μm濾膜過濾的水樣，于100 mL比色管中，用氯化銨緩沖溶液(2.2.4)定容至標線，混勻；

(2)依照3.4.2～3.4.7步驟測量實際水樣的吸光度值Aw；

(3)用二次去離子水代替實際水樣進行測定，得到實驗空白吸光度值Ab。

(4)計算Aw-Ab，查標準工作曲線計算得到實際水樣中硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮濃度和C總(mg/L)。

(5)實際水樣中硝酸鹽氮濃度按下式進行計算，單位為mg/L：

4 實驗結果討論

4.1 不同濃度梯度水樣不同還原體積對應吸光度變化

分 別 對 低(0.05 mg/L)、中(0.10 mg/L)、高(0.15 mg/L)三種不同濃度梯度標準溶液進行還原體積對應吸光度變化實驗，以橫坐標為還原體積，縱坐標為吸光度作圖，找到還原體積與吸光度之間變化關系，如圖1～圖3所示。

圖1 低濃度樣品還原體積對應吸光度變化

圖2 中濃度樣品還原體積對應吸光度變化

圖3 高濃度樣品還原體積對應吸光度變化

經過反復實驗，表明當還原體積為65 mL以后，吸光度和樣品測定結果趨于穩定，樣品中硝酸鹽氮含量越接近樣品實際硝酸鹽氮含量，此時實驗結果具有代表性，因此，得出最佳還原體積為65 mL。依次進行工作曲線、檢出限、回收率等實驗。

4.2 測定工作曲線

按照3.4中標準工作曲線繪制步驟，對0～2.00 mg/L硝酸鹽-氮標準系列進行多次測定，結果表明在0～2.00 mg/L范圍內，吸光度(Y)與樣品濃度(X)具有很好的線性相關性，且線性相對穩定。結果如表1和圖4所示。

表1 標準曲線表

圖4 線性關系圖

4.3 方法檢出限

選擇濃度為0.05 mg/L的硝酸鹽—氮標準樣品，平行測定7次，根據環境監測分析方法標準制定技術導則[5]的相關要求計算檢出限。

式中：SD為標準偏差。

結果如表2所示。

表2 方法檢出限測定

經過計算該方法檢出限MDL是0.001 mg/L，低于國家近岸海域海水水質監測操作技術規程(試行)中給出方法的檢出限0.012 mg/L，滿足國標方法對硝酸鹽氮的測定要求。

4.4 加標回收率測定

分別對低、中和高濃度實際海水樣品進行加標回收率實驗，測定結果如表3所示。

表3 加標回收率

經計算回收率在91%～108%之間，滿足相關標準要求，測定結果的準確度高，重復性好。

4.5 還原柱還原率R核查

對秦皇島近岸海域4個海水監測點每天進行監測，包括質控樣品在內，每天需經還原柱還原8個樣品，對還原柱的還原效率R進行核查，結果如表4所示。

表4 還原率R核查

實驗結果表明，當還原柱使用10天以后，還原率已經不滿足標準要求，需要重新裝柱或活化，重新測定還原率，得到還原柱使用最佳時間為10天。

5 結語

本文就海水硝酸鹽氮測定方法有關還原體積的選擇問題進行實驗，進行了最優還原體積的篩選，進而進行標準曲線、檢出限、加標回收率實驗。實驗結果表明當還原體積為65 mL時，曲線線性相關系數為0.999 8，檢出限為0.001 mg/L，大大低于國家近岸海域海水水質監測操作技術規程(試行)中給出的檢出限，回收率在91%～108%之間，滿足GB/T 17378.4—2007和國家近岸海域海水水質監測操作技術規程(試行)中的相關要求，具有良好的穩定性和準確性，對還原率R進行核查，找到還原率最佳時間，進一步保證了數據的準確性，相對縮短了實驗分析時間，在檢出限、還原體積和還原率最佳時間方面對國標方法GB/T 17378.4—2007中海水硝酸鹽氮的測定方法進行了補充，該測定方法解決了沒有給定檢出限、還原體積如何確定及鎘柱何時進行重裝及活化等問題，一定程度上節省了實驗時間提高了工作效率。

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