分光光度法测定草甘膦生产废水中草甘膦和甘氨酸的含量

李国鹏， 周彩荣， 石晓华， 杨金金

(郑州大学 化工与能源学院 河南 郑州 450001)

0 引言

草甘膦，化学名称为N-膦羧甲基甘氨酸，又称为镇草宁、磷甘酸，属于氨基甲撑膦类含有羧酸基的化合物[1].草甘膦的分子中含有羧酸基、氨基、甲基磷酸基等，可以进行酯化、羟氨基化、胺化、亚硝化和脱水等一系列典型的生物化学反应.草甘膦是一种高效、低毒、广谱、安全的除草剂[2]，它具有良好的内吸、传导性能，是目前除草剂中产量最大的品种.由于草甘膦生产废水中化学残留较大，对环境造成的污染较为严重，为使废水得到有效处理，废水中各组分含量的测定显得尤为重要.虽然已有诸多分析有机磷农药的方法[3]，也有文献报道可用色谱法对草甘膦和甘氨酸的产品进行分析检测[4]，但对含有大量无机盐NaCl的草甘膦生产废水来说，其方法尚不够经济和简便.

作者针对我国某厂草甘膦生产过程中的废水，探究其有效成分草甘膦、甘氨酸含量的快速、简便的检测方法，为治理草甘膦生产废水和回收废水中的有效成分奠定基础.

1 实验部分

1.1 实验药品与仪器

硫酸、溴化钾、亚硝酸钠为市售分析纯；水(实验室自制蒸馏水)；草甘膦(质量分数95%)；甘氨酸(质量分数98%)；草甘膦生产废水由浙江某化工厂提供.

FA1004型电子精密天平(上海精科科学仪器有限公司)；UV-2401PC紫外-可见光分光光度计(日本岛津公司)；THZ-98A型恒温振荡箱(上海恒科科学仪器有限公司)；自动双重纯水蒸馏器(上海亚荣生化仪器厂).

1.2 草甘膦生产废水水质分析

草甘膦生产废水水质的技术参数见表1.

表1 草甘膦生产废水水质分析Tab.1 Components in wastewater of glyphosate produced

2 结果与讨论

2.1 草甘膦含量的测定

2.1.1草甘膦标准溶液的配制及测定 首先称取0.300 g(精确至0.000 2 g)质量分数95%的草甘膦，用水配制成250 mL草甘膦溶液.再分别配制 250 g/L溴化钾溶液、6.99 g/L亚硝酸钠溶液和体积分数50%的硫酸溶液.

用移液管分别移取适量上述草甘膦溶液于编号为1～9号容量瓶中.在容量瓶中再分别加入适量蒸馏水、硫酸溶液、溴化钾溶液、亚硝酸钠溶液，将其放入恒温振荡箱中振荡(注意温度不应低于15 ℃)，30 min后，将容量瓶取出，稀释至刻度，摇匀，备用.用紫外分光光度计法测定草甘膦含量[5-6].取配制的4号草甘膦标准溶液做紫外光谱检测，其结果见图1中的曲线2.

2.1.2甘氨酸干扰实验 草甘膦生产废水中含有未反应完全的原料甘氨酸，为排除组分间的相互影响，考察了甘氨酸对草甘膦含量测定的影响.在相同分析条件下，通过紫外分光光度计测定预先精确配制的一组草甘膦-甘氨酸溶液(m(草甘膦)∶m(甘氨酸)=1∶0.5，1∶1，1∶1.2，1∶1.5，1∶2)，图1中的曲线1表明草甘膦-甘氨酸的标准溶液仅在240.5 nm处有最大光吸收，在其他波长下无光吸收信号，故以240.5 nm作为检测草甘膦-甘氨酸溶液的波长.草甘膦-甘氨酸标准溶液的标准曲线如图2所示.可以看出，在溶液质量浓度低于1.70×10-2g/L时拟合曲线吻合度良好.用已知质量浓度的草甘膦标准溶液校正拟合曲线，得到相对标准偏差.由图2可知，在所测定的草甘膦-甘氨酸溶液质量浓度范围内，甘氨酸对草甘膦质量浓度的分析几乎没有影响，且测量值与实际值比较误差较小，表明测量结果准确度较高，可达到精确定量测量的目的.

图1 草甘膦、甘氨酸及草甘膦-甘氨酸标准溶液的光谱图Fig.1 Spectrogram of glyphosate, glycine and glyphosate-glycine standard solution

图2 草甘膦及系列草甘膦-甘氨酸标准溶液的标准曲线Fig.2 Standard chart of the standard solution of glyphosate and series of glyphosate-glycine

2.2 甘氨酸含量的测定

2.2.1甘氨酸标准溶液的配制及测定 精确称取0.009 00 g 质量分数98%的甘氨酸，配制成500 mL甘氨酸水溶液；配制pH为5.4，2 mol/L醋酸缓冲液；称取0.180 g茚三酮和0.040 g还原型茚三酮，用20 mL乙二醇甲醚溶解，配制为显色液；配制体积分数60%的乙醇溶液.

用移液管分别移取适量上述甘氨酸溶液于编号为1～8号容量瓶中.用蒸馏水补足至1.5 mL，各加入适量醋酸缓冲液，再加入0.5 mL茚三酮显色液，充分混匀后，盖住试管口，在100 ℃水浴中加热15 min，用自来水冷却.放置5 min后，加入乙醇溶液稀释至一定体积.

2.2.2草甘膦干扰实验 将配制好的甘氨酸标准溶液用分光光度计进行扫描检测，结果如图1中的曲线3所示.为排除组分间的相互影响，做草甘膦对甘氨酸含量测定的平行干扰实验.精确配制一组甘氨酸-草甘膦标准溶液(m(甘氨酸)∶m(草甘膦)=1∶0.5，1∶1，1∶1.2，1∶1.5,1∶2)，其可见光光谱见图1中的曲线4.由图1可以看出，甘氨酸及甘氨酸-草甘膦标准溶液在570 nm处均有最大光吸收，故选定570 nm作为检测甘氨酸含量的可见光波长.

由于甘氨酸测定实验受到诸多因素的影响，为达到准确测定的目的，进行系列单因素影响实验.

2.2.3缓冲液用量 考察了醋酸缓冲液用量对显色反应的影响.结果表明, pH为5.4的醋酸缓冲液用量在0.5～1.5 mL时吸光度最大且恒定, 本实验选用缓冲液的用量为1.0 mL.

2.2.4显色剂的配比及用量 改变显色剂用量, 测定其吸光度.显色剂配比(质量比)在4∶1～3∶1时显色良好，选取茚三酮和还原型茚三酮的质量比为9 ∶2.结果表明, 当显色剂用量大于0.5 mL 时, 吸光度最大且恒定, 本实验选用显色剂的用量为0.5 mL.

图3 甘氨酸及系列甘氨酸-草甘膦标准溶液的标准曲线Fig.3 Standard chart of the standard solution of glycine and series of glycine-glyphosate

2.2.5显色时间及稳定性 常温下反应缓慢,在低于50 ℃温水浴中2 h未显色,75 ℃时110 min后开始显色，沸水浴中15 min就显色完全.吸光度在4 h内基本不变，表明显色稳定性良好.

2.2.6不同质量浓度甘氨酸溶液对茚三酮显色的影响 按上述最优测试条件，测定甘氨酸标准溶液的标准曲线，结果如图3所示.可以看出，在甘氨酸质量浓度低于4.50×10-2g /L时，所得曲线拟合性好，当甘氨酸质量浓度大于4.81×10-2g /L时，吸光度值有较大变化，所以设定甘氨酸质量浓度的测量上限为5.00×10-2g/L.在实验中还发现，当甘氨酸质量浓度过低(≤1.50×10-2g/L)时，在沸水中的显色环节只需要2～3 min即可，如继续加热至15 min，则溶液颜色不是变成蓝紫色, 而是变成紫红色，这可能是由于加热时间较长而甘氨酸质量浓度较低, 酚羟基被氧化显色所致[7-8].因此，要严格控制低质量浓度甘氨酸溶液的沸水显色反应时间，以确保所测结果的准确性.

2.3 草甘膦生产废水中草甘膦和甘氨酸含量的测定

2.3.1草甘膦生产废水中草甘膦含量的测定 用移液管分别移取草甘膦生产废水0, 0.100 mL至100 mL容量瓶，按2.1.1所述方法配制草甘膦生产废水溶液，在240.5 nm波长下检测废水溶液的紫外吸光度，结果如表2所示，其表观摩尔吸光系数为6.53×103L /(mol·cm ). 通过换算公式(1)，得到草甘膦生产废水中草甘膦质量分数为1.10%.

(1)

式中：c为稀释的草甘膦生产废水中草甘膦质量浓度，g/L；V1为稀释的草甘膦生产废水总体积，L；V2为从草甘膦生产废水中量取的废水体积，L；ρ为草甘膦生产废水的密度，1.24×103g/L.

2.3.2草甘膦生产废水中甘氨酸含量的测定 用移液管移取草甘膦生产废水0.100 mL至100 mL容量瓶，从100 mL容量瓶中分别量取0,0.500 mL移至小试管中，按2.2.1所述方法配制草甘膦生产废水溶液，测可见光吸光度，结果如表2所示，其表观摩尔吸光系数为1.32×103L /(mol·cm ).通过换算公式(2)，得到草甘膦生产废水中甘氨酸质量分数为1.58%.

(2)

式中：c为最终5.00 mL标液中草甘膦生产废水中甘氨酸质量浓度， g/L；V为最终测量用的草甘膦标液体积，5.00×10-3L；V1为所取废水体积，0.100×10-3L；V2为0.100 mL废水定容体积，0.100 L；V3为取用100 mL标液的体积，0.500 ×10-3L；ρ为草甘膦生产废水的密度，1.24×103g/ L.

表2 稀释的草甘膦生产废水中草甘膦、甘氨酸质量浓度的测定结果Tab.2 Concentration of glyphosate and glycine in diluted glyphosate wastewater

从表2可以看出，测定结果与表1中来自工厂提供的草甘膦、甘氨酸含量数据相比，所测浓度值均在所提供废水指标值范围以内，表明本实验建立的分析方法可用于草甘膦生产废水中草甘膦和甘氨酸含量的分析.

3 结论

在排除组分间的相互影响之后，测得的分析结果是可靠的.用紫外分光光度计法测定草甘膦含量，经过多次检测证实，该法RSD为0.836%，线性相关系数可达到0.999，废水中草甘膦质量分数为1.10%, 表观摩尔吸光系数为6.53×103L /(mol·cm )；用可见光分光光度计法测定甘氨酸含量，标准偏差为2.13%，线性相关系数可达0.998，废水中甘氨酸质量分数为1.58%，表观摩尔吸光系数为1.32×103L/(mol·cm ).用分光光度计法测定草甘膦生产废水中的草甘膦和甘氨酸含量，其分析值和实际值相吻合.

参考文献：

[1] 徐明礼，崔世海，王玉萍，等．草甘膦生产废水的预处理与综合应用[J]. 南京师范大学学报：工程技术版，2007，7(1)：51-53.

[2] 卢信，赵炳梓，张佳宝，等．除草剂草甘膦的性质及环境行为综述[J]. 土壤通报，2005,36(5)：785-790.

[3] 赵仕林.水中27种有机磷农药GC/MS分析方法研究[J]. 四川师范大学学报：自然科学版，1997，20(6)：70-78.

[4] Zelenkova N F, Vinokurova N G. Determination of glyphosate and its biodegradation products by chromatographic methods[J]. Journal of Analytical Chemistry,2008,63(9):871-874.

[5] 中华人民共和国化工行业标准. HG 2459—93 10%草甘膦水剂[S].北京：化学工业出版社，1993.

[6] 中华人民共和国国家标准. GB12686—90草甘膦原药[S].北京：中国标准出版社，1990.

[7] 周骏山. 实用氨基酸手册[G]. 无锡：无锡市氨基酸研究所科技情报室,1989：264.

[8] 金恒启,胡俊英. 茚三酮显色实验方法的改进[J]. 解放军医学高等专科学校学报,1997,25(4)：66.