亞甲藍分光光度法測定水中陰離子表面活性劑含量的方法改進

王秋實,吳林源,張詩委,袁 哲,張可佳,趙海謙

(1.東北石油大學 土木建筑與工程學院,大慶 163318;2.石河子大學 水利建筑與工程學院,石河子 832000;3.蘇州科技大學 環境科學與工程學院,蘇州 215009)

陰離子表面活性劑主要是指直鏈烷基苯磺酸鈉和烷基磺酸鈉類物質,是合成洗滌劑的主要活性成分[1]。陰離子表面活性劑進入水體后聚集在水和其他微粒表面,阻斷水中氧氣的交換,降低水中的溶解氧量,導致水質惡化,從而破壞水生生物的生存環境,降低水生生物的呼吸能力,影響水生生物的正常生長[2]。因此,陰離子表面活性劑被列為GB 3838—2002《地表水環境質量標準》的基本控制項目之一[3]。目前水中陰離子表面活性劑的測定方法主要有流動注射法[4-5]、液相色譜法[6-7]和亞甲藍分光光度法[8-9],前兩種方法檢測成本較高,難以推廣使用[10-11],故亞甲藍分光光度法成為檢測水中陰離子表面活性劑的標準方法(GB 7494—1987《水質 陰離子表面活性劑的測定 亞甲藍分光光度法》)[12]。雖然標準方法的靈敏度較高,準確度較好,但是操作復雜(單個樣品分析需要萃取6次),分析效率較低,易受各種共存物的影響,試劑消耗量非常大(三氯甲烷用量50 mL,亞甲藍用量25 mL)[13],而且萃取過程采用手動振搖方式,難以避免三氯甲烷的揮發對實驗操作人員的毒害作用[14]。針對GB 7494—1987存在的一系列不足,國內學者對該方法進行了深入的試驗研究并做出了改進：文獻[15]采用0.45 μm濾膜過濾水樣,用自制帶圈銅絲破乳,將單個樣品的分析時間縮短一半;文獻[16]提出的改進方法只進行一次萃取,且減少了亞甲藍和三氯甲烷的用量,測定結果與原方法測定結果無顯著性差異;文獻[17]對亞甲藍和三氯甲烷用量、萃取次數進行了優化,測定結果與標準方法沒有明顯差異。以上改進措施在一定程度上彌補了亞甲藍分光光度法的不足,但仍然存在試劑消耗量大、三氯甲烷毒害作用等問題。本工作針對陰離子表面活性劑測定過程中的實際特點,在前人研究的基礎上,進一步GB 7494—1987做出了改進,用毒性相對較小的二氯甲烷代替三氯甲烷作為萃取劑,用試管代替分液漏斗,用振蕩器代替手動振搖方式進行萃取,通過方法學驗證確定改進方法的可行性,以期實現水中陰離子表面活性劑含量的快速、準確測定。

1 試驗部分

1.1 儀器與試劑

TU-1900型雙光束紫外-可見分光光度計,配10 mm光程比色皿;HY-4型調速多用振蕩器(振幅20 mm);85-2A型雙數顯恒溫磁力攪拌器;AN2856型分析天平;10 mL注射器,配20 mm長不銹鋼針頭;200 mm×25 mm試管。

十二烷基苯磺酸鈉標準儲備溶液、亞甲藍溶液、氫氧化鈉溶液、硫酸溶液和酚酞指示劑溶液均按照GB 7494—1987進行配制。

十二烷基苯磺酸鈉標準溶液：取0.2 mL十二烷基苯磺酸鈉標準儲備溶液,用水稀釋至100 mL,配制成質量濃度為2.0 mg·L-1的十二烷基苯磺酸鈉標準溶液。

二氯甲烷、十二烷基苯磺酸鈉、氫氧化鈉、硫酸、二水磷酸二氫鈉、乙醇等均為分析純;亞甲藍、酚酞均為指示劑級;試驗用水為二次蒸餾水。

1.2 試驗方法

取8 mL經中性濾紙過濾后的水樣或十二烷基苯磺酸鈉標準溶液于試管中,以酚酞為指示劑,逐滴加入氫氧化鈉溶液至溶液呈桃紅色,再逐滴加入硫酸溶液至桃紅色剛好消失;加入2 mL亞甲藍溶液,將試管固定在振蕩器上(傾斜約45°),以速率270 次·min-1振蕩3.0 min;取下試管,加入5 mL二氯甲烷,再將試管固定在振蕩器上(傾斜約45°),以速率270次·min-1振蕩1.5 min后靜置分層;為避免吸入亞甲藍相,用配有長針頭的注射器吸取二氯甲烷相約3 mL,注入比色皿中,測量體系在波長654 nm處的吸光度。

1.3 試驗原理

陽離子染料亞甲藍與陰離子表面活性劑反應生成藍色的亞甲藍活性物質,該生成物可被二氯甲烷萃取,用分光光度計測量二氯甲烷相在654 nm處的吸光度,根據朗伯-比爾定律,其吸光度與濃度水平成正比。

2 結果與討論

2.1 萃取時間的選擇

改進方法使用振蕩器進行萃取,振蕩速率和時間是影響二氯甲烷相吸光度的重要因素。通過預試驗將振蕩速率控制在270 次·min-1,然后考察了萃取時間對二氯甲烷相吸光度的影響。對2 mg·L-1十二烷基苯磺酸鈉標準溶液分別進行了0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0 min的振蕩萃取,3次試驗結果如圖1所示。

圖1 萃取時間對吸光度的影響Fig.1 Effect of extraction time on absorbance

由圖1可知：3次試驗結果趨勢相同,當萃取時間為0.5～1.5 min時,吸光度隨萃取時間的延長而增大,并在1.5 min時達到最大,在1.5 min之后,吸光度在一定范圍內波動,整體趨于穩定。說明萃取時間小于1.5 min時,萃取不充分,有一小部分活性物質未被二氯甲烷萃取出來,導致吸光度較低;隨著萃取時間的延長,活性物質逐漸被全部萃取出來,直到1.5 min時萃取完全,此時吸光度達到最大;繼續振蕩萃取,活性物質在二氯甲烷相和水相之間來回遷移,導致吸光度有一定的波動。為了節省時間以及保證萃取充分,試驗選擇的萃取時間為1.5 min。

2.2 系統誤差

圖2 空白試驗的均值和極差質控圖Fig.2 Quality control charts of mean value and range of blank experiments

均值質控圖中,20組空白試驗的吸光度均在UCLX和LCLX之間,且沒有連續7個點位于CLX同一側,也沒有連續7個點遞升或遞降,說明系統空白穩定,達到質量控制要求。

極差質控圖中,20組空白試驗的吸光度極差均在UCLR和LCLR之間,且沒有連續7個點位于CLR同一側,也沒有連續7個點遞升或遞降,說明系統誤差在控制范圍之內,達到質量控制要求。

2.3 標準曲線和檢出限

取適量的十二烷基苯磺酸鈉標準溶液,用水逐級稀釋,搖勻,配制成十二烷基苯磺酸鈉質量濃度分別為0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,1.8,2.0 mg·L-1的標準溶液系列。按照試驗方法進行測定,以十二烷基苯磺酸鈉的質量濃度為橫坐標,以測得的吸光度減去空白標準溶液的吸光度的差值為縱坐標繪制標準曲線。結果顯示,十二烷基苯磺酸鈉標準曲線的線性范圍在2.0 mg·L-1以內,線性回歸方程為y=3.844×10-1x+4.500×10-3,相關系數為0.999 2。

按照試驗方法進行20組空白試驗,根據國標純粹和應用化學聯合會(IUPAC)規定,以3倍標準偏差(s)與線性回歸方程斜率(k)的比值計算檢出限(3s/k),結果為0.029 7 mg·L-1;以3.3倍檢出限計算測定下限,結果為0.098 0 mg·L-1。

2.4 精密度和回收試驗

按照試驗方法對質量濃度為0.2,0.6,1.2 mg·L-1的十二烷基苯磺酸鈉標準溶液分別測定6次。結果顯示：測定值的相對標準偏差(RSD)依次為2.8%,5.9%,8.2%,符合《環境水質監測質量保證手冊》(第二版)中規定的精密度(樣品的實驗室內RSD)不大于20%的要求[19],說明改進方法的精密度較高。

對空白水樣進行加標回收試驗,計算回收率,結果見表1。

表1 回收試驗結果

結果顯示：回收率為95.0%～99.1%,符合《環境水質監測質量保證手冊》(第二版)中規定的實驗室內加標回收率為95%～105%的要求[19],說明改進方法的準確度較高。

本工作對GB 7494—1987測定水中陰離子表面活性劑含量的方法進行了改進,使用試管代替分液漏斗,利用振蕩器進行萃取,并使用毒性較小二氯甲烷代替三氯甲烷作為萃取劑。改進方法大大減少了試劑用量,簡化了操作步驟,降低了檢測成本,將GB 7494—1987分析單個樣品的時間從40 min縮短至小于10 min,大大提高了分析效率;而且改進方法繪制出的標準曲線線性良好,檢出限低,準確度和精密度均能達到質量控制要求,對環境監測領域具有重要的應用價值和指導意義。