亚甲蓝分光光度法测定水中阴离子表面活性剂含量的方法改进

王秋实,吴林源,张诗委,袁 哲,张可佳,赵海谦

(1.东北石油大学 土木建筑与工程学院,大庆 163318;2.石河子大学 水利建筑与工程学院,石河子 832000;3.苏州科技大学 环境科学与工程学院,苏州 215009)

阴离子表面活性剂主要是指直链烷基苯磺酸钠和烷基磺酸钠类物质,是合成洗涤剂的主要活性成分[1]。阴离子表面活性剂进入水体后聚集在水和其他微粒表面,阻断水中氧气的交换,降低水中的溶解氧量,导致水质恶化,从而破坏水生生物的生存环境,降低水生生物的呼吸能力,影响水生生物的正常生长[2]。因此,阴离子表面活性剂被列为GB 3838—2002《地表水环境质量标准》的基本控制项目之一[3]。目前水中阴离子表面活性剂的测定方法主要有流动注射法[4-5]、液相色谱法[6-7]和亚甲蓝分光光度法[8-9],前两种方法检测成本较高,难以推广使用[10-11],故亚甲蓝分光光度法成为检测水中阴离子表面活性剂的标准方法(GB 7494—1987《水质 阴离子表面活性剂的测定 亚甲蓝分光光度法》)[12]。虽然标准方法的灵敏度较高,准确度较好,但是操作复杂(单个样品分析需要萃取6次),分析效率较低,易受各种共存物的影响,试剂消耗量非常大(三氯甲烷用量50 mL,亚甲蓝用量25 mL)[13],而且萃取过程采用手动振摇方式,难以避免三氯甲烷的挥发对实验操作人员的毒害作用[14]。针对GB 7494—1987存在的一系列不足,国内学者对该方法进行了深入的试验研究并做出了改进：文献[15]采用0.45 μm滤膜过滤水样,用自制带圈铜丝破乳,将单个样品的分析时间缩短一半;文献[16]提出的改进方法只进行一次萃取,且减少了亚甲蓝和三氯甲烷的用量,测定结果与原方法测定结果无显著性差异;文献[17]对亚甲蓝和三氯甲烷用量、萃取次数进行了优化,测定结果与标准方法没有明显差异。以上改进措施在一定程度上弥补了亚甲蓝分光光度法的不足,但仍然存在试剂消耗量大、三氯甲烷毒害作用等问题。本工作针对阴离子表面活性剂测定过程中的实际特点,在前人研究的基础上,进一步GB 7494—1987做出了改进,用毒性相对较小的二氯甲烷代替三氯甲烷作为萃取剂,用试管代替分液漏斗,用振荡器代替手动振摇方式进行萃取,通过方法学验证确定改进方法的可行性,以期实现水中阴离子表面活性剂含量的快速、准确测定。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

TU-1900型双光束紫外-可见分光光度计,配10 mm光程比色皿;HY-4型调速多用振荡器(振幅20 mm);85-2A型双数显恒温磁力搅拌器;AN2856型分析天平;10 mL注射器,配20 mm长不锈钢针头;200 mm×25 mm试管。

十二烷基苯磺酸钠标准储备溶液、亚甲蓝溶液、氢氧化钠溶液、硫酸溶液和酚酞指示剂溶液均按照GB 7494—1987进行配制。

十二烷基苯磺酸钠标准溶液：取0.2 mL十二烷基苯磺酸钠标准储备溶液,用水稀释至100 mL,配制成质量浓度为2.0 mg·L-1的十二烷基苯磺酸钠标准溶液。

二氯甲烷、十二烷基苯磺酸钠、氢氧化钠、硫酸、二水磷酸二氢钠、乙醇等均为分析纯;亚甲蓝、酚酞均为指示剂级;试验用水为二次蒸馏水。

1.2 试验方法

取8 mL经中性滤纸过滤后的水样或十二烷基苯磺酸钠标准溶液于试管中,以酚酞为指示剂,逐滴加入氢氧化钠溶液至溶液呈桃红色,再逐滴加入硫酸溶液至桃红色刚好消失;加入2 mL亚甲蓝溶液,将试管固定在振荡器上(倾斜约45°),以速率270 次·min-1振荡3.0 min;取下试管,加入5 mL二氯甲烷,再将试管固定在振荡器上(倾斜约45°),以速率270次·min-1振荡1.5 min后静置分层;为避免吸入亚甲蓝相,用配有长针头的注射器吸取二氯甲烷相约3 mL,注入比色皿中,测量体系在波长654 nm处的吸光度。

1.3 试验原理

阳离子染料亚甲蓝与阴离子表面活性剂反应生成蓝色的亚甲蓝活性物质,该生成物可被二氯甲烷萃取,用分光光度计测量二氯甲烷相在654 nm处的吸光度,根据朗伯-比尔定律,其吸光度与浓度水平成正比。

2 结果与讨论

2.1 萃取时间的选择

改进方法使用振荡器进行萃取,振荡速率和时间是影响二氯甲烷相吸光度的重要因素。通过预试验将振荡速率控制在270 次·min-1,然后考察了萃取时间对二氯甲烷相吸光度的影响。对2 mg·L-1十二烷基苯磺酸钠标准溶液分别进行了0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0 min的振荡萃取,3次试验结果如图1所示。

图1 萃取时间对吸光度的影响Fig.1 Effect of extraction time on absorbance

由图1可知：3次试验结果趋势相同,当萃取时间为0.5～1.5 min时,吸光度随萃取时间的延长而增大,并在1.5 min时达到最大,在1.5 min之后,吸光度在一定范围内波动,整体趋于稳定。说明萃取时间小于1.5 min时,萃取不充分,有一小部分活性物质未被二氯甲烷萃取出来,导致吸光度较低;随着萃取时间的延长,活性物质逐渐被全部萃取出来,直到1.5 min时萃取完全,此时吸光度达到最大;继续振荡萃取,活性物质在二氯甲烷相和水相之间来回迁移,导致吸光度有一定的波动。为了节省时间以及保证萃取充分,试验选择的萃取时间为1.5 min。

2.2 系统误差

图2 空白试验的均值和极差质控图Fig.2 Quality control charts of mean value and range of blank experiments

均值质控图中,20组空白试验的吸光度均在UCLX和LCLX之间,且没有连续7个点位于CLX同一侧,也没有连续7个点递升或递降,说明系统空白稳定,达到质量控制要求。

极差质控图中,20组空白试验的吸光度极差均在UCLR和LCLR之间,且没有连续7个点位于CLR同一侧,也没有连续7个点递升或递降,说明系统误差在控制范围之内,达到质量控制要求。

2.3 标准曲线和检出限

取适量的十二烷基苯磺酸钠标准溶液,用水逐级稀释,摇匀,配制成十二烷基苯磺酸钠质量浓度分别为0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,1.8,2.0 mg·L-1的标准溶液系列。按照试验方法进行测定,以十二烷基苯磺酸钠的质量浓度为横坐标,以测得的吸光度减去空白标准溶液的吸光度的差值为纵坐标绘制标准曲线。结果显示,十二烷基苯磺酸钠标准曲线的线性范围在2.0 mg·L-1以内,线性回归方程为y=3.844×10-1x+4.500×10-3,相关系数为0.999 2。

按照试验方法进行20组空白试验,根据国标纯粹和应用化学联合会(IUPAC)规定,以3倍标准偏差(s)与线性回归方程斜率(k)的比值计算检出限(3s/k),结果为0.029 7 mg·L-1;以3.3倍检出限计算测定下限,结果为0.098 0 mg·L-1。

2.4 精密度和回收试验

按照试验方法对质量浓度为0.2,0.6,1.2 mg·L-1的十二烷基苯磺酸钠标准溶液分别测定6次。结果显示：测定值的相对标准偏差(RSD)依次为2.8%,5.9%,8.2%,符合《环境水质监测质量保证手册》(第二版)中规定的精密度(样品的实验室内RSD)不大于20%的要求[19],说明改进方法的精密度较高。

对空白水样进行加标回收试验,计算回收率,结果见表1。

表1 回收试验结果

结果显示：回收率为95.0%～99.1%,符合《环境水质监测质量保证手册》(第二版)中规定的实验室内加标回收率为95%～105%的要求[19],说明改进方法的准确度较高。

本工作对GB 7494—1987测定水中阴离子表面活性剂含量的方法进行了改进,使用试管代替分液漏斗,利用振荡器进行萃取,并使用毒性较小二氯甲烷代替三氯甲烷作为萃取剂。改进方法大大减少了试剂用量,简化了操作步骤,降低了检测成本,将GB 7494—1987分析单个样品的时间从40 min缩短至小于10 min,大大提高了分析效率;而且改进方法绘制出的标准曲线线性良好,检出限低,准确度和精密度均能达到质量控制要求,对环境监测领域具有重要的应用价值和指导意义。