同位素分析法测定硝酸盐氮预处理方法研究

吴俊森，王丽丽，贾瑞宝，李培刚

(1.山东建筑大学市政与环境工程学院，山东 济南 250101;2.济南市供排水监测中心，山东 济南 250033)

0 引言

水体中硝酸盐氮的污染已经成为人们普遍关注的问题。氮的同位素在特定的污染源中具有特定的组成[1]，能够反应污染物的迁移转化机制等水体氮的化学循环。张翠云[2]等利用反硝化细菌法测试地下水和沉积物中硝酸盐氮同位素，宁卓[3]研究了同位素叠氮法，用此种方法测试了地下水铵污染。氮同位素的组成主要应用质谱法分析，分析过程主要包括以下几个阶段[4]:的分离和富集转化为进入质谱分析。利用同位素分析测定氮的丰度，来确定污染物来源。近几年来已成为人们普遍应用的方法，但其预处理方法的精确与否通常会影响质谱分析，因此，在建立水体中硝酸盐氮同位素的分析技术时，样品的预处理方法非常关键。

水体中硝酸盐δ15N的分析预处理方法早已有报道，但一直不理想，因此近几年仍有新的方法或改进方法的报道。其中扩散法和蒸馏法是应用广泛且较为成熟的方法。蒸馏法效率比较高，处理时间短，但需要专门的设备及熟练的操作人员;扩散法对环境要求较高，且不便于野外操作，在处理低含氮水样时容易引起严重误差。本文针对上述预处理方法所存在的问题，研究了采用离子交换—蒸馏法结合的预处理方法，提出了水体中测定硝酸盐氮的最佳预处理条件，方法简单，实验时间短，适合多点水样同时进行处理。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

UV3200-PC紫外可见分光光度计(上海美普达仪器有限公司);真空抽滤装置(250mL;配Whatman GF/F 25mm孔径的玻璃纤维滤膜);EURO EA3000元素分析仪-IsoPrime同位素比值质谱仪联机(GV instruments);GZX-9140MBE电热鼓风干燥箱(上海博讯实业有限公司医疗设备厂);电子调温电热套(北京市永光明医疗仪器厂);磁力搅拌器(江苏金坛市中大仪器厂)。

OH型阴离子交换树脂(anion exchanger(Ion exchangerⅢ，Merck))及交换柱:对树脂分别采用1mol/L HCl、1mol/L NaOH溶液及蒸馏水进行充分地清洗，然后将树脂和水的混合物加入圆柱形色层柱中(上段内径 2.50cm，长 8.00cm;下段内径1.40cm，长10.00cm;树脂上下两端垫上脱脂棉，避免树脂漏出)。注意保持水面略高于树脂，避免树脂脱水。

定氮合金(Cu50、Al45、Zn5;分析纯，上海试剂一厂):将新购进的定氮合金在球磨机中研成300目左右，450℃条件下烘4h，置于干燥器中密封备用。

沸石:将特制的沸石在研钵中研成粉末状，在200℃下烘2h，置于干燥器中密封备用;氨基磺酸，KCl，HCl，NaOH 和 KNO3均为分析纯。

1.2 实验方法

水样洗脱液用蒸馏法做下一步处理，将洗脱液在250mL的容量瓶中稀释至刻线，将稀释后的水样装在1.0L的圆底蒸馏烧瓶中，先把氨基磺酸溶液和浓HCl加入水样中，这样可以将水样中含有的亚硝酸盐除去。大约10min后，再将5mL 40%NaOH(m/V)溶液加入烧瓶中，保持水样呈碱性环境。

将配备的水蒸汽发生装置打开，开始蒸馏，20min后摒弃馏出液。待烧瓶中的水样要开始沸腾时，将0.7g定氮合金迅速加进去，容器密封好，继续蒸馏;迅速用装有75mg沸石粉末和15mL 0.003 mol/L HCl的接收瓶接收蒸馏出来的液体，同时将装入磁子的接收瓶放在磁力搅拌器上缓慢搅拌，注意用封口膜密封，蒸馏50min。蒸馏结束后，移出接收瓶，用封口膜密封，用磁力搅拌器继续搅拌馏出液40min，保证沸石将铵吸附完全。搅拌结束后，用玻璃纤维滤膜过滤吸附了铵的沸石泥浆，然后将玻璃纤维滤膜在50℃氮气保护下烘干，约12h以上，将沸石轻轻刮下，密封保存，送入元素分析仪—同位素比值质谱仪联机，测定氮同位素的组成[6]。

2 结果与讨论

2.1 离子交换色层法最佳条件的选择

2.1.1 最佳树脂长度的选择

自配水样，含氮 2.0mg/L的 KNO3水样3000mL，分别通过 2.00cm、3.00cm、4.00cm 高度的阴离子交换树脂，在等流速900mL/h下测得的吸附率见表1。

表1 长度不同的树脂吸附效果

由表1可知，树脂长度3.00cm时，吸附率已达到98.60%，已经能够满足同位素分析的要求，所以选择最佳树脂长度3.00cm。

2.1.2 最佳流速的选择

固定柱长3.00cm，水样流速分别控制在600mL/h、900mL/h、1200mL/h，测得其吸附率见表2。

表2 等高度柱子不同流速下的吸附效果

在水样流速为900mL/h时，吸附率已经达到98.30%，所以选择最佳水样流速为900mL/h，由于实验操作人员的差异，流速最好控制在800～900mL/h为宜。

2.1.3 最佳洗脱速度的选择

洗脱液采用2mol/L的KCl溶液，各个交换柱用40mL的KCl溶液洗脱，进行四次，每次10mL，前后洗脱都需要在洗脱柱中无液体流出后进行，用100mL锥形瓶接收洗脱液，然后稀释馏出液，在250mL容量瓶中稀释至刻线，用紫外可见分光光度计测定溶液中的的浓度，计算洗脱率，实验结果见表3。

表3 不同洗脱流速下的洗脱率

由实验可知，洗脱流速为15mL/h时就能满足硝酸盐氮同位素分析的要求。

2.2 蒸馏法最佳实验条件的选择

2.2.1 确定最佳蒸馏时间

自制300mL含氮浓度1.6mg/L的KNO3水样，在其中放入5mL 10mol/L的NaOH溶液，0.7g定氮合金，用35mL 0.003mol/L HCl作为吸收液，蒸馏20、30、40、45、50、60、70min。蒸馏完毕后，用分光光度计准确测定馏出液的氨氮含量，同时计算出回收率。根据数据可得出，蒸馏时间超过50min后，氮的回收率趋于稳定，均在90%以上，综合考虑，选择最佳蒸馏时间50min。

2.2.2 确定定氮合金的量

在自制的300mL含氮浓度1.6mg/L的KNO3水样中，放入 5mL 10mol/LNaOH溶液，用 35mL 0.003mol/L HCl作为吸收液，加入不同的定氮合金量，蒸馏50min，测定氮的回收率。得出，当定氮合金的量大于0.6g时，氮的回收率都达到90%以上。但由于定氮合金用量的升高可以增加蒸馏空白量[6]，所以为保证引黄水库的水样反应完全，选择最佳定氮合金的量为0.7g。

2.2.3 测定沸石对铵的吸附能力及沸石的用量

配制含氮浓度14mg/L NH4Cl溶液，取30mL溶液，分别称取沸石 50、60、70、75、80、90、100mg，测定沸石吸附氨氮的情况。实验证明沸石超过70mg时，吸附率达到95%以上，可以认为70mg就能满足对试样中氯化铵的吸收。为了保证全部吸附，选取沸石75mg。

2.2.4 酸性对沸石吸附的影响

在其他条件确定的条件下，蒸馏时间50min，最佳定氮合金量 0.7g，沸石量75mg，分别取0.003mol/L HCl溶液和0.007mol/L HCl溶液15mL为吸收液，研究酸度对沸石吸附的影响，结果表明，沸石对氨氮的吸附效果，在低浓度的HCl中的吸附率远远好于在高浓度的HCl中的吸附率。HCl溶液在整个吸附过程中仅是提供一个酸性环境，因此，选择15mL 0.003mol/L的HCl溶液作为吸附溶液。

3 结论

实验探讨了离子交换色层法和蒸馏法的最佳实验条件。结果表明，采用OH型阴 离子交换树脂，在柱长3.00cm，水样流速900mL/h时的吸附率可以达到98.60%;用KCl做洗脱液，在15mL/h的洗脱流速下，洗脱率可达到94.30%。水样的洗脱液用蒸馏法进一步处理，最佳蒸馏时间为50min，最佳定氮合金用量 0.7g，最佳沸石用量75mg，最佳HCl吸收液用量15mL。该方法可同时处理多个水样，方法简单，效率高，且不会引起氮同位素分馏。

根据建立的氮同位素分析预处理方法，对引黄水库水中硝酸盐的δ15N的值进行了测定。测定结果表明，该方法可以用于黄河下游水域的实际问题分析，能够提供有效信息用以硝酸盐氮的来源分析。

[1]金赞芳，叶红玉.氮同位素方法在地下水氮污染识别中的应用[J].环境污染与防治，2006，28(7):531 －535.

[2]张翠云，张俊霞，马琳娜，等.硝酸盐氮同位素反硝化细菌法测试技术的建立[J].核技术，2011，34(3):237 －240.

[3]宁卓.地下水铵—氮同位素测试新技术及应用研究[D].北京:中国地质科学院，2011.

[4]MULVANEY R L.Mass spectrometry[M]//KNOWLES R，BLACKBURN T H.Nitrogen Isotope Techniques.California:Academic Press，Inc，1993:11－57.

[5]陈惟财.流域水体硝态氮15N示踪方法研究及其应用初探[D].厦门:厦门大学，2005.

[6]刘秀娟.长江口海域氮的同位素特征及其环境意义[D].青岛:中国科学院研究生院，2009.