（分析化学专业论文）水体中总氮测定方法的研究.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 总氮是反映水体所受污染程度和湖泊、水库水体富营养化程度的重要指标之 一，准确测定水体中总氮是非常重要的。本文分析了国家标准方法碱性过硫酸钾 一紫外分光光度法测定水体中总氮( g b l l 8 9 4 8 9 ) 存在的问题，优化消解环境， 并结合酚二磺酸分光光度法测定硝酸盐提出一种新的准确测定水体中总氮方法。 新方法测定标准样品，回归方程为彳= 0 0 0 1 l + 0 3 9 6 2c ，相关系数厂为0 9 9 9 9 ， 摩尔吸光率为4 0 4 x 1 0 4 l m o l - 1 c m - 1 ，检出限为0 0 2 m g l ，回收率在9 8 至1 0 2 之间，r s d 均小于5 。实验证明，新方法大大地提高了测定的准确性及稳定性， 且灵敏度、准确度、精密度等均令人满意。 本论文的研究成果主要有以下几部分： 1 实际应用中发现国标法碱性过硫酸钾一紫外分光光度法测定水体中总氮 ( g b l l 8 9 4 8 9 ) 中存在使用比色管，磨口塞不易打开，而且有可能弹出；使用 压力蒸汽消毒器或民用压力锅为消解容器，温度难于控制，稳定性较差；消解过 程中样品中n h 4 + 一n 易以氨气形式逸出，使测试的准确性、稳定性及重现性降 低；消解不彻底、氧化剂分解不彻底都会影响吸光度的测定；双波长测定重现性 差，测定结果偏大等缺点。 2 采用高压反应釜替代比色管作为消解容器，发挥其密闭性好的特点，大 大地改善了消解环境，提高了转化率，且试验的精密度及准确度均有所提高。实 验结果表明，温度是消解的关键因素，高压反应釜放入烘箱或医用手提蒸气灭菌 器中结果相差不大。 3 基于碱性过硫酸钾消解一紫外分光光度法测定水体中总氮和酚二磺酸分 光光度法测定硝酸盐氮对水中总氮的测定提出新方法。采用高压反应釜代替比色 管，优化消解环境，再用酚二磺酸分光光度法测定消解液中的硝酸盐氮，从而准 确测定出不同水样中的总氮。采用新方法对水样中总氮进行测定，实验结果表明， 新方法的灵敏度、线性关系、相对误差均符合环境监测技术规定要求。采用本方 法优化了消解过程，提高了测定的准确性、稳定性和工作效率。 关键词总氮，酚二磺酸分光光度法，测定，研究 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t t o t a ln i t r o g e ni sa l l i m p o r t a n ti n d i c a t o rw h i c hr e f l e c t sp o l l u t i o n c o n c e n t r a t i o no fw a t e rb o d i e sa n dl a k e s 。r e s e r v o i r se u t r o p h i c a t i o n ，s o a c c u r a t ed e t e r m i n a t i o no ft o t a ln i t r o g e ni nw a t e ri sv e r yi m p o r t a n t i nt h i s p a p e r , e x i s t i n gd e f e c t so ft h en a t i o n a ls t a n d a r dm e t h o do fa l k a l i n e p o t a s s i u mp e r s u l f a t ed e g i s t i o n u vs p e c t r o p h o t o m e t r i c f o rt h e d e t e r m i n a t i o no ft ni nw a t e r ( g b118 9 4 - 8 9 ) w e r ea n a l y s e d ，d i g e s t i o n e n v i r o n m e n tw a so p t i m i z e da n dan e wa c c u r a t em e t h o df o r t h e d e t e r m i n a t i o no ft h et o t a ln i t r o g e ni nw a t e rw a sp r o p o s e dc o m b i n i n g s p e c t r o p h o t o m e t r i cm e t h o dw i t hp h e n o ld i s u l f o n i ca c i d i ti ss h o w nt h a t t h er e g r e s s i o n e q u a t i o n i sa = 0 0 0 11 + 0 3 9 6 2c ，t h ec o r r e l a t i o n c o e 伍c i e n tri s0 9 9 9 9 ，t h em o l a ra b s o r p t i o nc o e f | f i c i e n ti s4 0 4 x10 4 l t o o l - 1 c m 1 ，t h ei d e n t i f i c a t i o nl i m i ti s0 0 2m g l ，t h ea v e r a g er e c o v e r yi s 9 8 10 2 ，a n dt h er e l a t i v es t a n d a r dd e v i a t i o n so ft h e ma r ea l lu n d e r 5 i nn e wm e t h o d i ti ss h o w nt h a tt h en e wm e t h o d g r e a t l yi m p r o v e dt h e a c c u r a c ya n ds t a b i l i t yo ft h ed e t e r m i n a t i o n , a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f s e n s i t i v i t y ，a c c u r a c y ，p r e c i s i o na r er e m a r k a b l e i nt h i sp a p e r , t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l tc o n t a i n st h r e ea s p e c t sb e l o w ： 1 t h ea l k a l i n e p o t a s s i u mp e r s u l f a t ed e g i s t i o n u v s p e c t r o p h o t o m e t r i cm e t h o d ( g b 118 9 4 8 9 ) i sa d o p t e dt od e t e r m i n et ni n w a t e rb o d i e sn o w t h r o u g ht h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，m a n ys h o r t c o m i n g s w e r ef o u n d s u c ha s ，b yu s i n gc o l o r i m e t r i ct u b e ，t h eg r i n d i n gm o u t h c y p r i o ti sd i f f i c u l tt oo p e na n dm i g h tb ep o p e du p ；t e m p e r a t u r ei sd i f f i c u l t t oc o n t r o la n di si n s t a b l eb yu s i n gp r e s s u r es t e a ms t e r i l i z e ro rc i v i l i a n p r e s s u r ec o o k e r sa st h ed i g e s t i o nv e s s e l ；n h 4 十ni se a s yt oe s c a p eb y f o r mo fa m m o n i aw h i c hm a k et h ea c c u r a c y , s t a b i l i t ya n dr e p r o d u c i b i l i t y o ft h et e s tr e d u c e di nd i g e s t i o np r o c e s s ；u n t h o r o u g h l yd i g e s t i o na n d o x i d a n td e c o m p o s i t i o nc a na f f e c tt h ed e t e r m i n a t i o no fa b s o r b a n c e ，t h e r e p r o d u c i b i l i t yo ft h ed e t e r m i n a t i o nb yd u a l w a v e l e n g t hi sp o o ra n d r e s u l t sa r eb i g g e rt h a nt h et r u ev a l u e ，a n ds oo n 2 b yu s i n gh i 曲一p r e s s u r er e a c t o ra st h ed i g e s t i o nc o n t a i n e r s ，i th a da g o o dp e r f o r m a n c ei no b t u r a t i o n ，s ot h ei m p r o v e m e n td r a m a t i c a l l y a m e l i o r a t e dd i g e s t i o ne n v i r o n m e n ta n dt h ec o n v e r s i o nr a t e ，a n dt h e p r e c i s i o na n da c c u r a c yo ft e s tw e r ei m p r o v e d i ti ss h o w nt h a tt h e i i 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t e m p e r a t u r ei st h ek e yf a c t o ri nd i g e s t i o n ，a n dt h e r ei sl i t t l ed i f f e r e n c e b e t w e e nt h er e s u l t so fh i g h p r e s s u r er e a c t o rp u ti ns t e a mo v e no r p o r t a b l e m e d i c a ls t e r i l i z e r 3 an e wm e t h o dw a sp r o p o s e db a s e do nt h ea l k a l i n ep o t a s s i u m p e r s u l p h a t ed i g e s t i o n s p e c t r o p h o t o m e t r i cm e t h o df o rt h ed e t e r m i n a t i o n o ft ni nw a t e ra n ds p e c t r o p h o t o m e t r i cm e t h o dw i t hp h e n o ld i s u l f o n i c a c i df o rd e t e r m i n a t i o no fn i t r o g e n ，n l en e wm e t h o da p p l yh i g h - p r e s s u r e r e a c t o rr e p l a c i n gt h ec o l o r i m e t r i ct u b et oo p t i m i z ed i g e s t i o ne n v i r o n m e n t ， t h e nd e t e r m i n et h en i t r a t ei nd i g e s t i o nl i q u i db yu s i n gs p e c t r o p h o t o m e t r i c m e t h o dw i t hp h e n o ld i s u l f o n i ca c i d ，t h u si tc a nd e t e r m i n et l qi nd i f f e r e n t w a t e r s a m p l e sa c c u r a t e l y i t i ss h o w nt h a tt h e s e n s i t i v i t y , l i n e a r r e l a t i o n s h i pa n dr e l a t i v ee r r o ro fn e wm e t h o dc o m p l yw i t ht h et e c h n i c a l r e q u i r e m e n t so fe n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g i to p t i m i z e st h ed i g e s t i o n p r o c e s sa n di m p r o v e st h ea c c u r a c ya n ds t a b i l i t yo ft h ed e t e r m i n a t i o n a n d a n de f f i c i e n c yo fw o r k k e yw o r d s ：t o t a ln i t r o g e n ，s p e c t r o p h o t o m e t f i cm e t h o dw i t h p h e n o ld i s u l f o n i ca c i d ，d e t e r m i n a t i o n ，r e s e a r c h i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：聱至塾 作者签名： 幺已：垂丝 嗍吐姓月学日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者躲珏师签名斗嗍一年上月孚日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 总氮是指水体中各种形态的氮( 氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮和各种有机态 氮) 的总量，是反映水体所受污染程度和湖泊、水库水体富营养化程度的重要指 标之一水体中含氮量的增加将导致水体质量下降。特别对于湖泊、水库水体， 由于含氮量的增加，使水体中浮游生物和藻类大量繁殖而消耗水中的溶解氧，从 而加速湖泊、水库水体的富营养化和水体质量恶化。 1 1 氮污染的来源、原因分析及危害 1 1 1 水中氮的存在形态与循环转化 天然水中的氮，主要以溶解的氮气( n 2 ) 、铵( n h 4 + ) 、亚硝酸盐氮( n 0 2 一) 、 硝酸盐氮( n 0 3 一) 及有机氮等形式存在。其中溶解的无机氮( 氨和硝酸盐氮) 是可被植物直接吸收的最重要形式，溶解性有机氮常常占总溶解氮的一半以上。 水中溶解的无机氮和有机氮，一部分被水生生物( 初级生产者) 所摄入后，沿捕 食它的第一消费者( - - 级生产者) 向更高级的消费者传递。在此过程中，各生物 产生的分泌物、排泄物或分解产物在受到细菌分解的同时，又将氮回复到水中及 堆积物中。同时，未被初级生产者摄取的另一部分氮则通过物理的、化学的、生 物的作用，逐渐沉降至水体底泥中，底泥中的氮可被微生物直接摄入利用，进入 食物链，参与水生态系统的循环，同时也可在适当条件下，从底泥中释放出来进 入水中参与再循环。另外，微生物及蓝、绿藻可从大气中固氮，同时微生物又可 把土壤和水中的氮还原给大气，即发生固氮和脱氮作用。 硝化作用：n i u + 通过自养型生物氧化为n 0 3 - 的过程叫做硝化过程，也叫硝 化作用。常遇到的硝化细菌是亚硝化毛杆菌属和硝化杆菌属。虽然异养型细菌可 以使n i - h + 氧化成n 0 3 一，但自养型细菌比异养型细菌所产生的硝化速率大1 0 2 1 0 4 倍。所以说，硝化作用不需要有机质作为能源，硝化细菌细胞合成所需的碳 源可从无机碳源( 如c 0 2 和h c 0 3 - ) 获得。在大多数情况下，亚硝化菌和硝化 菌同时存在，每克土壤可达数千个。 硝化作用分为两个阶段：第一阶段是n h 4 + 氧化为n 0 2 一，第二阶段是n 0 2 一 氧化为h n 0 3 一。 n i - u + 氧化为n 0 2 一可表示为：n h ：+ 1 5 0 2 2 w + h 2 0 + n 0 2 一+ 能量 n 0 2 一氧化为n 0 3 一可表示为：n 0 2 一+ 0 5 0 2 一n o a 一+ 能量 概括说来，硝化过程是一个需要亚硝化菌和硝化菌参加，并消耗氧的一个生 物氮化过程，是一个释放能量的反应。 反硝化作用：使n 0 3 一n 通过微生物还原为分子氮( n 2 ) 或氧化亚氮( n 0 2 ) 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 形式的气态氮的过程称为反硝化过程，或反硝化作用。参加反硝化过程的微生物 通常是异养型细菌，但是某些自养型细菌也能还原硝态氮，凡是参加反硝化作用 的细菌统称为反硝化菌。由于反硝化菌以异养型菌为主，故其细胞合成需有机碳 作为能源，它是在厌氧环境下繁殖的。n 0 3 一n 的生物还原过程有一系列的中间 产物：n 0 2 一，n o ，n 2 0 和n 2 。反硝化过程的一个基本特点是n 0 3 一起到一个电 子接受体的作用，n 0 2 - 和n 2 0 也可以起到同样作用。以下列三个反应表示： 2 n 0 3 - + 1 0 i - r n 2 + 4 h 2 0 + 2 0 h 一 2 n 0 2 一+ 6 h * 一n 2 + 2 h 2 0 + 2 0 h n 2 0 + 2 h 2 一n 2 + h 2 0 上述反应中的矿来自于有机物的氮化。土壤中主要反硝化产物n 0 2 一、n o 、 n 2 0 和n 2 的比例取决于p h 值。当p h 7 时，n 2 0 可迅速还原为n 2 ；当p h 0 1m i l l ；s l i t ，4n n l 。 总氮的检出限为0 0 2m g l ，该方法操作简捷、检测限低、线性范围宽、结 果准确，用于环境水中总氮分析测定，效果令人满意。 1 2 4 离子色谱法 方法原理是将水样中含氮化合物的氮元素转化为硝酸盐，待测阴离子随碳酸 盐一重碳酸盐淋洗液进入离子交换系统，根据分离柱对阴离子的不同亲和度进行 分离。由电导检测器测量各阴离子组分的电导率，以相对保留时间和峰高或峰面 积定性和定量，通过测定n 0 3 - 的浓度计算总氮。以n a 2 c 0 3 一n a h c 0 3 溶液作淋 洗液，用i o n p a cc s 5 分离柱，本方法检出限为0 0 3m g l 。n 0 3 一的测定通常用电 导检测器测定，但由于消解中加入的碱性过硫酸钾使水样中s 0 4 2 。浓度较高，s 0 4 2 的紫外吸收较弱，而n 0 3 - 则有较强的紫外吸收，因此选用紫外检测器，检测波 长为2 0 5i l i i l 瞰 2 5 1 。 9 中南大学硕士学位论文第一章绪论 该方法具有较高的灵敏度和准确度，重复性好，操作简便等特点。 1 2 5 气相分子吸收光谱法 在1 2 0 。c , - , 1 2 4 c 碱性介质中，加入过硫酸钾氧化剂，将水样中氨、铵盐、 亚硝酸盐以及大部分有机氮化合物氧化成硝酸盐后，以硝酸盐氮的形式采用气相 分子吸收光谱法进行总氮的测定【2 6 1 。范围，本标准适用于地表水、水库、湖泊、 江河水中总氮的测定。检出限0 0 5m g l ，测定下限0 2 0m g l ，测定上限1 0 0m g l 。 1 2 6 麝香草酚分光光度法 原理是水样中加入碱性过硫酸钾溶液，在高温高压条件下，可使水样中含氮 化合物的氮元素转化为硝酸盐，而硝酸盐和麝香草酚在浓硫酸溶液中形成硝基酚 化合物，在碱性溶液中发生分子重排，生成黄色化合物，比色定量 2 7 2 引。其方 法的精密度及准确度均符合方法学的要求，相同样品经原法及本法对比分析，差 异无统计学意义。表明此方法完全能满足水体中总氮含量的分析要求。 1 2 6 流动注射分析法 原理：此方法基于应用在线的紫外催化碱金属过氧硫酸盐方法将各种含氮化 合物消解为硝酸根离子。样品在紫外光照射下加热到1 0 0 后，过硫酸盐将含 氮化合物氧化为硝酸根离子，同时由于过硫酸盐的分解，样品的p h 值会由9 1 变为3 左右。样品被消解以后泵入注入阀并被注入f i a 分析箱，经过一个镀铜的 镉柱后n 0 3 - 被还原为n 0 2 一。亚硝酸根离子在酸性条件下与磺胺发生重氮化反应 生成重氮离子。重氮离子随后与萘乙二胺盐酸盐偶联，形成粉红色产物，其最大 吸收峰为5 4 0n l n 。系统以采集到的标准溶液的信号和其浓度，计算出标准曲线。 利用此曲线的系数，可以计算出水样中所含的总氮浓度 2 9 o l 。 1 2 7 燃烧氧化一电化学传感器法 采用m i c r oc n 型t o c 分析仪，用注射器将样品注入高温炉中，在通入纯 氧气和催化剂存在的情况下，将样品中各种形态( 单质态氮除外) 的氮转化为 n o ，用电化学式n o 传感器测定生成的n o ，从而测定总氮的含量【3 。该仪器 具有同时测定总有机碳和总氮的功能，测定操作简单，不需配制任何试剂溶液， 测定速度快，4m i n 左右即可完成一次测定。 l o 中南大学硕士学位论文第一章绪论 僵 图1 2m i c r oc n 型t o c 分析仪工作原理示意图 1 2 8 光催化氧化一分光光度法 半导体光催化氧化是高级氧化技术( a o p ) 的一种，它利用光生强氧化剂得 到中间体羟基自由基o h ，氧化电位高达2 1 8v 以上，远远高于过硫酸盐的2 1 0 v ，因而对试样具有很强的氧化降解能力，可将有机污染物彻底降解为c 0 2 和 h 2 0 等小分子。在众多的半导体中，超细t i 0 2 由于具有活性高、无毒、廉价、 无二次污染等特点，已成为最有前途的光催化剂之一。采用t i 0 2 光催化氧化技 术，结合专门设计的微型光催化反应器，将各类典型含氮物质降解为n 0 3 - , 再用紫 外分光光度法进行测定，并与g b l l 8 9 4 8 9 的测定结果进行对照，以评定该法测 定总氮的可行性和可靠性1 3 2 q 引。 图1 3 微型光催化氧化反应器 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 9 高温氧化一化学发光检测法 总氮浓度与化学发光的强度呈良好的线性关系，线性区间为0 0 5 - 一1 0 0 m g l 。 对真实水样采用本方法进行测定，其结果与国标方法相符，回收率在9 0 1 1 0 之间。以本方法为工作原理的t n 2 0 0 0 型总氮测定仪可用于地表水质及污水的在 线监澳t j e 3 4 j 。 样品通过自动进样器注入总氮测定仪中，由载气带入高温炉氧化，其反应过 程如式( 1 1 ) 所示。在超过9 5 0 的高温下，样品被完全汽化并发生氧化裂解， 反应生成物包括c 0 2 、h 2 0 、n o 及其它氧化物( 以下用m o x 表示) 。样品中的 含氮类化合物定量的转化为n o ，反应产物由载气携带，经过膜式干燥器脱去 其中的水份，进入反应室。由式( 1 2 ) 可知，在反应室内n o 与来自臭氧发 生器的0 3 气体发生反应，转化为激发态的n 0 2 ，当激发态的n 0 2 跃迁到基态 时发射出光子。所发射的光子强度由光电倍增管按特定波长进行检测，其强度与 样品中的总氮含量成正比，故可以通过测定化学发光的强度来测定样品中的总氮 含量。 r n + 0 2 一n o + c 0 2 + h e o + m o x n o + 0 3 一n 0 2 + 0 2 1 2 1 0 微波消解一电极法 式( 1 1 ) 式( 1 2 ) 采用微波密封消解和硝酸根电极法相结合的方法，家用微波炉密封消解水 样，消解条件为：功率6 4 0w ，消解时间7m i n 。缩短了测定水体中氮含量的时 间，提高了分析效率 3 5 - 3 6 】。 以上是国内外主要采用的测定总氮的方法。可以了解到，通常采用的检测方 法是碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法( g b l18 9 4 8 9 ) 测定总氮。在实际操作中， 我们可以依据实际分析的实际需要，在条件允许的情况下，选择最为准确的方法 进行水中总氮的测定。 1 3 硝酸盐的测定方法 1 3 1 酚二磺酸分光光度法( g b 7 4 8 0 一8 7 ) 酚二磺酸分光光度法原理是硝酸盐在无水情况下与酚二磺酸反应，生成硝基 二磺酸酚，在碱性水溶液中( p h 为8 1 2 ) 生成黄色化合物，于4 1 0a m 波长 处进行分光光度测定。本方法适用于测定硝酸盐氮浓度范围在0 0 2 - - 2 0m g l 之 1 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 间。水中含氯化物、亚硝酸盐、铵盐、有机物和碳酸盐时可产生干扰，含此类物 质时应作适当的前处理以消除对测定的影响【3 7 l 。 1 3 2 还原法 1 3 2 1 镉柱还原法 原理同于1 2 2 的还原一偶氮比色法测定水中的总氮。镉还原剂能还原水中 硝酸盐成为亚硝酸盐，连同水样中原有的亚硝酸盐与对氨基苯磺酰胺重氮化，再 与盐酸n 一( 1 一萘基) 一乙二胺偶合，形成玫瑰红色偶氮染料，用分光光度法 测定，减去不经还原柱的水样，用同法测得的亚硝酸盐，得出硝酸盐的含量( 以 n 计) 1 3 8 】。 1 3 2 2 锌还原法 利用硝酸盐在乙酸酸性中可被金属z n 还原为亚硝酸盐，用检测亚硝酸盐的 方法来检测硝酸盐，结果减去用同法测得的亚硝酸盐即可。本方法不经稀释直接 还原，可测的定浓度范围：0 0 2 - - 4 o o m e c l 的硝酸盐和亚硝酸盐总量( 以n 计) 。 将水样稀释可使测定范围扩大。在p h 值为1 7 以下，水中亚硝酸盐与对氨基苯 磺酰胺重氮化，再与n e d d 试剂产生偶合反应，生成玫瑰红色偶氮染料，比色 定量【3 9 l 。 1 3 2 3 硫酸肼还原法 以硫酸铜和硫酸肼作为催化剂和还原剂，将水中硝酸盐还原为亚硝酸盐，经 对氨基苯磺酰胺重氮化，再与二盐酸一1 一萘乙二胺偶合，形成玫瑰红色偶氮染 料，比色定量 4 0 4 1 1 。 1 3 3 紫外分光光度法 紫外分光光度法是直接取适量水样于锥形瓶或烧杯中，分别加入适量硫酸 锌、氢氧化钠溶液进行预处理，再取适量于比色管中，在2 2 0 型紫外分光光度计 上，用光程长le m 的石英比色皿，在2 2 0n l n 和2 7 5n l n 波长处测定吸光度值， 将差值吸光度对硝酸盐氮含量绘制检量线或加权回归，再计算水样中硝酸盐氮浓 度 4 2 4 6 1 。 此方法节省试剂，批量样品测定时间快，灵敏度高，重现性好，试样处理过 程中不引入任何干扰离子。适用于被不同程度污染的地表水、地下水以及废水的 中南大学硕士学位论文第一章绪论 水质分析。 1 3 4 原子吸收法 原子吸收法是采用a s s 9 4 4 2 型原子吸收分光光度计，在波长2 2 8 8n i i l ，镉 空心阴极灯，灯电流1 2m v ，光谱通带宽度0 0 8n n l ，负高压一7 0 0v 的条件下， 直接取水样于比色管中，将自制的比色架固定在燃烧器的狭缝中间位置，再将比 色皿固定在比色架中间，使光源的光束垂直地从比色皿中部通过【4 7 1 。 此方法进行水中硝酸盐氮测定，操作简便、快速、结果准确。 1 3 5 离子色谱法 离子色谱法测定原理是：水样中待测阴离子随碳酸盐一重碳酸盐淋洗液进入 离子交换系统，根据分离柱对阴离子的不同亲和度进行分离。由电导检测器测量 各阴离子组分的电导率，以相对保留时间和峰高或峰面积定性和定量1 4 8 1 。 此方法具有操作简便，稳定性好，准确度、灵敏度高等特点，大大提高了工 作效率。 1 3 6 零点电位法 零点电位法采用硝酸根离子选择电极，应用改进的零点电位法直接测定水中 的硝酸盐氮。此方法具有操作简便、快速、准确、干扰少等特点，适用于饮用水 中硝酸盐氮的测定【例。 1 4 课题研究的意义 总氮是指水体中各种形态的氮的总量，是反映水体所受污染程度和湖泊、水 库水体富营养化程度的重要指标之一。 从上面的文献综述可知，目前总氮的测定方法很多，但是都存在各种各样的 弊端，难于从根本上提高其稳定性、选择性、灵敏度、准确度和精密度等性能。 解决此问题的关键是寻找新的测定方法。 通过本课题的研究，对碱性过硫酸钾一紫外分光光度法测定总氮从改善消解 环境和与其它方法结合两方面入手进行改进，探索一种优化消解过程，提高测定 的准确性、稳定性和工作效率的新方法。 1 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 5 课题研究内容 ( 1 ) 在实际分析测定中发现碱性过硫酸钾一紫外分光光度法测定水体中总 氮的一些不足之处，使用比色管，磨口塞不易打开，而且有可能弹出；使用压力 蒸汽消毒器或民用压力锅为消解仪器，温度难于控制，稳定性较差；消解过程中 样品中氨氮易以氨气形式逸出，使测试的准确性、稳定性及重现性降低：消解不 彻底、氧化剂分解不彻底都会影响吸光度的测定；双波长测定重现性差，测定结 果偏大等。对造成测定结果差的可能因素( 如实验用水，试剂的选择，配制、存 放及用量，玻璃器皿的洗涤，消解温度、压力、时间的控制，比色的注意事项， 实验室环境等因素) 进行检查，并对国标方法进行转化率、准确度及精密度试验。 ( 2 ) 针对消解过程中的不足，改换消解容器，采用高压反应釜代替比色管， 提高消解容器的密闭性，优化消解环境，保证水样中各形态氮的完全转化。 ( 3 ) 针对测定过程中的不足，结合酚二磺酸分光光度法测定硝酸盐，提出新 的总氮测定方法，消除测定过程中带来的误差，降低测定空白值，提高准确性和 稳定性，并检验新方法的准确度、精密度等。 中南大学硕士学位论文第二章碱性过硫酸钾一紫外分光光度法测定水体中总氮存在的问题 第二章碱性过硫酸钾一紫外分光光度法测定水体中总氮 存在的问题 碱性过硫酸钾一紫外分光光度法( g b l l 8 9 4 8 9 ) 测定总氮是在6 0 以上水 溶液中，过硫酸钾分解产生硫酸氢钾和原子态氧，分解出的原子态氧在1 2 0 1 2 4 下，可使水样中含氮化合物的氮元素转化为硝酸盐，消解后的溶液用紫外 分光光度计于一定波长处测出吸光度，从而计算出总氮的含量。测定中干扰物主 要是碘离子与溴离子，碘离子相对于总氮含量的2 2 倍以上，溴离子相对于总氮 含量的3 4 倍以上有干扰。某些有机物在本法规定的测定条件下不能完全转化为 硝酸盐时对测定有影响i l 川。 采用国标方法的优点是步骤相对简单，所需试剂较少，要求使用的仪器设备 一般实验室都能够具备，但是该方法对空白值的要求非常严格。 中南大学化学成分分析中心采用国标法测定实际水样，发现国标法测定经常 出现测定空白值过高，难以控制，测定值不稳定，甚至出现氨氮测定值高于总氮 测定值的结果。经查阅文献，发现很多水质分析工作者在实际工作中也都遇到了 这些问题。本章对造成测定结果不准确、不稳定的可能因素进行全面检查，并对 国标方法进行系统研究。 2 1 实验仪器与试剂 2 1 1 实验仪器 7 5 6 m c 紫外可见分光光度计 医用手提式蒸汽灭菌器 2 1 2 试剂 名称 氢氧化钠 过硫酸钾 硝酸钾 氯化铵 浓硫酸 浓盐酸 纯度 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 1 6 上海精密仪器厂 北京医疗器械厂 生产厂家 天津大茂化学试剂厂 上海爱建试剂厂 河南焦作市化工三厂 天津市光复精细化工三厂 湖南师大化学试剂厂 成都市科龙化工试剂厂 中南大学硕士学位论文第二章碱性过硫酸钾一紫外分光光度法测定水体中总氮存在的问题 2 2 溶液的配制 水，无氨。离子交换法：将蒸馏水通过一个强酸型阳离子交换树脂( 氢型) 柱，流出液收集在带有密封玻璃盖的玻璃瓶中。蒸馏法：在1 0 0 0m l 蒸馏水中， 加入0 1 0m l 硫酸( p = 1 8 4g n ：l l ) 。并在全玻璃蒸馏器中重蒸馏，弃去前5 0m l 馏出液，然后将馏出液收集在带有玻璃塞的玻璃瓶中； 氢氧化钠溶液，2 0g l - 称取2g 氢氧化钠( n a o h ) ，溶于水中，稀释至1 0 0 m l ： 碱性过硫酸钾溶液：称取4 0g 过硫酸钾( k 2 s 2 0 8 ) ，另称取1 5g 氢氧化钠 ( n a o h ) ，溶于水中，稀释至1 0 0 0m l ，溶液存放在聚乙烯瓶内，最长可贮存一 周： 盐酸溶液，1 + 9 ； 硝酸钾标准溶液：硝酸钾标准贮备液，c | = 1 0 0m g l ，硝酸钾( k n 0 3 ) 在 1 0 5 1 2 , - , 1 1 0 1 2 烘箱中干燥3h ，在干燥器中冷却后，称取0 7 2 1 8g ，溶于水中， 移至1 0 0 0m l 容量瓶中，用水稀释至标线在0 - 1 0 暗处保存，或加入1 2m l 三氯甲烷保存，可稳定6 个月。硝酸钾标准使用液，c s = 1 0m g l ，将贮备液用 水稀释1 0 倍而得，使用时配制； 氨氮标准溶液：氨氮标准贮备液，c = 1 0 0m g l ，称取0 3 8 2 1g 在干燥器中 的氯化铵，溶于去离子水中，移至1 0 0 0m l 容量瓶，定容，保存。氨氮标准使 用液，c s = 1 0m g l ，用去离子水将储备液稀释1 0 倍而得。 2 3 实验分析步骤 2 3 1 测定方法 用无分度吸管取1 0 0 0m l 试样( c n 超过1 0 0 时，可减少取样量并加水稀 释至1 0m l ) 置于比色管中。 2 3 1 1 试样不含悬浮物时，按下述步骤进行： l 、加入5m l 碱性过硫酸钾溶液，塞紧磨口塞用布及绳等方法扎紧瓶塞， 以防弹出。 2 、将比色管置于医用手提蒸气灭菌器中，加热，使压力表指针到1 1 1 4 k g c m 2 ，此时稳定达1 2 0 1 2 , - , , 1 2 4 ( 2 后开始计时。或将比色管置于家用压力锅中， 加热至顶压阀吹气时开始计时。保持此温度加热半小时。 3 、冷却、开阀放气，移去外盖，取出比色管并冷至室温。 1 7 中南大学硕士学位论文第二章碱性过硫酸钾一紫外分光光度法测定水体中总氮存在的问题 4 、加盐酸1m l ，用无氨水稀释至2 5m l 标线，混匀。 5 、移取部分溶液至1 0m l t l 石英比色皿中，在紫外分光光度计上，以无氨水 作参比，分别在波长为2 2 0n l t l 与2 7 5n r l 3 处测定吸光度，并计算出校正吸光度爿。 2 3 1 2 试样含悬浮物时，先按2 3 1 1 中1 至4 步骤进行，然后待澄清后移取上 清液到石英比色皿中。再按第5 步骤继续进行测定。 2 3 2 空白试验 空白试验除以1 0m l 水代替试料外，采用与测定完全相同的试剂，用量和 分析步骤进行平行操作。注：当测定在接近检测限时，必须控制空白试验的吸光 度彳，不超过0 0 3 ，超过此值，要检查所用水、试剂、器皿和家用压力锅或医用 手提灭菌器的压力。 2 3 3 校准 2 3 3 。1 校准系列的制备 用分度吸管向一组( 1 0 支) 比色管中，分别加入硝酸盐氮标准使用液0 0 ， 0 5 0 ，1 0 0 ，2 0 0 ，3 0 0 ，4 0 0 ，5 0 0 ，6 0 0 ，8 0 0 ，1 0 0 0m l ，再加水稀释至1 0 0 0 m l 。然后按2 3 1 2 中l 至5 步骤进行测定。 2 3 3 2 校准曲线的绘制 零浓度( 空白) 溶液和其他硝酸钾标准使用液制得的校准系列完成全部分析 步骤，于波长2 2 0n l r l 和2 7 5n n l 处测定吸光度后，分别按下式求出除零浓度外其 他校准系列的校正吸光度彳口和零浓度的校正吸光度a 6 及其差值彳， a 口= a a 2 2 0 一材以乃；a b = a b 2 2 0 一2 a b 2 7 5 ；a ：a 口一a 6式( 2 1 ) 式中：么8 脚，标准溶液在2 2 0n i n 波长的吸光度；彳以乃，标准溶液在2 7 5n m 波长的吸光度；a b ：2 0 ，零浓度( 空白) 溶液在2 2 0n i n 波长的吸光度；a b 2 乃，零 浓度( 空白) 溶液在2 7 5n l n 波长的吸光度。按么，值与相应的n 0 3 - n 含量( 垤) 绘制校准曲线。 中南大学硕士学位论文第二章碱性过硫酸钾一紫外分光光度法测定水体中总氮存在的问题 0 6 瑙0 4 米 螫 0 2 0 00 10 2 0 30 4 标样浓度c ( r r 训 图2 1 国家标准方法工作曲线 采用国标方法绘制标准工作曲线，回归方程为彳= o 0 2 8 3 2 + 1 7 7 9 6c ，相关 系数，= 0 9 8 7 9 ，在水体中总氮浓度为0 0 2 - - - 0 4m g l 范围内线性关系并十分不 理想。 2 4 结果表示 按式( 2 一i ) 计算得试样校正吸光度彳，在校准曲线上查出相应的总氮瞻 数，总氮含量c ( m g l ) 按下式计算： c ：罟( 呲) 式( 2 埘 c 2 歹 ( m g l ) 式( 2 2 ) 式中：m 为试样测出含氮量，心；矿为测定用试样体积，m l 。 2 5 实际样品分析 采用国标方法对长沙市湘湖、金霞污水处理厂进行连续1 5 日( 中间没有节 假日) 的监测，结果见表2 1 ： 1 9 中南大学硕士学位论文第二章碱性过硫酸钾一紫外分光光度法测定水体中总氮存在的问题 表2 一l 碱性过硫酸钾消解一紫外分光光度法的实际样品总氮分析结果 由上述国标法工作曲线及采用国标法对长沙市湘湖、金霞污水处理厂的实际 分析中，经常出现测定空白值过高，难以控制，致使测定值不稳定，甚至出现氨 氮测定值高于总氮测定值的结果。 2 6 问题分析 空白分析对痕量分析结果的准确性、精密性和方法检测限起决定性的作用。 在测定过程中要获得可靠的分析数据，就一定要降低、控制空白分析值 5 0 5 6 1 。 国标方法本身对空白值的要求非常严格，其所需试剂中的过硫酸钾、氢氧化钠本 身都含有一定量的氮，试验用水、器皿等因素对空白实验都有影响，因此空白试 验不易做好。 n h 3 一n 是水中的氨态氮含量，总氮是水中的有机氮和无机氮的含量之和， 理论上同一水样的n i t 3 一n 值不可能高于总氮值，而在实际测定时，如果废水中 氨态氮的含量较高，则易出现n h 3 一n 值高于总氮值现象。出现这种现象的原因 是，在碱性介质中，氨态氮以氨气形式逸散在比色管气相中，此时测出的总氮是 n 0 3 一n 、n 0 2 一n 及少部分n h 3 一n 之和，这种现象表明标准方法中的消解方 2 0 中南大学硕士学位论文第二章碱性过硫酸钾一紫外分光光度法测定水体中总氮存在的问题 法不适用于氨态氮含量较高的样品【5 7 - 5 s l 。 针对以上问题，对造成测定结果差的可能因素( 如实验用水，试剂的选择， 配制、存放及用量，玻璃器皿的洗涤，消解温度、压力、时间的控制，比色的注 意事项，实验室环境等因素) 进行检查，并对国标方法进行转化率、准确度及精 密度试验【5 9 堋。 2 6 1 实验用水 实验过程对水的要求非常严格，普通的蒸馏水往往还达不到实验要求。这时 需再做二次加工以得到无氨水。在用蒸馏法制备无氨水时，g b l l 8 9 4 8 9 中指 出：“弃去前5 0m l 馏出液，然后将馏出液收集在带有玻璃塞的玻璃瓶中一。 根据工作经验，仅仅弃去前5 0i i l l 馏出液是不够的。例如，如果蒸出1 0 0 0m l 的 无氨水，先前蒸出的2 0 0m l 馏出液都要弃去，最后蒸出的2 0 0m l 馏出液也要 弃去，只保留中间蒸出的无氨水待用，否则，重蒸无氨水的空白值往往还不如制 备之前的普通蒸馏水空白值好。 水的检验，将所有待选的实验用水分别装入石英比色皿中，分别在2 2 0l i r a 和2 7 5n l l l 波长处测其吸光度，按彳2 2 0 i i 。一列2 7 5 咖对吸光度进行修正，以修正后 吸光度值最小的水为实验用水。 2 6 2 试剂的选择、配制、存放及用量 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定总氮的过程中，过硫酸钾是至关重要 的试剂。首先，试剂的纯度关系到空白值的高低、测定结果的准确度。一般普通 分析纯过硫酸钾的总氮含量最高不超过0 0 0 5 ，但由于试剂质量存在差异，有 些厂家、批次的试剂含氮量常常达不到这个要求，致使空白值偏高。另外，分析 纯氢氧化钠的氮化合物含量虽然远低于过硫酸钾的含氮量，但也要仔细选择。因 此，尽量使用优