鎘柱還原法測定海水硝酸鹽氮研究

李美容

（廣西壯族自治區(qū)海洋地質(zhì)調(diào)查院，廣西 南寧 536000）

1 鎘柱還原法測定海水硝酸鹽氮的原理及意義

1.1 鎘柱還原法測定海水硝酸鹽氮的基本原理

在一定條件下，鎘還原劑能將水中的硝酸鹽氮定量還原為亞硝酸鹽氮。在此基礎上，先用對氨基苯磺酰胺對水中的亞硝酸鹽氮實施重氮化處理，再與鹽酸萘乙二胺進行耦合，從而得到玫紅色的偶氮染料。其后，用分光光度法測水中亞硝酸鹽氮總量的測定，再減去水中原有亞硝酸鹽氮的含量，即可得到海水中硝酸鹽氮的實際含量[1]。

1.2 鎘柱還原法測定海水硝酸鹽氮的應用意義

海水富營養(yǎng)化會嚴重地影響海水水質(zhì)、破壞海水生態(tài)，而以硝酸鹽氮為代表的含氮化合物正是引發(fā)海水富營養(yǎng)化現(xiàn)象的主要元兇之一。所以，做好海水中硝酸鹽氮的檢測工作，既是構建海水質(zhì)量監(jiān)測體系的重要實踐環(huán)節(jié)，也是治理海水污染、保護海水生態(tài)的必要前端舉措。現(xiàn)階段，可用于測定海水硝酸鹽氮含量的技術工藝較為多樣，主要包括鋅-鎘還原法、連續(xù)流動注射法、鎘柱還原法等。從實踐角度來看，氣相光譜法、連續(xù)流動注射法均有一定的應用缺陷，前者缺乏具體的規(guī)范標準作為依據(jù)，后者則存在設備昂貴、周期過長等操作性問題。相比之下，鎘柱還原法設備簡單，如圖1所示，設備成本低、還原率高等優(yōu)勢，且測定結果通常能表現(xiàn)出較強的規(guī)范性與可靠性。所以，將鎘柱還原法應用到海水硝酸鹽氮測定當中，有著可觀的實用意義。

圖1 鎘柱還原裝置

2 鎘柱還原法測定海水硝酸鹽氮的實驗方法

2.1 實驗準備

應用鎘柱還原法測定海水硝酸鹽氮時，實驗準備主要涉及兩個部分。

（1）實驗設備的配備。①紫外可見分光光度計，島津儀器（蘇州）有限公司，型號UV-2600，波長范190～900nm，波長最大示值誤差-0.2nm，波長重復性-0.3nm，透射比重復性≤0.3%，波長允差為±0.5nm，透射比允差為±0.5%，設備基本性能及運行穩(wěn)定性均滿足實驗需求。②鎘柱還原裝置，自制備鎘柱，還原率測定R≥95%，滿足試驗要求。③電子分析天平，由島津制作所試驗計測事業(yè)部生產(chǎn)，型號為AUW-220，最大量程220g，分度值0.1mg，可滿足實驗稱量需求。

（2）實驗試劑的準備。①40g 鍍銅鎘粒，直徑1mm。②硝酸鹽氮標準儲備溶液，濃度為100μg/mL，國家有色金屬及分析電子材料分析測試中心（23D40725）。③亞硝酸鹽氮標準儲備溶液，濃度為100μg/mL，國家有色金屬及分析電子材料分析測試中心（23D60001）。④硝酸鹽氮標準使用溶液，由標準溶液臨用稀釋，濃度為10μg/mL。⑤磺胺溶液，使用分析天平稱取1.0g 磺胺，先置于酸水比1:6 的70mL 鹽酸溶液中充分溶解，再用純水定容至100mL 刻度處，混勻待用。⑥氯化銨緩沖溶液，濃度為10g/L，用氨水調(diào)節(jié)pH 至8.5（用精密pH 試紙檢驗）。⑦鹽酸萘乙二胺溶液，濃度為1g/L，取0.1g 鹽酸萘乙二胺溶于100mL 純水中，混勻待用。⑧活化液，取硝酸鹽氮標準儲備溶液（100μg/mL）3.5mL 置于250mL 容量瓶中，再用氯化銨緩沖溶液定容至250mL刻度處，混勻待用[2]。

2.2 實驗流程

2.2.1 鎘還原柱預處理

首先，對鎘柱還原裝置進行性能檢查與清潔處理。其次，先在還原柱底部填塞少量玻璃纖維，將實驗用水注入柱內(nèi)，再將鍍銅鎘粒放入還原柱中，并將纖維材料填塞至柱頂。該步驟中，還原柱內(nèi)液面高于鎘粒頂部，以免因外部空氣進入而影響實驗效果。再次，將裝置還原速度設定為7mL/min，使用活化液對還原柱實施活化處理。最后，使用氯化銨緩沖溶液洗滌還原柱，洗滌次數(shù)為3 次。為保證實驗效果，需要對還原柱的還原率進行核驗。具體試驗時，分別配制濃度為100μg/L 的硝酸鹽氮溶液、亞硝酸鹽氮溶液，硝酸鹽氮溶液通過鎘柱還原處理，并依據(jù)以下公式分別測其吸光度：

式中：R——還原率；A硝——硝酸鹽氮的吸光度值；A0硝——硝酸鹽氮空白吸光度值；A亞硝——亞硝酸鹽氮的吸光度值；A0亞硝——亞硝酸鹽氮空白吸光度值。

若R 值達到95%，則表明鎘柱還原率達標，可用于海水檢測。反之，若R 值小于95%，則需要重復預處理操作，直至鎘柱還原率達到海水檢測要求[3]。

此外，需要注意的是，每次檢測完成后，需要做好還原柱的保存工作。首先，應使用氯化銨緩沖溶液，對已用完的還原柱進行洗滌處理，洗滌次數(shù)不應少于2次。其次，再將洗滌后的還原柱置于氯化銨緩沖溶液中，并保證充分浸沒。最后，應做好相關儀器、設備使用記錄，如檢測用途、使用時間、保存時間等[4]。

2.2.2 工作曲線繪制

首先，分別移取0.0mL、0.25mL、0.5mL、0.7mL、1.0mL、2.0mL、2.5mL 的標準溶液硝酸鹽氮標準工作溶液加入純水中混勻，定容至100mL，濃度分別為0.00μg/mL、0.025μg/mL、0.05μg/mL、0.07μg/mL、0.10μg/mL、0.20μg/mL、0.25μg/mL。其次，先分別取上述標準溶液各50mL，分別置于100mL 容量瓶中，再用氯化銨緩沖溶液（10g/L、pH=8.5）定容至標線處，并充分混勻。再次，濃度由小至大依次將定容混合后的標準溶液倒入鎘柱還原裝置進行還原處理。在7mL/min 還原速率下，當柱內(nèi)溶液還原體積達到65mL 時，在裝置的溶液流出端用50mL 比色管接取液25mL 流出液，并用純水定容至50mL 刻度處。然后向比色管中加入1.0mL 磺胺溶液，充分混勻后靜置2min。再加入1.0mL 鹽酸萘乙二胺溶液，混勻靜置20min，圖2 為標準曲線系列溶液。最后，用紫外可見分光光度計，在543nm 波長下，5cm 比色皿，測各標準點的吸光值。檢測完成后，以溶液濃度為橫坐標、吸光度值（Ai-A0）為縱坐標，繪制標準工作曲線，如圖3 所示，得出標準工作曲線測試數(shù)據(jù)。

圖2 標準曲線系列溶液

圖3 標準曲線

2.2.3 海水樣品測定

首先，先使用0.45μm 的濾膜對待測海水樣品進行過濾處理，再取50mL 樣品置于100mL 比色管中，用氯化銨緩沖溶液定容至100mL 刻度處混勻待用。其次，按照2.2.2 工作曲線繪制的方法，用紫外可見分光光度計以純水作參比，分別測分析空白、海水樣品的吸光值，海水樣品吸光值減分析空白吸光值，并根據(jù)標準工作曲線算得海水中的總氮濃度，單位為mg/L。最后，將總氮濃度減去樣品中原有亞硝酸鹽氮濃度，便可得到硝酸鹽氮濃度：

3 鎘柱還原法測定海水硝酸鹽氮的實驗分析

3.1 對標準工作曲線的分析

基于2.2.2 的實驗步驟，對同一濃度的硝酸鹽氮標準溶液進行多次吸光度測定。溶液濃度為0.00μg/mL、0.025μg/mL、0.05μg/mL、0.07μg/mL、0.10μg/mL、0.20μg/mL、0.25μg/mL 時，其吸光度分別為0.010、0.090、0.165、0.230、0.315、0.610、0.765。以溶液濃度為橫坐標、吸光度值（Ai-A0）為縱坐標，繪制標準工作曲線。線性回歸方程如下：

式中：y——吸光度；x——標準溶液濃度；相關系數(shù)r=0.9999。

可見標準溶液濃度與吸光度之間表現(xiàn)有良好的相關性。

3.2 對方法的精密度分析

參照《環(huán)境監(jiān)測分析方法標準制修訂技術導則》（HJ 168—2020）要求，使用低、中、高3 種不同濃度的標準液，溶液濃度分別為0.025mg/L，0.10mg/L，0.20mg/L。分別依照標準測試步驟連續(xù)測試7 次，平均值分別為0.0248mg/L、0.101mg/L、0.201mg/L，標準，計算出低、中、高3 個濃度的最大相對標準偏差分別是1.12%、0.87%、0.32%，相對標準偏差均不超±5%，表明該方法具備良好的精密度。

3.3 對加標回收率的分析

取實測濃度分別為0.023mg/L、0.726mg/L、0.136mg/L的海水溶液進行加標回收試驗，加標量分別是5μg、10μg、10μg，加標溶液濃度分別為0.05mg/L、0.10mg/L、0.10mg/L。加標回收率測試數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 加標回收率測試數(shù)據(jù)（連續(xù)測試7 次）

由此可見，應用鎘柱還原法測定海水硝酸鹽氮時，實驗所得回收率為90%～105%，滿足現(xiàn)行海洋監(jiān)測規(guī)范的相關要求，表明該方法具備良好的準確度與可用性[5]。

3.4 對方法檢出限的分析

依據(jù)《環(huán)境監(jiān)測分析方法標準制修訂技術導則》（HJ 168—2020）方法要求，制作并且檢測7 個樣本溶液，計算7 次平行樣的樣本溶液測定結果的標準偏差（SD），計算樣本檢出限MDL=3.143×SD。以硝酸鹽氮濃度為0.025mg/L的海水樣本作為實驗對象，用鎘柱還原法在相同條件下檢測7 次，結果依次為0.0255mg/L、0.0246mg/L、0.0244mg/L、0.0250mg/L、0.0252mg/L、0.0245mg/L、0.0244mg/L。平均值0.0248mg/L，標準偏差S=0.0004，t 值為3.143，根據(jù)公式MDL=3.143×SD 進行方法檢出限的運算。得出MDL 值為0.001mg/L。由中國環(huán)境監(jiān)測總站2017 年3 月發(fā)布的《國家近岸海域海水水質(zhì)監(jiān)測操作技術規(guī)程》可知，我國相關現(xiàn)行規(guī)定的方法檢出限標準為0.012mg/L。鎘柱還原法實驗所得的MDL 值低于這一標準，即表明該方法滿足相關技術要求，可有效應用于海水的硝酸鹽氮檢測工作。

3.5 對還原柱中鍍銅鎘粒填充量的分析

在保持其他實驗條件不變的前提下，對還原柱中鍍銅鎘粒的填充量進行調(diào)整，具體變量為20g、30g、40g、50g。多次實驗結果顯示，當鎘粒填充量為20g、30g時，還原柱的還原率均低于95%，難以滿足檢測要求。當鎘粒填充量為40g、50g 時，還原柱的還原率均在95%以上。由此，為了避免鎘粒填充量對檢測效果產(chǎn)生負面影響，將鎘粒填充量確定為40g。

4 結論

綜上所述，將鎘柱還原法應用到海水硝酸鹽氮的檢測中，具有高度的可行性和實效性。由實驗分析可知，鎘柱還原法的方法檢出限、加標回收率均滿足相關規(guī)范要求，能夠簡捷高效、準確可靠地實現(xiàn)海水中硝酸鹽氮濃度、含量的檢出。為了保證該工藝方法的應用質(zhì)量，具體實踐時既要合理調(diào)節(jié)設備參數(shù)、規(guī)范執(zhí)行檢測流程，也要做好鎘粒填充量、溶液還原體積等方面的把控。