各种含氮化合物的测定方法
1氨氮
水中氨氮(ammonia nitrogen)的来源主要有生活污水中含氮有机物受微生物作用的分解产物,以焦化、合成氨等为代表的某些工业废水以及农田排水中也含有氨氮。
氨氮以游离氨(又称非离子氨,NH3)和离子氨(NH4+)形式存在于水中,二者的组成比取决于水的pH值,当pH值偏高时,游离氨的比例较高,反之,离子氨的比例较高。
氨氮的测定方法有纳氏试剂分光光度法(HJ 535—2009)、水杨酸分光光度法(HJ 536—2009)、蒸馏-中和滴定法(HJ 537—2009)、气相分子吸收光谱法(HJ/T 195—2005)、流动注射-水杨酸分光光度法(HJ 666—2013)、连续注射-水杨酸分光光度法(HJ 665—2013)和电极法等,结果均以(N,mg/L)计。
由于水样的颜色、浑浊能影响测试结果一般要求在测定之前采用一定的预处理手段(絮凝沉淀、蒸馏等)。自来水、地下水和较清洁的地表水,可用絮凝沉淀法去除干扰,污染严重的水和工业废水、生活污水可用蒸馏法将氨蒸出并吸收于酸溶液中,再进一步测定。测试方法分别介绍如下。
(1)纳氏试剂分光光度法将纳氏试剂(碘化汞和碘化钾的强碱溶液)加入水样中,与氨反应生成黄棕色胶态化合物,在波长420nm处进行比色测定,反应式如下:
2K2HgI4+NH3+3KOH→ NH2Hg2IO+7KI+2H2O
该法的检出限为0.025mg/L,测定下限为0.1mg/L,测定上限为2mg/L(均以N计),适用于地表水、地下水、生活污水和工业废水中氨氮的测定。
(2)水杨酸-次氯酸盐分光光度法在亚硝基铁氰化钠存在的条件下,氨与次氯酸反应生成氯胺,氯胺与水杨酸反应生成氨基水杨酸,氨基水杨酸进一步氧化,缩合为靛酚蓝,可于波长697nm处比色测定。
当使用10mm比色皿时,该法检出限为0.01mg/L,测定范围0.04~0.5mg/L;当使用30mm比色皿时,检出限为0.004mg/L本法适用于地表水、地下水、生活污水和工业废水中氨氮的测定。
(3)蒸馏-中和滴定法蒸馏-中和滴定法适合于生活污水和工业废水中氨氮的测定,方法检出限为0.05mg/L。这种情况下,可先用蒸馏法将氨蒸出,吸收于硼酸溶液中,再用酸标准溶液滴定馏出液中的铵,计算公式为:
(4)气相分子吸收光谱法 水样预处理:取适量水样(含氨氮5~50μg)于50mL容量瓶中,加入1mL盐酸(6mol/L)及0.2mL无水乙醇,充分摇动后加水至15~20mL,加热煮沸2~3min冷却,洗涤瓶口及瓶壁至体积约30mL,加入15mL次溴酸盐氧化剂,加水稀释至标线,密塞摇匀,在18℃以上室温氧化20min待测,同时制备空白试样。
方法原理:经预处理后的水样在2%~3%酸性介质中,加入无水乙醇煮沸除去亚硝盐等干扰,用次溴酸盐氧化剂将氨及铵盐(0~50μg)氧化成等量亚硝酸盐,以亚硝酸盐氮的形式采用气相分子吸收光谱法测定氨氮的含量。
校准曲线的绘制与水样的测定皆参见亚硝酸盐氮的气相分子吸收光谱测定方法(HJ/T 197—2005),只是要将柠檬酸改为加入3mL盐酸(4.5mol/L),其余步骤相同。
本法适用于地表水、地下水、海水、饮用水生活污水及工业污水中氨氮的测定,方法的测定下限为0.080mg/L,测定上限为100mg/L。
(5)流动注射-水杨酸分光光度法、连续注射-水杨酸分光光度法适用于地表水、地下水、生活污水和工业废水中氨氮的测定。
①流动注射-水杨酸分光光度法。流动注射分析仪工作原理:在封闭的管路中,将一定体积的试样注入连续流动的载液中,试样和试剂在化学反应模块中按特定的顺序和比例混合、反应,在非完全反应的条件下,进入流动检测池进行光度检测。
化学反应原理:在碱性介质中,试料中的氨、铵离子与次氯酸根反应生成氯胺。在60℃和亚硝基铁氰化钾存在条件下,氯胺与水杨酸盐反应形成蓝绿色化合物,于660nm波长处测量吸光度。
当采用直接比色模式,检测池光程为30mm时,本方法的检出限为0.01mg/L(以N计),测定范围为0.04~1.00mg/L;当采用在线蒸馏模式,检测池光程为10mm时,本方法的检出限为0.04mg/L(以N计),测定范围为0.16~10.0mg/L。
②连续注射-水杨酸分光光度法。连续流动分析仪工作原理:试样与试剂在蠕动泵的推动下进入化学反应模式,在密闭的管路中连续流动,被气泡按一定间隔规律地隔开,并按特定的顺序和比例混合、反应,显色完全后进入流动检测池进行光度检测。
化学反应原理:在碱性介质中,试料中的氨、铵离子与二氯异氰尿酸钠溶液释放出来的次氯酸根反应生成氯胺。在40℃和亚硝基铁氰化钾存在条件下,氯胺与水杨酸盐反应形成蓝绿色化合物,于660nm波长处测量吸光度。本方法的检出限为0.01mg/L(以N计),测定范围为0.04~5.00mg/L。
(6)电极法 电极法利用氨气敏复合电极进行氨氮的定量测试,该法不受水样颜色和浊度的干扰,水样不必进行预处理,测定范围为0.03~1400mg/L,特别适合于水中氨氮的实时在线监测。
2亚硝酸盐氮
亚硝酸盐氮(nitrite nitrogen)是以NO2-形式存在的无机氮素化合物。它是氨氮进行硝化反应的中间产物,不稳定,容易被氧化为NO3-。由于在硝化过程中,由NH3转化成NO2-的过程比较缓慢,而由NO2-转化成NO3-的步骤比较快速,因此在天然水体中含量并不高,一般不超过0.1mg/L,即使在污水处理厂出水中也很少超过1mg/L。水中亚硝酸盐的主要来源为生活污水中含氮有机物的分解,此外,化肥、酸洗等工业废水和农田排水也含有亚硝酸盐氮。
亚硝酸盐的测定方法主要有a-萘胺比色法(GB 13589.5—92)和气相分子吸收光谱法(HJ/T 197—2005)、离子色谱法等,在此重点介绍前两种方法。
(1)a-萘胺比色法 在酸性溶液中,亚硝酸盐与对氨基苯磺酸发生重氮化反应,然后再与a-萘胺发生偶联反应生成红色的偶氮染料。在波长520mm处,亚硝酸盐氮吸光度值与水样浓度符合比耳定律,满足定量分析的要求。
(2)气相分子吸收光谱法 基本原理:在0.15~0.3mol/L柠檬酸介质中,加入乙醇作催化剂,将亚硝酸盐瞬间转化成的NO2,并通过空气载入气相分子吸收光谱仪的吸光管中,在213.9nm等波长处测得的吸光度与水样中的亚硝酸盐氮浓度符合比耳定律。
本方法适用于地表水、地下水、海水、饮用水、生活污水及工业污水中亚硝酸盐氮的测定。使用213.9nm波长时,测定浓度范围为0.012~10mg/L;在波长279.5nm处测定时,测定上限可达500mg/L。
3硝酸盐氮
清洁地面水中硝酸盐氮(nitrate nitrogen)的含量较低,深层地下水中含量较高。制革废水、酸洗废水、某些生化处理设施的出水和农田排水会含大量的硝酸盐。
硝酸盐氮的测试方法主要有酚二磺酸光度法(GB 7480—87)、紫外分光光度法(HJ/T 346—2007)、气相分子吸收光谱法(HJ/T 198—2005)、离子色谱法(HJ/T 1982—2005)和电极法等。
(1)酚二磺酸光度法 硝酸盐在无水条件下与酚二磺酸反应,生成硝基二磺酸酚,然后在碱性水溶液中生成黄色的硝基酚二磺酸三铵盐。
在410nm波长处测其吸光度,并与标准溶液比色进行定量测定。
该法测定的浓度范围为0.02~2.0mg/L显色稳定。氯离子干扰较大,可在比色之在水样中滴加硫酸银溶液,使氯化物生成沉淀,过滤除去。
(2)紫外分光光度法 水样经预处理后,先在波长220nm处测吸光度,得到A220,此时,硝酸盐和溶解有机物均有吸收。再在波长275nm处测吸光度,得到A275,此时有机物有吸收而硝酸盐无吸收。根据两次吸光度的测定结果,引入吸光度的经验校正值A校,进行定量测定。经验校正值为:
A校=A220-2A275
A校的大小与有机物的性质和浓度有关。对于水样是否需要进行预处理,可通过比较上述两个波长下的吸光度值,即:
该比值一般要求<20%,而且越小越好。经过上述方法的检验,符合要求的水样可不进行预处理。水中有机物、浊度、亚硝酸盐氮、碳酸盐和Fe3+、Cr6+对测定有干扰时,需事先用絮凝共沉淀和大孔中性吸附树脂进行处理。
该法快速简便,测定范围为0.08~4mg/L。
(3)气相分子吸收光谱法 基本原理:在2.5mol/L盐酸介质中,于(70±2)℃温度下,三氯化钛可将硝酸盐迅速还原分解,生成的NO用空气载入气相分子吸收光谱仪的吸光管中,在214.4nm波长处测得的吸光度与硝酸盐氮浓度符合比耳定律。
主要仪器有气相分子吸收光谱仪、镉空心阴极灯(工作波长214.4nm)和气液分离装置,具体参见亚硝酸盐氮的气相分子吸收光谱测定方法。
干扰的消除:NO2-的正干扰,可加2滴10%氨基磺酸(10%水溶液)使之分解生成N2而消除;SO32-及S2O32-的正干扰,用稀H2SO4调成弱酸性,加入0.1%高锰酸钾氧化生成SO42-直至产生二氧化锰沉淀,取上清液测定;含高价态阳离子,应增加三氯化钛用量至溶液紫红色不褪,取上清液测定;水样中含有产生吸收的有机物时,加入活性炭搅拌吸附,30min后取样测定。
本方法适用于地表水、地下水、海水、饮用水、生活污水及工业污水中硝酸盐氮的测定。方法的检出限为0.006mg/L,测定上限10mg/L。
4凯氏氮
凯氏氮(Kjeldahl nitrogen)是指以凯氏法测得的含氮量,包括氨氮和在此条件下能被转化为铵盐而测定的有机氮化合物。在测定凯氏氮和氨氮之后,其差值即为有机氮。生活污水和食品、生物制品和制革等工业废水中常含较多的有机氮化合物,并以蛋白质及其分解产物(多肽和氨基酸)为主。
凯氏氮的测定包括传统的凯氏法(GB/T 11891—89)和气相分子吸收光谱法(HJ/T 196—2005)。
(1)凯氏法 凯氏法的测定分两步进行,即水样消解、蒸馏-滴定。
水样消解:水样中加入硫酸,以硫酸钾和硫酸汞为催化剂,加热消解,使水样中的有机氮、氨氮都转变为硫酸氢铵。消解时可加入适量的硫酸钾以提高消解速度,并可加入硫酸铜以缩短消解时间。若以NH2CH2COOH为代表,反应式如下:
NH2 CH2COOH+4H2 SO4 →NH4 HSO4+2CO2+3SO2+4H2O
蒸馏-测定:消解液在碱性条件下可蒸馏出氨用硼酸溶液吸收。反应式为:
NH4 HSO4+2NaOH→Na2SO4+NH3↑+2H2O
可根据水样的具体情况,选用纳氏试剂光度法或滴定法测定其含量。该法所测得的有机氮化合物为蛋白质、氨基酸、核酸、尿素等,不包括叠氮、联氮、偶氮、硝基氮等物质。
若将水样先行蒸馏除去氨氮,再按凯氏法进行测定,可直接测得有机氮化合物。
(2)气相分子吸收光谱法基本原理:将水样中游离氨、铵盐和有机物中的胺转变成铵盐,用次溴酸盐氧化剂将铵盐氧化成亚硝酸盐后,以亚硝酸盐氮的形式采用气相分子吸收光谱法测定水样中的凯氏氮。
土水样的预处理如下。
a.消解。参照表取样于250mL烧杯中,加入.2.5mL硫酸、1.2g硫酸钾、0.4mL硫酸铜(5%)摇匀。盖上表面皿,加热煮沸至冒白烟,并使溶液变清。降低加热温度,保持微沸状态30min。冷却后转入100mL容量瓶中,加水稀释至标线,摇匀。
b.氧化。吸取适量消解液(氮量≤50μg)于50mL容量瓶中,加水至约30mL,加入1滴溴百里酚蓝指示剂,缓慢滴加40%氢氧化钠至溶液变蓝。加入15mL次溴酸盐氧化剂,加水稀释至标线,密塞,充分摇匀,在不低于18℃的室温下氧化20min,待测。其他测定步骤与氨氮的气相分子吸收光谱法相同。
本方法适用于地表水、水库、湖泊、江河水中凯氏氮的测定,检出限为0.020mg/L,测定下限0.100mg/L,测定上限200mg/L。
5总氮
总氮(total nitrogen)测试方法有碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法(HJ 636—2012)、气相分子吸收光谱法(HJ/T 199—2005)、流动注射-盐酸萘乙二胺分光光度法(HJ 668—2013)和连续流动-盐酸萘乙二胺分光光度法(HJ 667—2013)等。
(1)碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法在120~124℃的碱性介质条件下,用过硫酸钾做氧化剂,不仅可以将水中的氨氮和亚硝酸盐氮氧化为硝酸盐,同时可以将大部分有机氮化合物氧化为硝酸盐。然后用紫外分光光度法测定。
基本原理:在120~124℃碱性介质中,加入过硫酸钾氧化剂,将水样中的氨、铵盐、亚硝酸盐以及大部分有机氮化合物氧化成硝酸盐后,以硝酸盐氮的形式采用气相分子吸收光20谱法进行总氮的测定。
水样的预处理:取适量水样(总氮量5~150μg)置于50mL比色管中,各加入10mL碱性过硫酸钾溶液,加水稀释至标线,密塞摇匀,用纱布及纱绳裹紧塞子,以防溅漏。将比色管放入高压蒸汽消毒器中,盖好盖子,加热至蒸汽压力达到1.1~1.3kg/cm2,记录时间,50min后缓慢放气,待压力指针回零,趁热取出比色管充分摇匀,冷却至室温待测。同时取40mL水制备空白样。
干扰的消除:消解后的样品,含大量高价铁离子等较多氧化性物质时,增加三氯化钛用量至溶液紫红色不退进行测定,不影响测定结果。
该法主要适用适用于地表水、地下水、工业废水和生活污水中总氮的测定本方法的检出限为0.05mg/L,测定范围为0.20~7.00mg/L。
(2)流动注射-盐酸萘乙二胺分光光度法(HJ 668—2013)和连续流动-盐酸萘乙二胺分光光度法(HJ 667—2013) 适用于地表水、地下水、生活污水和工业废水中总氮的测定。
①流动注射-盐酸萘乙二胺分光光度法。流动注射分析仪工作原理:在封闭的管路中,将一定体积的试料注入连续流动的载液中,试料和试剂在化学反应模块中按规定的顺序和比例混合、反应,在非完全反应的条件下,进入流动检测池进行光度检测。
方法化学反应原理:在碱性介质中,试料中的含氮化合物在(95±2)℃、紫外线照射下,被过硫酸盐氧化为硝酸盐后,经镉柱还原为亚硝酸盐;在酸性介质中,亚硝酸盐与磺胺进行重氮化反应,然后与盐酸萘乙二胺偶联生成紫红色化合物,于540nm处测量吸光度。
本方法的检出限为0.03mg/L(以N计),测定范围为0.12~10mg/L。
②连续流动-盐酸萘乙二胺分光光度法。连续流动分析仪工作原理:试样与试剂在蠕动泵的推动下进入化学反应模块,在密闭的管路中连续流动,被气泡按一定间隔规律地隔开,并按特定的顺序和比例混合、反应,显色完全后进入流动检测池进行光度检测。
化学反应原理:在碱性介质中,试料中的含氮化合物在107~110℃、紫外线照射下,被过硫酸盐氧化为硝酸盐后,经镉柱还原为亚硝酸盐。在酸性介质中,亚硝酸盐与磺胺进行重氮化反应,然后与盐酸萘乙二胺偶联生成紫红色化合物,于波长540nm处测量吸光度。
本方法的检出限为0.04mg/L(以N计),测定范围为0.16~10mg/L。
