顶空气相色谱法快速测定污水中氨氮含量

彭 容, 刘 浩*, 柴欣生, 蒋 然

(1. 华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室, 广东 广州 510641;2. 珠江水利委员会珠江水利科学研究所, 广东 广州 510611)

目前,氨氮的分析方法主要有纳氏试剂分光光度法、简易甲醛法、电化学分析法等[6]。其中,纳氏试剂法分光光度法(HJ 535-2009)最为常用,其测定原理是基于水中的氨氮与纳氏试剂反应生成淡红棕色络合物,该络合物420 nm的吸光度与氨氮含量成正比。该方法具有操作简单、反应灵敏等特点[7,8],但检测范围窄(0.025～2.0 mg/L)。常见的混浊污水样品(10～100 mg/L)必须稀释并且经预处理才能检测。而且该方法不适用于色度高的水样。纳氏试剂稳定性差,配制过程中需用到剧毒物质(如二氯化汞和碘化汞),存在安全隐患。简易甲醛法[9]通过将铵盐与甲醛进行缩合反应并生成等物质的量的酸(H+),再滴定测得酸的量,并计算出氨氮的含量。该方法则简便、快速,能避免纳式试剂法的诸多问题。缺点是样品中游离酸以及甲醛溶液中的甲酸杂质会引起滴定误差,使测定结果偏高。电位滴定仪也能用于氨氮的测定,但其电极易受到水中表面活性剂等物质的污染和干扰,且电极寿命短,重现性不佳。

顶空气相色谱(HS-GC)是一种实现复杂挥发性组分快速、批量测定的分析技术[10,11],如果将顶空瓶当作一个反应器,使一些非挥发性的成分通过化学反应(如酸碱反应)转化为挥发性组分,就可以进行GC分析,从而实现非挥发性组分的检测[12,13]。设计适当的化学反应,将废水中的氨氮转化为可用GC检测的挥发性气体,就可以实现废水中氨氮含量的间接测定。本研究借鉴了简易甲醛法测定氨氮的化学反应原理,提出了一种新方法:在顶空瓶中将氨氮转化成CO2,再定量检测CO2,从而得到废水中氨氮的含量,并研究了适宜的反应条件(反应时间、甲醛加入量等)和方法的测试精度、准确度和可靠性。

1 实验部分

1.1 试剂与溶液

所有化学试剂均为分析纯试剂,购自天津市大茂化学试剂厂。实验所用到的水均为去离子水。CH2O溶液(1.083 g/mL)。NaHCO3溶液(0.025 mol/L):准确称取NaHCO3粉末0.210 0 g溶于水中,定容至100 mL。氨氮标准储备溶液(1 000 mg/L,以N计):准确称取(NH4)2SO44.719 3 g溶于水中,定容至1 000 mL。氨氮标准使用溶液(100 mg/L,以N计):将上述氨氮标准储备溶液稀释10倍,现用现配。

1.2 仪器与操作条件

顶空自动进样器(Thermo HS TriPlus300, US);气相色谱仪(Agilent GC 7890A, US), DB-5毛细管柱(30 m×0.32 mm×0.25 μm)(J&W Scientific, US); 5 mL和1 mL规格的微量移液器;20 mL具塞顶空瓶;玻璃平底内插管(直径7 mm,高40 mm,容积1.2 mL)。

顶空进样条件:炉温60 ℃,管路温度70 ℃,传输线温度80 ℃,样品平衡时间10 min,摇晃程度为强烈水平,样品间隔3 min。

气相色谱条件:进样口压力41.4 kPa,载气为氮气,载气流速3.1 mL/min,柱箱温度35 ℃,运行时间3 min,热导检测器(thermal conductivity detector, TCD)温度250 ℃。

1.3 测试方法

在顶空样品瓶中套入玻璃内插管,在顶空瓶中加入8.0 mL待测样品和0.50 mL甲醛溶液,在内插管中加入1.0 mL碳酸氢钠溶液,将顶空瓶封盖后摇匀,即启动反应,同时放入顶空进样器中,按设置好的程序进行检测。配制2.0～10.0 mg/L的氨氮标准系列溶液用于制作标准曲线。

1.4 应用实例的样品制备

氨氮培养液的制备:无水葡萄糖5.0 g; (NH4)2SO42.0 g; NaCl 1.0 g; K2HPO41.0 g; MgSO4·7H2O 0.25 g;水1 000 mL。

将配制好的氨氮培养液分装于250 mL三角瓶中,每瓶100 mL,调节pH 7.2～7.4, 120 ℃下灭菌20 min。

菌株接种:分别将生物除臭剂、枯草芽孢杆菌、粪肠球菌、混合菌1#(按2∶1混合的枯草芽孢杆菌和粪肠球菌)以及混合菌2#(按1∶2混合的枯草芽孢杆菌和粪肠球菌)按照108个/mL的接种量接入上述灭过菌的氨氮培养液中,于37.0 ℃、137 r/min条件下培养24 h。

氨氮降解率:接入菌株培养一定时间后,取出培养液离心,取上清液测定氨氮浓度,计算氨氮降解率。以未接种的样品作为空白对照。

2 结果与讨论

2.1 氨氮转化与色谱检测

在室温、酸性或弱碱条件下,水中氨氮主要以铵根离子的形式存在。同时,弱碱性条件下,甲醛具有较强的还原性,过量的甲醛溶液与水溶液中铵盐发生缩合反应,生成等物质的量的酸(H+)和六亚甲基四胺[14,15]。生成的酸再与已知浓度的碳酸氢钠溶液发生复分解反应,产生CO2,即:

(1)

(2)

顶空瓶中释放出CO2,经过顶空取样,由装有热导检测器的气相色谱仪测定CO2的峰面积,并通过校正曲线计算出该水样中氨氮的含量。

本研究使用氮气作为气相色谱载气,顶空瓶中主要由O2和CO2产生信号。按照反应式(1)生成CO2后,经气相色谱分析,O2和CO2的出峰时间分别为1.3 min和1.9 min,因此O2不会对CO2的信号构成干扰(见图1)。

图 1 二氧化碳与氧气的顶空气相色谱图Fig. 1 Headspace gas chromatogram of oxygen and carbon dioxide

2.2 氨氮含量的测定

2.2.1定量计算

按照1.3节方法测定不同浓度的氨氮标准溶液,建立标准曲线,进行线性回归拟合,得如下方程:

A=1.01(±0.013 1)C-0.026 2(±0.079 4)

(3)

式中,A为峰面积;C为氨氮的质量浓度,mg/L。

因此,待测水样中的氨氮含量可按照式(4)计算:

C=K(A-A0)/1.01

(4)

式中,A0为空气和去离子水中总的CO2的峰面积;K为样品的稀释倍数。

根据上述标准曲线方程式(3),按照式(5)可计算出该方法的定量限(LOQ)为0.786 mg/L:

LOQ=a+10|Δa|/S

(5)

式中,a为标准曲线截距;Δa为标准曲线截距的误差;S为标准曲线的斜率。

与纳氏试剂分光光度法(HJ 535-2009)(检出限为0.025 mg/L,定量限为0.10 mg/L)相比,本方法的灵敏度不及纳氏试剂分光光度法。因此,对于低浓度的水样(比如地表水、地下水和饮用水源等氨氮含量<1.00 mg/L的水样),并不适用,但对于高浓度的水样(比如造纸废水)的快速批量检测,则具有很大优势。

2.2.2条件优化

为了确保上述反应(1)和(2)反应完全,甲醛的加入量和反应时间是最大的影响因素。一般而言,如果甲醛加入量过少或者反应时间过短,那么上述反应将不彻底,测定结果将偏小;如果甲醛加入量过多或者反应时间过长,浪费试剂或者耗时均不符合当前绿色化学的环保理念。因此,优化了甲醛的加入量和反应时间。

图 2 甲醛用量对CO2峰面积的影响Fig. 2 Effect of the formaldehyde volume on CO2 peak area (NH4)2SO4: 20 mg/L, 8 mL; NaHCO3: 0.025 mol/L, 1.0 mL; temperature: 60 ℃; equilibrium time: 10 min.

由图2可知,当甲醛加入量在0～500 μL时,甲醛的含量对实验结果有显著的影响;当甲醛加入量大于500 μL时,CO2峰面积的变化趋于平缓,说明反应达到平衡。因此,最佳的甲醛加入量为500 μL。

由图3可知,为了确保待测水样中的氨氮彻底转化,最佳的平衡时间为10 min。

图 3 反应时间对CO2峰面积的影响Fig. 3 Effect of the equilibrium time on CO2 peak area (NH4)2SO4: 20 mg/L, 8 mL; CH2O: 37%, 0.5 mL; NaHCO3: 0.025 mol/L, 1.0 mL; temperature: 60 ℃.

2.2.3方法的重现性

按照上述实验条件对同一浓度的氨氮溶液重复制样、检测5次。水样中CO2的峰面积见表1。结果表明,该方法5次测定的相对标准偏差(RSD)均小于2%,说明本方法具有良好的精度。

表 1 HS-GC法测定氨氮水样的重现性(n=5)

2.2.4方法的准确性

通过加标回收试验验证方法的准确度。加入标准溶液后,水样中的氨氮有两种来源:加入的氨氮标准溶液和水样中本身携带的氨氮。因此,定量加入氨氮标准溶液后的样品按照1.3节实验方法进行测定,再通过方程式(4)计算得出水样中总的氨氮含量,然后减去原始水样中的氨氮含量,即可计算加入的氨氮含量,再计算加标回收率,结果见表2。

由表2的结果可知方法的回收率在95%～105%的范围内。由此可见,该检测方法具有很高的准确性。

表 2 氨氮在水样中3个水平下的加标回收率(n=5)

2.2.5方法对比

对4份不同的水样(其中水样1和2是用氨氮标准液配制的模拟水样,3和4取自华南理工大学西湖,该湖容纳了周边2个食堂和4栋学生宿舍以及餐饮商铺的所有污水,即该处的水为生活污水,具有代表性),分别采用纳氏试剂法分光光度法(HJ 535-2009)[16]和顶空气相色谱法进行测定,其结果如表3所示。两种方法得到的检测值的相对偏差均小于5%,进一步说明了本方法的可行性。

表 3 HS-GC法与纳氏试剂分光光度法测定结果的比较

表 4 氨氮降解菌的测定结果

0. blank sample; 1. biological deodorant; 2.Bacillussubtilis; 3.Enterococcusfaecalis; 4.BacillussubtilisandEnterococcusfaecalis(2∶1, v/v); 5.BacillussubtilisandEnterococcusfaecalis(1∶2, v/v).

2.3 应用实例

运用本研究建立的方法,对5种氨氮降解菌培养液上清液进行检测。实验结果见表4, 0～5号样品分别对应的是空白样、生物除臭剂、枯草芽孢杆菌、粪肠球菌、混合菌1和混合菌2的培养液上清液。空白样不投加任何菌种,在同等条件下进行培养。测定结果表示为:以空白样中的氨氮含量为基准,投加了氨氮降解菌的水样在培养24 h后,其水样中的氨氮含量的变化率。

每组样品均平行测定3次,相对标准偏差小于1%,具有较高的精度。从样品中氨氮含量的变化来看,生物除臭剂对氨氮的降解效果最好,其次是粪肠球菌。投加了枯草芽孢杆菌、混合菌1和混合菌2的样品中,氨氮含量不降反升。出现这种现象可能是由于投加的菌的新陈代谢作用释放了CO2,而本方法恰恰就是通过检测CO2的含量来确定样品中的氨氮含量,从而导致测定结果偏高;也可能是投加的菌种培养时间(24 h)过短,细菌还处于生长的第一阶段(延滞期)。具体原因将在后续的试验中进一步研究。

3 结论

本文基于化学反应型顶空气相色谱技术,建立了一种检测水中氨氮含量的方法。该方法具有适用范围广、准确快速、二次污染少等优点,因此非常适合于污水中氨氮含量的批量快速分析。