实验室氨氮自动分析仪测定水中氨氮的应用
河北省环境监测中心站 王津 段晓晨
摘要 我国环境监测中测定氨氮的国标方法为纳氏试剂分光光度法、水杨酸分光光度法、蒸馏—滴定法和电极法。SK-100 型实验室氨氮自动分析仪采用纳氏比色原理，用冷光源和窄带干涉滤光技术以及单片机数字处理技术，不仅实现了仪器的高稳定性运行，同时保证了仪器的高自动化和高准确性，可广泛应用于地表水和工业废水的监测。
关键词 氨氮；监测；SK-100实验室氨氮自动分析仪；
Abstract:National standard methods of environmental monitoring determination of ammonia nitrogen used in China are the nessler's reagents spectrophotometer, salicylic acid spectrophotometer, distillation - titration method and electrode method. SK-100 type laboratory automated ammonia nitrogen analyzer follows ammonia nessler's colorimetric law, with the cold light source, narrow band interference filter technology and single chip computer digital processing technology, not only achieving the high operating stability, but also ensuring a high automation and high accuracy, which can be widely used in monitoring surface water and industrial wastewater.
Keywords: ammonia nitrogen; monitoring; SK-100 laboratory automatic ammonia nitrogen analyzer.
氨氮是饮用水、地表水、生活污水、工业污水等水质污染监测的一个重要指标，准确、快速监测水体中氨氮的浓度，是监测人员的职责。传统手工操作前处理需要在电炉上蒸馏，操作复杂、费时，并带来很多系统误差和随机误差，影响测定结果的准确性和精密度。SK-100实验室氨氮自动分析仪是在深入研究国外氨氮测定仪的基础上独立开发的新一代氨氮测定仪，它采用特制的密封比色管，达到方便快速测定水质NH3-N的目的。
1 原理
1.1 化学反应原理
碘化汞和碘化钾的碱性溶液与氨反应生成淡红棕色胶态化合物，其色度与氨氮含量成正比，通常可在波长410-425nm范围内测其吸光度，计算其含量。
1.2 仪器工作原理
仪器自动对样品进行预蒸馏处理，并由吸收液吸收、加入纳氏试剂等使之显色，经彻底混合后通过光度法对样品进行测量，最后经数据处理系统自动计算出氨氮的浓度值。
2仪器与试剂
2.1 仪器SK-100实验室氨氮自动分析仪
2.2 分析时均使用符合国家A级标准的玻璃量器。
2.3 试剂
2.3.1 无氨水：国家标准GB11894—89中指出：弃去前50mL馏出液，然后将馏出液收集在带有玻璃塞的玻璃瓶中。
2.3.2 铵标准溶液（ρ=1000g/L）:称取3.819±0.004g氯化铵（NH4Cl,在100～105℃干燥2h）,溶于水中，全量移入1000ml容量瓶中，稀释至刻度，摇匀。此溶液铵的质量浓度为1000g/L。
2.3.3 铵标准使用液（ρ=10g/L）:吸取10.00ml铵标准溶液于1000 ml容量瓶中，稀释至刻度，摇匀。临用前配制。此溶液铵的质量浓度为10g/L。
2.3.4 纳氏试剂：
2.3.4.1称取75g氢氧化钾（KOH）,溶于250ml水中，摇匀，冷却至室温。
2.3.4.2称取25g碘化钾（KI），溶于50ml水中，在搅拌下，将12.5g二氯化汞（HgCl2）粉末分次少量加入于碘化钾溶液中，直到溶液呈深黄色或出现微米红色沉淀液缓慢时，充分搅拌混合，并改为滴加二氯化汞饱和溶液，当出现少量朱红色沉淀不再溶解时，停止滴加。在搅拌下，将(1.2.2.4.1)缓慢地加入到上述二氯化汞和碘化钾的混合液中，并稀释至500ml，混匀，于暗处静置24h，将上清液移入聚乙烯瓶中，密塞保存。存放暗处，此试剂最少可稳定一个月。
2.3.4.3 硼酸：称取5g硼酸溶于水，稀释至1L，混匀。
2.3.4.4 氢氧化钠：
a 弱碱:ρ（NaOH）=4g/L。
取4g氢氧化钠溶于1000ml水中，贮于聚乙烯瓶中。
b 强碱：ρ（NaOH）=40g/L。
取40g氢氧化钠溶于1000ml水中，贮于聚乙烯瓶中。
2.3.5 氨氮标准样品的配制：
取国家环境保护部标准样品研究所《GSBZ50005-88 水质氨氮》 ( 样品瓶中)的原液10.00ml,全量移入并用无氨水定容于250ml容量瓶中。
3测定方法及步骤
3.1 样品预处理
3.1.1余氯含量高的样品
若样品中存在余氯，可加入适量的硫代硫酸钠溶液（Na2S2O3ρ＝3.5g/L）去除。每加0.5ml可去除0.25mg余氯。用淀粉－碘化钾试纸检验余氯是否除尽。
3.1.2 悬浮物含量高的样品（絮凝沉淀）
若样品中存在悬浮物，在100ml样品中加入1ml硫酸锌溶液（ZnSO4·7H2O ρ＝100g/L）和0.1ml～0.2ml氢氧化钠溶液（NaOH ρ＝200g/L），调节pH约为10.5，混匀，放置使之沉淀，倾取上清液分析。必要时，用经水冲洗过的中速滤纸过滤，弃去初滤液20ml。也可对絮凝后样品离心处理。
3.1.3 pH调节
取适量样品溶液，用氢氧化钠溶液（NaOH с＝1mol/L）或盐酸溶液（HCl с＝1mol/L）调整pH至6.0～7.4之间。取10～15ml调整好pH的样品进行测试。
3.2 仪器条件
由随机获取进样器、蠕动泵、扩展范围检测器、氨氮分析模块、数据获取系统、电源基座等组成。
3.3实验步骤
参数设定: 基线监视周期: 10min；自动置零: 5min；分析周期:95 s；在495s至590s之间出峰值。
仪器准备: 按照操作手册安装好每个模块，连接各个试剂到对应的泵管，启动泵，使试剂流过整个系统，确认流动稳定，在氨氮分析软件中创建样品表和方法表，设置加热器的温度为110℃，一旦温度达到110℃，再次确认进液管路顺畅后开始运行仪器，在开始分析前得到稳定的基线并且自动置零。
3.4标准曲线绘制及质控标准样品分析结果
3.4.1标准曲线的绘制:用浓度为0.01mg/L铵标准溶液，配制成如下浓度的标准系列: 0、0.2、0.4、1、2、4、8mg/L。水样较清时，可直接取样进行分析；水样浑浊时，需先进行离心，然后取样分析。待仪器自动运行完毕，打开编好的样品表，待基线稳定后，开始分析样品，分析完毕后点击数据计算，由数据收集系统输出结果。
表1 铵标准使用溶液浓度为0.01mg/L的校准曲线
|
mg/L |
0 |
0.2 |
0.4 |
1 |
2 |
4 |
8 |
|
A |
0.004 |
0.026 |
0.056 |
0.121 |
0.269 |
0.537 |
1.08 |
|
A标-A0 |
|
0.022 |
0.052 |
0.117 |
0.265 |
0.533 |
1.076 |
|
参数 |
截距：-0.00161 |
斜率：0.13541 |
拟合系数：0.999892 |
||||
.jpg)
3.4.2质控标准样品分析结果
表2 氨氮质控标准样品测定结果
|
项目 |
1号质控样 |
2号质控样 |
||||
|
质控样编号 |
200535 |
200536 |
||||
|
标准值及不确定度（mg/L） |
2.88±0.14 |
1.18±0.06 |
||||
|
质控样测定 |
1-1 |
1-2 |
1-3 |
2-1 |
2-2 |
2-3 |
|
吸光度 |
0.385 |
0.391 |
0.303 |
0.154 |
0.151 |
0.157 |
|
浓度值（mg/L） |
2.86 |
2.90 |
2.95 |
1.15 |
1.13 |
1.17 |
|
均值(mg/L) |
2.90 |
1.15 |
||||
|
标准偏差S |
3.61×10-2 |
2.00×10-2 |
||||
4 结果与讨论
4.1 检出限
按照EPA 关于检出限的定义，DL =t(n - 1,α =0.99) S (其中t(n - 1,α =0.99)是当自由度为n – 1，置信度为99%时，单边检验的临界值，当n = 7 时t(n - 1,α =0.99) = 3.143；S为重复测量n次得到的标准偏差) 来进行方法检出限的测定，对0.050mg/L氨氮的溶液连续测定7次，数据见表3。
根据公式DL = 3.143S, 可得DL = 0.008mg/L,低于纳氏试剂分光光度法的0.05mg/L的最低检出浓度, 检测上限也由2mg/L提升到10mg/L。
表3 检出限实验结果
Tab.3 The experimental results of the limit of detection （mg/L）
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
均值 |
S |
|
0.040 |
0.034 |
0.036 |
0.033 |
0.041 |
0.039 |
0.036 |
0.037 |
3.06×10-3 |
注：S为标准偏差。
4.2 准确度
4.2.1 标准样品测试
国家环境保护总局标准样品研究所的不同校准样品进行准确度试验测定, 结果见表4。
表4 测定标准样品的准确度试验结果
Tab.4 The experimental results of the accuracy of standard sample （mg/L）
|
标样编号 |
标样保证值 |
测定平均值 |
绝对误差（mg/L） |
相对误差（%） |
|
GSBZ 5005 - 88 200535 |
2.88±0.14 |
2.90 |
0.02 |
0.69 |
|
GSBZ 5005 - 88 200536 |
1.18±0.06 |
1.15 |
-0.03 |
2.54 |
从表3中可知, 实际测定值与标样的保证值之间的误差较小, 实验结果令人满意。
4.2.2 样品加标回收率
加标回收试验结果见表5。
表5 样品加标回收率实验结果
Tab.5 The experimental results of the recovery of labeled samples (mg/L)
|
样品 |
本底值 |
加标量 |
测得总量 |
回收率（%） |
|
样品1 |
2.89 |
1.00 |
3.69 |
94.9 |
|
样品2 |
0.785 |
0.500 |
1.255 |
97.7 |
|
样品3 |
5.05 |
2.50 |
7.31 |
96.8 |
加标回收率实验的结果表明该方法能获得很好的回收率, 从而进一步确认了仪器和分析方法的准确性。
4.3 精密度
表6可见使用本法检测水中的氨氮对同一样品多次测定值的标准偏差和相对标准偏差都较小, 有较好的重现性和精密度, 从而也证实了仪器的稳定性。
表6 精密度实验结果
Tab.6 The experimental results of the precision on samples (mg/L)
|
编号 |
测定值 |
测定均值 |
S |
RSD(%) |
|||||
|
标样1 |
2.86 |
2.90 |
2.95 |
2.92 |
2.88 |
2.93 |
2.91 |
0.033 |
1.2 |
|
样品1 |
0.115 |
0.109 |
0.108 |
0.114 |
0.112 |
0.110 |
0.111 |
0.003 |
2.6 |
|
样品2 |
0.920 |
0.923 |
0.931 |
0.931 |
0.926 |
0.930 |
0.927 |
0.005 |
0.5 |
|
样品3 |
4.40 |
4.38 |
4.39 |
4.45 |
4.43 |
4.40 |
4.41 |
0.026 |
0.6 |
5氨氮自动分析仪与分光光度计法测定方法的比较
表7
|
|
氨氮自动分析仪法 |
分光光度计法 |
|
测量范围 |
0.10～10.0mg/L， 10mg/L以上的样品须稀释 |
本方法检出限为0.025mg/L，测定下限为0.10mg/L，测定上限为2.0mg/L |
|
检出限 |
0.008 mg/L |
0.025mg/L |
|
分析速度 |
单样品进样+样品预处理+比色+测量=结果显示=10min |
取样+蒸馏预处理+比色测定=1 h（加上做校准曲线时间更长） |
|
预处理 |
自主研发、独具特色的样品预处理装置，取得专利技术，扩大了仪器的检测范围及被测样品的准确性。同时，对含有悬浮物、颗粒物和有色水质也可自动蒸馏预处理，直接进样分析测定。多样品测定时，样品测定和蒸馏可同时进行，测量周期缩短。 |
对含悬浮物和有色水质必须在电炉上经蒸馏预处理才可进行比色测定。样品越多测量周期越长。 |
|
实验过程 |
仪器自动清洗管路，自动校正零点，自动建立工作曲线，自动显示、自动存储测量数据和图形以及打印结果。 |
分析人员清洗玻璃器皿，人工做校准曲线，在光度计上进行比色测定，将所测光度值输入计算机计算结果。 |
|
自动化程度和结果的显示 |
将样品放入样品池中，仪器的所有功能均可通过操作计算机键盘来完成，外配电脑液晶显示屏，真正时间了仪器的全自动化操作。 |
测出吸光度值，手工计算出结果的浓度值。容易带来认人为误差。 |
|
使用成本 |
每完成一个样品的测试，样品进样量仅为10ml,纳氏试剂的使用量约为1ml。 |
每个样品需要200ml水样，硼酸50 ml，纳氏试剂1.5ml。 |
6注意事项
6.1氨氮实验中的实验用水为无氨水，若实验用水被空气中的氨或者铵盐试剂污染，可导致空白偏高影响实验结果。
6.2对于浑浊或有色度的水样，可采用稀释法消除干扰，稀释倍数根据水样情况来定，特别是对于氨氮含量较低、色度或浊度较高的水样，过大的稀释倍数容易产生较大的分析误差。
6.3对于油污比较大、沉淀物较多的水样，应进行适当预处理。
6.4若实验程序中途停止（如突然断电导致程序中断），需要将混合皿中的液体用注射器吸取出来。
6.5如需要移动仪器，应尽量避免仪器剧烈晃动、倾斜、防治内部硅油外溢，损坏仪器。
6.6 若泵管松弛导致进液不通畅，应将蠕动泵模块多扳一格，保持试剂输送顺畅；在试验结束后泵管要从泵轴上拆下，保持松弛状态。
6.7.在8分15秒至9分50秒之间出峰值，确保这一时段没有气泡峰影响实验数据精准度。
参考文献
[1] 国家环保总局《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水监测分析方法[M] .第4版.北京:中国环境科学出版社,2002:279-283
[2] 王波,刘建东,陈之贵,杨娜,等.FS-IV+流动注射仪测定地表水中氨氮[J].四川环境, 2009 ,28 (1):47-49
[3] EPA-600 /4-79-020，氨氮.水和废水的化学分析方法[S].
[4] SK-100系列实验室氨氮自动分析仪用户手册[ Z]. 北京商河科兴仪器科技有限公司
[5] 王文雷.纳氏试剂比色法测定水体中氨氮影响因素的探讨[J].中国环境监测, 2009 ,25(1):29-32
作者单位:河北省环境监测中心站
作 者: 王津 段晓晨
作者电话:13603392263
作者地址:河北省石家庄市裕华西路448号
