紫外分光光度法測(cè)定硝酸鹽氮鐵離子的干擾及快速去除

董志浩，張嬌

（青島農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，青島市農(nóng)村環(huán)境工程研究中心，山東青島 266109）

硝酸鹽氮是有氧環(huán)境下最穩(wěn)定的含氮化合物，廣泛存在于地下水、地表水、污水及土壤中［1-3］，快速、準(zhǔn)確測(cè)定介質(zhì)中的硝酸鹽氮對(duì)了解環(huán)境中硝酸鹽氮的濃度及生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)研究有著重要意義。

硝酸鹽氮的測(cè)定方法有酚二磺酸分光光度法、離子色譜法、鎘柱還原法、戴氏合金法、流動(dòng)分析法和紫外分光光度法等［4-7］。其中紫外分光光度法具有操作簡(jiǎn)單、快速、穩(wěn)定、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于水、廢水及土壤環(huán)境中硝酸鹽氮的測(cè)定。但是，紫外分光光度法抗干擾能力較弱，水中鐵離子、亞硝酸鹽、碳酸鹽等均對(duì)測(cè)定結(jié)果有較大的影響。

鐵元素在地殼中的含量排名第四，廣泛存在于地表水、地下水和土壤中［8-10］，同時(shí)，鐵及其化合物作為混凝劑、氧化還原劑及微生物促進(jìn)劑等廣泛應(yīng)用于污水的處理［11-13］，因此，廢水中也常存在較高濃度的鐵離子。鐵離子對(duì)于波長(zhǎng)為220 nm 和275 nm 的光都有吸收，且吸光度隨著鐵離子的濃度的增大而增加，從而對(duì)紫外分光光度法測(cè)定硝酸氮的結(jié)果產(chǎn)生很大干擾［14］。快速有效地去除鐵的干擾對(duì)紫外分光光度法測(cè)定硝酸鹽氮的推廣使用具有重要意義。

孫艷芝等［14］研究表明，在未受有機(jī)物污染的體系中，采用吸光度校正法可以準(zhǔn)確快速地消除鐵離子的干擾，但是這種方法首先要準(zhǔn)確得知鐵離子的濃度。其次，鐵離子在水中的存在形態(tài)受pH 值的影響較大，隨著pH 值的增加，鐵離子的形態(tài)從Fe3+逐漸轉(zhuǎn)化為氫氧化鐵，氫氧化鐵為微弱兩性的氫氧化物，新生態(tài)Fe(OH)3在較高的pH 值下會(huì)出現(xiàn)部分溶解。不同形態(tài)的鐵，在220 nm 和275 nm處的吸光度不同，對(duì)硝酸鹽氮測(cè)定的干擾也不同。因此，研究不同pH 值條件下鐵的干擾和去除具有實(shí)際意義。

筆者采用紫外分光光度法，分析不同pH 值下鐵鹽對(duì)硝酸鹽氮測(cè)定結(jié)果的影響，探索快速有效去除鐵離子干擾的方法，為紫外分光光度法測(cè)定硝酸鹽氮的推廣應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

紫外分光光度計(jì)：UV-5200 型，上海元析儀器有限公司。

電子分析天平：T-4002 型，感量為0.1 mg，上海丹佛儀器有限公司。

pH 計(jì)：FE20 型，上海梅勒特-托利多儀器有限公司。

硝酸鉀：優(yōu)級(jí)純，天津市巴瑟夫化工有限公司。

硝酸鹽標(biāo)準(zhǔn)中間液：含硝酸鹽氮0.100 0 mg／mL，稱取0.722 g 經(jīng)105～110℃干燥2 h 的硝酸鉀，用水溶解，移入1 000 mL 容量瓶中，用水定容至標(biāo)線，加入2 mL 三氯甲烷作為保存劑，混勻［15］。

Fe3+標(biāo)準(zhǔn)使用液：100 mg／L，準(zhǔn)確稱取0.241 5 g 氯化鐵于燒杯中，加適量水溶解，將溶液移至500 mL 容量瓶中，定容。

鹽酸溶液：1 mol／L，取86.2 mL 濃鹽酸，用蒸餾水溶解，定容至100 mL。

氫氧化鈉溶液：1 mol／L，取4 g 固體氫氧化鈉，溶解于蒸餾水中，定容至100 mL。

鹽酸羥胺溶液：100 mg／L，精確量取0.1 g 鹽酸羥胺，溶解于蒸餾水，然后定容至1 000 mL 容量瓶中。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 硝酸鹽氮標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

分別吸取0、0.2、0.3、0.5、0.8、1、1.5、2 mL 硝酸鹽標(biāo)準(zhǔn)中間液，置于50 mL 具塞比色管中，加蒸餾水定容至標(biāo)線，加蓋密塞，搖勻。得到質(zhì)量濃度分別為0、0.4、0.6、1.0、1.6、2、3、4 mg／L 的硝酸鹽氮系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液。測(cè)定硝酸鹽系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液于220 nm 波長(zhǎng)處的吸光度，以溶液質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)、吸光度為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.2.2 鐵離子對(duì)硝酸鹽氮測(cè)定結(jié)果的影響試驗(yàn)

取28 支比色管，分為4 組，每組7 支，分別取0.25、0.5、1、1.5 mL 硝酸鹽標(biāo)準(zhǔn)中間液于4 組比色管中。每組7 支比色管中分別加入0、0.25、0.5、1.25、2.5、5、10 mL Fe3+標(biāo)準(zhǔn)使用液，用蒸餾水定容至標(biāo)線，搖勻，得到不同濃度的三價(jià)鐵、硝酸鹽混合液，測(cè)其吸光度。

1.2.3 pH 值對(duì)硝酸鹽氮測(cè)定結(jié)果的影響試驗(yàn)

配制6 份1 mg／L 硝酸鹽氮-10 mg／L Fe3+混合液，分別用氫氧化鈉和鹽酸溶液調(diào)節(jié)溶液pH 值為2、4、6、7、9、11，測(cè)定硝酸鹽氮的濃度。

1.2.4 掩蔽劑對(duì)硝酸鹽氮測(cè)定結(jié)果的影響試驗(yàn)

配制1 mg／L 硝酸鹽氮-10 mg／L Fe3+混合液，分別加入8 支50 mL 比色管中，再分別加入0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0 mL 鹽酸羥胺液，用蒸餾水定容至比色管標(biāo)線，加塞后搖勻，分別測(cè)定混合液吸光度，按照標(biāo)準(zhǔn)曲線法計(jì)算硝酸鹽氮的濃度，評(píng)價(jià)鹽酸羥胺對(duì)三價(jià)鐵的掩蔽效果。

1.2.5 掩蔽劑掩蔽效果試驗(yàn)

取4 組32 支50 mL 具塞比色管，分別取0.25、0.5、1、1.5 mL 硝酸鹽標(biāo)準(zhǔn)中間液于4 組比色管中。再分別向4 組中分別加入0、0.25、0.5、1.25、2.5、5、10、20 mL 三價(jià)鐵標(biāo)準(zhǔn)使用液，向比色管中加入鹽酸羥胺，使三價(jià)鐵與鹽酸羥胺質(zhì)量濃度之比為1.4∶1，加水至接近標(biāo)線，調(diào)節(jié)溶液pH 值為3，定容至標(biāo)線，測(cè)定吸光度，計(jì)算硝酸鹽氮的濃度。

1.2.6 水樣測(cè)定

準(zhǔn)確移取1.00 mL 水樣于10 mL 比色管中，用紫外分光光度計(jì)上測(cè)定溶液在220 nm 和275 nm 處的吸光度，按照標(biāo)準(zhǔn)曲線法計(jì)算硝酸鹽氮濃度［12］。

2 結(jié)果與討論

2.1 硝酸鉀標(biāo)準(zhǔn)工作曲線

以硝酸鹽氮質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，以吸光度為縱坐標(biāo)，繪制散點(diǎn)圖，進(jìn)行線性擬合，得擬合方程為y=0.229 3x+0.012 8，相關(guān)系數(shù)r2=0.999 4。

2.2 三價(jià)鐵對(duì)硝酸鹽氮測(cè)定值的影響

表1、表2 分別為不同濃度三價(jià)鐵存在時(shí)硝酸鹽氮的測(cè)定值及測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差。由表1、表2 數(shù)據(jù)可知，三價(jià)鐵對(duì)硝酸鹽氮的測(cè)定結(jié)果有很大影響，硝酸鹽氮測(cè)定值的相對(duì)誤差隨著鐵濃度的增加而增大。當(dāng)硝酸鹽氮質(zhì)量濃度分別為0.5、1、2、3 mg／L 時(shí)，測(cè)定值與三價(jià)鐵濃度呈顯著的正相關(guān)關(guān)系（r2分 別 為0.952 4、0.991 6、0.970 4、0.981 7，P ＜0.001）。當(dāng)水中硝酸鹽氮濃度一定時(shí)，測(cè)定值相對(duì)誤差隨著三價(jià)鐵濃度的增加而增大；當(dāng)三價(jià)鐵濃度一定時(shí)，硝酸鹽氮測(cè)定值相對(duì)誤差隨著硝酸鹽氮實(shí)際濃度的增加而減小。這說明水中硝酸鹽氮濃度越高，鐵離子對(duì)測(cè)定結(jié)果的干擾程度越低。如果相對(duì)誤差在5%以內(nèi)，認(rèn)為共存物質(zhì)的干擾可以忽略；而當(dāng)硝酸鹽氮的質(zhì)量濃度小于3 mg／L 時(shí)，F(xiàn)e3+濃度即使在0.5 mg／L 左右，所有樣品也均需要預(yù)處理去除干擾。

表1 不同濃度三價(jià)鐵存在時(shí)硝酸鹽氮的測(cè)定值 mg／L

表2 不同濃度三價(jià)鐵存在時(shí)硝酸鹽氮測(cè)定結(jié)果的相對(duì)誤差 %

2.3 pH 值對(duì)硝酸鹽氮測(cè)定值的影響

溶液的pH 值對(duì)硝酸鹽氮測(cè)定值的影響如圖1所示。由圖1 可知，溶液的pH 值對(duì)硝酸鹽氮測(cè)定值有較大的影響。當(dāng)pH ＜6 時(shí)，三價(jià)鐵對(duì)硝酸鹽氮的影響較弱，相對(duì)誤差為21%～61%；當(dāng)pH ＞6時(shí)，隨著pH 值的增大，pH 值對(duì)硝酸鹽氮測(cè)定值的影響迅速增大，當(dāng)pH 值7 時(shí)，測(cè)定相對(duì)誤差已達(dá)367%，當(dāng)pH=11 時(shí)，相對(duì)誤差則達(dá)到530%。在pH值不同的溶液中，鐵的存在形態(tài)不同。當(dāng)pH ＜2.87時(shí)，鐵以離子形態(tài)存在，當(dāng)pH ＞2.87 時(shí)，鐵的存在形態(tài)由離子逐漸變?yōu)闅溲趸F膠體。氫氧化鐵是微弱的兩性氫氧化物，高pH 值促使其部分溶解。鐵在較高pH 值下的存在形態(tài)對(duì)220 nm 波長(zhǎng)的光有強(qiáng)烈的吸收，因而對(duì)硝酸鹽氮的測(cè)定結(jié)果影響嚴(yán)重。

圖1 不同pH 值時(shí)鐵離子（10 mg／L）對(duì)硝酸鹽氮(1 mg／L)測(cè)定值的干擾

2.4 掩蔽劑及其用量對(duì)硝酸鹽氮測(cè)定值的影響

鐵離子的常用掩蔽劑主要有氟化物、三乙醇胺、乙酰丙酮、鹽酸羥胺、檸檬酸等［16］。實(shí)驗(yàn)表明，除鹽酸羥胺外，以上掩蔽劑均在220 nm 具有較強(qiáng)的吸收，不適合在測(cè)定硝酸鹽氮時(shí)作為掩蔽劑使用。以鹽酸羥胺為掩蔽劑，不同添加量對(duì)應(yīng)的硝酸鹽氮測(cè)定值見表3。由表3 數(shù)據(jù)可知，三價(jià)鐵與鹽酸羥胺的質(zhì)量濃度之比為1.4∶1 時(shí)，掩蔽效果最好。

表3 不同鹽酸羥氨用量時(shí)硝酸鹽氮的測(cè)定值 mg／L

調(diào)節(jié)水樣pH 為3，以鹽酸羥胺作為掩蔽劑，三價(jià)鐵與鹽酸羥胺的質(zhì)量濃度之比為1.4∶1，研究鹽酸羥胺對(duì)不同濃度硝酸鹽氮水樣中三價(jià)鐵的掩蔽效果。表4、表5 分別為不同濃度硝酸鹽氮溶液中含不同濃度三價(jià)鐵時(shí)，加入掩蔽劑后的測(cè)定值及相對(duì)誤差。由表4、表5 數(shù)據(jù)可知，加入鹽酸羥胺后，三價(jià)鐵的干擾得到了有效的抑制。當(dāng)三價(jià)鐵的質(zhì)量濃度低于10 mg／L 時(shí)，除0.5 mg／L 硝酸鹽氮溶液測(cè)量相對(duì)誤差為16%外，其余樣品測(cè)量相對(duì)誤差均小于10%。當(dāng)硝酸鹽氮質(zhì)量濃度為1～3 mg／L 且三價(jià)鐵質(zhì)量濃度低于5 mg／L 時(shí)，測(cè)量相對(duì)誤差小于5%。但當(dāng)鐵離子超過10 mg／L 時(shí)，測(cè)量相對(duì)誤差迅速增大，無法滿足測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確度，這可能是還原產(chǎn)物二價(jià)鐵的影響，可以采用稀釋水樣的方法降低三價(jià)鐵的干擾。

表5 不同濃度三價(jià)鐵存在時(shí)硝酸鹽氮水樣加入鹽酸羥胺后測(cè)定結(jié)果的相對(duì)誤差 %

3 結(jié)論

（1）采用紫外分光光度法測(cè)定硝酸鹽氮的含量時(shí)，三價(jià)鐵對(duì)測(cè)定結(jié)果有很大影響，硝酸鹽氮濃度越小，影響越大，鐵離子濃度越高，影響越大。

（2）溶液pH 值對(duì)三價(jià)鐵的干擾有較大的影響，降低pH 值能有效削弱三價(jià)鐵對(duì)硝酸鹽氮測(cè)定結(jié)果的影響。

（3）鹽酸羥胺對(duì)三價(jià)鐵離子有較好的掩蔽效果，當(dāng)pH 為3 時(shí)，掩蔽劑的最佳加入量為三價(jià)鐵與鹽酸羥胺的質(zhì)量濃度比為1.4∶1，在最佳加入量下，鹽酸羥胺對(duì)不同濃度硝酸鹽氮均有較好的掩蔽效果。當(dāng)硝酸鹽氮質(zhì)量濃度大于1 mg／L 且三價(jià)鐵質(zhì)量濃度低于5 mg／L 時(shí)，測(cè)定結(jié)果的相對(duì)誤差小于5%。