总氮测定仪:紫外分光光度法测定水中总氮的不确定度和影响因素分析

2020-08-06
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  总氮是指水体中亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、无机铵盐、溶解态氨及大部分有机含氮化合物的总和。水体中氮含量的增加会造成水生生物和微生物的大量繁殖,消耗水中的溶解氧,使水体质量恶化。总氮是表征水域水质的重要指标之一,总氮测量结果的不确定度是评价总氮测量准确性的关键指标。不确定度,是表征合理地赋予被测量值的分散性与测量结果相联系的参数。在测量结果的完整表示中除了被测量结果的最佳估值外,还应包括测量不确定度。通过对紫外分光光度法测定水样中总氮的不确定度进行评定,查找影响不确定度的主要来源,通过对过硫酸钾残留量、比色液酸度等对总氮测定不确定度的影响进行实验研究,明确主要影响因素,降低测定不确定度。

  1、测定原理

  在60℃以上碱性水溶液中,过硫酸钾可分解产生硫酸氢钾和原子态氧,分解出的原子态氧在120~124℃条件下,可使水样中NO2-、NH4-、有机氮氧化为硝酸盐氮。消解后的溶液用紫外分光光度计于220nm和275nm下测得吸光度值,然后根据校正公式:As=A220-2A275求出校正吸光度As,并按照As与相应的浓度绘制校准曲线,计算样品中总氮的含量。含氮量小于4mg/L时,硝酸盐氮浓度与吸光度符合比耳定律。

  2、检测仪器及试剂

  2.1、检测仪器:MI-50S 智能型总氮快速检测仪

  2.2、试剂:标配预制试剂 MI-TN-A

  3、不确定度的影响因素分析

  经过大量实验得出结论,吸光度引起的不确定分量Uy最大,其中实验点相对回归直线的分散性引起的不确定度分量Uy1和测量重复性引起的不确定度分量Uy4对总不确定度贡献最大,其他分量的贡献相对较小。影响Uy1和Uy4值的因素是分光光度计的测量准确度,而仪器的测量准确度主要影响因素是:杂散光、透射比误差和波长误差。对总氮测量来说,测量波长为220nm,处于仪器光源的边缘波长范围,单色器的透射率、光源光强和接收器的灵敏度都是比较低的,这时杂散光影响就更为明显。杂散光与吸光度误差的关系可由下式表示:

  当透射比误差和杂散光强度一定时,吸光度误差ΔA随着测量吸光度A0增大而增大。当空白试验吸光值偏大时,测量吸光度也增大,吸光度误差亦会增大,导致测量的准确度下降,因此总氮的国标检测方法(GB11894—1989)就严格规定了空白试验吸光值不得超过0.03。为了进一步明确空白试验吸光值偏大造成实验点。

  3.1、过硫酸钾残留量的影响

  根据实验原理,在碱性条件下高温消解时,过硫酸钾分解出原子态氧、氢离子、硫酸根和钾离子,氢离子与氢氧根立即反应生成水,促使分解过程趋于完全,其方程式为:

  K2S2O8+H2O→2H++2SO24-+2K++1/2O2↑(3)

  如果反应过程出现温度、碱性环境达不到要求时,未反应的过硫酸钾就会残留在比色液中。为了研究不同过硫酸钾残留浓度对吸光值的影响,配制系列不同浓度过硫酸钾溶液,分别在220nm和275nm波长处测定吸光度。

  过硫酸钾在220nm处有强烈的吸收峰,与总氮的吸收波长重合,这种吸收特性随过硫酸钾含量的不断降低而逐渐减弱。

  3.2、比色液pH的影响

  根据检测步骤,比色液在测量吸光度前要加入一定量的盐酸。盐酸的作用主要是中和比色液中过量的氢氧化钠,以及消除HCO3-、CO23-的影响,因为HCO3-、CO23-在紫外区也有吸收。盐酸使用量与下面两个方面有关:

  a)比色液中OH-剩余量。根据反应式(3)、(4)当消解完毕后,剩余OH-为0.227×10-3mol,需要消耗1∶9的盐酸0.2mL。

  b)比色液中的HCO3-、CO23-。由于实验中有纯水稀释,比色液中存在一定量的HCO3-、CO23-,对比色造成影响,加入盐酸后,当pH小于8.3时,CO23-转化为HCO3-,当pH小于4.3时,HCO3-、CO23-全部转换为CO。因此,盐酸使用量要使比色液pH控制在4.3以下。为了研究不同pH值对空白的影响,用盐酸溶液调节不同pH值的比色液,分别在220nm和275nm波长处测定吸光度。实验结果得出当比色液pH值在2.0以下时才有较小的空白试验吸光值。

  3.3、实验用水的影响

  按GB11894—1989标准,在实验条件均相同的情况下分析3种试验用水消解液空白值:①新鲜蒸馏水,电导率为4.39μS/cm;②无氨水,电导率为2.21μS/cm;③超纯水仪制作纯水,电导率为0.21μS/cm。根据测定结果发现超纯水的空白值最小,为0.013;无氨水为0.031;蒸馏水为0.045,因此为了降低总氮测定的不确定度,建议用纯度较高的水,如超纯水,同时使用前先测定电导率,当电导率低于0.20μS/cm才能使用。

  3.4、过硫酸钾纯度的影响

  取3种过硫酸钾:①某厂生产AR级过硫酸钾A;②A经过1次重结晶过硫酸钾B;③A经过2次重结晶过硫酸钾C。重结晶方法:烧杯做容器,在55℃水浴中将80g过硫酸钾溶于1000mL超纯水中,将烧杯放到冰水中,使其结晶,用玻璃砂漏斗过滤,55℃下干燥,得过硫酸钾B,将烘干后的过硫酸钾再重复上述步骤1次;得过硫酸钾C。按GB11894—1989标准,用超纯水在实验条件均相同的情况下分析3种过硫酸钾消解液空白值,发现C的空白值最低,仅为0.012,B的空白值为0.036,C的空白值为0.061。因此认为过硫酸钾的纯度对实验空白影响较大,对过硫酸钾进行重结晶,可以显著降低消解液空白吸光值。

  4、结语

  a)紫外分光光度法测量水样中的总氮不确定度的主要来源是吸光度引起的不确定分量,其中实验点相对回归直线的分散性引起的不确定度分量和测量重复性引起的不确定度分量对总不确定度贡献最大,原因是仪器测量准确度随吸光值增大而降低,空白试验吸光值大,降低测量准确度。

  b)影响空白试验吸光值的主要因素是过硫酸钾的残留,当比色液中过硫酸钾的浓度大于0.04mg/L时,测量吸光度偏大。

  c)影响空白试验吸光值的另一主要因素是比色液的pH值,当比色液pH值大于2.0时,测量吸光度偏大。实验用水和过硫酸钾的纯度对空白值的影响也较大。


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