紫外分光光度法测定总氮空白值高的实验分析及改进

紫外分光光度法测定总氮空白值高的实验分析及改进

仇英伟王佳

延安石油化工厂化验中心陕西省727406

摘要：碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定总氮空白值高导致试验无法进行，空白值高主要为过硫酸钾纯度不够，通过重结晶空白值明显降低，同时，消解时间、碱性过硫酸钾存放时间、冷却放置时间等都会对空白值产生影响，结果表明，在试验确定的最佳条件下，经过标准样品和水样大量试验测定，准确度和精密度满足要求。

关键词：总氮；碱性过硫酸钾消解；空白值；影响因素

前言

在地表水和废水中，氮以硝态氮、亚硝态氮、氨态氮等无机态氮和蛋白质、氨基酸、尿素、叠氮化合物、联氮、偶氮等有机态氮形式存在，总氮是有机氮和无机氮之和，即硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、氨氮、与有机氮的总称，在我厂生产中，含氮工业废水中氮含量的增加，生物和微生物大量繁殖，消耗水中的溶解氧，会使水体质量恶化，所以总氮是反应水体污染程度的重要指标之一。

目前，我国环境标准总氮测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度（HJ636-2012），该方法在接近检出限测定时，要求空白试验吸光值Ab应小于0.030[1]，但在实际操作中，会发现空白值高和回收率不稳定的现象，在制作工作曲线和实际测定中出现空白值高而无法比色的现象，因此，总氮的测定的准确度难以掌握，本文对碱性过硫酸钾紫外分光光度法分析方法进行优化与改进，找到总氮分析空白值高的原因，并进行改进。

试验部分

1、仪器：I8型双光束紫外分光光度计（海能仪器）；立式压力蒸汽灭菌锅（1.1-1.4kg/cm2）；25ml具塞磨口比色管

2、试剂：氢氧化钠（AR）、过硫酸钾（AR）、硝酸钾（AR）

硝酸钾贮备液：0.7218g硝酸钾（105-110℃烘干2h）溶于水，定容至1000mL容量瓶；

碱性过硫酸钾溶液：20g过硫酸钾溶于300nL水，15g氢氧化钠溶于150mL水，待氢氧化钠溶液冷却室温后混合两种溶液，定容于1000mL，存于聚乙烯瓶：

盐酸溶液（1+9）

3、试验原理：

在60℃以上水浴中，过硫酸钾分解产生硫酸氢钾和原子态氧，硫酸氢钾在溶液中离解而产生氢离子：

K2S2O8+H2O=2KHSO4+1/2O2

KHSO4=K++HSO4-

HSO4-=H++SO42-

故在NaOH的碱性介质中可促使分解过程趋于完全，在120---124℃条件下，原子态氧使水样中含氮化合物转化为硝酸盐，由于在氮化合物转化过程中，有机物同时被氧化分解，因此用紫外分光光度法于波长220nm和275nm处分别测出吸光度A220及A275，求出校正吸光度Ab和As，从工作曲线得到的值计算总氮（以NO3--N计）含量.

1、试验步骤：

配制100mg/L的硝酸钾贮备液，配成0.5mg/L，1.0mg/L，3mg/L，5mg/L，7mg/L标准液，分别量取10ml标准液于25mL具塞口玻璃比色管中，零浓度用蒸馏水代替，分别加入5.00mL碱性过硫酸钾溶液，塞紧管塞，用纱布和线绳扎紧管塞，以防弹出，将比色管至于高压蒸汽灭菌器中，加热至顶压阀吹气，关阀，继续加热至120℃开始计时，保持温度120-124℃之间30min，自然冷却，开阀放气，取出比色管冷却至室温，每个比色管加入1.0mL盐酸溶液（1+9），用水稀释至25mL标线，混匀，使用10mm石英比色皿，在紫外分光光度计上，用水做参比，分别于波长220nm和275nm处测吸光度，计算零浓度的校正吸光度Ab和其它浓度的校正吸光度As及其差值Ar。

Ab=Ab220-2Ab275

As=As220-2As275

Ar=As-Ab

2、结果讨论

在试验过程中发现，试验空白在220nm处吸光度值1.467，并且消解后的吸光值不稳定，这是困扰总氮测定的最大问题，而在分光光度法中，比尔定律是一个有限的定律，在吸光度0.2-0.8之间浓度与吸光度会有较好的线性效果，通过查阅相关文献资料[2]，对影响紫外分光光度法测定总氮空白值高的现象进行分析，并进行改进。

标准中使用的是无氨水，而我们试验中使用的是新制高纯水，首先从空白入手，查找空白值吸光度高的现象，一个试管加5mL碱性过硫酸钾，第二支试管加10mL蒸馏水再加5mL碱性过硫酸钾，第三支试管加入无氨水加碱性过硫酸钾，同时放入高压灭菌锅消解，再分别加盐酸，蒸馏水和无氨水定容后测定，结果空白值吸光度还是很高。

用未加碱性过硫酸钾的硝酸钾标准溶液进行试验，其它条件一样，结果见表1：

表1未加碱性过硫酸钾吸光度

从图可以看出，吸光度高的主要原因应该为碱性过硫酸钾的问题。

2.1过硫酸钾纯度对空白的影响

通过查阅紫外分光光度法测定总氮的文献资料，大多数研究者认为，按照标准方法试验，空白值较大多数是过硫酸碱纯度不够引起的[3]，总氮的测定对过硫酸钾纯度要求很高，不同厂家其质量的好坏直接影响试验结果，总氮分析中过硫酸钾含氮量要求小于0.0005%，进口试剂试验空白会比较理想，但是价格比较高，而国产的过硫酸钾试剂一般含氮量不满足总氮测定要求，本次试验中，对过硫酸钾进行提纯再结晶：烧杯中加800mL水，在水浴锅50℃加热，逐渐加入过硫酸钾，直到不能溶解为止，然后把饱和的过硫酸钾室温冷却，在放入4℃冰箱冷藏一夜，同时用另一瓶蒸馏水放冰箱，倒掉上层清液然后用冰好的蒸馏水清洗几次结晶好的晶体，重结晶三次，然后放入50℃烘箱中烘干即可，本次结晶试验160g过硫酸钾结晶了80g左右，回收率在50%左右。

对提纯后的过硫酸钾按照试验步骤，分别消解后进行空白试验测定，空白吸光度值如下：

表2过硫酸钾提纯后吸光度对比

从试验结果可以看出，提纯后的过硫酸钾空白值明显降低，提纯三次的空白效果明显。

2.2碱性过硫酸钾消解时间的影响

在不断实验过程中发现，碱性过硫酸钾消解时间对空白值影响很大：分别取10mL高纯水于3个比色管中、10mL高浓水样于3个比色管中、10mL1mg/L标样于3个比色管中，按试验步骤进行操作，将样品分别消解不同的时间，测定吸光度，结果见表3：

表3不同消解时间对空白的影响

表4不同消解时间对样品结果的影响

在实验过程中发现，碱性过硫酸钾消解时间对空白和实验结果影响很大，标准中要求为30min，但是按照标准的要求，实验结果空白吸光度很高，对应的误差也比较大，因为总氮测定中使用的过硫酸钾本身在波长220nm处有很强的吸收，这种吸收随着消解过程中过硫酸钾的分解而不断减弱，随着消解时间的加长，过硫酸钾分解的会更为彻底，即使只有1%的残留，也会在220nm处产生严重干扰，所以本实验中，过硫酸钾能否消解完全，取决于消解时间，经过多次试验，消解时先打开排气阀，待灭菌锅里的冷空气充分排出后再关闭排气阀，这步很关键，自然降压至和外界气压相同时再取出比色管，保证消解时间足够长，消解出来的效果最好。过硫酸钾完全分解，从表3可以看出，消解时间在40分钟以上吸光度会趋于稳定，标样和高浓污水测定结果在误差范围内，相对误差较小，而消解时间30分钟过硫酸钾存在消解不完全的现状，所以，总氮消解时间控制在40分钟以上，稍长更好，从而降低空白值，提高准确度。

2.3试验用水对空白值的影响

在环境标准中，总氮取样量为10mL水样，加上5mL碱性过硫酸钾消解后测定，试验的空白取样量为10mL新制高纯水，空白水为无氨水，在我们的试验中使用的是高纯水，这样也会存在因高纯水不纯而会产生空白偏高的现象，因为样品消解前并未加高纯水，消解氧化后加入高纯水定容，水中含有的氨没有消解，没有转化为硝酸根，因氨在220nm波长处无吸收峰，所以不会影响测定结果。为了查找吸光度高的原因，从空白入手，取5mL碱性过硫酸碱加入试管，第二个试管加10mL高纯水再加5mL碱性过硫酸钾，第三支试管加入无氨水加碱性过硫酸碱，同时放入高压灭菌锅消解，再高纯水和无氨水定容后测定，结果如表5：

表5不同试验用水对空白的影响

结果显示，高纯水和无氨水对空白值影响不大，试验中可以使用高纯水替代无氨水。

2.4碱性过硫酸钾存放时间对空白值的影响

在试验过程中发现，碱性过硫酸钾存放时间对空白值产生影响，碱性过硫酸钾在总氮试验中起到的是氧化的作用，应避开和还原性物质混放，防止放出氧气失效。经过查找文献资料[4]，表明碱性过硫酸钾在15℃放置6天即不可使用，也有人认为存放半个月影响不大，我们对碱性过硫酸钾存放时间进行了试验，分别使用新配的，放置时间3天、7天、10天、12天、15天的碱性过硫酸钾，对标准样品进行消解50分钟后进行测定，测定结果如表6：

表6碱性过硫酸钾存放时间空白值的影响

测定结果显示：过硫酸钾随存放时间增长空白吸光度是逐渐增大的，标准样品的相对误差会增大，因为随着存放时间的增长，过硫酸钾常温下会缓慢分解，溶液中存在大量的氢氧根离子时，由分解产生的氢离子会被迅速中和，使反应正向进行，促使反应速度加快，所以碱性过硫酸钾最好存放时间不要超过10天，最好临用前现配，效果最好，建议根据需求量配制，避免浪费。

2.5冷却时间及加盐酸后的放置时间

消解完成后，从蒸汽灭菌锅中取出比色管，要求自然冷却，通过实验比对，冷却时间长短对测定结果也有影响，至少放置一小时冷却，在冷却时间上，研究显示[5]；1-4小时测定结果最接近真值，稳定性最好，试验过程中，我们将时间控制在2小时。

盐酸在220nm处也有一定的吸光度，根据平衡，40g的过硫酸钾，氢氧化钠15g，1ml的盐酸足够中和分解产生的H+，多加会对吸光度产生干扰，同时，盐酸加完后，放置10分钟至半小时吸光度稳定，但也不宜过长。

3、精密度和加标回收试验

使用三次重结晶的过硫酸钾，碱性过硫酸钾按照要求配置，控制水浴温度50度左右，空白使用高纯水，高压灭菌锅120-124℃消解50分钟，消解后自然冷却2小时，加盐酸后摇匀半小时测定，使用系列标准溶液，以浓度（mg/L）为横坐标，校正吸光度为纵坐标建立校准曲线或线性回归方程：

表7标准曲线校正吸光度值

Y=0.1069X-0.0068，r=0.9995

3.1精密度试验：

为了验证试验的精密度，使用1mg/L、3mg/L硝酸钾标样，石化厂高浓污水分别进行六次平行测定实验，结果如下表8：

表8精密度试验单位：mg/L

3.2加标回收率试验：

分别准确量取1.00mL、10mg/L硝酸钾标准溶液，加到24mL高浓污水中进行试验；准确量取2.00mL、10mg/L硝酸钾标准溶液，加到24mL轻烃中间水池水样中，结果加标回收率见表9：

表9加标回收率试验表单位：mg/L

4、结论

碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定总氮虽然操作简单所需试剂少，但是在测定过程中，空白值高是一个普遍存在的问题，而空白值的大小对实验结果的准确度精密度起着决定性的作用，尤其是对低浓度总氮测定结果影响会比较大，通过实验验证，降低总氮空白值的因素比较多，操作也很关键，结论如下：

4.1过硫酸钾纯度对总氮测定空白值的影响最大，过硫酸钾纯度要求<0.0005%，但是国产的试剂一般含氮量不满足总氮测定要求，甚至有些进口过硫酸钾的纯度也不满足要求，存在吸光度高的现象，而且进口过硫酸钾费用高，通过试验，将国产过硫酸钾三次提纯，消除过硫酸钾中杂质的影响，将过硫酸钾空白值降到最低。

4.2试验所使用的高纯水满足总氮测定空白值的要求，可以替代无氨水使用。

4.3碱性过硫酸钾配制时，过硫酸钾水浴温度不能超过60℃，否则会导致过硫酸钾分解失效，同时氢氧化钠要和过硫酸钾分开配制，以免氢氧化钠放热导致过硫酸钾失效。

4.4碱性过硫酸钾存放时间对空白值的增大，试验表明，碱性过硫酸碱15-20℃存放半个月以上会对空白值产生影响，氧化性也会减弱，所以少量配置，最好临用现配效果最好。

4.5高压灭菌锅消解温度严格控制在120-124℃，50分钟以上消解效果更好，并严格按照HJ637-2012的要求冷空气排出后，在计时50分钟，消解完成后自然冷却，我们消解后放置2小时。

4.6加入盐酸混匀定容后，半小时左右测定，吸光度会比较稳定。

通过以上试验，总氮测定空白吸光度降到0.04，文献显示：氢氧化钠纯度对空白也会有一定影响，试验使用的是分析纯氢氧化钠，国标要求氢氧化钠含氮量小于0.0005%，目前我们使用的是分析纯氢氧化钠，含氮量为0.005%，所以氢氧化钠对空白值也有一定影响。试验中空白值为0.04，通过精密度和加标回收试验，结果表明精密度和加标回收率满足要求，可以满足水样总氮测定的要求。

参考文献：

[1]HJ-636-2018水质总氮的测定碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法

[2]代小华曾庆娟.碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定总氮的方法优化环境与发展，2018，30（07）：139-140.

[3]孙启彬碱性过硫酸钾发测定总氮中影响因素及解决办法{J}.环境科学与管理，2012.37（8）：132-134

[4]苗卫卫江敏吴昊等降低总氮测定中空白吸光度的研究{J}上海水产大学学报，2007，16（2）：169-173

[5]肖伟、吴伟、李清雪总氮测定影响因素的实验研究{J}，工业用水与废水2010，2（41）：87-92