镉柱还原法测定海水硝酸盐氮的研究

韩荣荣，张程，周冰(河北省生态环境监测中心，河北 石家庄 050000)

0 引言

海水富营养化是海水中氮、磷等营养盐产生和消化失去平衡，过量的氮、磷等植物营养元素逐步被氧化分解，成为水体中微生物和藻类的营养物质，导致水生生态系统物种失衡，藻类迅猛生长，海水透明度明显降低，阳光难以穿透水层，影响水生生物的光合作用。此外藻类繁殖、死亡、腐败，引起水体中氧气大量减少，影响海水生态系统的物质与能量的流动，水质恶化，导致鱼、虾等水生生物死亡，造成水体生态环境的污染破坏。富营养化在湖泊、水库、河口和近岸海域均可能发生，湖泊中称为水华，近岸海域中称为赤潮。随着人口数量迅速增加，城市化进程不断加快等因素影响，富营养化已成为许多国家水环境污染治理方面的困扰。

硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、氨氮和少量溶解态氮以及有机氮构成海水中氮，硝酸盐氮是主要离子态氮[1]。硝酸盐氮是海水水质监测的基本指标，也是海水富营养化的重要判定指标，对其监测是十分必要和重要的[2]。

目前海水硝酸盐氮的测定方法很多，常用的有镉柱还原法、气相分子吸收光谱法、流动注射法、连续流动注射法等，各具有优缺点。气相分子吸收光谱法和流动注射法没有相应测定海水硝酸盐氮的标准方法，连续流动注射法适合大批量样品分析，且前期准备试剂多，实际配置相对繁琐，不适合短时间获得监测数据。镉柱还原法所用仪器设备和试剂配置相对简单，短时间就可以获得准确可靠的监测数据，所以本文对海洋监测规范的仲裁方法GB/T 17378.4—2007[3]中镉柱还原法进行探讨。

1 测定原理

基于重氮-偶氮光度法，水样经过镉柱硝酸盐氮被还原为亚硝酸盐，与水样中原有的亚硝酸盐一起与对氨基苯磺酰胺重氮化，再与盐酸萘乙二胺偶合，形成玫红色偶氮染料。其颜色与亚硝酸盐氮含量遵循朗伯比尔定律，计算得到水样中亚硝酸盐氮的总量，扣除水样中原有亚硝酸盐氮含量，进而获得水样硝酸盐氮含量。

2 仪器设备和试剂

2.1 主要仪器设备

(1)紫外可见分光光度计DR6000；

(2)镉柱还原装置。

2.2 主要试剂

(1)镀铜镉粒：40 g，直径为1 mm。

(2)硝 酸 盐-氮 标 准 储 备 液(100 μg/mL)：GBW(E)081697国家标准物质，国家海洋监测中心。

(3)硝酸盐-氮使用液(10 μg/mL)：用储备液稀释获得，临用配置。

(4)氯化铵缓冲溶液10 g/L：用氨水调节pH至8.5。

(5)磺胺溶液：准确称取0.50 g碘胺(优级纯)，溶于350 mL盐酸(酸与水的比例=1∶6)溶液，纯水定容至500 mL，混匀。盛于棕色瓶中。

(6)盐酸萘乙二胺溶液(1 g/L)：盛于棕色瓶中。

(7)活化液：量取14 mL硝酸盐-氮标准储备液(2.2.2)于1 000 mL容量瓶中，加氯化铵缓冲溶液(2.2.4)至标线，混匀。

3 试验步骤

3.1 填充镉柱并活化

(1)装柱：事先清洗还原装置各个部分，将少许玻璃款纤维塞入还原柱底部并注满水，然后将镀铜镉粒(2.2.1)装入还原柱中，再将少许玻璃纤维塞至镀铜镉粒上方，防止镀铜镉粒与外界空气接触，为此，在任何操作步骤中还原柱中溶液液面不得低于镀铜镉粒上端。

(2)还原速度调节：调节样品流速为7 mL/min。

(3)还原柱活化：用250 mL活化液(2.2.7)以每分钟7 mL的流速通过还原柱使之活化，然后再用氯化铵缓冲溶液(2.2.4)过柱洗涤3次，还原柱即可使用。

3.2 镉柱还原率核查

分别配制浓度为100 μg/L的亚硝酸盐氮和硝酸盐氮溶液，按照绘制曲线的操作步骤测量硝酸盐氮吸光值，取双份平均吸光度值记为A(NO3-)。同时取两份分析空白，吸光度值记为Ab(NO3-)。亚硝酸盐氮溶液无需经镉柱还原，其双份平均吸光度值分别记为A(NO2-)和Ab(NO2-)。按下面公式计算还原率R(%)：

当还原率R＜95%时，还原柱需按3.1.1～3.1.3步骤重新进行活化或重新装柱，以保证实验数据的准确性。

3.3 还原柱的保存

还原柱每次用使用完毕后，需要用氯化铵缓冲溶液(2.2.4)洗涤2次，之后注入氯化铵缓冲溶液(2.2.4)，使镉柱完全浸没于氯化铵缓冲溶液中进行保存，确保与空气隔绝。如长期不使用，可注满氯化铵缓冲溶液(2.2.4)后封存保存。

3.4 标准工作曲线绘制

虽然标准曲线简单方便，且标准曲线稳定、灵敏度高、相关性好，实际工作中多采用标准曲线，但海水硝酸盐氮的测定实际样品在镉柱还原过程中不可避免地有一定损失，所以选择工作曲线进行实验分析。工作曲线是校准曲线的一种，是通过测定与样品步骤完全相同的标准系列而得到的校准曲线[4]。

(1)分别将0、0.25、0.50、1.00、1.50、2.00 mL的硝酸盐-氮使用液(2.2.3)加入到100 mL容量瓶中，加水至标线；

(2)分别量取50.0 mL上述各浓度溶液(3.4.1)，于100 mL比色管中，用氯化铵缓冲溶液(2.2.4)定容至标线，混匀；

(3)将混合后的溶液(3.4.2)浓度由低到高倒入还原柱中，以每分钟7 mL的流速通过还原柱，当还原体积达到65 mL时，接取流出液25.0 mL于50 mL比色管中，用水稀释至50.0 mL，混匀；

(4)各加入1.0 mL磺胺溶液(2.2.5)，混匀，放置2 min；

(5)各加入1.0 mL盐酸萘乙二胺溶液(2.2.6)，混匀，放置20 min；

(6)用5 cm比色皿，二次去离子水作参比，在543 nm波长处测定其吸光度；

(7)以扣除空白的吸光度值为纵坐标，浓度(mg/L)为横坐标，绘制工作曲线[4]。

3.5 实际水样测定

(1)量取50.0 mL经0.45 μm滤膜过滤的水样，于100 mL比色管中，用氯化铵缓冲溶液(2.2.4)定容至标线，混匀；

(2)依照3.4.2～3.4.7步骤测量实际水样的吸光度值Aw；

(3)用二次去离子水代替实际水样进行测定，得到实验空白吸光度值Ab。

(4)计算Aw-Ab，查标准工作曲线计算得到实际水样中硝酸盐氮和亚硝酸盐氮浓度和C总(mg/L)。

(5)实际水样中硝酸盐氮浓度按下式进行计算，单位为mg/L：

4 实验结果讨论

4.1 不同浓度梯度水样不同还原体积对应吸光度变化

分 别 对 低(0.05 mg/L)、中(0.10 mg/L)、高(0.15 mg/L)三种不同浓度梯度标准溶液进行还原体积对应吸光度变化实验，以横坐标为还原体积，纵坐标为吸光度作图，找到还原体积与吸光度之间变化关系，如图1～图3所示。

图1 低浓度样品还原体积对应吸光度变化

图2 中浓度样品还原体积对应吸光度变化

图3 高浓度样品还原体积对应吸光度变化

经过反复实验，表明当还原体积为65 mL以后，吸光度和样品测定结果趋于稳定，样品中硝酸盐氮含量越接近样品实际硝酸盐氮含量，此时实验结果具有代表性，因此，得出最佳还原体积为65 mL。依次进行工作曲线、检出限、回收率等实验。

4.2 测定工作曲线

按照3.4中标准工作曲线绘制步骤，对0～2.00 mg/L硝酸盐-氮标准系列进行多次测定，结果表明在0～2.00 mg/L范围内，吸光度(Y)与样品浓度(X)具有很好的线性相关性，且线性相对稳定。结果如表1和图4所示。

表1 标准曲线表

图4 线性关系图

4.3 方法检出限

选择浓度为0.05 mg/L的硝酸盐—氮标准样品，平行测定7次，根据环境监测分析方法标准制定技术导则[5]的相关要求计算检出限。

式中：SD为标准偏差。

结果如表2所示。

表2 方法检出限测定

经过计算该方法检出限MDL是0.001 mg/L，低于国家近岸海域海水水质监测操作技术规程(试行)中给出方法的检出限0.012 mg/L，满足国标方法对硝酸盐氮的测定要求。

4.4 加标回收率测定

分别对低、中和高浓度实际海水样品进行加标回收率实验，测定结果如表3所示。

表3 加标回收率

经计算回收率在91%～108%之间，满足相关标准要求，测定结果的准确度高，重复性好。

4.5 还原柱还原率R核查

对秦皇岛近岸海域4个海水监测点每天进行监测，包括质控样品在内，每天需经还原柱还原8个样品，对还原柱的还原效率R进行核查，结果如表4所示。

表4 还原率R核查

实验结果表明，当还原柱使用10天以后，还原率已经不满足标准要求，需要重新装柱或活化，重新测定还原率，得到还原柱使用最佳时间为10天。

5 结语

本文就海水硝酸盐氮测定方法有关还原体积的选择问题进行实验，进行了最优还原体积的筛选，进而进行标准曲线、检出限、加标回收率实验。实验结果表明当还原体积为65 mL时，曲线线性相关系数为0.999 8，检出限为0.001 mg/L，大大低于国家近岸海域海水水质监测操作技术规程(试行)中给出的检出限，回收率在91%～108%之间，满足GB/T 17378.4—2007和国家近岸海域海水水质监测操作技术规程(试行)中的相关要求，具有良好的稳定性和准确性，对还原率R进行核查，找到还原率最佳时间，进一步保证了数据的准确性，相对缩短了实验分析时间，在检出限、还原体积和还原率最佳时间方面对国标方法GB/T 17378.4—2007中海水硝酸盐氮的测定方法进行了补充，该测定方法解决了没有给定检出限、还原体积如何确定及镉柱何时进行重装及活化等问题，一定程度上节省了实验时间提高了工作效率。

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