劉春暉, 黃存款, 張 政, 袁 方, 王思長, 鄭 策

基于鍍銅鎘柱海水中硝酸鹽氮的檢測技術的研究

劉春暉, 黃存款, 張 政, 袁 方, 王思長, 鄭 策

(山東科技大學, 山東 青島 266500)

鍍銅鎘柱還原——重氮偶氮染色法在檢測海水領域具有重要的位置, 算法的不斷創(chuàng)新優(yōu)化成為海水水質檢測質量的的關鍵。本研究以硝酸鉀作為標準溶液, 海水作溶劑做相關實驗, 并且在實際海水檢測應用中得到良好的效果。通過對實驗原理的分析及實驗過程的探究, 確定了本研究的最佳還原與顯色條件。并采用偏最小二乘法(partial least squares regression, PLS)算法模型對實驗數據進行預處理, 利用濁度對其進行補償, 最終得到硝酸鹽氮的最優(yōu)模型。經實驗結果比對, 該方法確定的檢測系統(tǒng)線性范圍寬、檢出限低, 符合海水的快速檢測要求。在此基礎上設計了一套在線自動檢測裝置, 解決了海水在線、實時監(jiān)測的難題。

鍍銅鎘柱; 硝酸鹽氮; 偶氮染料; PLS

國家海洋信息中心發(fā)表的《2017年中國海洋生態(tài)環(huán)境狀況公報》[1]稱: 根據中國在近岸海域夏季和秋季開展的海水質量檢測, 主要指標包括無機氮、活性磷酸鹽、石油類和化學需氧量等, 數據顯示, 我國海水環(huán)境及海水質量較之前有所提升。但是污染指數仍沒有達到理想效果, 尤其是在夏季和秋季, 海水出現富營養(yǎng)化頻繁, 主要集中在遼東灣、渤海灣、長江口、杭州灣、珠江口等近岸海域。

自然資源部海洋預警監(jiān)測司發(fā)布的《2019中國海洋災害公報》[2]一文中寫道: 近期以來, 我國海洋頻發(fā)風暴潮、海浪和赤潮等海洋災害, 通過數據與近10年(2010—2019年)平均狀況相比: 2019年海洋災害造成的經濟損失比以往都要高, 尤其是赤潮頻發(fā), 2019年赤潮造成的經濟損失高達1億元。中共中央政治局第十九次集體學習時對應急管理工作作出重要指示, 其中強調: 中國是世界上自然災害最為嚴重的國家之一, 災害種類多, 分布地域廣, 發(fā)生頻率高, 造成損失重, 這是一個基本國情。加強應急管理體系和能力建設, 既是一項緊迫任務, 又是一項長期任務[3]。

本研究在研究海水檢測技術的基礎上, 繼承傳統(tǒng), 開拓思路, 在原有理論基礎上加以創(chuàng)新對海水消解以后的硝酸鹽氮進行檢測, 以準確、精確、穩(wěn)定為前提, 以實時、在線、自動檢測為目的, 最終確立了文中的實驗方法, 并通過了檢驗指標。

1 實驗原理及方法

總氮包括氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮等無機氮和一些蛋白質、氨基酸等有機氮。理論上, 海水經過微波消解轉化成以硝酸鹽氮為主要成分。在經過多次分析與探究, 實驗決定采用鍍銅鎘柱[4]先將微波消解后的海水進行還原, 再用偶氮燃料染色分光光度法進行測定(圖1)。通過做對比實驗, 選擇最佳的實驗參數配置, 保證實驗的準確性和穩(wěn)定性。

實驗設備、試劑均由實驗室購買, 主要設備如表1所示; 部分試劑根據要求配制如表2所示。

采用半徑為2～5 mm鎘粒制成半徑為2 cm, 長度約為10 cm的柱狀物體, 因其可重復性、長時間使用, 被廣泛應用于檢測裝置中。選擇鍍銅鎘柱還有一個重要的原因是, 長時間不使用無需更換, 只需激活即可。

圖1 實驗流程圖

表1 部分設備

表2 部分實驗試劑

激活步驟: 首先排凈鎘柱中的空氣, 使其處于真空, 然后啟動蠕動泵, 使用10%的稀鹽酸沖洗2～ 4次, 浸泡24 h, 最后用無氨水沖洗多次即可[5]。

2 實驗條件的選擇與優(yōu)化

本方法主要分為兩部分進行, 首先對待測樣品進行還原操作, 然后再加入顯色劑顯色, 最后取出待測樣品進行光度測定。實驗溶液pH值、還原溫度、顯色劑的加入量、等都會對實驗的結果產生一定的影響, 下面就部分實驗參數進行討論在實驗室的基礎上, 已經確定鎘粒粒徑為2～5 mm時還原狀態(tài)最好; 還原溫度為室溫[6]即可。接下來實驗就其他各因素進行探究。

2.1 還原參數的探索與選擇

待測樣品經過還原操作以后, 其主要成分轉化為亞硝酸鹽, 此時加入對氨基苯磺酸, 使其轉化為重氮鹽。在實驗探究過程中, 發(fā)現對氨基苯磺酸的加入量和加入后的反應時間有一定的關系, 且相互影響。柱高和泵速均影響還原時間的長短, 合理搭配的柱高和泵速有助于實驗的準確性和實效性, 如圖2所示。也可以降低檢測周期, 滿足裝置實時在線檢測的要求。經實驗分析, 本研究最終選定, 泵速20 r/min, 柱高10 cm, 此時水樣與鎘粒接觸時間大約在225 s左右, 還原效率穩(wěn)定且高達99%以上。

圖2 柱高、泵速對還原率的影響

隨著實驗的進行, 發(fā)現溶液的pH值發(fā)生了變化。分析其變化的主要原因可能是因為硝酸鹽的發(fā)生了轉換, 轉換公式如下。

NO3–+3H++2e–→HNO2+H2O, (1)

NO3–+4H++3e–→NO+2H2O, (2)

如果pH值太高會延緩還原反應, pH太低會產生過度反應。在進行pH值探究實驗時發(fā)現, 實驗室在配制溶液時, 加入了濃硫酸, 導致硝酸鉀溶液呈現中強酸性, 所以在配置溶液時采用氫氧化鈉、20%的的鹽酸加以調節(jié)。實驗探究選定待測樣本的初始pH值為8～9, 此時鎘柱具有最佳的分子動態(tài)性能。反應方程式如下:

NO3–+H2O+2e–→NO2–+2OH–。(3)

2.2 測定參數的探索與選擇

亞硝酸鹽和對氨基苯磺酸發(fā)生重氮反應, 隨后與鹽酸萘乙二胺偶合成紫紅色偶氮燃料。實驗制備4組, 每組制備7個比色管做對比試驗。由數據結果顯示: 當對氨基苯磺酸溶液加入量為0.80～1.12 mL時, 吸光度值曲線有峰值出現。反應時間控制在50～75 s會使峰值有所提升, 如圖3所示, 出于對裝置要求的考慮, 最終確定加入對氨基苯磺酸1.00 mL, 溶液反應時間控制在60 s。

圖3 對氨基苯磺酸加入量及反應時間曲線

由實驗原理圖1可知加入鹽酸萘乙二胺溶液時實驗反應的最后一步, 是溶液進行顯色反應的重要步驟, 溶液的加入量和顯色時間的長短決定偶聯反應進行的是否徹底, 并影響最終的光度測定值。經實驗結果分析: 確定鹽酸萘乙二胺的加入量為0.75 mL, 溶液顯色時間為5 min(圖4)。

圖4 鹽酸萘乙二胺加入量及顯色時間曲線

3 實驗檢測理論基礎

3.1 數據預處理

偏最小二乘回歸[7](partial least squares regression, 簡稱PLS)是一個集主成分分析、多元線性回歸分析和典型相關分析等分析方法的優(yōu)點于一身的多維分析方法。實驗采用偏最小二乘法, 對實驗數據進行預處理, 在此基礎上建立濃度與吸光度之間的模型關系。下面對PLS算法進行闡釋。

待測樣品硝酸鹽氮的濃度和經過鎘柱還原-偶氮染色后的溶液的吸光度建立如下數學關系式:

=+, (4)

=+, (5)

其中:為吸光度矩陣;為吸光度特征矩陣;為回歸系數矩陣;為吸光度殘差矩陣;為樣品成分濃度矩陣;為濃度特征矩陣;為回歸系數矩陣;為樣品成分濃度殘差矩陣。

并且, 由主成分析和線性回歸得, 矩陣和矩陣存在如下關系:

=, (6)

即:=()PHq+, (7)

其中:是的轉換矩陣。

經過實驗之后, 利用PLS建立模型, 并選取合適的光譜區(qū)間, 利用origin8.0繪制最優(yōu)模型圖。配置濃度不同的硝酸鉀標準液進行預測模型分析, 實驗結果如表3所示, 數據現對誤差較小, 均在7%以內, 證明了此方法的可行性。

表3 數據預處理預測值及誤差

3.2 系統(tǒng)定標實驗

選取硝酸鉀作為硝酸鹽氮標準液, 分別配制濃度為0.25、0.5、0.75、1、1.25、2.5、5、10、15、20、25、50、100、200、500、1 000 mg/L的16份硝酸鉀標準液。利用本實驗裝置進行光度測量, 得到吸光度與硝酸鹽氮曲線關系模型:

=258.622–530.31+275.64, (8)

其中:為待測硝酸鹽氮濃度值,為溶液吸光度值。

本模型關系出自0.5～100 mg/L的硝酸鹽氮標準液的反復實驗, 符合海水的一般濃度變化范圍。

3.3 濁度補償

利用已經確立的模型計算不同濃度下相同硝酸鹽氮濃度(100 mg/L)的值。得到實驗數據見表4。

表4顯示, 濁度對溶液吸光度在一定的范圍內成線性關系。利用origin8.0軟件建立模型下硝酸鹽氮濃度值與濁度的關系模型如下式。

2=0.972+131.06, (9)

表4 不同濃度的濁度值

其中:2為模型下硝酸鹽氮預測值;溶液吸光度值;2為濁度。由式(8)和式(9)得:

correct=258.622–530.31+0.972+406.7。(10)

4 實驗結果與分析

為了實驗的可靠性, 以及避免外界因素的影響, 根據之前確定的實驗參數, 設計了如下的檢測裝置(圖5)。

圖5 實驗裝置設計

硬件主體部分主要由自動控制模塊、反應與檢測模塊組成。系統(tǒng)采用比例分配閥代替六通閥或八通閥, 克服了先前設備的轉子轉動不到位或者漏液的弊端。柱塞泵由電機和注射器構成, 再加以位控器可以更好的實現試劑溶液的自動進液和進液體積。

實驗采用PLS算法建立樣品硝酸鹽氮氮的濃度和經過鎘柱還原-偶氮染色后的溶液的吸光度的關系模型, 并通過濁度補償得到最優(yōu)模型。待測樣品與化學試劑混合均勻, 由柱塞泵載入消解裝置, 消解完成后, 再由蠕動泵泵入鎘柱進行還原實驗, 通過流路設計進行顯色實驗, 最后進入光度測定裝置, 通過放大電路將檢測信號上傳至PC端顯示。光度測定裝置由光源部分和接受信號部分組成, 添加穩(wěn)壓電源保證接收信號的穩(wěn)定性。隨著實驗的進行, 得出的結果并沒有達到理想的效果。在還原率和測定兩方面都是一個平穩(wěn)的狀態(tài), 但是沒有達到實驗的理想效果。陳國松等[8]在TiO2光催化氧化實驗中指出實驗在進行時生成的沉淀物會阻礙反應的進行。而且溶解進行時pH值一致在變化[9-11], 基于上述研究及總體觀察分析, 歸納總結出兩點原因:

一是鎘粒在堿性溶液中與硝酸鹽還原產生的OH–反應生成Cd(OH)2沉淀。其容易附在鎘表面延緩反應, 還改變了溶液的pH值。改進方法: 采用pH為8.5的氯化銨緩沖溶液與待測試樣按1︰1混合均勻通過鎘柱。

二是海水基質中含有大量鹽類成分, 在測定過程中必然會產生一定程度的影響。經過探究發(fā)現, 影響結果的主要原因在與硝酸鹽氮的還原實驗, 適當的延長還原過程中的停留時間可以有效地消除該影響。

4.1 線性

在上述確定的最終條件, 分別制作不同濃度的硝酸鉀標準液, 并以人工海水作溶劑配制標準溶液做曲線校正實驗, 得線性回歸方程=0.135 7+0.027, 相關系數2=0.999 8(圖6)。

圖6 硝酸鉀還原標準工作曲線

4.2 精密度

對鎘柱還原過程(G)進行精密度試驗(表5)。量取7 mg/L的硝酸鉀溶液2.5 mL放于25 mL容量瓶中, 加入10 mL氯化銨緩沖溶液調節(jié)pH值至8.5左右, 無氨水定容25 mL。配制9個平行試樣, 在相同的條件下進行鎘柱還原。

表5 精密度實驗

鎘柱還原平均吸光度:

(0.439+0.442+0.426+0.435+0.437+0.436+0.438+0.429+0.428)/9=0.434

根據樣本標準偏差計算公式:

樣本相對標準偏差計算公式:

4.3 檢出限

由實驗數據示: 當自由度為5.5時, 置信度約為99%, 此時的值=3.143, 根據值檢驗方法計算先算鹽氮檢出限為0.015 mg/L, 與樣本計算結果一致。

根據樣本標準偏差的計算公式:

溶液檢出限:

4.4 干擾實驗(表6)

海水中還存在其他離子可能對實驗產生影響, 主要的離子有Ca2+、Mg2+、Br–、Cl–、SO42–等。分別配制3組不同組分的以人工海水為基質的硝酸鉀標準使用液, ①組: 稱取2.651 8 g NaCl、0.244 7 g MgCl和0.330 5 g MgSO4, 將其溶于50 mL無氨水中, 充分溶解后置于100 mL容量瓶中, 加入100 μg/mL的硝酸鉀儲備液5 mL, 無氨水稀釋至刻度線得含0.265 18 g/L NaCl、0.024 47 g/L MgCl和0.033 05 g/L MgSO4的硝酸鉀標準使用液, 濃度為5 μg/mL。以此方法配制得②組: 含0.265 18 g/LNaCl、0.024 47 g/LMgCl、0.033 05 g/LMgSO4和0.007 25 g/LCaCl2的硝酸鉀標準使用液, 濃度為5 μg/mL; ③組: 含0.265 18 g/LNaCl、0.024 47 g/L MgCl、0.033 05 g/LMgSO4、0.007 25 g/LCaCl2和0.000 83 g/LNaBr的硝酸鉀標準使用液, 濃度為5 μg/mL。將3組溶液通過還原、顯色操作, 最后測定吸光值, 并計算其還原率。結果表明: 在允許的誤差6%的范圍內, 上述離子的影響可忽略。

表6 不同濃度干擾離子下的吸光度

4.5 水樣加標回收

該實驗分別對青島棧橋、煙臺養(yǎng)馬島附近的海水中的硝酸鹽氮進行加標回收率的測定, 將采得的水樣用0.45 μm微孔濾膜過濾, 然后放于冰箱中保存, 溫度設置為4℃。取2份樣品100 mL, 向其中1份加入5 μg/mL的硝酸鉀標準液1 mL, 加標量5 mg/L, 測量兩份溶液的濃度值, 加標回收率計算公式如下:

經測樣品的加標回收率均在98%～104%。

5 結語

利用該實驗確定的參數生產的海水檢測裝置, 具有高穩(wěn)定性、高準確率、高實效性等特點, 對不同海域海水進行硝酸鹽氮的測定, 效果理想。經大量實驗表明: 此方法適用于海水中硝酸鹽氮的測定, 通過對數據建立的PLS算法模型, 定量、定性的分析海水消解后硝酸鹽氮的濃度, 此方法抗干擾能力強, 海水中主要元素離子對其測定幾乎沒有影響, 有濁度引起的檢測偏差, 通過繪制相應的標準曲線得到最優(yōu)模型, 并且滿足在線、自動測定的要求。選擇鎘粒作為還原劑, 不僅提高了還原率, 而且增強了實驗的穩(wěn)定性和可重現性, 雖然在過程中出現了一些偏差, 比如在實驗中沒有注意溶液的pH的變化, 但是在分析之后, 及時改正實驗方法, 得到了理想的實驗效果。

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Research for detection technology of nitrate nitrogen in seawater based on a copper-plated cadmium column

LIU Chun-hui, HUANG Cun-kuan, ZHANG Zheng, YUAN Fang, WANG Si-chang, ZHENG Ce

(Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266500, China)

copper coated cadmium column; nitrate nitrogen; azo dyes; PLS

In this paper, the traditional method of Cu-Cd column reduction-Diazo staining is studied to fully understand the application of this method in nitrate nitrogen seawater detection. Potassium nitrate standard solution is used to replace seawater in relevant experiments, and good results have been obtained in the practical application of seawater nitrate nitrogen detection. On the basis of previously determined parameters, the optimal conditions for reduction and color rendering were determined through experiments. At a reduction pump speed of 20 r/min, column height of 10 cm, and a pH range of 8–9, the reduction efficiency reached more than 99%. The amount of added p-aminobenzoic acid was 1 mL, the reaction time was 80 s, the amount of added naphthalene ethylenediamine hydrochloride was 0.75 ml, and the color development time was 5 min. Moreover, the PLS algorithm model was established to preprocess the data and obtain the prediction model. Turbidity compensation was made to obtain the optimal model of total nitrogen. Under the above conditions, the method displayed a wide linear range, low detection limit, and high standard recovery. On this basis, an online automatic detection device is designed to solve the problem of online and real-time monitoring of seawater.

National Natural Science Foundation Youth Fund, No. 61801271; Shandong University of Science and Technology Electrical Automation Excellent Teaching Team Construction Project, No. JXTD20190505]

Jan. 11, 2021

X832

A

1000-3096(2021)08-0040-07

10.11759/hykx20210111001

2021-01-11;

2021-02-10

國家自然科學基金青年基金(61801271); 山東科技大學電氣自動化類優(yōu)秀教學團隊建設項目(JXTD20190505)

劉春暉(1979—), 女, 山東青島人, 副教授, 主要從事智能儀器與監(jiān)控系統(tǒng)與檢測技術及自動化裝置, 電話: 0532-86057225, E-mail: sdustliuchunhui@163.com; 黃存款(1996—), 通信作者, E-mail: 1213768672@qq.com

(本文編輯: 譚雪靜)