CN110887834A - 一种基于靛蓝二磺酸钠褪色的水体硝酸盐含量测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于靛蓝二磺酸钠褪色的水体硝酸盐含量测定方法，取硝酸盐标准溶液或预处理水样，向其中加入靛蓝二磺酸钠溶液、浓硫酸和纯水配制显色体系；根据水样的水质特征选择适当的基质配制试剂空白和硝酸盐系列标准溶液，并配制相应的显色体系，测定其在最大吸收波长处的透光率；从硝酸盐标准溶液显色体系的透光率中扣除试剂空白后得到透光率变化值，以此绘制工作曲线，并获得线性回归方程；去除水样中的干扰物质后，测定其显色体系在最大吸收波长处的透光率变化值；根据标准曲线得到预处理水样的硝酸盐含量，并计算出原水样的硝酸盐含量。本发明的有益效果是实现受氮污染的天然水、饮用水及污废水中硝酸盐含量的快速、简单、准确测定。

Description

一种基于靛蓝二磺酸钠褪色的水体硝酸盐含量测定方法

技术领域

本发明属于水质检测技术领域，涉及一种基于靛蓝二磺酸钠褪色的水体硝酸盐含量测定方法。

背景技术

作为一种重要的无机氮形式，硝酸盐广泛存在于天然水(如地下水、地表水、海水等)、饮用水、生活污水及工业废水等水体中。近年来，大量氮肥施用、污废水排放、垃圾填埋等人类活动导致水体的硝酸盐污染日益严重。水体中硝酸盐浓度过高不仅会造成环境风险，还会威胁人类健康。例如，地表水中硝酸盐浓度过高会诱发水体富营养化，使得河湖水华和海域赤潮频发，导致水域环境恶化；饮用水中过高浓度的硝酸盐可以在人体内转化为亚硝酸盐，不仅可以诱发亚铁血红蛋白症和新生儿的“蓝婴病”，还可以与有机氮化合物作用形成致癌物质(如亚硝基胺)；养殖水体中硝酸盐浓度过高会影响养殖生物的健康和生长繁殖，从而降低养殖活动的经济效益。因此，及时掌握水体的硝酸盐污染状况对于环境安全和人类健康具有重要意义，而这就需要对水体中硝酸盐含量进行快速、准确的测定。

到目前为止，国内外研究者已经开发出多种多样的硝酸盐检测方法。这些方法大致可以分为以下几类：分光光度法、化学发光法、电化学法、色谱法、毛细管电泳法、荧光法、电化学发光法、流动注射分析法等。其中，分光光度法、离子色谱法、气相分子吸收法、离子选择电极法和流动注射分析法常用于水体中硝酸盐含量的的测定。离子色谱法、气相分子吸收法、离子选择电极法和流动注射法的自动化程度较高，适合于大批量样品分析，近年来发展较快。但是，这些方法需要配备较为昂贵的仪器设备，测定成本较高。分光光度法所用的仪器设备简单、分析成本低、灵敏度高、可操作性行强，在基层检测单位得到广泛应用。根据硝酸盐显色方式的不同，分光光度法又可以分为两类：1)直接显色分光光度法，即硝酸根直接与显色剂作用(如酚二磺酸法、紫外分光光度法等)；2)还原显色分光光度法，利用还原剂将硝酸根还原为亚硝酸根(或氨)，再与显色剂作用(如镉柱还原法、锌镉还原法等)。

高且稳定的硝酸根还原率是保证还原显色分光光度法准确度的关键，这就对实验操作和实验装置维护提出了较高的要求，而且硝酸根还原率的频繁测定会导致测定过程复杂化。此外，还原显色分光光度法往往需要使用铜、镉等重金属或者肼盐等毒性较大的物质，废液需要进行严格处理，否则会对环境造成污染。紫外分光光度法是一种特殊的直接显色分光光度法，不需要显色剂，测定过程简单，但是对水体水质要求较高，稳定性差，而且测定结果受水样中溶解性物质(如有机物)的干扰较大。除此之外，在酸性介质(一般为硫酸)中，硝酸根可以与某些有机物发生硝基化反应(或氧化还原反应)，生成有颜色的产物(或导致颜色程度发生变化)，根据显色体系在特定波长下的吸光度(或透光率)与硝酸根含量的线性关系可以确定水样的硝酸盐含量。直接显色分光光度法无需将硝酸根转化为其他形态，简化了测定过程，但是显色反应的程度、速率、副反应及显色稳定度等会影响测定方法的灵敏度和准确度。因此，需要严格控制实验条件和测定过程，然而这又会对测定效率产生影响，例如酚二磺酸法需要在无水条件下进行，使得该法的操作步骤复杂、影响因素较多、耗时较长。此外，很多硝酸盐显色剂(如马钱子碱、二苯胺、对甲苯胺等)属于剧毒或高毒物质，其购买、使用、保存以及废液处理均需要遵守严格的管理规定。因此，寻找毒性小、对硝酸根敏感、反应迅速、显色稳定的硝酸盐显色剂对于直接显色分光光度法的推广应用至关重要。靛蓝二磺酸钠可以用作生物染色剂、食品着色剂和氧化还原指示剂，其毒性较小，且对硝酸根敏感。因此，本发明立足于直接显色分光光度法，采用靛蓝二磺酸钠作为显色剂，以期建立一种操作简便、反应迅速、环境友好、适用范围广的水体硝酸盐含量测定方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于靛蓝二磺酸钠褪色的水体硝酸盐含量测定方法，本发明的有益效果是实现受氮污染的天然水(地表水、地下水、海水)、饮用水及污废水中硝酸盐含量的快速、简单、准确测定。

本发明所采用的技术方案是按照以下步骤进行：

(1)显色体系配制。取一定体积的硝酸盐标准溶液或预处理水样，向其中加入一定体积的靛蓝二磺酸钠溶液，摇匀；加入一定体积的浓硫酸，摇匀后静置，冷却至室温；加入一定体积的纯水，摇匀后静置，冷却至室温。

(2)标准曲线绘制。根据水样的水质特征选择适当的基质配制试剂空白和硝酸盐系列标准溶液；按照步骤(1)配制相应的显色体系，测定最大吸收波长处的透光率，从中扣除试剂空白的透光率，得到系列透光率变化值；以硝酸盐含量为纵坐标，透光率变化值为横坐标，绘制工作曲线，并利用最小二乘法获得工作曲线的线性回归方程。

(3)水样预处理。采取适当的预处理手段去除水样的色度和悬浮固体，避免亚硝酸盐、硫化物及Fe²⁺、Fe³⁺等金属离子的干扰，得到预处理水样。

(4)水样测定。取一定体积预处理水样，按照步骤(1)配制显色体系，测定最大吸收波长处的透光率，减去试剂空白的透光率后，得到透光率变化值。根据标准曲线得到预处理水样中的硝酸盐含量，并计算出原水样中的硝酸盐含量。

进一步，步骤(1)中硝酸盐标准溶液(或预处理水样)的体积为1mL；靛蓝二磺酸钠溶液的浓度为1×10^-3mol/L，加入体积为1mL；浓硫酸的加入体积为3mL；纯水的加入体积为5mL。

进一步，步骤(2)中对于氯离子浓度小于5g/L的水体(如地表水、地下水、饮用水)，选取纯水作为配制试剂空白和硝酸盐标准溶液的基质；对于受氮污染的海水(如海水养殖废水)，选取无氮人工海水作为配制试剂空白和硝酸盐标准溶液的基质，无氮人工海水则由纯水和化学药品配制而成；对于氯离子浓度大于5g/L、波动较大(或者氯离子浓度不易获得的)的水体(如高氯废水)，选取饱和氯化钠溶液作为配制试剂空白和硝酸盐标准溶液的基质。

进一步，步骤(2)和(4)中最大吸收波长选取613nm。

进一步，步骤(2)中以纯水、无氮人工海水和饱和氯化钠溶液作为配制硝酸盐标准溶液的基质时，标准曲线的线性范围分别为0.3～12mg/L、0.3～16mg/L和0.3～30mg/L。

进一步，步骤(3)中如果水样的颜色较重，需要进行脱色处理，如活性炭吸附；水样经过0.45μm滤膜过滤，去除其中的悬浮固体；用硫酸将水样酸化后，加入一定体积的尿素溶液，去除其中的亚硝酸根；通过向水样中加入一定体积的乙二胺四乙酸二钠溶液，掩蔽Fe²⁺、Fe³⁺等金属离子的干扰；对于硫化物含量较高的水样，用硫酸酸化后，通氮气15分钟，除去其中的硫化氢；对于氯离子浓度大于5g/L、波动较大(或者氯离子浓度不易获得的)的水体，向水样中加入氯化钠固体，直至达到饱和。

进一步，步骤(4)中根据水样的氯离子浓度配制试剂空白；原水样中硝酸盐浓度根据下式计算：

式中，C(NO₃ ^--N)为原水样中的硝酸盐浓度(mg/L)；T₀和T_w分别为试剂空白显色体系和预处理水样显色体系在613nm处的透光率；a为标准曲线的斜率；V为用于预处理的原水样体积(mL)；ΔV为预处理过程中向原水样中投加的液体体积(mL)。

本发明还可以用于测定水体的总氮含量。通过适当的预处理(如过硫酸钾氧化)手段将水样中其他形态的氮转化为硝酸盐氮后，根据本发明测定水样中的硝酸盐氮含量，即可获得水样的总氮含量。

附图说明

图1为硝酸盐标准溶液显色体系的扫描光谱：(a)采用纯水作为配制硝酸盐标准溶液的基质；(b)采用饱和氯化钠溶液作为配制硝酸盐标准溶液的基质。；

图2为采用不同基质配制硝酸盐标准溶液时得到的标准曲线：(a)纯水基质；(b)无氮人工海水基质；(c)饱和氯化钠溶液基质。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

实施例1：地下水和地表水中硝酸盐含量测定。

采集某地区地下水和地表水各一份，按照以下步骤测定它们的NO₃ ^--N含量。1)水样无明显颜色，故无需进行脱色处理；水样经过0.45μm滤膜过滤，去除其中的悬浮固体。2)取5mL过滤后水样，依次加入0.1mL稀硫酸溶液(体积比1：99)、0.1mL尿素溶液(1g/L)和0.1mL乙二胺四乙酸二钠溶液(1g/L)，混匀后静置15分钟以上。3)采用纯水配制试剂空白和硝酸盐系列标准溶液，NO₃ ^--N浓度梯度为0.00、0.30、0.50、1.00、2.00、4.00、6.00、8.00、10.00和12.00mg/L。4)取1mL硝酸盐标准溶液或预处理水样，加入1mL靛蓝二磺酸钠溶液(1×10^{- 3}mol/L)，摇匀；加入3mL浓硫酸，摇匀后静置，冷却至室温；加入5mL纯水，摇匀后静置，冷却至室温；以纯水调零，选用光程10mm的比色皿测定各显色体系在613nm处的透光率。图1为硝酸盐标准溶液显色体系的扫描光谱，其中(a)采用纯水作为配制硝酸盐标准溶液的基质。5)以硝酸盐含量为纵坐标，硝酸盐标准溶液显色体系的透光率变化值为横坐标，绘制工作曲线，采用最小二乘法获得标准曲线的线性回归方程。图2为采用不同基质配制硝酸盐标准溶液时得到的标准曲线，其中(a)为纯水基质。6)根据水样显色体系的透光率变化值和标准曲线回归方程计算出水样的硝酸盐含量。对地下水和地表水样品各进行6次平行测定。

按照以下步骤对两种水样进行加标回收率实验：取100mL水样，向其中加入0.5mL采用纯水配制的硝酸盐标准溶液(1.0g NO₃ ^--N/L)；按照上述方式测定加标水样的硝酸盐含量；根据加标前后水样的硝酸盐含量计算回收率。对地下水和地表水样品各进行6次平行加标实验。

地下水和地表水的硝酸盐含量测定结果及加标实验结果如表1所示。两种水体6次平行测定的相对标准偏差均小于5％，与离子色谱法得到的结果相比，本方法测定结果的相对误差均在-5％～5％范围内，回收率结果令人满意。

表1地下水和地表水中硝酸盐含量测定结果(以NO₃ ^--N计)

实施例2：海水养殖废水中硝酸盐含量测定。

采集某海洋馆循环养殖系统外排废水一份，按照实施例1中的步骤1)～6)测定水样的硝酸盐含量。不同的是，在步骤3)中，采用无氮人工海水配制试剂空白和硝酸盐系列标准溶液，NO₃ ^--N浓度梯度为0.00、0.30、0.50、1.00、2.00、4.00、6.00、8.00、10.00、12.00、14.00和16.00mg/L。无氮人工海水的成分为：氯化钠(26.518g/L)、硫酸镁(3.305g/L)、氯化镁(2.447g/L)、氯化钙(1.141g/L)、氯化钾(0.725g/L)、碳酸氢钠(0.202g/L)和溴化钠(0.083g/L)。图2为采用不同基质配制硝酸盐标准溶液时得到的标准曲线，其中(b)为无氮人工海水基质。对海水养殖废水样品进行6次平行测定。

加标回收率实验：取100mL水样，向其中加入1.0mL采用无氮人工海水配制的硝酸盐标准溶液(1.0g NO₃ ^--N/L)；测定加标水样的硝酸盐含量；根据加标前后水样的硝酸盐含量计算回收率。进行6次平行加标实验。

由表2可以看出，海水养殖废水中硝酸盐含量测定结果的相对标准偏差小于5％，与镉柱还原法的测定结果相比，本方法测定结果的相对误差在-5％～5％内，回收率结果令人满意。

表2海水养殖废水中硝酸盐含量测定结果(以NO₃ ^--N计)

实施例3：人工模拟高氯废水中硝酸盐含量测定。

向某污水厂出水中加入一定量的氯化钠固体，配制人工模拟高氯废水。按照实施例1中的步骤1)～6)测定水样的硝酸盐含量。图1为硝酸盐标准溶液显色体系的扫描光谱，其中(b)采用饱和氯化钠溶液作为配制硝酸盐标准溶液的基质。不同的是，水样按照步骤2)进行预处理后，取出2.0mL样品，向其中加入氯化钠固体直至饱和；在步骤3)中，采用饱和氯化钠溶液配制试剂空白和硝酸盐系列标准溶液，NO₃ ^--N浓度梯度为0.00、0.30、0.50、1.00、2.00、4.00、8.00、12.00、15.00、20.00、25.00和30.00mg/L。图2为采用不同基质配制硝酸盐标准溶液时得到的标准曲线，其中(c)为饱和氯化钠溶液基质。对人工模拟高氯废水样品进行6次平行测定。

按照实施例1中的步骤对人工模拟高氯废水样品进行加标回收率实验。不同的是，采用氯化钠饱和溶液配制1.0g NO₃ ^--N/L的硝酸盐标准溶液。

如表3所示，人工模拟高氯废水中硝酸盐含量测定结果的相对标准偏差小于5％，与镉柱还原法的测定结果相比，本方法测定结果的相对误差在-5％～5％内，回收率结果令人满意。

表3人工模拟高氯废水中硝酸盐含量测定结果(以NO₃ ^--N计)

本发明的优点还在于：

1)本发明将水样、靛蓝二磺酸钠溶液和浓硫酸进行混合即可完成显色体系配制，大大简化了水体硝酸盐含量测定的操作流程。2)本发明所需的可见分光光度计及其他装置均为实验室常规配置，无需昂贵仪器设备，而且减少了样品及化学药品的使用量，降低了水体中硝酸盐含量测定的成本。3)在硫酸介质中，硝酸根与靛蓝二磺酸钠反应速度快，显色体系冷却至室温后便可达到稳定。4)本发明无需使用重金属镉、肼盐等有毒试剂，测定完成后，用碱调节废液pH至中性后即可排放，对环境污染较小。5)本发明不仅适用于受氮污染的淡水，经过简单处理还可用于受氮污染的海水及高氯废水。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种基于靛蓝二磺酸钠褪色的水体硝酸盐含量测定方法，其特征在于按照以下步骤进行：

(1)显色体系配制；取硝酸盐标准溶液或预处理水样，向其中加入靛蓝二磺酸钠溶液，摇匀；加入浓硫酸，摇匀后静置，冷却至室温；加入纯水，摇匀后静置，冷却至室温；

(2)标准曲线绘制；根据水样的水质特征选择适当的基质配制试剂空白和硝酸盐系列标准溶液；配制相应的显色体系，测定其在最大吸收波长处的透光率，从中扣除试剂空白的透光率后，得到系列透光率变化值；以硝酸盐含量为纵坐标，透光率变化值为横坐标，绘制工作曲线，并利用最小二乘法获得工作曲线的线性回归方程；

(3)水样预处理；采取适当的预处理手段去除水样的色度、悬浮固体、亚硝酸盐、硫化物、金属离子等干扰物质，得到预处理水样；

(4)水样测定；取一定体积预处理水样，按照步骤(1)配制显色体系，测定最大吸收波长处的透光率，减去试剂空白的透光率后，得到透光率变化值，根据标准曲线得到预处理水样的硝酸盐含量，并计算出原水样的硝酸盐含量。

2.按照权利要求1所述一种基于靛蓝二磺酸钠褪色的水体硝酸盐含量测定方法，其特征在于：所述步骤(1)中硝酸盐标准溶液或预处理水样的体积为1mL；靛蓝二磺酸钠溶液的浓度为1×10^-3mol/L，加入体积为1mL；浓硫酸的加入体积为3mL；纯水的加入体积为5mL。

3.按照权利要求1所述一种基于靛蓝二磺酸钠褪色的水体硝酸盐含量测定方法，其特征在于：所述步骤(2)中对于氯离子浓度小于5g/L的水体，选取纯水作为配制试剂空白和硝酸盐标准溶液的基质；对于受氮污染的海水，选取无氮人工海水作为配制试剂空白和硝酸盐标准溶液的基质，无氮人工海水则由纯水和化学药品配制而成；对于氯离子浓度大于5g/L、波动较大或者氯离子浓度不易获得的的水体，选取饱和氯化钠溶液作为配制试剂空白和硝酸盐标准溶液的基质。

4.按照权利要求1所述一种基于靛蓝二磺酸钠褪色的水体硝酸盐含量测定方法，其特征在于：所述步骤(2)和(4)中最大吸收波长选取613nm。

5.按照权利要求1所述一种基于靛蓝二磺酸钠褪色的水体硝酸盐含量测定方法，其特征在于：所述步骤(2)中以纯水、无氮人工海水和饱和氯化钠溶液作为配制硝酸盐标准溶液的基质时，标准曲线的线性范围分别为0.3～12mg/L、0.3～16mg/L和0.3～30mg/L。

6.按照权利要求1所述一种基于靛蓝二磺酸钠褪色的水体硝酸盐含量测定方法，其特征在于：所述步骤(3)中如果水样的颜色较重，需要进行脱色处理，如活性炭吸附；水样经过0.45μm滤膜过滤，去除其中的悬浮固体；用硫酸将水样酸化后，加入一定体积的尿素溶液，去除其中的亚硝酸根；通过向水样中加入一定体积的乙二胺四乙酸二钠溶液，掩蔽Fe²⁺、Fe^{3 +}等金属离子的干扰；对于硫化物含量较高的水样，用硫酸酸化后，通氮气15分钟，除去其中的硫化氢；对于氯离子浓度大于5g/L、波动较大或者氯离子浓度不易获得的的水体，向水样中加入氯化钠固体，直至达到饱和。

7.按照权利要求1所述一种基于靛蓝二磺酸钠褪色的水体硝酸盐含量测定方法，其特征在于：所述步骤(4)中根据水样的氯离子浓度配制试剂空白；原水样中硝酸盐浓度根据下式计算：

式中，C(NO₃ ^--N)为原水样中的硝酸盐浓度，mg/L；T₀和T_w分别为试剂空白显色体系和预处理水样显色体系在613nm处的透光率；a为标准曲线的斜率；V为用于预处理的原水样体积，mL；ΔV为预处理过程中向原水样中投加的液体体积，mL。

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