（环境工程专业论文）基于同位素分析法的氮识别技术及迁移规律研究.pdf

山东建筑大学硕士论文 摘要 本文研究了适应鹊山水库水体中硝酸盐氮稳定同位素分析的预处理方法。即用阴离 子交换方法富集硝态氮和凯氏蒸馏法将硝念氮还原为氨念氮，研究确定了最佳实验条 件，同时结合鹊山水库库区的实际情况，监测了引黄条渠和鹊山水库水中硝酸盐氮的丰 度值，根据丰度值判断该库区硝酸盐氮的来源。 实验结果表明阴离子交换方法的最佳实验条件是：选用o h 型阴离子交换树脂 ( a n i o ne x c h a l l g e r ( i o ne x c h a n g e ri i i ，m e r c k ) ) ，该种树脂吸附和洗脱效果均很稳定，不会 产生同位素分馏，因此作为富集硝酸盐氮的载体。针对水库水体，交换柱装填的树脂高 度为3 啪；吸附过程中过柱流速控制在8 0 0 9 0 0 m l m i n 左右，洗脱时采用浓度为 2 m o l l 的k c l 溶液4 0 m l 作为洗脱液，洗脱速率控制在笛m l h ，洗脱率可以达到9 5 一 ：= = 以上。由于原水中的杂质较多，在经过阴离子交换树脂前，先用a 1 2 0 3 柱处理水样，结 果表明处理后的水样吸附和洗脱效果均较好。因此该方法能够适用于引黄水库的大部分 水体中硝酸盐氮的富集。 实验结果表明凯氏蒸馏法的最佳实验条件是：最佳定氮合金量为o 7 9 ，最佳蒸馏时 间为5 0 m i l l ，最佳沸石量为7 5 m g ，吸附的最佳环境是1 5 m lo 0 0 3 m o l l 的h c l 。实验还 研究了3 a 型沸石分子筛和改性沸石对氨氮的吸附能力和最佳吸附条件，实验结果表明 7 5 m g 改性沸石的吸附率能够达到9 5 以上，不会产生同位素分馏。 文中结合鹊山水库附近的实地情况，研究了鹊山水库库区硝酸盐氮的来源和迁移规 律。水体中硝酸盐氮经条渠沉砂，水库的沉淀等过程，硝酸盐氮的含量逐渐降低，经过 水厂的过滤消毒等工艺后，能够达到合格饮用水标准；同时分析研究了鹊山水库水中硝 酸盐氮的主要来源，实验结果表明水库水中硝酸盐氮主要来源于生活污水和化肥源，可 能也存在土壤矿化有机氮的作用，该问题有待进一步研究。本文对控制鹊山水库水中硝 酸盐氮的来源提出了控制措施，对研究中存在的不足和发展方向做了总结。 关键词：氮同位素，预处理方法，引黄水库，迁移规律 t h e i d e n t i f ya n dt h em i g r a t i o no fn i t r o g e no ni s o t o p i ca n a l y s i sm e t h o d ，a n gl i 1 i ( e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yw uj u i l s e l l a bs t r a c t t h ep r e t r e a 恤e n tm e t l l o dw h i c hw a sa d 印t e dt h es t a b l ei s o t o p eo fn i t r a t en i 仃o g e l li nt l l e r e s e r v o i ro fq u e s h a i lw a ss t u d i e di nm i sp a p 盯t l l em e t h o dw 嬲t h a tt h en i 仃a t ew a s 朗r i c h e d w i t ha n i o ne x c h a i l g em e t h o d ，蝎e l d a h ld i s t i l l a t i o nm e t h o dw 嬲u s e dt ot h en i t r a t er e d u c t i o nt 0 a m 面i l i a 油eb e s te x p 舐m e n t a lc o n d i t i o n sw a sd e t 谢m i n e di nt h es t u d ya 1 1 dc o m b i n e dw i m t h ea c t u a ls i t u a t i o ni l lm er e s e o i ro fq u e s h a i l ，t h ea b u n d a i l c ev a l u e so fi l i 旬r a t e i l i 臼o g e n i s o t o p ei nt h ec a n a lo fy 色l l o wr i v e ra n dt h er e s e r v o i ro fq u e s h a l lw a sm o n i t o r e d ，t h es o u r c e o f n i 咖ei l i 乜0 9 e 1 1i nn l ea r e aw a s j u d g e da c c o r d i n gt ot h ea b u n d a l l c ev a l u e t h er e s u l t ss h o w e dt h a tm eb e s te x p e r i m e i l t a lc o n d i t i o n so fa i l i o nc x c h a n g em e l o d ：o h a i l i o ne x c h a j l g er c s i n ( a n i o ne x c h a i l g e r ( i o ne x c h a i l g e ri i i ，m e r c k ) ) w 嬲s e l e c t e d ，t l l er e s i n w h i c hw a s v e r ys t a b l ei n 廿l ee 髓c to fa d s o 印t i o na n de l u t i o n ，a n dn oi s o t o p i c 舶c t i o n a t i o n ，s o i tw 硒u s e dt oc o n c e l l t r a t em ec 删e ro fi l i t r a t en i t r o g e n f o rt h er e s e r v o i rw a t t h e e x c h a n g e c o l u i l mp a c k i n go ft h er e s i nh e i 曲tw a s3 c m ；t h en o wr a t et h r o u 曲c o l u n 加w a sc o n t r o l l e di n 8 0 0 9 0 0 m u l i l i ni nm ea d s o 印t i o np r o c e s s ，2 m o l l4 0 m lo fk c ls o l u t i o nw a su s e d 舔t l l e e l u e n t ，t 1 1 ee l u t i o nr a t ew a sc o n n 0 1 1 e di n15 m l h ，e l u t i o nr a t ec o u l db er e a c h e dm o r et h a i l 9 5 b e c a u s eo fm o r ei m p u r i t i e si nr a ww a t e r b e f o r ct h e 锄i o ne x c h a l l g er e s i n ，m ew a t e r s a m p l e sw e r ct r e a t e dw i mt h ea 1 2 0 3c o l 啪n s ，t h er e s u l t si n d i c a t e dt 1 1 a tt h ea d s o 印t i o n 锄d e l u t i o no ft h e 讹a t e dw a t e rs 锄p l e sw e r eb o t hb e t t 既t h e r e f o r e ，“sm e t h o dc o u l db e 印p l i e d t on i 雠a t en i 的g e i l 训c h m e n ti nm o s to fm ey b l l o wr i v e rr e s e r v o i l t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e 叩t i m u me x p 嘶m e n t a lc o n d i t i o n so ft l l ek j e l d a l l ld i s t i l l a t i o n m e l o d ：t l l eo p t i m 啪锄o u n to fa l l o y sw a so 7 9 ，d i s t i l l e dt i m ew a s5 0 i i l i n ，t h e 锄o u n to f z e o l i t ew 嬲7 5 m a 1 1 dt l l eb e s te n v i r o n m e n to ft l l ea d s o 印t i o nw a s15 m l o 0 0 3m o l lo fh c l i i l 山东建筑大学硕士论文 3 az e o l i t e 锄dm o d i 6 e dz e o l i t e 内rm ea d s o 印t i o nc 印a c i t yo f 锄m o n i aa i l d t l l eb e s t a d s o 印t i o nc o n d i t i o n sw a sa 1 s 0s t u d i e di nt h ee x p 舐m e n t s ，m ee x p 谢m e i l tr e s u l ts h o w e dt h a t m ea d s o 叩t i o nr a t eo f7 5 m gm o d 讯e dz e o l i t ec a i lb er e a c h e dm o r et | l 锄9 5 ，锄dn oi s o t o p e 纳c t i o n a t i o n c o m b i i l i n gw i mt h ea c t u a ls i t u a t i o nn e a rt h e r e s e r v o i ro fq u e s h a n ，t h es o u r c e so fn i n a t e n i t r o g e na l l dm i 孕a t i o nr e g u l 撕t yi nm er e s e r v o i ro f ( 沁e s h a nw e r es t u d i e d t h e n i 仃a t e l l i t r o g e no ft h ew a t e rt h r o u g hb yd e s i l t i n gi nt h ea n i c l ed r a i n a g e ，a n dt h es e d i m e l l t a t i o ni n t h er e s e r v o i r ，t h ec o n t e n to fn i t r a t en i t r o g e nd e c r e a s e d ，a r e rf i l t r a t i o n a 1 1 dd i s i n f e c t i o n p r o c e s so ft h ew a t e r 仃e 锄e l l tp 1 觚t ，i tc a nb er e a c h e dt h er e q u i r e ds t a l l d 砌sf o rd r i 幽n g w a t e r ；锄d 锄a l y s e dt h a tt h es o u r c eo fn i 仃a t en i 仃d g e i li n ( 沁e s h a nr e s e r v o i rw a t m e r e s u l t o ft h ee x p e r i m e n ts h o w e d 廿1 a tt h ei l i t r a t en i t r o g e no ft h er e s e r v o i rw a t e rc 锄em a i l l l y 舳m s e w a g ea i l df 酬l i z e fs o u r c e t h e r ea l s om a yb em er o l e o fm 弯髓i cn i t r o g e ni i ls o i l m i n e r a l i z a t i o n ，m ep r o b l e mn e e d e d 矗l n h e rs t u d y t h ep 印e rw a sp r o p o s e d t l l ec o n t 】l 一 m e 邪u r c sf o rc 0 肋o l l i n gm es o u r c eo fi l i 仃a t en i 仃o g e i li nt h er e s e r v o i ro fq u e s h 孤，觚d 吼】m m a r i z e dm es h o r t c 0 m i n g si nm er e s e a r c ha i l dd e v e l o p m e n td i r e c t i o n k e yw o r d s ：l l i 仃o g e ni s o t o p e ，p r 印a r a t i o nm e m o d ，t h er e s e r v o i r o f y e l l o wr i v e r ， m er e g u l a ro fm i g r a t e 山东建筑大学硕士论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 黄河是我国第二大河，黄河水是黄河沿岸地区的重要资源。由于所处地域关系，水 资源相对比较紧张，它的水资源利用率是全国河流之中最高的。随着黄河流域社会经济 的迅速发展，流经区域内污废水排放总量增加较快。统计数据表明，黄河干流4 4 个地 表水监测控制断面中，类以上水质的断面比例为6 6 。山东位于黄河的最下游，污 染问题在山东段较为集中，其水环境功能区低于i i i 类标准要求。 黄河沿岸大多建有引黄调蓄水库来保证城镇水量，引黄水库经预沉后蓄集了的低浊 度高营养盐的澄清水，水体相对较浅( 小于1 0 m ) ，水体富营养化严重，导致藻类疯长， 一：烹= 形成引黄水库特有的高藻高有机物水质特征。水体中氮磷等营养盐类超标，淡水产生水 华，海水产生赤潮。 水体中过高的硝酸盐氮会对人体的健康造成危害，主要由于硝酸盐在口腔和胃肠道 内细菌硝酸盐还原酶的作用下，容易被还原成亚硝酸盐，继而与胺类物质( 鱼肉中含有 胺类物质，人体新陈代谢过程中也会产生胺类物质) 结合，产生致癌物质亚硝胺。在人 体内亚硝酸盐主要是将氧合血红蛋白氧化成高铁血红蛋白，导致身体各组织缺氧。正常 情况下人体高铁血红蛋白水平低于2 ，三个月以下的婴儿低于3 。当高铁血红蛋白 的含量达到氧合血红蛋白的1 0 以上时，氧的输送能力显著下降。敏感人群包括婴幼儿、 孕妇和缺乏葡萄糖6 磷酸脱氢酶或高铁血红蛋白还原酶的人。有报道称意外或药物治 疗时摄入大剂量的硝酸盐，正常人也会出现高铁血红蛋白症。大量的动物实验表明【l 】， 饮用水中的硝酸盐转化成亚硝酸盐后，可以增加动物对维生素a 的长期缺乏，伴随肺 脏、心脏组织病理学变化，肾上腺区肾小球剂量相关性肥大，同时当硝酸盐含量高于 3 0 0 0 m l 时会产生生殖毒性等。因此，生活饮用水卫生标准g b 5 7 4 9 2 0 0 6 中规定供水 水质硝酸盐氮含量不得高于l o m l ( 以氮计) ，特殊情况下，以地下水为饮用水水源时， 限值为2 0 m l ( 以氮计) 。因此，追踪硝酸盐氮的污染源及其在水体中迁移转化规律对 治理和控制黄河水污染具有重要意义。 稳定氮同位素可以表征硝酸盐氮污染物的主要特征、来源及其转化等水体氮的化学 山东建筑大学硕士论文 循环，通过对氮同位素的测定，可以从源头到笼头的追踪硝酸盐污染源，对于有效控制 硝酸盐污染具有重要意义。 1 2 稳定氮同位素分析法的基本概念 1 2 1 氮的同位素 同位素是质子数相同、中子数不同的某一化学元素的不同形式。在自然界中，氮元 素存在7 种同位素。有1 2 n 、1 3 n 、1 、1 5 n 、1 6 n 、1 7 n 、1 8 n ，其中1 和1 5 n 是稳定同位素， 其余5 种为放射性同位素，半衰期都很短。在空气中，1 的丰度为9 9 6 3 3 ，而1 5 n 的丰 度为o 3 6 6 ，在不同地域高度的大气中1 5 n 1 丰度比恒为1 2 7 2 【2 1 。因此，大气氮标准可 以作为检测各种含氮物质氮同位素组成的依据。根据标准规定，6 1 5 n ( ，a i r ) 是表示 含氮物质1 礁裹比值相对大小的符号，被定义为： 万。w ：( ：! ! ：坐三壁曼二：! 兰! ：坐) 堡堡，。， 。， l，1 4 标准 式中：( 1 5 形) 样品为样品中1 5 形的丰度比( 蝤) 标准为标准物质中的坫形 的丰度比。 来源不同的硝酸盐氮同位素的6 1 5 n 值( ，a i r ) 一般在一个特征范围内变化。对于 大多数陆地上的氮而言，6 1 5 n 值在1 5 2 0 之间变化。在检测6 1 5 n 值时涉及到硝酸盐 和氮气的转换，此时1 5 n 1 的比值在士o 2 之问波动【3 1 。 1 2 2 氮同位素的分馏原理 在化学性质上，稳定同位素问没有明显的差别，但因质量的不同其物理性质有微小 的差异【4 】( 如气相中的传导率、分子键能、分解速率、生化合成等) ，在原子键合和键裂 过程中发生的分馏效应被称为稳定性同位素效应【5 】，同时气体扩散等诸多因素也可以引 起稳定同位素效应。在动态非平衡过程中产生动力学分馏效应( 如化学反应和运输) ，而 在平衡状态下( 如化学平衡、溶解状态、相变过程等) 产生热力学型同位素效应【6 】。 含氮物质富集1 n 的能力为n 0 3 。( 液) n 2 一( 液) n 0 2 ( 气) n 4 + ( 液) n 2 ( 溶 解) n 2 ( 气) n h 3 ( 气) n o ( 气) ，在氮同位素平衡体系中，其分馏系数在1 0 9 9 0 0 1 0 0 0 6 3 2 山东建筑大学硕士论文 之间变化【2 1 。在动力学非平衡体系中，产生分馏作用的主要有挥发作用、硝化作用、反 硝化作用、离子交换作用和扩散作用，而矿化作用、同化作用和固氮作用过程中氮同位 素分馏作用较小。 1 2 3 氮循环过程中的同位素分馏 在自然界，氮元素以分子态的氮气和结合态氮的形式存在。通常情况下，水体中的 溶解态氮主要以n 2 、n 2 0 、n h 4 + 、n 0 3 一、n 0 2 一和有机氮等几种形式存在，存在形式不同 的n 之间相互转化形成了复杂的氮循环过程【7 1 。主要包括：矿化分解作用、同化作用、固 氮作用、硝化作用、反硝化作用、吸附解吸、挥发作用等。同位素分馏主要由轻重同位 素相对质量的差异导致，同时由于化学转化、物理运输等原因，氮循环过程都可能发生 同位素分馏。在微生物参与的生化反应中，分馏主要是由限制反应速率控制。中间反应 类型、反应物体积的大小、生物菌的种类、土壤p h 值等都是分馏系数的限制因素，因此 j 艮难准确确定分馏系数【8 】。 矿化作用：又称氨化作用，在微生物作用下，有机氮矿化为铵氮的过程。矿化作用 的分馏作用系数在1 + 1 之间。有机氮转化为硝酸盐的过程如果看作矿化，则分馏 系数为3 5 o 【9 1 。 同化作用：指将含氮化合物转化为有机氮的过程，主要包括吸收利用氨、亚硝酸盐、 硝酸盐的过程。在水体中，n 0 3 一转化为n h 4 + 生化反应耗能，所以微生物在吸收过程中优 先同化n h 4 + 【l o 】。同化作用过程中优先利用1 n ，导致氮同位素的分馏系数为( 2 7 o o ) 【l l 】。 固氮作用：指空气中的n 2 转化为其他形式氮的过程。固氮作用是生物所需氮的原始 来源，主要在细菌的参与下发生微生物固氮，同时闪电作用和越来越多的人类活动也导 致固氮作用。固氮作用引起的氮同位素分馏系数在3 + 1 之洲】。 硝化作用：在硝化细菌参与下将n h 4 + 氧化成n 0 3 一的过程。好氧微生物将n h 4 + 氧化为 n 0 3 一从中获取能量，中间产物为n o ，n 2 0 ，n 0 2 等。在施用氨肥的土壤中，硝化作用将 n h 4 + 氧化为n 0 3 一的氮同位素比剩余的n h 4 + 的同位素轻，导致残余n h 4 + 富集1 5 n ，中间反应 n h 4 + - - n 0 2 一速率较慢，这一过程产生分馏较大，n 0 2 乙n 0 3 一的速度较快，产生的分馏较 小，硝化作用导致的分馏系数在2 9 1 2 之剐12 1 。 反硝化作用：指在厌氧条件下将含氮的氧化物n 0 3 。或n 0 2 还原为n 2 0 或者n 2 。反硝 3 山东建筑大学硕士论文 化作用可以改变水体硝酸盐浓度，反应过程优先还原1 ，5 n 富集在残留的n 0 3 一中。 吸附解析作用：在颗粒物或其他物质表面发生的同位素交换，吸附、解析同位素分 馏作用较小。 挥发作用：水体表层流动导致n h 3 挥发后底物富集。5 n ，分馏系数为2 o 左右。 总之，生物体优先利用同位素1 氐，导致大部分由生物作用生成的同位素物质都比本 源的同位素轻【1 3 】。生物在氮形态转变过程中引起氮同位素的分馏，因此可利用氮同位素 变化特征来监测环境氮的来源及氮的迁移、转化等，对生物活动及氮循环提供反馈信息。 1 3 国内外研究进展 1 3 1 稳定氮同位素分析预处理方法的研究现状 目前水体中稳定氮同位素的测定方法主要采用质谱法，包括水样的预处理和质谱分 析两部分。水体中溶解态硝酸盐氮同位素分析的预处理方法包括水样的采集、硝态氮的 富集和硝态氮向氨态氮的转化。其预处理方法主要有蒸馏法、扩散法、离子交换色层法、 细菌反硝化法等。对于不同水体氮的预处理所采用的方法是不同的。由于预处理方法的 精确与否通常会影响氮素的分馏转化，进而影响质谱分析，是后续同位素质谱分析的基 础，所以水样的预处理十分关键。 氮同位素测定一般是将含氮物质转化为氮气进入质谱仪测量。近年来毛绪美等人利 用细菌反硝化法将缺乏n 2 0 活性酶的反硝化细菌加入水样中，在反硝化细菌作用下， 将硝酸盐转化成n 2 0 气体，并将分离纯化的n 2 0 气体送入气体质谱仪测定氮同位素的 组成【1 4 】。 1 3 1 1k i e l d a l l l 法( 蒸馏法) k j e l d a l l l 法是将水体中的有机氮与无机氮都消解成n 0 3 ，利用k j e l d a h l 蒸馏反应将硝 酸盐转化为铵盐，再进行分析测定。可用高浓度的h 2 s 0 4 、h c l 或h 3 8 0 3 酸化的滤纸，也 可用酸化的沸石吸附n h 3 【15 1 。土壤消化液或萃取液测定1 5 n 较早应用k j e l d a l l l 法，后期广泛 用于各种形态样品【1 6 】。但此方法操作费时且要有专门的设备和熟练的操作人员，同时对 于大体积水样冷藏保存和富集是不切实际的，且样品之间的交叉污染难以消除。 k i e l d a l l l 蒸馏设备大多由普通的硼硅酸盐玻璃组装而成，体积大且脆性高，不利于野 外应用，同时玻璃对n h 4 + - n 有较强的吸附力，在蒸馏过程中容易附着在玻璃壁上，引起 交叉污染，所以不同样品之间要清洗装置【1 7 1 。l i n d a u 等用稀h c l 、1 m o l l h f 和9 5 的乙 4 山东建筑大学硕士论文 醇清洗装置达到满意的效果 1 引。 1 3 1 2 扩散法 扩散法是近几年较为普遍的技术，对操作人员的技术要求低，时问需求短，样品制 备简单，使用一次性的容器可减少交叉污染1 7 】。水体中溶解性的无机氮可用扩散法进行 分离和富集。扩散瓶的选择经历了消化玻璃管，塑料样。；| ! j 容器、灌装瓶、盛酸化氟石的 锡燃烧囊等酸化收集器，目f j 扩散法多采用一次性无污染的聚丙烯容器【1 7 】。胡婧等【1 9 】 采用酸化的“三明治”扩散吸附包吸附氨气，取得了很好的效果。 由于同位素技术的任何污染将会引起同位素分馏，所以扩散法分析6 1 5 n 样品很复杂 。7 1 。扩散法要保证n h 3 完全从水相中分离出来以减小同位素分馏。碱性条件可以用m g o 或k o h 等碱性物质加入定氮合金使硝酸盐还原成铵盐，为了减少亚硝酸盐的生成，可以 加入氨基磺酸【1 7 1 。扩散速度和很多因素有关如增加p h 值、提高温度或增加样品溶液的表 面积，在溶液中增加特殊离子( k + 、n a + 、c 0 3 2 。、o h 一等) 均可提高扩散速度。 扩散法的扩散时间重翮生较差，b r o o k s 【2 0 1 等在室温( 2 2 ) 的静念条件下，用酸化纸作 收集器，扩散时间为6 d 。肖化云【2 1 】等采用扩散法对地下水中n 0 3 一一6 1 氐研究时，在5 0 的 条件下扩散l o 天氮的回收率在9 5 以上，且不会产生同位素分馏。c r i s t i n a 【1 5 】等在室温条 件下，采用一种新型快速的扩散方法，用2 5 m o l l 的k h s 0 4 酸化的玻璃纤维滤膜吸附n h ， 同时用净化的空气载体通过气体流量调节系统加速，扩散时间不超过1 5 h 。胡矧1 9 】等经 过实验得出最佳扩散条件为：1 5 0 m l 氯化铵溶液4 0 0 m l 扩散1 4 d ，氮的回收率在9 5 以 上，6 1 5 n 测定值的准确度和精密度均较好。 样品扩散不完全导致的同位素分馏是扩散法的首要问题，尤其是在处理低氮含量水 样时容易引起严重的误差【2 2 】，且耗时长。使用扩散法时应进行估算，同时测定的6 1 5 n 值 需要进行验证。 1 3 1 3 离子交换色层法 目前使用阴离子交换树脂来分离和富集n 0 3 一n 越来越普遍，其便于携带的优势，使 样品在野外富集成为可能【1 7 】。但离子交换色层法只限于淡水水样，通常用串连的方式组 合阴阳离子交换柱，阳离子交换柱先收集n h 4 + ，阴离子交换柱再收集n 0 3 一【1 6 】。在阴离子 交换过程中，水体中的n h 4 + 不被吸附，使铵态氮和硝念氮实现了分离，省掉了后续处理 中的除铵实验，避免了铵的本底值对硝酸盐氮的影响。 s i l v a 【2 3 1 在阴离子交换色层法的吸附干扰实验中得出1 0 0 0 m l 溶液中氯离子浓度低于 2 0 0 m l ，1 0 0 m l 水样硫酸根离子浓度低于2 0 0 0 m l 、d o c 浓度低于2 0 0 m l 通过柱子时 山东建筑大学硕士论文 硝酸盐氮不会导致同位素分馏。阴离子交换色层法对于低浓度的硝酸盐氮水样，要通过 大体积水样，这样积累的d o c 会阻塞树脂。实验室中通常将样品溶液组装在多个柱子上 或者通过用阳离子交换柱和阴离子交换柱串联先吸附d o c 【1 7 l 。在冷冻条件下将富集硝酸 盐氮的柱子带回实验室进行洗脱处理，s i l v a 用1 5 m l3 m o l l 的h c l 作为沈脱液，洗脱 率可以达到9 8 ，同时验证了不完全洗脱将会导致1 5 n 丰度值增加o 3 。陈惟财等【2 4 】应 用阴离子交换一扩散法对流域水体硝态氮1 n 进行同位素示踪法研究时，以k c l 与h c l 溶液 作为洗脱液，洗脱效率均能达到9 5 以上，但用h c l 洗脱时出现拖尾现象，所以选择 2 m o l l 的k c l 作为洗脱剂。 1 3 1 4 细菌反硝化法 细菌反硝化法的基本原理是：在一定浓度硝酸盐的水样中加入缺乏n 2 0 活性酶的反 硝化细菌，将水中硝酸盐全部转化成n 2 0 气体，分离纯化的n 2 0 气体通过气体质谱计测 定氮同位素组成。细菌反硝化法是硝酸盐氮同位素分析法中将生物和化学相结合的方法l 包括反硝化菌的选取与培养、反硝化菌将硝酸盐完全转化成n 2 0 、n 2 0 气体的提取与纯 化、n 2 0 气体氮同位素测定【2 5 1 。由于传统方法具有取样量大、前处理复杂、耗时长，且 样品在处理过程中易受到污染等特点，毛绪美【1 4 】等提出了采用细菌反硝化法来处理水样 中的硝酸盐。该方法避免了常规方法将n o 转化为n 2 的复杂过程，可分析低浓度微量水中 硝酸盐氮同位素组成，且预处理过程快捷可靠，可同时分析硝酸盐中的氧同位素组成【2 6 1 。 细菌反硝化法存在一定的缺陷，由于n 2 0 气体和c 0 2 气体分子量相同，质谱测定时很 难分清两种气体分子，容易使氮同位素测定值偏低；同时实验中所需的反硝化细菌需要 较高的条件培养，n 2 0 气体的收集与储存对实验仪器和实验技能要求较高，国内应用此 方法研究水体氮同位素分析的很少【1 7 】。 1 3 2 稳定氮同位素测定方法的研究现状 测定n 0 3 - n 同位素的方法有很多，如真空热解法、真空球磨法、k j e l d a l l l m t t e n b e r g 法和还原热解法等，主要应用质谱法测定；还有正热电离质谱法、负热电离质谱法、发散 光谱法等可以测定硝酸盐中的1 5 n 值，但精确度较低。根据分析精度要求，目前主要应用 气体质谱法测定n o 。一中氮同位素组成，将硝酸盐还原成氮气并进行质谱测定【2 7 1 。 1 3 2 1r i t t e n b e r g 法 r i t t e l l b e r g 法，又称为化学湿法，由m t t e l l b e 唱与合作者共同发明并在医学上应用。 6 山东建筑大学硕士论文 此种方法首先通过蝎e l d a h l 法或扩散法将样品中各种形态的n 转化为铵氮1 1 6 】。r i t t e n b e 玛 法使用一种y 型管，将干燥样品和次溴酸钠或次溴酸锂溶液分别放在管的两个臂内。 溶液要冷冻并且在反应前两次倾斜管子去除溶解在空气中的气体，但是容易浪费时问并 且能导致提前反应。旋转y 型管次溴酸盐溶液与样品反应【17 1 。反应如下： 2 n h 3 + 3 0 b r o3 b r 一+ 3 h 2 0 + n 2 产生的n 2 经低温纯化后引进质潜仪。目自仃次溴酸盐大多放在容器中，储存器用h e 气 净化以除去大气中的n 2 ，并且用于多种反应，因此减少样品的处理时间【2 8 】。 现在n h 4 + 转化为n 2 多采用a r a 法( a u t o m a t e dr i t t e n b e r g a m a l y s i s ) ，a r a 法使用自 动进样器进样【2 0 1 。用次溴酸盐氧化n h 4 + n 时，一般用h e 气排除样井中空气的干扰。a r a 法的缺点在于不适于处理含氮量低的样品，含氮量在2 0 0 “g 以上，转移后需要在5 0 6 0 下密封保存或运输。当a r a 法与扩散法连用时，用玻璃纤维酸性收集器吸附n h 4 + ，使用 h f 溶液溶解玻璃纤维物质要比j 下常情况下高出5 8 以上【2 9 1 。 1 3 2 2 燃烧法 燃烧法是另一种可以将n h 4 + 转化为n 2 的方法，主要有d u m a s 燃烧法、a n a ( a u t o m a t e d n i 仃o g e l la n a l y s 哪法【3 0 1 、中温催化燃烧法【3 l 】和d e l t ap 1 u s 法【3 2 1 1 d u m a s 燃烧法 d u m a s 燃烧法的基本原理是在真空状态下将样品与c u o 一起加热使样品n 转化为n 2 和氮的氧化物，再在加热条件下用c u 还原氮的氧化物为n 2 【16 1 。d u m a s 燃烧法一般只能测 定样品中总氮的6 1 5 n 值，因此要测定某种形念氮的6 1 5 n 值，应先进行样品分离【1 7 1 。以前 在5 5 0 6 5 0 中温条件下燃烧样品，以致n 0 3 一不能完全转化为n 2 【3 3 1 。当提高燃烧温度 至8 5 0 ，燃烧2 h 可转化完全，也可采用中温条件并延长燃烧时间的方法改变燃烧效果 【3 4 】 o 1 9 9 0 年k e n d a l l 【3 5 】等采用c a o 密封管燃烧技术使燃烧后气体的纯化和浓缩过程得到 了简化。他将c a o 、样品、c u o 及铜粒加入燃烧管中一起燃烧，c a o 吸收了燃烧过程中 产生的h 2 0 、c 0 2 、h c l 和其他产物，可以直接进入质谱分析。近年来国内外有很多采 用此方法来对氮同位素进行预处理，1 9 9 6 年n i c h o l a s 等【2 7 】采用密封管燃烧技术验证了此 方法和次溴酸盐氧化具有相同的精度，可应用于许多水文地质工作的实验室履行常规的 水样检测。应用离线燃烧法检测6 1 5 n ，可以简单快速的成批处理样品【1 7 】。2 0 0 1 年周爱国 等采用密封管燃烧法对硝酸盐中氮氧同位素进行测试【3 6 】；2 0 0 4 年蔡德陵等对无定河流域 7 山东建筑大学硕士论文 碳氮稳定同位素的调查研究时，采用了c a o 密封管燃烧法【3 7 1 。 2 a n a 法 a n a 法的设备主要由元素分析仪组成。由于可同时分析氮和碳同位素，又称作a n c a 法【3 引。a n a 法与扩散法连用时，可测定6 1 5 n 和样品中的总氮。在元素分析仪中用纯氦作 载气，在含c r 2 0 3 和镀银c 0 3 0 4 的石英燃烧管内样品与纯氧脉冲燃烧转化为n 2 ，有效燃烧 温度为1 7 0 0 。燃烧后的产物转移到另一石英管中。在6 5 0 时管中的c u 将氮的氧化物 还原为n 2 并去除多余的0 2 。用m 甙c 1 0 4 ) 2 干燥还原的气体，气相色谱分离n 2 和c 0 2 。由热 导检测仪分析纯化后n 2 的含氮量，然后经质谱分析6 1 5 n 值。 3 中温催化燃烧法 以上两种燃烧法都各有利弊，d 啪a s 燃烧法在高温下燃烧需要用石英管做燃烧管， 对实验的进行增加了困难；a n a 法虽然简便快捷，但需配备元素分析仪。由此可见，控 制燃烧温度是关键因素。催化剂的使用降低了反应温度。竖亩了反应的安全性，产生的 有害副产物( 如n o x ) 较少，且在低氧条件下可完全氧化，同时不受水蒸气的影响【1 6 1 。但 催化剂的选择没有一个很好的标准，普通的d u m a s 燃烧法采用了银箔做催化剂，但效果 不是很明显【1 7 】。r e v e s z 【3 1 】用p d 和a u 作催化剂，因为p d 和a u 可以促进n 2 0 的分解和c o 的 氧化。在5 2 0 的条件下用石墨还原l ( n 0 3 ，使来自硝酸钾的n 和。的定量转化成了c 0 2 、 k 2 c 0 3 和n 2 ，减少有害的c o 、n 2 0 、n o 、n 0 2 等气体的生成。但由于存在少量难以去除 的c o 气体干扰n 2 ，精确分析时需用d 啪a s 燃烧法处理生成的n 2 才能作质谱分析6 1 5 n 。在 除去痕量的c o 后，6 1 5 n 的重现性达到士o 1 ，因此简单而且精确的理想中温催化燃烧法 有待进一步的研烈1 7 1 。 4 d e l t a p l u s 法 f i 彻远a i l 公司生产的d e l t ap l u s ，可以进行稳定同位素c 、h 、o 、n 、s 同位素气体 的分析。目前该仪器与元素分析仪、气相色谱连接，利用元素分析仪作为制备系统，可 直接进行固体物质如植物、土壤等的c 、n 同位素测定，利用气相色谱作为制备系统可进 行一些有机物质的c 、n 稳定同位素测定【1 7 1 。仪器可用于测定c 、n 、o 、s 和h 的各种 同位素的比例。2 0 1 0 年g a u t 锄等【3 2 1 利用此方法对美国爱荷华州流域的氮污染问题进行了 研究，得出污染源主要来自化肥和土壤有机氮。实验中与之接口的仪器是n c 2 5 0 0 元素分 析仪，样品在铬和铜的氧化物存在下在l 0 0 0 燃烧，同时在6 5 0 时用铜线将硝酸盐氮还 原成n 2 ，用m 甙c 1 0 4 ) 2 干燥气体，进入3 m 高的气相色谱柱分离的n 2 ，经同位素质谱仪分 析，整个过程用高纯度氦做载气，取得了较好的效果【1 7 】。 8 山东建筑大学硕士论文 1 3 2 3 正热电离质谱法 币热电离质谱法可同时测定硝酸盐中氮、氧同位素组成，快速简捷。硝酸盐经过c s 一 型阳离子交换树脂的浓缩通过涂样进行测定。在处理过程中硝酸盐未参与反应，避免了样 品与外来氮、氧的污染和同位素分馏的影响【3 9 】。v g 3 5 4 热电离质谱仪是种单聚焦9 0 。 扇彤偏转磁场。单次可装样1 6 个，仪器由计算机控制。抽真空至3 - 4 1 0 p a 后，利用单 接收峰跳扫法测定c s 2 n 0 2 + 【矧。 1 3 2 4 负热电离质谱法 负热电离质谱法在测定硝酸根电离时产生的n 0 2 一和n 0 3 一中n 的同位素的组成上应用 较广泛。其测定的n 0 2 一离子质量数低，同位素分馏的影响使测定精度提高困难。w o l l f 【4 1 j 反向同位素稀释法富集硝酸盐氮，应用负热电离质谱法测定1 5 n 的丰度值，利用合成同位 素的混合物测定质量分馏过程，同时介绍了一种标准参考物质i i w m 6 2 7 的同质性、稳 定性和杂质的组成。负热电离质谱法适用于农业、土壤、生物的研究，但是同时遭受它 们的非特异性选择。 1 3 2 5 发散光谱法 发射光谱发也曾被用于n 2 中1 5 n 丰度的测定。主要根据发射谱线的强度正比于相对应 的分子的数量，通过分别测定2 8 n 2 、2 9 n 2 、3 0 n ：的发射谱线的强度，得出1 氐丰度。该方 法主要应用原子吸收或者发射光谱仪，成本低，所需样品量少，是普通实验室替代质谱 法的主要方法。但是精度较低，测天然丰度样品时，相对标准偏差为6 左右，测量结 果高于真值【4 2 1 。为了提高精度，人们在误差分析和修正上做了很多工作。p e r s c h k e 等采 取修正光谱带基线的方法等以质谱值为标准对光谱值作逐点修正【删朱亚一【4 5 1 依据发 射光谱法系统误差产生的机理，推出了四级近似的修正误差算式。 1 3 2 6 有机质谱法 有机质谱法起步虽晚，但发展却异常迅速，是有机化合物结构分析的真实根据之一。 其原理是应用化学电离有机质谱测定( m + 1 ) + 和m + 的峰强度比，然后计算出1 5 n 1 4 n 的比 值【4 2 1 。主要是将还原的n h 3 与有机化合物反应，制备成固体衍生物，将n 转移到固相中， 方便异地测量。该方法的优点是不需要各种气体纯化和吸收处置设备。但是该法的测量 精度较低，不适于高精度的测量。 9 山东建筑大学硕士论文 1 3 3 应用稳定氦同位素分析法的研究现状 应用稳定氮同位素分析法的研究国内起步较晚，主要有氮同位素分析法，氮、氧同 位素分析法，多种同位素分析法。 1 3 3 1 氮同位素分析法 2 0 0 1 年毕二平f 删等人利用氮同位素分析技术研究石家庄市地下水氮污染，发现该 地区地下水中n 0 3 。n 主要来源于粪便、垃圾渗滤液和土壤有机氮矿化。地下水的开采 和污水灌溉等人类活动加速了地下水中n 0 3 一- n 浓度的升高。氮污染与硬度指标有一定 的关系，在迁移转化方面又有着自己独立的特征。 2 0 0 4 年张翠爿4 7 】等利用氮同位素分析技术研究张掖市地下水污染源，发现该区西 北部灌溉区大部分浅层水中n 0 3 1 5 n 值在+ 9 + 1 4 之间，同时n 0 3 一和n h 4 + 的浓度 均很大，说明地下水中的硝酸盐氮主要来源于灌溉区的污水；城区南部、西部的地下水 中硝酸盐氮来自土壤有机氮矿化；东部灌溉区浅层水中的硝酸盐氮主要来源于动物粪便 和生活污水。 2 0 0 4 年肖化云f 4 8 】等应用氮同位素分析法研究红枫湖季节性氮污染时，得出结论输 入河流的类型不同，其氮含量和氮同位素组成存在差异，同时全年输出河流的氮平均含 量在农业、工业污染输入河流和工业废水三者混合氮的范围内，说明红枫湖还存在其他 的氮输出。 2 0 0 5 年李思亮【4 9 】等应用6 1 5 n 的丰度值评估了贵阳市地下水中氮的分布、来源和迁 移转化。发现丰水期内地下水中硝酸盐主要受混合作用控制，与之不同的枯水期内地下 水中溶解氧与6 1 5 n 呈负相关，主要受土壤有机氮的影响，同时可能存在反硝化。 2 0 0 5 年毛绪美【1 4 j 等首先将细菌反硝化法应用于硝酸盐氮同位素分析上，与常规方 法相比其优点是，细菌反硝化法可分析低浓度水中硝酸盐氮同位素，且处理过程可靠。 2 0 0 5 年张翠云等【5 0 1 利用氮同位素技术对石家庄地下水硝酸盐氮污染源进行了分 析，得出了石家庄市地下水硝酸盐潜在污染源6 1 5 n 的值域。化肥源为一4 + 6 ，粪便 或含粪便的污水源为+ 8 讲2 5 ，而化肥与粪便的混合源为+ 6 + 8 。 2 0 0 6 年金赞刊5 1 1 等利用氮同位素分析法识别地下水中氮污染源，介绍了氮污染源 不同，氮同位素值就不同。雨水的6 1 氐值偏低为1 0 8 + o 2 l ；生活污水的6 1 5 n 值偏高为+ 1 o + 1 7 。 2 0 0 8 年唐艳凌【5 2 】等在湿地生态系统中应用氮同位素分析技术，在概述稳定氮同位 l o 山东建筑大学硕士论文 素分析原理和湿地脱氮过程的基础上，从脱氮驱动机制、限制因