郭建瀧

（福建省環(huán)境科學(xué)研究院，福建 福州 350013）

0 概述

水體中氮、磷均以各種離子態(tài)及結(jié)合態(tài)形式存在，在采用國(guó)標(biāo)法HJ 636—2012[1]、GB/T 11893—1989[2]測(cè)定總氮、總磷含量時(shí)，須通過(guò)分別加入堿性過(guò)硫酸鉀溶液和中性過(guò)硫酸鉀溶液使樣品中含氮、含磷成分轉(zhuǎn)化為硝酸鹽和正磷酸鹽后進(jìn)行。該文對(duì)高壓蒸汽消毒器消解法、恒溫鼓風(fēng)干燥箱加熱消解法和微波加熱消解法3種方式進(jìn)行比對(duì)，探討不同消解方式聯(lián)合消解測(cè)定總氮、總磷的可行性及各方法測(cè)定的精密度和準(zhǔn)確度。

1 原理

K2S2O8+2H2O→2KHSO4+2H++O2↑

過(guò)硫酸鉀溶液在60℃以上溫度發(fā)生分解反應(yīng)，生成硫酸氫鉀、氧和氫離子。使用堿性過(guò)硫酸鉀作為消解液進(jìn)行總磷、總氮聯(lián)合消解，消解反應(yīng)初期，過(guò)硫酸鉀消解液分解出氧在堿性條件下、120 ℃~124℃溫度時(shí)將樣品中含氮組分氧化成硝酸鹽，同時(shí)過(guò)硫酸鉀分解產(chǎn)生的H+隨著消解反應(yīng)的進(jìn)行使溶液pH值逐漸變成中性至弱酸性，隨后反應(yīng)在中性條件下將樣品中含磷組分氧化成正磷酸鹽。通過(guò)控制消解溫度、消解時(shí)間、過(guò)硫酸鉀中NaOH濃度等因素，能夠?qū)崿F(xiàn)并優(yōu)化總磷、總氮的聯(lián)合消解測(cè)定。

2 試驗(yàn)

2.1 主要儀器和試劑

2.1.1 儀器

高壓蒸汽滅菌器：最高工作壓力為1.1 kg/cm2~1.4 kg/cm2，工作溫度為109 ℃~126 ℃。

恒溫鼓風(fēng)干燥箱：工作溫度10 ℃~160 ℃。

微波消解儀：上海新儀微波化學(xué)科技有限公司生產(chǎn)。

紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)：北京普析通用儀器有限責(zé)任公司生產(chǎn)，量程190 nm~900 nm。具10 mm、30 mm石英比色皿。

厚壁防爆螺口帶塞比色管：50 mL，可直接進(jìn)行高溫消解。

厚壁防爆螺口帶塞比色管：25 mL，可直接進(jìn)行高溫消解。

具塞磨口玻璃比色管：25 mL。

2.1.2 試劑

無(wú)氨水：使用新制備的超純水，也可以每升水加入0.1 mL濃硫酸進(jìn)行蒸餾，收集餾出液至于具塞玻璃容器中保存。該試驗(yàn)用水均使用試驗(yàn)當(dāng)天新制備無(wú)氨水。

堿性過(guò)硫酸鉀溶液：稱(chēng)取50 g過(guò)硫酸鉀溶于600 mL水中，按該試驗(yàn)設(shè)計(jì)稱(chēng)取固體NaOH溶于300 mL水中。待溶液冷卻至室溫后，將兩者混合并定容至1000 mL，聚乙烯瓶保存，有效期一周。

過(guò)硫酸鉀溶液：濃度50 g/L。

抗壞血酸溶液：濃度100 g/L，置于棕色試劑瓶避光0 ℃~4 ℃保存保存，如果溶液變色棄用。

鉬酸鹽混合溶液：稱(chēng)取13 g鉬酸銨溶于100 mL水中，另稱(chēng)取0.35 g酒石酸銻鉀溶于100 mL水中。不斷攪拌下將鉬酸銨溶液緩慢倒入300 mL硫酸（濃度1+1）溶液中，再加入酒石酸銻鉀溶液混勻。棕色試劑瓶避光0 ℃~4 ℃保存，有效期2個(gè)月。

硫酸溶液：濃度1+1。

鹽酸：濃度1+9。

磷標(biāo)準(zhǔn)使用液：濃度2.0μg/mL，使用優(yōu)級(jí)純磷酸二氫鉀配置，也可直接購(gòu)買(mǎi)市售有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。

硝酸鹽氮標(biāo)準(zhǔn)使用液：濃度10.0μg/mL，使用優(yōu)級(jí)純硝酸鉀配置，也可直接購(gòu)買(mǎi)市售有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。

2.2 消解方法

試樣的制備：取50 mL厚壁防爆螺口帶塞比色管，加入待測(cè)樣品。加水稀釋至25 mL刻度后，再加入5 mL堿性過(guò)硫酸鉀溶液，旋緊塞子搖勻，備用。

2.2.1 國(guó)標(biāo)法高壓蒸汽滅菌器消解

將上述試樣比色管置于高壓蒸汽滅菌器中，由室溫開(kāi)始加熱至頂壓閥吹氣，關(guān)閉閥門(mén)，繼續(xù)加熱至壓力達(dá)到1.1 kg/cm2，溫度達(dá)到120 ℃，保持30 min后開(kāi)閥放氣、自然冷卻，待壓力表讀數(shù)歸零后，取出冷卻至室溫，定容至標(biāo)線搖勻。

2.2.2 恒溫鼓風(fēng)干燥箱消解

恒溫鼓風(fēng)干燥箱事先預(yù)熱至設(shè)定溫度后，將上述試樣比色管置于恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，在試驗(yàn)設(shè)定溫度下保持相應(yīng)時(shí)間后取出冷卻至室溫，定容至標(biāo)線搖勻。

2.2.3 微波加熱消解

將上述試樣比色管溶液轉(zhuǎn)移至微波消解罐，加蓋密封后裝入微波消解儀，按微波消解儀使用規(guī)程連接溫度壓力電極，在試驗(yàn)設(shè)定溫度下升溫保持相應(yīng)時(shí)間，完成后待儀器溫度降至安全溫度后取出，冷卻至室溫，轉(zhuǎn)移回原比色管定容至標(biāo)線搖勻。

2.3 分析方法

2.3.1 總氮測(cè)定

國(guó)標(biāo)法總氮標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制：取7支25 mL厚壁防爆螺口帶塞比色管，加入硝酸鹽氮標(biāo)準(zhǔn)使用液，對(duì)應(yīng)總氮（以N計(jì)）含量分別為0μg、2 μg、5μg、10μg、30μg、50μg和70μg。定容至10 mL后加入5 mL堿性過(guò)硫酸鉀溶液搖勻，采用國(guó)標(biāo)法HJ 636—2012[1]樣品制備方法進(jìn)行樣品消解，冷卻后定容至25 mL，加入1 mL （1+9） 鹽酸溶液搖勻。使用10 mm比色皿，在紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)上，以純水為參比，分別測(cè)定220 nm和275 nm波長(zhǎng)處吸光值A(chǔ)220和A275。樣品吸光度Ar以公式A=A220-2×A275計(jì)算并扣減空白濃度樣品吸光值，以總氮（以N計(jì)）含量（μg）為橫坐標(biāo)，對(duì)應(yīng)吸光值A(chǔ)r為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，繪制總氮標(biāo)準(zhǔn)曲線。

不同消解方法樣品測(cè)定：分取25 mL消解定容后的試樣至25 mL具塞玻璃比色管中，加入1 mL（1+9）鹽酸溶液搖勻。使用10 mm比色皿，在紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)上，以純水為參比，分別測(cè)定220 nm和275 nm波長(zhǎng)處吸光值，帶入總氮曲線計(jì)算樣品濃度值。

2.3.2 總磷測(cè)定

國(guó)標(biāo)法總磷標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制：取7支50mL厚壁防爆螺口帶塞比色管，加入磷酸鹽標(biāo)準(zhǔn)使用液，對(duì)應(yīng)總磷含量分別為0μg、1μg、2μg、6μg、10μg、20μg和30μg。定容至25mL后加入4mL過(guò)硫酸鉀溶液搖勻，采用國(guó)標(biāo)法GB/T11893—1989[2]過(guò)硫酸鉀消解方式進(jìn)行樣品消解，冷卻后定容至50mL，加入1mL抗壞血酸溶液搖勻，30s后加入2mL鉬酸鹽溶液搖勻，室溫下放置15min顯色。使用30mm比色皿，在紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)上，以純水為參比，測(cè)定700nm波長(zhǎng)處吸光值，以總磷含量（μg）為橫坐標(biāo)，對(duì)應(yīng)吸光值A(chǔ)為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，繪制總磷標(biāo)準(zhǔn)曲線。

不同消解方法樣品測(cè)定：將分取總氮測(cè)定樣液后的比色管剩余消解液再次定容至50 mL，加入1 mL抗壞血酸溶液搖勻，30 s后再加入2 mL鉬酸銨溶液搖勻放置15 min顯色。使用30 mm比色皿，在紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)上，以純水為參比，測(cè)定700 nm波長(zhǎng)處吸光值，帶入總磷曲線計(jì)算樣品濃度值。

3 結(jié)果與分析

3.1 最佳試驗(yàn)條件的確定

取50 mL厚壁防爆螺口帶塞比色管加入總磷、總氮混合標(biāo)準(zhǔn)樣品（總磷濃度（0.603±0.023）mg/L、總氮濃度（3.33±0.25 ）mg/L），加水稀釋25 mL刻度，再加入5 mL堿性過(guò)硫酸鉀溶液，旋緊塞子搖勻備用。分別以恒溫鼓風(fēng)干燥箱加熱消解法和微波加熱消解法消解制備樣品，設(shè)定不同消解溫度（A）、消解時(shí)間（B）、過(guò)硫酸鉀中NaOH濃度（C），分別測(cè)定總磷、總氮濃度，分析結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

由表1可知，以微波加熱法消解樣品，消解溫度（A）因素對(duì)測(cè)定結(jié)果影響最大，各因素影響強(qiáng)度A＞B＞C。綜合比較后，確定最佳試驗(yàn)條件為消解溫度120 ℃，消解時(shí)間25 min，過(guò)硫酸鉀中NaOH濃度10 g/L。

表1 微波加熱消解法最佳條件選擇

由表2可知，用恒溫鼓風(fēng)干燥箱消解樣品，消解溫度（A）因素對(duì)測(cè)定結(jié)果影響最大，各因素影響強(qiáng)度A＞B＞C。綜合比較后，確定最佳試驗(yàn)條件為消解溫度135℃，消解時(shí)間為45 min，過(guò)硫酸鉀中NaOH濃度10 g/L。

表2 恒溫鼓風(fēng)干燥箱消解法最佳條件選擇

3.2 線性測(cè)定

取兩組50 mL厚壁防爆螺口帶塞比色管，每組7支。每7支比色管內(nèi)依次加入磷酸鹽標(biāo)準(zhǔn)使用液與硝酸鹽氮標(biāo)準(zhǔn)使用液，對(duì)應(yīng)總磷含量為0μg、2μg、4μg、12μg、20μg、40μg、60μg，對(duì)應(yīng)總氮（以N計(jì)）0μg、4μg、10μg、20μg、60μg、100μg和140μg。加水稀釋至25 mL刻度后，再加入5 mL堿性過(guò)硫酸鉀溶液，旋緊塞子搖勻。分別以恒溫鼓風(fēng)干燥箱法、微波加熱法對(duì)應(yīng)選取的最佳條件進(jìn)行消解樣品，測(cè)定與繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，確定方法曲線的線性。測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 3種消解方法曲線結(jié)果對(duì)比

3.3 檢出限比對(duì)

配置國(guó)標(biāo)法檢出限2倍~5倍濃度混合樣品，取2組50 mL厚壁防爆螺口帶塞比色管，每組7支。依次加入25 mL混合試樣分別以對(duì)應(yīng)消解方法的最佳條件進(jìn)行樣品制備，進(jìn)行7次平行樣品測(cè)定，帶入對(duì)應(yīng)消解方法曲線計(jì)算方法檢出限，具體結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知，恒溫鼓風(fēng)干燥箱法、微波加熱法消解聯(lián)合總磷、總氮檢出限均滿足國(guó)標(biāo)法檢出限要求，微波加熱消解法檢出限優(yōu)于恒溫鼓風(fēng)干燥箱法檢出限。

表4 3種消解方法檢出限對(duì)比

3.4 精密度及準(zhǔn)確度測(cè)定

按照總磷、總氮曲線濃度范圍內(nèi)配置低中高3個(gè)濃度混合樣品（總氮濃度：0.200 mg/L、1.00 mg/L、1.00 mg/L，總磷濃度0.100 mg/L、0.250 mg/L、0.500 mg/L），取兩組50 mL厚壁防爆螺口帶塞比色管，每組6支。依次加入25 mL總磷、總氮混合試樣，以對(duì)應(yīng)消解方法的最佳條件進(jìn)行樣品制備測(cè)定，帶入對(duì)應(yīng)消解方法曲線計(jì)算樣品相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差及相對(duì)誤差，具體結(jié)果見(jiàn)表5和表6。結(jié)果可知，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于2 %，相對(duì)誤差均小于±5 %，證明兩種消解方法精密度準(zhǔn)確度均滿足要求。微波加熱法對(duì)比恒溫鼓風(fēng)干燥箱法具有更好的準(zhǔn)確度和精密度。

表5 恒溫干燥箱法精密度準(zhǔn)確度結(jié)果

表6 微波加熱法精密度準(zhǔn)確度結(jié)果

3.5 樣品對(duì)比試驗(yàn)

分別采集城市內(nèi)河地表水、湖泊地表水、生活污水1#、生活污水2#，預(yù)先使用鹽酸溶液與NaOH溶液調(diào)節(jié)樣品pH值至中性5~9，渾濁樣品預(yù)先過(guò)濾處理后，按上述方法聯(lián)合消解測(cè)定總磷總氮，結(jié)果見(jiàn)表7。由表7可知，樣品測(cè)定結(jié)果的相對(duì)誤差為±5%，符合要求。

表7 實(shí)際樣品對(duì)比試驗(yàn)

4 結(jié)論

從以上試驗(yàn)結(jié)果中可以看出，恒溫干燥箱消解法、微波加熱消解法聯(lián)合消解測(cè)定總磷、總氮結(jié)果與國(guó)標(biāo)法測(cè)定結(jié)果相對(duì)誤差均小于±5%，對(duì)應(yīng)檢出限、精密度與準(zhǔn)確度均符合相應(yīng)要求。

與恒溫鼓風(fēng)干燥箱法相比，微波消解法有更低的檢出限、更好的準(zhǔn)確度和精密度；采用消解管密閉消解，能夠減少樣品在消解過(guò)程中的損失，提高分析結(jié)果準(zhǔn)確性；微波從樣品內(nèi)部進(jìn)行加熱，比高壓蒸汽加熱消解時(shí)間更短，也更高效安全。但微波消解法同時(shí)存在受儀器孔位限制、微波消解儀儀器太貴以及樣品須反復(fù)轉(zhuǎn)移等問(wèn)題。恒溫鼓風(fēng)干燥箱法消解流程簡(jiǎn)單，選用防爆螺口帶塞比色管，可省去包扎紗布流程；干燥箱內(nèi)部空間能滿足同時(shí)進(jìn)行更多樣品消解的需求；設(shè)備經(jīng)濟(jì)安全。但其存在需要較高的消解溫度及更長(zhǎng)消解時(shí)間的缺點(diǎn)。綜上，兩種消解方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，綜合來(lái)看恒溫鼓風(fēng)干燥箱消解法更適用于水質(zhì)總磷、總氮聯(lián)合消解，在實(shí)際工作中也可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。