納氏試劑分光光度法測(cè)定氨氮濃度的影響因素

張春苗 李彩然

（天津壹新環(huán)保工程有限公司 天津 300403）

引言

由于國(guó)家對(duì)環(huán)保的重視程度越來(lái)越高，污水排放的要求也日益嚴(yán)苛，對(duì)污水中氨氮、總氮、總磷的控制指標(biāo)也越來(lái)越低。根據(jù)天津市地方標(biāo)準(zhǔn)《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB12/ 356-2018 ）中直接排放的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，污水中氨氮濃度要低于3.5mg/L 才能排放[1]。為保證污水處理廠出水指標(biāo)的合格性，因此需要對(duì)其中的氨氮物質(zhì)含量進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)[2]。

對(duì)水環(huán)境而言，氨氮是其主要的污染物質(zhì)。水體中的魚(yú)類(lèi)和藻類(lèi)等生物對(duì)氨氮的濃度較為敏感，當(dāng)氨氮的濃度超過(guò)一定范圍時(shí)，會(huì)造成水體中魚(yú)類(lèi)的死亡。同時(shí)，氮、磷也是引起水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，嚴(yán)重威脅到生態(tài)平衡和人類(lèi)的生產(chǎn)生活[3]。因此，通過(guò)對(duì)氨氮含量的準(zhǔn)確測(cè)定可以更加全面地了解水體污染情況，掌握水體環(huán)境質(zhì)量，提高水質(zhì)監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)性[4]，為今后采取更有效的措施預(yù)防和控制水體污染創(chuàng)造良好的條件。

目前，水中氨氮的主要檢測(cè)方法有納氏試劑比色法、水楊酸分光光度法、蒸餾-中和滴定法、靛酚藍(lán)分光光度法、納氏試劑分光光度法、電化學(xué)分析方法和儀器分析方法[5]。其中，納氏試劑分光光度法具有更為方便、簡(jiǎn)潔、效率高、經(jīng)濟(jì)節(jié)能的特點(diǎn)。因此，本實(shí)驗(yàn)采用納氏試劑分光光度法測(cè)定氨氮的濃度，并探討了掩蔽計(jì)、Fe2+的濃度和pH 對(duì)其檢測(cè)濃度的影響。

1 納氏試劑分光光度法檢測(cè)水中氨氮的濃度

1.1 檢測(cè)原理

以游離態(tài)的氨或銨離子等形式存在的氨氮與納氏試劑反應(yīng)生成淡紅棕色絡(luò)合物，該絡(luò)合物的吸光度與氨氮含量成正比，于波長(zhǎng)420nm 處測(cè)量吸光度[6]，反應(yīng)方程式為NH3+2(HGI2·2KI)+3NaOH=NH2·HgI·HgO+4KI+3NaOH+2H2O。

納氏試劑分光光度法對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)，適用于大多數(shù)水體的檢測(cè)，是較為合適和理想的分析方法。但從納氏試劑分光光度法檢測(cè)水中氨氮的方法可以看出，對(duì)氨氮檢測(cè)結(jié)果的干擾因素依然有很多，如顯色時(shí)間、試劑儲(chǔ)存時(shí)間、溫度、水的酸堿度、金屬離子、色度以及濁度等，在前處理和檢測(cè)過(guò)程中要盡量消除這些干擾[7]，以免影響檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

1.2 檢測(cè)影響因素

1.2.1 顯色時(shí)間的影響

由于氨氮檢測(cè)采用的是比色方法，因此顯色時(shí)間對(duì)氨氮的檢測(cè)濃度影響較大，檢測(cè)過(guò)程中應(yīng)該選擇合適的顯色時(shí)間。通過(guò)資料調(diào)研發(fā)現(xiàn)，顯色2min 之內(nèi)吸光度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，4～10min 之間吸光度基本趨于穩(wěn)定，超過(guò)10min 后，吸光度不再變化。因此，在檢測(cè)過(guò)程中要盡量控制顯色時(shí)間在10min 以上[8]。

1.2.2 試劑存儲(chǔ)時(shí)間的影響

納氏試劑分光光度法檢測(cè)氨氮的方法中，顯色劑的穩(wěn)定性直接影響氨氮檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此試劑的存儲(chǔ)條件尤其重要。根據(jù)資料調(diào)研發(fā)現(xiàn)，試劑最佳的存儲(chǔ)條件為20～30℃，最佳的儲(chǔ)存天數(shù)是 12d。當(dāng)超過(guò)12d后，顯色劑的穩(wěn)定性變差，顯色不穩(wěn)定，導(dǎo)致檢測(cè)的穩(wěn)定性下降。納氏試劑分光光度法檢測(cè)氨氮的顯色劑為溴百里酚藍(lán)，因此在進(jìn)行氨氮的實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)時(shí)，將試劑的儲(chǔ)存天數(shù)控制在12d以下，并儲(chǔ)存在通風(fēng)良好、避光的條件下，將存儲(chǔ)條件對(duì)氨氮檢測(cè)濃度的影響降至最低[9]。

1.2.3 酸堿度的影響

根據(jù)納氏試劑分光光度法檢測(cè)氨氮的實(shí)驗(yàn)原理可以看出，顯色反應(yīng)的發(fā)生需要控制溶液中的酸堿度。當(dāng)酸性過(guò)強(qiáng)或者堿性過(guò)強(qiáng)時(shí)，都會(huì)造成顯色反應(yīng)無(wú)法正常進(jìn)行，從而影響氨氮的檢測(cè)濃度[5]。

1.2.4 金屬離子的影響

除了上述討論的幾種影響因素外，金屬離子的濃度同樣對(duì)氨氮的檢測(cè)產(chǎn)生一定的影響。當(dāng)水中Ca2+、Mg2+離子的濃度較高、水體的硬度較大時(shí)會(huì)導(dǎo)致人體器官功能障礙，使身體內(nèi)部逐漸形成結(jié)石，危害人體健康[10]。當(dāng)水溶液中Ca2+、Mg2+等金屬離子達(dá)到一定的限值時(shí)，與納氏試劑中的OH-發(fā)生反應(yīng)，此時(shí)就會(huì)影響納氏試劑的顯色反應(yīng)，使其顏色的變化與氨氮的含量不再呈現(xiàn)線性相關(guān)性，不符合朗博比爾定律，從而對(duì)吸光度產(chǎn)生一定的影響，以及影響氨氮的實(shí)際檢測(cè)濃度[11]。因此，為了避免水的硬度對(duì)氨氮的檢測(cè)產(chǎn)生影響，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定加入一定量的酒石酸鉀鈉進(jìn)行掩蔽，從而降低檢測(cè)誤差。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 主要儀器

舜宇恒平752 型紫外分光光度計(jì)、上海越平pH 酸度計(jì)。

2.2 主要試劑

碘化汞、碘化鉀、氫氧化鈉、酒石酸鉀鈉、硫代硫酸鈉、硫酸鋅、淀粉-碘化鉀試紙、氯化銨（優(yōu)級(jí)純）、硫酸亞鐵、硫酸、無(wú)氨水等。

2.3 試驗(yàn)方法

2.3.1 試劑的配置

氨氮檢測(cè)過(guò)程中對(duì)配置溶液的水質(zhì)要求較高，如果使用蒸餾水則需要經(jīng)過(guò)二次處理后方可進(jìn)行試劑的配置。本實(shí)驗(yàn)采用哇哈哈純凈水，對(duì)其進(jìn)行二次蒸餾檢測(cè)空白吸光度達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求后開(kāi)始配置試劑，即制備無(wú)氨水。

首先，取0.1909g 氯化銨（NH4Cl,優(yōu)級(jí)純，在100～105℃干燥2h），溶于水中，移入1000mL容量瓶中，用無(wú)氨水稀釋至標(biāo)線。此配置溶液的氨氮濃度為50mg/L（接近于現(xiàn)有污水樣品的氨氮濃度） ，用此配置的溶液代替污水。其次，將上述濃度的污水配置8～10L，然后均勻混合后用紫外分光光度計(jì)分別測(cè)量3次，取平均值。最后，將其余試劑，如氨氮的標(biāo)準(zhǔn)溶液（繪制標(biāo)線用）、納氏試劑、酒石酸鉀鈉等，均按照標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定進(jìn)行配置。

2.3.2 Fe2+濃度對(duì)氨氮檢測(cè)濃度的影響[12]

向配置好的污水中分別加入0g、0.0248g、0.0496g、0.0621g、0.124g、0.1862g、0.2482g、0.3103g 硫酸亞鐵，用2.3.1 中配置的污水定容至500mL，使得到的污水溶液中Fe2+濃度分別為0mg/L 、10mg/L、20mg/L、25mg/L、50mg/L、75mg/L、100mg/L、125mg/L。利用紫外分光光度計(jì)檢測(cè)不同F(xiàn)e2+濃度下氨氮的濃度。

2.3.2.1 不添加掩蔽計(jì)-酒石酸鉀鈉

取上述含有不同濃度Fe2+的污水溶液各50mL 于比色管中，分別加入納氏試劑1mL，搖勻，靜置10min 以上，在波長(zhǎng)420nm 處，測(cè)量吸光度。

2.3.2.2 添加掩蔽計(jì)-酒石酸鉀鈉

取上述含有不同濃度Fe2+的污水溶液各50mL 于比色管中，分別加入酒石酸鉀鈉1mL，納氏試劑1mL，搖勻，靜置10min 以上，在波長(zhǎng)420nm 處，測(cè)量吸光度。

2.3.3 pH 對(duì)氨氮檢測(cè)濃度的影響

檢測(cè)配置好污水的pH，然后利用硫酸溶液調(diào)節(jié)污水的pH，分別將污水的pH 調(diào)為1.95、2.86、3.82、4.92，再利用紫外分光光度計(jì)檢測(cè)不同pH下氨氮的濃度（添加掩蔽計(jì)-酒石酸鉀鈉）。

2.3.4 pH 和Fe2+濃度對(duì)氨氮檢測(cè)濃度的影響

取實(shí)驗(yàn)2.3.2.2 中污水溶液中Fe2+濃度為20mg/L，125mg/L 的溶液，利用硫酸調(diào)節(jié)pH，分別將pH 調(diào)為1.95、2.86、3.82、4.92，再利用紫外分光光度計(jì)檢測(cè)不同狀況下氨氮的濃度（添加掩蔽計(jì)-酒石酸鉀鈉）。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 Fe2+濃度對(duì)氨氮檢測(cè)濃度的影響

從表1、表2 可以看出，配置的氨氮理論濃度為50mg/L 的污水，不添加掩蔽計(jì)的實(shí)際檢測(cè)濃度為62.24mg/L，添加掩蔽計(jì)的實(shí)際檢測(cè)濃度為58.12mg/L。不添加掩蔽計(jì)使得氨氮的檢測(cè)濃度高于添加掩蔽計(jì)時(shí)氨氮的檢測(cè)濃度。

表1 氨氮的檢測(cè)濃度（不添加掩蔽計(jì)-酒石酸鉀鈉）

表2 氨氮的檢測(cè)濃度（添加掩蔽計(jì)-酒石酸鉀鈉）

結(jié)合表1 和圖1 可以看出，不添加掩蔽計(jì)酒石酸鉀鈉時(shí)，沒(méi)有Fe2+的空白溶液，氨氮的檢測(cè)濃度和理論濃度50mg/L 相差較大；隨著污水中Fe2+的濃度升高，氨氮實(shí)際檢測(cè)濃度逐漸升高，掩蔽計(jì)酒石酸鉀鈉的添加與否對(duì)氨氮的檢測(cè)濃度影響較大，因此后續(xù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要按照標(biāo)準(zhǔn)的要求選擇添加掩蔽計(jì)。

圖1 不同F(xiàn)e2+的濃度對(duì)氨氮檢測(cè)濃度的影響

添加掩蔽計(jì)酒石酸鉀鈉后，當(dāng)Fe2+的濃度低于20mg/L 時(shí)，其對(duì)氨氮的檢測(cè)濃度影響較小，且低于沒(méi)有Fe2+時(shí)檢測(cè)濃度的均值58.12mg/L；當(dāng)Fe2+的濃度高于20mg/L 時(shí)，其對(duì)氨氮的檢測(cè)濃度影響較大，隨著Fe2+濃度的增加，氨氮的檢測(cè)濃度逐漸升高，當(dāng)Fe2+濃度達(dá)到125mg/L 時(shí)，氨氮的檢測(cè)濃度高于沒(méi)有Fe2+離子時(shí)檢測(cè)濃度的均值34.08mg/L，遠(yuǎn)超過(guò)氨氮的理論濃度和實(shí)際檢測(cè)濃度。由此可以看出，F(xiàn)e2+的濃度對(duì)納氏試劑分光光度法測(cè)定氨氮的濃度影響較明顯。

3.2 pH 對(duì)氨氮檢測(cè)濃度的影響

從表3 可以看出，配置的理論氨氮濃度為50mg/L 污水的pH 為6.79，當(dāng)降低污水的pH 時(shí)，隨著pH 的降低，氨氮的檢測(cè)濃度逐漸高于沒(méi)有調(diào)節(jié)pH 時(shí)氨氮的檢測(cè)濃度，當(dāng)pH 降低至1.95 時(shí)，氨氮的檢測(cè)濃度為62.5mg/L，已經(jīng)高于實(shí)際檢測(cè)濃度4.38mg/L。因此，可以推斷，當(dāng)污水中pH較低時(shí)，也會(huì)影響氨氮的檢測(cè)濃度。

3.3 pH 和Fe2+濃度對(duì)氨氮檢測(cè)濃度的影響

結(jié)合表4、表5 可以看出，當(dāng)Fe2+的理論濃度越高，pH 越低時(shí)，氨氮的檢測(cè)濃度越高，因此對(duì)來(lái)樣污水檢測(cè)時(shí)需要調(diào)節(jié)pH 至中性范圍，并且其中金屬離子的含量較少時(shí)，檢測(cè)的準(zhǔn)確性最高。

表4 Fe2+的理論濃度為20mg/L 時(shí)不同pH 下氨氮的檢測(cè)濃度

表5 Fe2+的理論濃度為125mg/L 時(shí)不同pH 下氨氮的檢測(cè)濃度

結(jié)論

由于水中的金屬離子Ca2+、Mg2+濃度直接影響氨氮的檢測(cè)濃度，因此檢測(cè)氨氮的濃度需要加入掩蔽計(jì)來(lái)規(guī)避其對(duì)氨氮檢測(cè)濃度的影響。但當(dāng)溶液中Fe2+離子濃度升高后，不管是否加入掩蔽計(jì)酒石酸鉀鈉，氨氮的檢測(cè)濃度都隨著Fe2+濃度的升高而增加；添加酒石酸鉀鈉后氨氮的實(shí)際檢測(cè)濃度低于未加入酒石酸鉀的檢測(cè)濃度。因此，掩蔽計(jì)的加入對(duì)氨氮的檢測(cè)濃度影響較大，在檢測(cè)過(guò)程中需要添加一定濃度的掩蔽計(jì)才可以規(guī)避金屬離子帶來(lái)的影響。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看出，添加掩蔽計(jì)后Fe2+和pH對(duì)納氏試劑分光光度法測(cè)定水中氨氮的濃度影響同樣較大。當(dāng)Fe2+濃度高于20mg/L 時(shí)，氨氮的檢測(cè)濃度隨著Fe2+濃度的升高逐漸升高；當(dāng)Fe2+的濃度低于20mg/L 時(shí)，其對(duì)氨氮的檢測(cè)濃度影響并不明顯；當(dāng)降低pH（酸性）時(shí)，隨著pH 的逐漸降低，氨氮的檢測(cè)濃度逐漸升高。在低pH下（酸性），F(xiàn)e2+的濃度過(guò)高時(shí)，氨氮的檢測(cè)濃度準(zhǔn)確度降低。因此，當(dāng)污水中的金屬離子濃度過(guò)高，尤其是Fe2+濃度過(guò)高或者pH 過(guò)低時(shí)，需要調(diào)節(jié)pH 至中性范圍內(nèi)才可以繼續(xù)測(cè)試。當(dāng)Fe2+的濃度過(guò)高時(shí)，添加掩蔽計(jì)已經(jīng)無(wú)法保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要更換氨氮的檢測(cè)方法或?qū)ξ鬯捎眯跄惹疤幚恚拍鼙ＷC檢測(cè)的準(zhǔn)確性。