含氮化合物

人們對(duì)水和廢水中關(guān)注的幾種形態(tài)的氮是氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、有機(jī)氮和總氮。前四者之間通過(guò)生物化學(xué)作用可以相互轉(zhuǎn)化。測(cè)定各種形態(tài)的含氮化合物，有助于評(píng)價(jià)水體被污染和自凈狀況。

（一）氨氮

水中的氨氮是指以游離氨（或稱非離子氨，NH₃）和離子氨（NH₄⁺）形式存在的氮，兩者的組成比決定于水的pH值。對(duì)地面水，常要求測(cè)定非離子氨。

水中氨氮主要來(lái)源于生活污水中含氮有機(jī)物受微生物作用的分解產(chǎn)物，焦化、合成氨等工業(yè)廢水，以及農(nóng)田排水等。氨氮含量較高時(shí)，對(duì)魚(yú)類呈現(xiàn)毒害作用，對(duì)人體也有不同程度的危害。

測(cè)定水中氨氮的方法有納氏試劑分光光度法、水楊酸-次氯酸鹽分光光度法、電極法和容量法。

水樣有色或渾濁及含其他干擾物質(zhì)影響測(cè)定，需進(jìn)行預(yù)處理。對(duì)較清潔的水，可采用絮凝沉淀法消除干擾；對(duì)污染嚴(yán)重的水或廢水應(yīng)采用蒸餾法。

1.納氏試劑分光光度法

在水樣中加入碘化汞和碘化鉀的強(qiáng)堿溶液（納氏試劑），則與氨反應(yīng)生成黃棕色膠態(tài)化合物，此顏色在較寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有強(qiáng)烈吸收，通常使用410—425nm范圍波長(zhǎng)光比色定量。反應(yīng)式如下：

2K₂[Hgl₄]＋3KOH＋NH₃→NH₂Hg₂IO＋7KI＋2H₂O

(黃棕色)

本法*低檢出濃度為0.025mg/L；測(cè)定上限為2mg/L。采用目視比色法，*低檢出濃度為0.02mg/L。

2.水楊酸-次氯酸鹽分光光度法

在亞硝基鐵氰化鈉存在下，氨與水楊酸和次氯酸反應(yīng)生成藍(lán)色化合物，于其*大吸收波長(zhǎng)697nm處比色定量。反應(yīng)過(guò)程如下：

該法*低檢出濃度為0.01mg/L；測(cè)定上限為1mg/L。

3.電極法

氨氣敏電極是一種復(fù)合電極。它以平板型pH玻璃電極為指示電極，銀-氯化銀電極為參比電極。將此電極對(duì)置于盛有0.1mol/L氯化銨內(nèi)充液的塑料套管中，在管端pH電極敏感膜處緊貼一疏水半滲透薄膜（如聚四氟乙烯薄膜），使內(nèi)充液與外部被測(cè)液隔開(kāi)，并在pH電極敏感膜與半透膜間形成一層很薄的液膜。當(dāng)將其插入pH值已調(diào)至11的水樣時(shí)，則生成的氨將擴(kuò)散通過(guò)的反應(yīng)向左移動(dòng)，引起氫離子濃度的變化，由pH玻璃電極測(cè)定此變化。在恒定的離子強(qiáng)度下，測(cè)得的電動(dòng)勢(shì)與水樣中氨濃度的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系。因此，用高阻抗輸入的晶體管毫伏計(jì)或pH計(jì)測(cè)其電位值便可確定水樣中氨氮的濃度。如果使用專用離子活度計(jì)，經(jīng)用氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液校準(zhǔn)后，可直接指示測(cè)定結(jié)果。

該方法不受水樣色度和濁度的影響，水樣不必進(jìn)行預(yù)蒸餾；*低檢出濃度為0.03mg/L，測(cè)定上限可達(dá)1400mg/L。

4.滴定法

當(dāng)水樣中的氨氮較高時(shí)，可用該方法。取一定量水樣，調(diào)節(jié)pH在6.0—7.4范圍，加入氯化鎂使呈微堿性。加熱蒸餾，釋出的氨用硼酸溶液吸收。取全部吸收液，以甲基紅-亞甲藍(lán)為指示劑，用酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定。根據(jù)酸標(biāo)準(zhǔn)溶液消耗量，按下式計(jì)算水樣中氨氮含量：

式中：V₁——滴定水樣消耗酸溶液體積（mL）；

V₂——空白試驗(yàn)消耗酸溶液體積（mL）；

M——酸標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度（mol/L）；

V——水樣體積（mL）；

14——氨氮（N）摩爾質(zhì)量（g/mol）。

（二）亞硝酸鹽氮

亞硝酸鹽氮（NO₂-N）是氮循環(huán)的中間產(chǎn)物。在氧和微生物的作用下，可被氧化成硝酸鹽；在缺氧條件下也可被還原為氨。亞硝酸鹽進(jìn)入人體后，可將低鐵血紅蛋白氧化成高鐵血紅蛋白，使之失去輸送氧的能力。還可與仲胺類反應(yīng)生成具致癌性的亞硝胺類物質(zhì)。亞硝酸鹽很不穩(wěn)定，一般天然水中含量不會(huì)超過(guò)0.1mg/L。

測(cè)定水體中的亞硝酸鹽氮常用N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法和離子色譜法等。

1.N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法

在pH值為1.8±0.3的酸性介質(zhì)中，亞硝酸鹽與對(duì)氨基苯磺酰胺反應(yīng)，生成重氮鹽，再與N-（1-萘基）-乙二胺偶聯(lián)生成紅色染料，于540nm處進(jìn)行比色測(cè)定。顯色反應(yīng)式如下：

氯胺、氯、硫代硫酸鹽、聚磷酸鈉和高鐵離子有明顯干擾；水樣有色或渾濁，可加氫氧化鋁懸浮液并過(guò)濾消除之。

方法*低檢出濃度為0.003mg/L；測(cè)定上限為0.20mg/L。

2.離子色譜法

離子色譜法（IC）是利用離子交換原理，連續(xù)對(duì)共存多種陰離子或陽(yáng)離子進(jìn)行分離、定性和定量的方法，其分析系統(tǒng)由輸液泵、進(jìn)樣閥、分離柱、抑制柱和電導(dǎo)檢測(cè)裝置等組成。分析陽(yáng)離子時(shí)，分離柱為低容量的陽(yáng)離子交換樹(shù)脂，用鹽酸溶液作淋洗液。注入樣品溶液后，被測(cè)離子隨淋洗液進(jìn)入分離柱，基于各種陽(yáng)離子對(duì)低容量陽(yáng)離子交換樹(shù)脂的親和力不同而彼此分開(kāi)，在不同時(shí)間內(nèi)隨鹽酸淋洗液進(jìn)入抑制柱，在此鹽酸被強(qiáng)堿性樹(shù)脂中和，變成低電導(dǎo)的去離子水，使待測(cè)陰離子得以依次進(jìn)入電導(dǎo)池被測(cè)定。分析陰離子時(shí)，分離柱用低容量的陰離子交換樹(shù)脂，抑制柱用強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂，淋洗液用氫氧化鈉溶液或碳酸鈉與碳酸氫鈉的混合溶液。淋洗液載帶試液在分離柱中將待測(cè)陰離子分離后，進(jìn)入抑制柱被中和或抑制變成低電導(dǎo)的去離子水或碳酸，使待測(cè)陰離子得以依次進(jìn)入電導(dǎo)池被測(cè)定。

用離子色譜法測(cè)定水樣中F^-、Cl^-、NO₂^-、PO₄^3-、Br^-、NO₃^-、SO₄^2-的色譜圖示于圖2－34。在此，分離柱選用R—N⁺HCO₃^-型陰離子交換樹(shù)脂，抑制柱選用RSO₃H型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂，以0.0024mol/L碳酸鈉與0.0031mol/L碳酸氫鈉混合溶液為淋洗液。分離柱和抑制柱上的交換反應(yīng)如下：

由柱上的反應(yīng)可見(jiàn)，淋洗液（背景溶液）轉(zhuǎn)變成低電導(dǎo)的碳酸，而在抑制柱中待測(cè)離子以鹽的形式轉(zhuǎn)換為等當(dāng)量的酸，分別進(jìn)入電導(dǎo)池中測(cè)定。根據(jù)測(cè)得的各離子的峰高或峰面積與混合標(biāo)準(zhǔn)溶液的相應(yīng)峰高或峰面積比較，即可得知水樣中各種離子的濃度。

（三）硝酸鹽氮

硝酸鹽是在有氧環(huán)境中*穩(wěn)定的含氮化合物，也是含氮有機(jī)化合物經(jīng)無(wú)機(jī)化作用*終階段的分解產(chǎn)物。清潔的地面水硝酸鹽氮（NO₃^--N）含量較低，受污染水體和一些深層地下水中（NO₃^--N）含量較高。制革、酸洗廢水，某些生化處理設(shè)施的出水及農(nóng)田排水中常含大量硝酸鹽。人體攝入硝酸鹽后，經(jīng)腸道中微生物作用轉(zhuǎn)變成亞硝酸鹽而呈現(xiàn)毒性作用。

水中硝酸鹽的測(cè)定方法有酚二磺酸分光光度法、鎘柱還原法、戴氏合金還原法、離子色譜法、紫外分光光度法和離子選擇電極法等。

1.酚二磺酸分光光度法

硝酸鹽在無(wú)水存在情況下與酚二磺酸反應(yīng)，生成硝基二磺酸酚，于堿性溶液中又生成黃色的硝基酚二磺酸三鉀鹽，其反應(yīng)式為：

于410nm處測(cè)其吸光度，并與標(biāo)準(zhǔn)溶液比色定量。也可以用NaOH或NH₄OH堿液，但顯色靈敏度不同，不能隨意互用。

水樣**存氯化物、亞硝酸鹽、銨鹽、有機(jī)物和碳酸鹽時(shí)，產(chǎn)生干擾，應(yīng)作適當(dāng)?shù)那疤幚?。如加入硫酸銀溶液，使氯化物生成沉淀，過(guò)濾除去之；滴加高錳酸鉀溶液，使亞硝酸鹽氧化為硝酸鹽，*后從硝酸鹽氮測(cè)定結(jié)果中減去亞硝酸鹽氮量等。水樣渾濁、有色時(shí)，可加入少量氫氧化鋁懸浮液，吸附、過(guò)濾除去。

該方法測(cè)定濃度范圍大，顯色穩(wěn)定，適用于測(cè)定飲用水、地下水和清潔地面水中的硝酸鹽氮。*低檢出濃度為0.02mg/L；測(cè)定上限為2.0mg/L。

2.鎘柱還原法

在一定條件下，將水樣通過(guò)鎘還原柱（銅-鎘、汞-鎘或海棉狀鎘），使硝酸鹽還原為亞硝酸鹽，然后以N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法測(cè)定。由測(cè)得的總亞硝酸鹽氮減去不經(jīng)還原水樣所含亞硝酸鹽氮即為硝酸鹽氮含量。

該方法適用于測(cè)定硝酸鹽氮含量較低的飲用水、清潔地面水和地下水。測(cè)定范圍為0.01—0.4mg/L。但應(yīng)注意，鎘柱的還原效果受多因素影響，應(yīng)經(jīng)常校正。

3.戴氏合金法

在熱堿性介質(zhì)中，水樣中的硝酸鹽被戴氏合金（含50％Cu、45％Al、5％Zn）還原為氨，經(jīng)蒸餾，餾出液以硼酸溶液吸收后，用納氏試劑分光光度法測(cè)定。含量較高時(shí)用酸堿滴定法測(cè)定。水樣中含氨及銨鹽、亞硝酸鹽干擾測(cè)定。氨及銨鹽可在加戴氏合金前，于堿性介質(zhì)中先蒸出；亞硝酸鹽可在酸性條件下加入氨基磺酸，使之反應(yīng)除去。

該方法操作較繁瑣，適用于測(cè)定硝酸鹽氮大于2mg/L的水樣。其*大優(yōu)點(diǎn)是可以測(cè)定帶深色的嚴(yán)重污染的水及含大量有機(jī)物或無(wú)機(jī)鹽的廢水中的硝酸鹽氮。

4.紫外分光光度法

方法原理基于：硝酸根離子對(duì)220nm波長(zhǎng)光有特征吸收，與其標(biāo)準(zhǔn)溶液對(duì)該波長(zhǎng)光的吸收程度比較定量。因?yàn)槿芙庑杂袡C(jī)物在220nm處也有吸收，故根據(jù)實(shí)踐，一般引入一個(gè)經(jīng)驗(yàn)校正值。該校正值為在275nm處（硝酸根離子在此沒(méi)有吸收）測(cè)得吸光度的二倍。在220nm處的吸光度減去經(jīng)驗(yàn)校正值即為凈硝酸根離子的吸光度。這種經(jīng)驗(yàn)校正值大小與有機(jī)物的性質(zhì)和濃度有關(guān)，不宜分析對(duì)有機(jī)物吸光度需作準(zhǔn)確校正的樣品。

該方法適用于清潔地表水和未受明顯污染的地下水中硝酸鹽氮的測(cè)定，其*低檢出濃度為0.08mg/L；測(cè)定上限為4mg/L。方法簡(jiǎn)便、快速，但對(duì)含有機(jī)物、表面活性劑、亞硝酸鹽、六價(jià)鉻、溴化物、碳酸氫鹽和碳酸鹽的水樣，需進(jìn)行預(yù)處理。如用氫氧化鋁絮凝共沉淀和大孔中性吸附樹(shù)脂可除去濁度、高價(jià)鐵、六價(jià)鉻和大部分常見(jiàn)有機(jī)物。

（四）凱氏氮

凱氏氮是指以基耶達(dá)（Kjeldahl）法測(cè)得的含氮量。它包括氨氮和在此條件下能轉(zhuǎn)化為銨鹽而被測(cè)定的有機(jī)氮化合物。此類有機(jī)氮化合物主要有蛋白質(zhì)、氨基酸、肽、胨、核酸、尿素以及合成的氮為負(fù)三價(jià)形態(tài)的有機(jī)氮化合物，但不包括疊氮化合物，硝基化合物等。由于一般水中存在的有機(jī)氮化合物多為前者，故可用凱氏氮與氨氮的差值表示有機(jī)氮含量。

凱氏氮的測(cè)定要點(diǎn)是取適量水樣于凱氏燒瓶中，加入濃硫酸和催化劑（K₂SO₄），加熱消解，將有機(jī)氮轉(zhuǎn)變成氨氮，然后在堿性介質(zhì)中蒸餾出氨，用硼酸溶液吸收，以分光光度法或滴定法測(cè)定氨氮含量，即為水樣中的凱氏氮。凱氏定氮裝置見(jiàn)本章第四節(jié)圖2-11。

當(dāng)要直接測(cè)定有機(jī)氮時(shí)，可將水樣先進(jìn)行預(yù)蒸餾除去氨氮，再以凱氏法測(cè)定。

（五）總氮

水體總氮含量也是衡量水質(zhì)的重要指標(biāo)之一。其測(cè)定方法，一般采用分別測(cè)定有機(jī)氮和無(wú)機(jī)氮化合物（氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮）后進(jìn)行加和的方法。也可以用過(guò)硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測(cè)定。該方法的原理是在水樣中加入堿性過(guò)硫酸鉀溶液，于過(guò)熱水蒸氣中將大部分有機(jī)氮化合物及氨氮、亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽，用前面介紹的紫外分光光度法測(cè)定硝酸鹽氮含量，即為總氮含量。