离子色谱柱后衍生分光光度法测定水中氨氮的方法研究

胡玲， 宋兴伟， 李莉莉， 纪乔木

（1.江苏省环境监测中心， 南京 210019； 2.淮安市华测检测技术有限公司， 江苏 淮安 223001）

水中的氨氮指以游离氨（NH3）和铵离子（NH4＋）形式存在的化合氮， 水温和pH 值会影响其在水中的存在形式。 氨氮是水质监测的重要指标， 目前，水中氨氮的检测方法主要有纳氏比色法、 苯酚-次氯酸盐（或水杨酸-次氯酸盐）比色法、 气相分子吸收法、 离子色谱法等［1-8］。 在实际监测工作中， 采用较多的是纳氏比色法和水杨酸-次氯酸盐比色法。纳氏比色法检测线性范围窄、 样品前处理繁琐， 且使用有毒有害物质， 影响分析人员的身体健康； 水杨酸-次氯酸盐比色法具有检出限低、 灵敏度高等优点， 但该法检出上限不高、 线性范围较窄。 本文采用离子色谱柱后衍生分光光度法测定水中的氨氮， 基于水杨酸分光光度法原理， 利用双柱塞宝石杆色谱泵为动力， 仪器自动进样、 自动添加试剂。样品经过色谱柱分离后在线自动衍生（柱后显色），检测器读数后一键生成报告。 本文研究了离子色谱柱后衍生分光光度法的精密度、 准确度、 检出限及加标回收率等， 并与常用氨氮检测方法进行了对比， 验证了该方法的实用性。

1 试验部分

1.1 方法原理

本研究基于HJ 666—2013《水质 氨氮的测定流动注射-水杨酸分光光度法》［9］， 即在碱性环境中， 水样中的氨和铵离子与次氯酸离子反应生成氯胺。 在60 ℃和亚硝基铁氰化钾存在条件下， 氯胺与水杨酸盐反应生成蓝绿色化合物， 于660 nm 波长处进行吸光度的测定。 以时间作为横坐标， 峰高作为纵坐标， 绘制标准曲线。 根据峰面积进行定量分析， 目标化合物的保留时间进行定性分析。

1.2 试验仪器与试剂

电子天平： CP124S； 水浴恒温振荡器： THZQ； pH 计： WTW3210； 离子色谱仪： ELSPE-2 超痕量氨氮分析仪， 带高精度全peek 双柱塞杆离子色谱泵4 套， 带氨氮快速分析柱及自动进样系统，带可调节恒温加热系统。

水杨酸钠溶液： 称取6.4 g 氢氧化钠， 缓慢倒入盛有300 mL 纯水的烧杯中并不断搅拌， 待溶液冷却至室温后加入25 g 水杨酸钠， 搅拌溶解， 用纯水定容至500 mL， 使用前超声脱气10 min。 亚硝基铁氰化钠溶液： 称取1 g 亚硝基铁氰化钠， 用纯水定容至500 mL， 使用前超声脱气10 min。 次氯酸钠溶液： 量取70 mL 次氯酸钠， 用纯水定容至500 mL， 使用前超声脱气10 min。 氨氮标准储备液： 坛墨质检， B1903126。 氨氮标准工作液： 将氨氮标准储备液用纯水稀释成50 mg／L 溶液， 临用前现配。 试验用水： 纯水。

1.3 色谱条件

色 谱 柱： 快 速 分 析 柱4.1 mm × 50.0 mm， 5 μm， 或相当的阳离子交换柱； 流动相： 氯化钠和盐酸混合液（50 mmol／L 氯化钠＋10 mmol／L 盐酸），流 速： 1 mL／min； 柱 温： 60 ℃； 进 样 体 积： 20 μL； 水杨酸泵流速： 0.6 mL／min； 亚硝基铁氰化钠泵流速： 0.2 mL／min； 次氯酸钠泵流速： 0.4 mL／min； 检测波长： 660 nm。

1.4 样品的采集和处理

本试验采集了无锡市某污水处理公司的生活污水、 扬州市某石化公司附近地表水、 泰州市某化工公司的工业废水、 如皋市近岸海域海水。 根据水样类型采取适当的保存和预处理步骤， 将保存好的水样转移至实验室进行分析。 样品上机测定前经过0.45 μm 过滤器过滤， 去除沉淀和杂质。

1.5 空白试验

以无氨水代替水样， 按照与试样测定相同的仪器分析条件进行空白试样的测定。

2 结果与讨论

2.1 标准曲线的绘制

配置质量浓度为0.0、 0.2、 0.5、 1.0、 5.0、 10.0、20.0、 50.0 mg／L 的标准溶液， 进样分析后测定不同浓度氨氮标准溶液的峰面积。 通过工作站软件，以标准溶液浓度对其峰面积进行曲线拟合， 得到回归方程y ＝10.709 x， 相关系数r ＝0.999 9， 如图1所示。 结果表明， 氨氮溶液浓度与峰面积线性关系良好， 变量间的线性相关程度高。

图1 氨氮浓度标准曲线Fig. 1 Standard curve of ammonia nitrogen

2.2 精密度测定

分别对质量浓度为0.100 0、 1.000 0、 10.000 0 mg／L 的氨氮标准溶液平行测定6 次， 测定结果见表1， 并计算每次测定的标准偏差（SD）和相对标准偏差 （RSD）。 由表1 可知， 3 种浓度氨氮标准溶液测定结果的RSD 均小于2%， 说明该方法精密度较好， 达到试验要求。

表1 精密度试验结果Tab. 1 Results of precision test

2.3 准确度测定

选用国家有证标准质控样品， 分别进行2 次加标， 每次加标平行测定6 次， 计算相对误差和回收率， 结果见表2。 其测定结果均在标准值要求范围内， 表明离子色谱柱后衍生分光光度法测定水中氨氮的准确度良好。

表2 标准样品加标回收试验结果Tab. 2 Results of standard addition recovery rate of standard samples

2.4 实际样品加标回收试验

取地表水、 生活污水、 工业废水、 海水4 种不同浓度的样品进行试验， 每种样品加标后平行测定6 次， 测定结果见表3。 平均回收率在84.41% ～96.93% 之间， 试验过程可控， 该检测方法能够满足环保监测的工作要求。

表3 实际水样加标回收试验结果Tab. 3 Results of standard addition recovery rate of actual water samples

2.5 检出限的测定

采用质量浓度为0.1 mg／L 和0.2 mg／L 的标准样品， 分别进行7 次平行测定， 根据测定结果计算其SD， 采用99% 置信度， 此时检出限MDL ＝SD ×3.143。 按照HJ 168—2020《环境监测分析方法标准制订技术导则》中的计算方法的检出限［10］， 以4 倍方法检测限确定为本法的测定下限， 如表4 所示。

表4 检出限测试数据Tab. 4 Data of detection limit tests

2.6 样品pH 值条件试验

根据水质采样技术要求， 水样采集后需要pH ＜2.0 的保存条件， 而不同的标准方法要求样品调节至中性才能上机检测。 本方法通过将实测浓度和标准方法测试结果进行比对， 最终决定是否需要调节pH 值， 如果实际样品无值则采用样品处理前加标1.0 mg／L 氨氮标准溶液进行测试， 对多个测试结果进行统计。

在调节pH 值测试的试验中发现， pH ＜2.0 时回收率能达到107%， 符合方法要求。 当pH 值调节至中性， 回收率能达到96%。 当pH 值调至碱性时回收率会骤降。 氨氮在水中以氨分子和铵离子2 种形式存在， 且保持着电离平衡NH3＋H2O ⇌NH4＋＋OH-， 随着水溶液的pH 值降低， 水中的氨会不断电离为铵离子， 直至达到电离平衡。 氨水的解离常数Kb＝1.75×10-5， 在pH ＝7.0 时， 可计算出铵离子浓度是氨分子的175 倍， 所以溶液中的氨氮主要存在形式是铵离子， 而随着溶液pH 值越来越小，这个比例会越来越大， 只要确保样品是中性或者酸性， 即可直接检测出溶液中氨氮的含量， 一般样品采集完保持pH ＜2.0， 故本方法可不进行预调节pH 值， 直接测试。 具体结果如表5 所示。

表5 pH 值条件测试结果Tab. 5 Test results of pH value conditions

3 结论

离子色谱柱后衍生分光光度法的检测限低于现行的国标中对氨氮的限值， 标准曲线的线性关系良好， 准确度和精密度高， 样品上机之前也无需调节pH 值， 完全满足监测工作的需要。 与传统的测定方法相比， 本法具有如下优点： 取样量少， 样品前处理简单， 自动化程度高， 操作更方便、 快捷， 减少人力物力的投入； 灵敏度高， 能反映水中氨氮的真实含量， 测量范围较宽， 适用于多种水质的检测； 检测过程中避免使用毒性较大的试剂， 在保护检测人员健康安全的同时， 又能减少给环境带来的污染。