水杨酸法检测水质氨氮的改进方法

马 芮，刘嘉骥，刘 永

盛世惠泽科技(天津)有限公司，天津 300393

氨氮是水质检测的重要指标之一，检测水中氨氮的方法有纳氏试剂法、水杨酸法、苯酚法和次溴酸盐法等[1-3]，比较常用的是前2种方法，后2种方法可检测的浓度较低，且苯酚有刺激性、氧化性和毒性，次溴酸钠溶液的稳定性差，需现配现用，因而都会为检测过程带来不便。纳氏试剂法是检测氨氮的经典方法，具有检测浓度高、方法简单和耗时短的优点，但是纳氏试剂中含有高浓度的剧毒物碘化汞或氯化汞，对环境危害严重，废液不可直接排放，需另行处理，且化验人员需在通风橱中小心操作。为贯彻《中华人民共和国环境保护法》和《中华人民共和国水污染防治法》，保护环境，保障人体健康，《水质氨氮的测定 水杨酸分光光度法》(HJ 536—2009)[2]被越来越多的检测人员使用[4-7]。

水杨酸分光光度法测氨氮具有检出限低、灵敏度高和操作简便的优点，但是此方法的检出上限仅为1 mg/L，显色时间1 h，耗时较长。此外，该法所用的一种药剂次氯酸钠溶液，由于其化学性质不稳定，保质期短，需要经常配制新溶液，弃去旧溶液，造成检测的不便和浪费，所以本研究采用具有缓释作用的二氯异氰尿酸钠代替次氯酸钠，延长了药品的有效使用时间。水杨酸分光光度法是通过检测氨氮与水杨酸盐和次氯酸离子反应生成的蓝色化合物的吸光度来确定氨氮的含量，本研究通过适当的药剂替换和浓度调整，增大了氨氮的测量范围，通过对不同显色时间的吸光度的检测，优化了显色时间，缩短了检测耗时。

1 实验部分

1.1 原理

本研究基于HJ 536—2009方法[2]，即在碱性介质和亚硝基铁氰化钠存在的条件下，水中的氨、铵离子与水杨酸盐和次氯酸离子反应生成蓝色化合物，在697 nm处用分光光度计测量吸光度，从而计算出水中的氨氮浓度。

1.2 实验仪器与试剂

实验采用哈希DR3900分光光度计，哈希COD比色管(美国，规格为φ16 mm×100 mm)，721可见光分光光度计和10 mm比色皿。氨氮蒸馏装置由500 mL凯式烧瓶、氮球、直形冷凝管和导管组成，冷凝管末端连接一段适当长度的滴管，使出口尖端滴入吸收液液面下。

显色剂(水杨酸钠-酒石酸钾钠溶液)：称取150 g水杨酸钠(C7H5NaO3)，加入约100 mL水，再加入160 mL 2 mol/L的氢氧化钠溶液，搅拌使之完全溶解；称取50 g酒石酸钾钠(KNaC4H6O6·4H2O)溶于水中，与上述溶液合并移入1 000 mL容量瓶中，加水稀释至标线，贮存于加橡胶塞的棕色玻璃瓶中。二氯异氰尿酸钠溶液：称取3 g氢氧化钠溶于约50 mL水中，待溶液完全溶解并冷却后，加入0.5 g二氯异氰尿酸钠溶解，移至100 mL容量瓶中，加水至标线，贮存于加盖棕色玻璃瓶中。氨氮预蒸馏试剂、亚硝基铁氰化钠溶液(质量浓度ρ=10 g/L)和氨氮标准溶液采用HJ 536—2009中方法[2]，另用ρ=100 mg/L的氨氮标准中间液稀释配制ρ=10 mg/L的氨氮标准使用液，临用现配。

1.3 实验方法

用ρN=1 mg/L和ρN=10 mg/L的氨氮标准使用液于哈希COD比色管中配制成体积为8 mL、质量浓度为0～2.50 mg/L的氨氮标准系列溶液。加入1.00 mL显色剂和0.10 mL亚硝基铁氰化钠，加盖上下颠倒混匀。再加入0.10 mL的二氯异氰尿酸钠溶液并混匀。显色30 min后，放入比色管，测定吸光度。根据浓度和所得到的相应吸光度，在哈希DR3900分光光度计中编辑此氨氮测定的新程序。另于10 mL比色管中配制体积为8 mL、质量浓度为 0～1 mg/L的氨氮标准系列溶液。按照上述步骤添加药剂和显色，用10 mm比色皿和721型可见光分光光度计在697 nm处测定吸光值，并根据氨氮含量和吸光度绘制标准曲线。

水样测定过程：取8 mL样品(高浓度氨氮水样需要进行适当比例的稀释)于哈希比色管中，以蒸馏水为空白参比，加药过程同标准曲线的测定，显色30 min后打开DR3900分光光度计，选择编辑好的程序，把比色管外壁擦拭干净，放入样品槽中直接读取浓度值。

1.4 水样的采集和预处理

本实验采集了天津市某化工厂废水、某印染厂废水、某钢厂的循环水补水和废水、某食品厂污水处理站出水，取回来的水样立即用定性中速滤纸过滤掉水中的杂质和悬浮物后，放于冰箱冷冻保存。实验所用的自来水为实验室水龙头打开流动5 min后取的水，现取现用。所有水样及空白在检测氨氮之前均按照HJ 536-2009方法[2]进行预蒸馏处理，即将50 mL硫酸吸收液移入接收瓶内，确保冷凝管出口在硫酸溶液液面以下。分取250 mL水样(如果氨氮含量较高，可以适当少取，加水至250 mL)移入烧瓶中，加几滴溴百里酚蓝指示剂，必要时用氢氧化钠溶液或硫酸吸收液调整pH为6.0(指示剂呈黄色)至7.4(指示剂呈蓝色)，加入0.25 g轻质氧化镁及数滴玻璃珠，立即连接氮球和冷凝管。加热蒸馏，使馏出液速度约为0.25 mL/min，待馏出液达到200 mL时，停止蒸馏，加水至250 mL。

2 结果与讨论

2.1 药剂的选择

2.1.1 水杨酸钠

显色剂用水杨酸钠代替水杨酸，因为在药剂配制过程中水杨酸很难溶解，需要加热且溶解时间比较长，而且药剂放置一段时间后会有析出的状况。根据本实验原理，参与显色反应的是水杨酸盐，所以本实验选择了水杨酸钠，溶解度高且易溶于水，没有析出现象。由于本实验的量程是HJ 536—2009方法的2.5倍，因此把50 g/L的水杨酸改为150 g/L的水杨酸钠。

2.1.2 二氯异氰尿酸钠

本方法中显色反应所需的次氯酸离子选用二氯异氰尿酸钠代替次氯酸钠。二氯异氰尿酸钠中的有效氯含量高达60%。图1为二氯异氰尿酸钠水解释放HClO的过程，当水解平衡时，HClO的含量很低，当HClO被消耗时平衡才会往右进行，缓慢地释放出HClO，所以二氯异氰尿酸钠溶液的有效氯储备时间长。而次氯酸钠溶液的有效氯含量低且极不稳定，衰减特别快，因此二氯异氰尿酸钠由于其有效氯含量高、缓释时间长和性质稳定的优点被越来越多的研究者所使用[4-5]。

本实验在确定二氯异氰尿酸钠溶液的有效使用时间时选择直接检测氨氮标液的浓度，即随着药剂失效所测得的氨氮浓度会比实际值降低。实验选用最高量程浓度的标液，即 2.5 mg/L的氨氮标液，临用现配。连续4个月每月的最后一天检测2.5 mg/L氨氮标液的浓度，根据此测量值较实际浓度降低的误差来确定5 g/L的二氯异氰尿酸钠溶液的有效使用时间。从表1可见，前3个月的相对误差均小于2%，第4个月的相对误差大于5%。因此，本方法选用5 g/L的二氯异氰尿酸钠，此溶液在4 ℃冰箱密封避光存放，有效期为3个月。

在应用纳氏试剂法检测氨氮时，时常出现空白试剂偏高的问题，水杨酸法相对好一些。本实验由于选用药剂的改变，也进行了空白试剂的吸光度实验。取8 mL蒸馏水，按第1.3节实验方法依次加入试剂，取相同总体积的蒸馏水作为空白，显色后测定吸光度。5个平行实验的结果为0.019、0.012、0.014、0.020、0.017，吸光度均小于0.030，符合HJ 536—2009中试剂空白的吸光度应不超过0.030的要求。

表1 二氯异氰尿酸钠的有效使用时间实验Table 1 The effective usage time of sodium dichloroisocyanurate

2.2 显色时间

HJ 536—2009中的显色时间为60 min，一些前人的研究报道中的显色时间较短[6-7]，为此，实验选取了0.5 mg/L和2 mg/L一高一低2种浓度的标液，每种浓度3个平行样，进行显色时间的优化。如图2所示，在室温下，连续对这2种标液的吸光度进行检测，对于0.5 mg/L的低浓度标液来说，10 min后吸光度就能稳定在峰值，2 mg/L的高浓度标液在30 min后趋于稳定，30 min时的吸光值达到峰值的98.44%，对应的浓度误差仅为0.54%，可忽略不计。因此，本方法选用的显色时间为30 min，相对于HJ 536—2009法在时间上缩短一半。此外，氨氮与水杨酸盐和次氯酸根反应生成的蓝色化合物比较稳定，在显色3 h以内吸光度几乎保持不变，所以可选用的显色时间比较宽泛，为30～180 min。

图2 显色时间曲线Fig.2 The curve of color development time

2.3 标准曲线

用哈希DR3900分光光度计检测0～2.5 mg/L氨氮系列标准溶液的吸光度，结果如图3所示，以浓度为横坐标，以吸光度为纵坐标，在0～2.5 mg/L范围内符合朗伯比尔定律，拟合得到的曲线方程为y=0.001 8 + 1.239 0x，相关系数r为0.999 6，线性关系良好。本方法的最高量程为2.5 mg/L，是HJ 536—2009方法的2.5倍。721型可见光分光光度计测定0～1 mg/L氨氮系列标准溶液的吸光度结果如图4所示，分别以氨氮质量浓度和吸光度作为横、纵坐标，拟合得到标准曲线方程为y=0.007 6 + 0.061 0x，相关系数r为0.999 2，线性关系良好。因此，本方法具有普适性，在没有哈希DR3900分光光度计的情况下，可以选用普通分光光度计进行水质氨氮的检测。

图3 哈希分光光度计测定氨氮标准曲线Fig.3 The standard curve of ammonia nitrogen by Hash DR3900

图4 721可见分光光度计测定氨氮标准曲线Fig.4 The standard curve of ammonia nitrogen by 721 spectrophotometer

2.4 与标准方法的对比

本实验选取0.2 mg/L和2.0 mg/L的氨氮标液及化工废水、印染废水和钢厂废水，用该方法HJ 536—2009标准方法进行对比。由表2可知，本实验方法与HJ 536—2009法的测量结果无明显差异，在准确度和精密度上基本一致；对于浓度比较高的工业废水来说，由于该方法的量程是HJ 536—2009法的2.5倍，取水样过程中的稀释倍数低，所以最终造成的测量结果误差略微低于HJ 536—2009法，体现出了量程扩大的优势。本方法准确可靠，且适用于不同类型的废水。

表2 该方法与标准法的对比(n=3)Table 2 The comparation of the method and national standard method (n=3)

2.5 回收率

实验选择自来水、某钢厂循环水补水和某食品厂污水处理站出水进行加标回收实验。首先，分别吸取0、0.2、1.0 mL的ρN=10 mg/L的氨氮标准使用液于比色管中，分别取上述3种水7 mL于比色管中，每种样品3个平行，补蒸馏水至8 mL，按照第1.3节实验方法测氨氮含量并计算回收率，结果见表3。本方法的加标回收率范围是95%～107%，回收率良好。

表3 加标回收实验(n=3)Table 3 The standard recovery test

3 结论

采用改进方法测定水质氨氮，标准曲线的线性关系良好，准确度和精密度与HJ 536—2009法一致，其优点在于：用水杨酸钠代替水杨酸，在配制过程中更易溶解且不易析出。用具有缓释特性的二氯异氰尿酸钠代替次氯酸钠，克服了次氯酸钠溶液不稳定、保质期短的缺点，有效使用时间提高至3个月；检测上限从1 mg/L提高到2.5 mg/L，一定程度上减小了稀释倍数造成的误差；优化出了最佳的显色时间30 min，是HJ 536—2009法的一半。此外，哈希比色管集取样与比色于一体，哈希分光光度计可编辑程序，直接读出浓度，使检测过程更为便捷，且该试剂成本低于哈希配套试剂90%以上。该方法亦可选用普通可见光分光光度计，适用性广泛。本方法准确可靠，环保，便捷，只是这3种方法均以酒石酸钾钠为掩蔽剂，对 Ca2+、Mg2+等金属离子的掩蔽能力有限，如果水样的硬度较高，需要做稀释等预处理。目前环保市场上一些以水杨酸法为基础的氨氮水质在线监测设备将检测上限提高到了几十甚至上百毫克每升，因此今后的研究中可以通过提高药剂浓度或减少取样量等方法，进一步扩大测量范围，从而更方便准确地检测不同类型水质的氨氮含量。