海水中臭氧总残留氧化物三种检测方法的比较研究

王兴国 , 张延青 李 贤, , 孙国祥, , 王顺奎, 于凯松, 刘 鹰,

(1. 青岛理工大学, 山东 青岛 266033; 2. 中国科学院 海洋研究所, 山东 青岛 266071; 3. 海洋生态养殖国家地方联合工程实验室, 山东 青岛 266071; 4. 山东东方海洋科技股份有限公司, 山东 烟台, 264003)

臭氧作为一种强氧化消毒剂, 能有效降低病原菌危害并能净化水质, 在海水鱼虾循环水养殖系统中的应用日益广泛。Tang等[1]报道, 在大西洋大比目鱼(Pacific Halibut)循环海水养殖系统中, 当海水中投加的臭氧浓度达到320～340 mV时, 养殖水体总有机碳降解15%, 亚硝酸盐、水色、悬浮物浓度都有所降低。同时, Schroeder等[2]研究表明, 在海水循环水养殖系统中投加适量臭氧有助于生物滤器中硝化细菌的生长, 提高了系统的处理效率。在养殖生产应用过程中, 特别在海水循环水养殖系统中, 臭氧投加量是一项重要的控制指标, 投加量太小达不到理想的处理效果, 投加量太大不仅造成浪费, 而且使臭氧副产物(包括溴酸盐、氮氧化物)在养殖水体中大量积累, 从而对养殖对象甚至人体造成毒害[3]。因此,采用精确的测量方法及时测定海水养殖水体中臭氧含量, 对指导养殖生产有重要意义。

目前海水中常用臭氧总残留氧化物(TRO)以mg/L(O3)或 mg/L(Cl2)为单位表示溶解臭氧浓度[5]。TRO主要包括溴酸盐、氯酸盐、H2O2、残留臭氧等。但海水中TRO浓度的检测尚无国家标准方法, 国际上普遍采用的方法包括 N, N-二乙基-1, 4-苯二胺(DPD)法[8]、碘量法[6]、靛蓝试剂法[7]。而DPD法中KI-DPD分光光度法应用广泛, 具有重复性高、检出限低等特点[9]; 碘量法中H3BO3-KI比色法操作简便准确度较高[3]; 靛蓝试剂法中IDS分光光度法具有干扰小、检测限高等特点[10]。但在实际应用中, KI-DPD分光光度法、H3BO3-KI比色法、IDS分光光度法的重复性和准确度等方面存在较大差异。因此本研究比较了此三种检测方法的重复性、检出限等, 从而确定海水中TRO较理想的检测方法, 为海水循环水养殖系统TRO浓度检测提供有效参考。

1 材料与方法

1.1 实验仪器

HRCF-G3-20臭氧发生器(烟台豪尔臭氧设备有限公司, 山东烟台); UV-500-OEM 紫外臭氧浓度检测仪(淄博爱迪尔测控技术有限公司, 山东淄博);UV-2000紫外—可见光分光光度计(尤尼柯仪器有限公司, 中国上海); 500 mL厌氧瓶; 玻璃注射器; 10 mL、25mL具塞比色管。

1.2 实验试剂

实验室用水为超纯水, 所用试剂未特殊说明均为AR。

1.2.1 常用试剂

碘酸钾标准溶液,c(1/6KIO3)=0.1 000 mol/L;5 g/L碘化钾(KI)溶液; pH6.0乙酸缓冲溶液; 0.4% N,N-二乙基-1, 4-苯二胺(DPD)溶液; 0.5%乙二胺四乙酸二钠(EDTA-2Na)溶液(GR); 溴酸钾标准溶液,c(1/6KBrO3)=0.1 000 mol/L; 溴酸钾-溴化钾标准溶液,c(1/6KBrO5)=0.0 100 mol/L; 磷酸-磷酸氢二钠缓冲溶液(pH为2.0)

1.2.2 临时配制试剂

a. 臭氧标准储备溶液: 称取1.0 g KI溶于水中, 移入100 mL容量瓶, 加入0.1 000 mol/L KIO3溶液10.00 mL及1.0 mol/L H2SO4溶液5 mL, 用水稀释至标线, 即为0.0100 mol/L碘溶液, 此溶液每毫升相当于含240 μg 臭氧[3]。

b. H3BO3-KI吸收液: 称取6.2g硼酸(H3BO3), 溶于水后再加入10.0 gKI溶解后移入1000 mL容量瓶中, 用水稀释至标线。

c. 臭氧标准使用溶液(A): 臭氧标准储备溶液(a)用水稀释成含臭氧10 μg/mL的标准使用溶。

d. 臭氧标准使用溶液(B): 臭氧标准储备溶液(a)用H3BO3-KI吸收液稀释成含臭氧1.2 μg/mL的标准使用溶液。

e. 靛蓝二磺酸钠(IDS)标准储备溶液: 称取0.25 g用水溶解, 移入500 mL 棕色容量瓶中, 用水稀释至标线, 摇匀, 24 h后标定[11]。标定后用磷酸-磷酸氢二钠缓冲溶液稀释成1.25 μg/mL的IDS标准溶液和2.5 μg/mL的IDS吸收液。

1.3 实验方法

1.3.1 样品采集

开启精密臭氧发生器(烟台豪尔臭氧设备有限公司)预热 15 min, 待仪器稳定后, 用玻璃注射器量取薄膜式微孔取样器中臭氧, 快速注入装有海水的封闭厌氧瓶(500 mL)中使其充分混合, 40 s后测定其TRO浓度。本实验通过控制臭氧发生器气源流量大小改变注入海水中臭氧浓度大小, 以UV-500臭氧浓度检测仪在线检测数值表示投加到海水中初始臭氧浓度。

1.3.2 KI-DPD分光光度法

标准曲线绘制: 取7个10 mL比色管, 分别移入吸收液(1.0 mL乙酸缓冲溶液, 1.0 mL碘化钾溶液,1.0 mLDPD溶液, 1.0 mL EDTA-2Na溶液), 混匀后分别向各管移入臭氧标准使用溶液(A)0、0.05、0.10、0.30、0.50、0.70、1.00 mL, 用水稀释至标线。10 min内用10 mm石英比色皿, 以水作参比, 在波长550 nm下测定吸光度A。以TRO(mg/L)为纵坐标, 吸光度A为横坐标, 绘制标准曲线:y=4.8048(A–A0)–0.0041,R2=0.9999。

样品测定: 取5 mL水样移入10 mL比色管中,使其与吸收溶液充分混合后用水稀释至标线。按标准曲线操作步骤测量其吸光值A。然后另取相同体积水做空白试验,A0为其吸光度值。按拟合公式y=4.8048(A–A0)–0.0041 计算 TRO 含量。

1.3.3 H3BO3-KI比色法

标准曲线绘制: 取6个25 mL棕色容量瓶, 按表l移入臭氧标准使用溶液(B)制备标准色列管。摇匀后,用10 mm石英比色皿, 以水为参比, 在波长350 nm下测定吸光度A。以TRO(mg/L)为纵坐标, 吸光度A为横坐标, 绘制标准曲线y=1.8879(A–A0)–0.0019,R2=0.9999。

表1 臭氧标准色列管的配制Tab.1 Preparation ofozone standards concentrations

样品测定: 于25 mL比色管中加入10 mLH3BO3-KI吸收溶液和10 mL待测水样, 震荡后用H3BO3-KI吸收液稀释定容标线。10 min后按标准曲线操作步骤测量其吸光度值A。然后另取相同体积水做空白试验,A0为其吸光度值。按拟合公式y=[1.8 879(A–A0)–0.0019]×25/10计算TRO含量。

1.3.4 IDS分光光度法

标准曲线绘制: 取6支10 mL比色管, 按表2制备标准溶液系列用 10 mm比色皿, 以水为参比, 在610 nm波长处测定吸光度值。以臭氧质量浓度为纵坐标, 标准溶液系列中零浓度管的吸光度值A0与各标准管的吸光度值A之差为横坐标, 绘制标准曲线:y= 2.7269(A–A0)–0.004,R2=0.9 998。

样品测定: 吸取IDS吸收液5.0 mL于10 mL比色管中, 然后用刻度吸管吸取臭氧水样 5.0 mL, 缓慢加入比色管中同时振荡。待溶液由深蓝色变为浅蓝色时停止加样, 读取水样的加入量。最后用磷酸-磷酸氢二钠缓冲溶液稀释至标线, 按标准曲线操作步骤测量其吸光值A。取相同体积水做空白试验,A0为其吸光度值。按拟合公式y=1.25–[2.7269(A0–A)–0.004]计算TRO含量。

表2 臭氧标准溶液系列Tab.2 Ozone standard solution series

1.4 精密度试验

精密度是指多次重复测定同一量时各测定值之间彼此相符合的程度, 表征测定过程中随机误差的大小。在精密度试验分析时常用RSD表示精密度, 当RSD不超过 5.0%时, 符合精密度试验要求, 否则不符合要求[13]。本实验的海水水样条件为: 水温 15℃(±1℃)、pH 值 7.55±0.1、盐度为 27。本实验中, 配制9种臭氧浓度的标准海水水样各5份, 对于同一浓度水样采用三种检测方法进行分析测定, 从而比较三种检测方法的重复性。

1.5 TRO浓度与臭氧含量相关性实验

本实验的海水水样条件为: 水温15℃(±1℃)、pH值7.55±0.1、盐度为27。分别配制17个在0.10～1.20 mg/L范围内的标准臭氧海水水样各5份, 用KI-DPD分光光度法测定TRO浓度, 研究TRO浓度与臭氧含量的相关关系。相同条件下分别用 H3BO3-KI比色法和IDS分光光度法测定TRO浓度, 研究TRO浓度与臭氧含量的相关关系。

1.6 三种方法检测TRO浓度比较实验

本实验的海水水样条件为: 水温 15℃(±1℃)、pH值7.55±0.1、盐度为 27。分别配制17个在0.10～1.20 mg/L范围内的标准臭氧海水水样各3份, 用三种检测方法同时测定同一浓度的标准水样, 研究比较所测TRO浓度的差异。

2 结果与讨论

2.1 精密度试验

2.1.1 KI-DPD分光光度法精密度试验

如表 3所示, KI-DPD分光光度法RSD分别为0.69%、0.95%、0.59%、0.80%、1.36%、1.88%、3.80%、4.28%、6.62%。结果表明: 水样浓度在 0.15～1.20 mg/L范围内RSD均小于 5.0%, 其精密度符合要求。当检测浓度小于0.040 mg/L时,RSD＞5.0%, 故本方法最低检出限为0.040 mg/L。

2.1.2 H3BO3-KI比色法精密度试验

如表 4 所示, H3BO3-KI比色法RSD分别为1.05%、0.72%、0.66%、1.60%、2.29%、1.55%、0.48%、0.30%、0.36%。结果表明: 水样浓度在0.10～1.20 mg/L时,RSD均小于5.0%, 其精密度符合要求。当检测浓度小于0.034 mg/L时,RSD＞5.0%, 故本方法最低检出限为0.034 mg/L。

表3 KI-DPD分光光度法精密度试验结果Tab.3 Precision testresultsof KI-DPD by the spectrophotometric method

表4 H3BO3-KI比色法精密度试验结果Tab.4 Precision test results of H3BO3-KI by the colorimetry method

2.1.3 IDS分光光度法精密度试验

如表5所示, IDS分光光度法RSD分别为4.21%、3.04%、4.90%、3.10%、4.21%、4.08%、12.76%、10.30%、12.90%。结果表明: 水样浓度在 0.60～1.20 mg/L范围时,RSD均小于5.0%, 其精密度符合要求; 在中浓度时RSD均大于 5.0%, 不符合精密度试验要求; 在低浓度试验中其吸光度值与空白值相近, 其浓度几乎为零。当检测浓度小于0.065 mg/L时,RSD＞5.0%, 故本方法最低检出限为0.065 mg/L。

表5 IDS分光光度法精密度试验Tab.5 Precision test results of the indigo disulfonic acid sodium faded method

在海水中传统碘量法极易受常量离子(Mg2+,Ca2+, K+, SO42–)等干扰, 对低臭氧浓度(＜0.1 mg/L)测量的误差较大。碘量法属手工滴定操作, 检测的精度与操作者经验有关, 易引起误差[14], 故其重复性较差, 在管崇武等的研究中, 碘量法RSD值高达17.7%[3]。相比碘量法, 本研究采用的 KI-DPD分光光度法和H3BO3-KI比色法在高、低、中标准臭氧海水样品测定中重复性均较好; 而 IDS分光光度法在中、低标准臭氧海水样品测定中RSD均大于10.0%,重复性较差(图1)。

KI-DPD分光光度法和H3BO3-KI比色法精密度较优主要有以下两点原因:

(1)KI-DPD分光光度法基于TRO氧化碘化钾生成单质碘, 单质碘进一步氧化 DPD, 最后根据反应体系溶液颜色对光的选择性吸收检测 TRO浓度, 反应方程式为

利用 DPD测水中 TRO时, 只有溶液中存在 I2的条件下DPD的显色反应才能完全[16]。此法吸收液中加入过量 KI不仅使DPD完全显色, 而且剩余KI将与水样中具有氧化性的臭氧副产物反应产生碘单质, 从而使测定的 TRO浓度更准确; 吸收液中加入了 EDTA-2Na, 消除了海水中常量离子(Mg2+, Ca2+,K+, SO42–)对DPD的干扰。因此KI-DPD分光光度法的测定结果稳定性和重复性较优。

图1 三种检测方法的精密度比较Fig.1 Comparison ofthe three precision test methods

(2)在弱酸性水溶液中臭氧的稳定性最佳[17]。在碘量法检测中, 需加入强酸将水溶液pH值调到2.0,对其测定结果影响较大。而H3BO3-KI比色法吸收液pH值为 5.1±0.2, 呈弱酸性, 水中臭氧稳定性最佳, 因此H3BO3-KI比色法的测定结果稳定性和重复性较佳。

IDS分光光度法是基于臭氧TRO可使靛蓝褪色,且褪色程度与TRO浓度成正比的原理, 采用比色法测定液相中TRO浓度。但在样品测定中需在IDS溶液变为淡蓝色时停止添加样品测定其吸光度值, 这一操作节点的控制与操作者经验有关, 容易引起误差[18], 从而导致此法的稳定性和重复性较差; 在低浓度测定时由于样品中 TRO含量较低, IDS溶液几乎不褪色, 反应体系溶液对光的选择性吸收几乎无差异, 因此IDS分光光度法只适用于较高TRO测定。

图2 三种检测方法测定TRO值与臭氧含量的相关关系Fig.2 Relationship of the TRO value and ozone content for the three methods

2.2 线性回归模拟方程

如图2所示, KI-DPD分光光度法其线性相关系数R2=0.9894, 模拟方程y=0.3918x–0.023; H3BO3-KI比色法其线性相关系数R2=0.9926, 模拟方程y=0.3707x–0.0251; IDS分光光度法其线性相关系数R2=0.9687, 模拟方程y=0.1431x–0.0232。

2.3 海水中三种检测方法的比较

如图 3所示, 分别用三种检测方法测定水样TRO, 其检测值均随着标准臭氧海水水样浓度增大而显现更好的测量精确度。

KI-DPD法的检测浓度略高于H3BO3-KI比色法,并且两种方法的测定浓度与标准臭氧浓度成良好的线性关系, 其线性系数分别为0.989 4和0.992 6。在使用同一种臭氧标准液时, 试验中两种方法的标准曲线R2值均可达到0.999 9。另外, 此两种方法均使用KI试剂作为TRO的吸收液, 故其增长趋势相似。DPD法中过量DPD试剂具有一定还原性, 可与海水中价态较高的臭氧氧化物反应显色[19], 从而增加了检测的 TRO含量, 因此 DPD法的检测浓度略大于H3BO3-KI比色法。在IDS分光光度法中使用溴酸钾-溴化钾标准溶液标定 IDS储备溶液, 并确定其中的臭氧当量, 但臭氧投加到海水后生成的氧化性物质不能使IDS吸收液褪色[20], 导致了IDS分光光度法的检测浓度低于另外两种方法。

图3 海水中三种臭氧检测方法趋势比较Fig.3 Comparison of three ozone detection methods in seawater

3 结论

在海水中TRO为0～0.5 mg/L范围内, KI-DPD分光光度法和H3BO3-KI比色法其线性关系良好, 检出限分别为0.040 mg/L和 0.034 mg/L。此两种方法准确性、重复性及RSD均优于传统碘量法。IDS分光光度法只有在高浓度臭氧海水样品测定时RSD才小于5.0%。综合分析, KI-DPD分光光度法和H3BO3-KI比色法均可准确、有效地测定出结果, 适用于海水中TRO测定。

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