实验二水体自净程度的指标兰州交通大学精品课程建设精.docx

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实验二水体自净程度的指标兰州交通大学精品课程建设精

实验二水体自净程度的指标

各种形态的氮相互转化和氮循环的平衡变化是环境化学和生态系统研究的重要内容之一。

水体中氮产物的主要来源是生活污水和某些工业废水及农业面源。

当水体受到含氮有机物污染时，其中的含氮化合物由于水中微生物和氧的作用，可以逐步分解氧化为无机的氨（NH3）或铵（NH4+）、亚硝酸盐（NO2-）、硝酸盐（NO3-）等简单的无机氮化物。

氨和铵中的氮称为氨氮；亚硝酸盐中的氮称为亚硝酸盐氮；硝酸盐中的氮称为硝酸盐氮。

通常把氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮称为三氮。

这几种形态氮的含量都可以作为水质指标，分别代表有机氮转化为无机氮的各个不同阶段。

在有氧条件下，氮产物的生物氧化分解一般按氨或铵、亚硝酸盐、硝酸盐的顺序进行，硝酸盐是氧化分解的最终产物。

随着含氮化合物的逐步氧化分解，水体中的细菌和其它有机污染物也逐步分解破坏，因而达到水体的净化作用。

有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的相对含量，在一定程度上可以反映含氮有机物污染的时间长短，对了解水体污染历史以及分解趋势和水体自净状况等有很高的参考价值，见表6-1。

目前应用较广的测定三氮方法是比色法，其中最常用的是：

纳氏试剂比色法测定氨氮，盐酸萘乙二胺比色法测定亚硝酸盐氮，二磺酸酚比色法测定硝酸盐氮。

一、实验目的

1.掌握测定三氮的基本原理和方法。

2.解测定三氮对环境化学研究的作用和意义。

二、仪器

（1）玻璃蒸馏装置。

（2）pH计。

（3）恒温水浴。

（4）分光光度计。

（5）电炉：

220V/1KW。

（6）比色管：

50mL。

（7）陶瓷蒸发皿：

100或200mL。

（8）移液管：

1mL、2mL、5mL。

容量瓶：

250mL。

三、实验步骤

（一）氨氮的测定——纳氏试剂比色法

1.原理

氨与纳氏试剂反应可生成黄色的络合物，其色度与氨的含量成正比，可在425nm波长下比色测定，检出限为0.02μg/mL。

如水样污染严重，需在pH为7.4的磷酸盐缓冲溶液中预蒸馏分离。

2.试剂

（1）不含氨的蒸馏水：

水样稀释及试剂配制均用无氨蒸馏水。

配制方法包括蒸馏法（每升蒸馏水中加入0.1mL浓硫酸，进行重蒸馏，流出物接受于玻璃容器中）和离子交换法（让蒸馏水通过强酸型阳离子交换树脂来制备较大量的无氨水）。

（2）磷酸盐缓冲溶液（pH为7.4）：

称14.3g磷酸二氢钾和68.8g磷酸氢二钾，溶于水中并稀释至1L。

配制后用pH计测定其pH值，并用磷酸二氢钾或磷酸氢二钾调至pH为7.4。

（3）吸收液：

2%硼酸或0.01mol/L硫酸。

①2%硼酸溶液：

溶解20g硼酸于水中，稀释至1L。

②0.01mol/L硫酸：

量取20mL0.5mol/L的硫酸，用水稀释至1L。

（4）纳氏试剂：

称取5g碘化钾，溶于5mL水中，分别加入少量氯化汞（HgCl2）溶液（2.5gHgCl2溶于40mL水中，必要时可微热溶解），不断搅拌至微有朱红色沉淀为止。

冷却后加入氢氧化钾溶液（15g氢氧化钾溶于30mL水中），充分冷却，加水稀释至100mL。

静置一天，取上层清液贮于塑料瓶中，盖紧瓶盖，可保存数月。

（5）酒石酸钾钠溶液：

称取50g酒石酸钾钠（KNaC4H4O6·4H2O）溶于水中，加热煮沸以驱除氨，冷却后稀释至100mL。

（6）氨标准溶液：

称取3.819g无水氯化铵（NH4Cl）（预先在100℃干燥至衡重），溶于水中，转入1000mL容量瓶中，稀释至刻度，即配得1.00mgNH3-N/mL的标准储备液。

取此溶液10.00mL稀释至1000mL，即为10μgNH3-N/mL的标准溶液。

3.步骤

较清洁水样可直接测定，如水样受污染一般按下列步骤进行。

（1）水样蒸馏：

为保证蒸馏装置不含氨，须先在蒸馏瓶中加200mL无氨水，加10mL磷酸盐缓冲溶液、几粒玻璃珠，加热蒸馏至流出液中不含氨为止（用纳氏试剂检验），冷却。

然后将此蒸馏瓶中的蒸馏液倾出（但仍留下玻璃珠），量取水样200mL，放入此蒸馏瓶中（如预先试验水样含氨量较大，则取适量的水样，用无氨水稀释至200mL，然后加入10mL磷酸盐缓冲液）。

另准备一只250mL的容量瓶，移入50mL吸收液（吸收液为0.01mol/L硫酸或2%硼酸溶液），然后将导管末端浸入吸收液中，加热蒸馏，蒸馏速度为每分钟6～8mL，至少收集150mL馏出液，蒸馏至最后1～2min时，把容量瓶放低，使吸收液的液面脱离冷凝管出口，再蒸馏几分钟以洗净冷凝管和导管，用无氨水稀释至250mL，混匀，以备比色测定。

（2）测定：

如为较清洁的水样，直接取50mL澄清水样置于50mL比色管中。

一般水样则取用上述方法蒸馏出的水样50mL，置于50mL比色管中。

若氨氮含量太高可酌情取适量水样用无氨水稀释至50mL。

另取8支50mL比色管，分别加入铵标准溶液（含氨氮10μg/mL）0.00、0.50、1.00、2.00、3.00、5.00、7.00、10.00mL，加无氨水稀释至刻度。

在上述各比色管中，分别加入1.0mL酒石酸钾钠，摇匀，再加1.5mL纳氏试剂，摇匀放置10min，用1cm比色管，在波长425nm处，以试剂空白为参比测定吸光度，绘制标准曲线，并从标准曲线上查得水样中氨氮的含量（μg/mL）。

（二）亚硝酸盐氮的测定—盐酸萘乙二胺比色法

1.原理

在pH2.0～2.5时，水中亚硝酸盐与对氨基苯磺酸生成重氮盐，再与盐酸萘乙二胺偶联生成红色染料，最大吸收波长为543nm，其色度深浅与亚硝酸盐含量成正比，可用比色法测定，检出限为0.005μg/mL，测定上限为0.1μg/mL。

2.试剂

（1）不含亚硝酸盐的蒸馏水：

蒸馏水中加入少量高锰酸钾晶体，使呈红色，再加氢氧化钡（或氢氧化钙），使呈碱性，重蒸馏。

弃去50mL初馏液，收集中间70%的无锰部分。

也可于每升蒸馏水中加入1mL浓硫酸和0.2mL硫酸锰溶液（每100mL蒸馏水中含有36.4gMnSO4·H2O），及1～3mL0.04%高锰酸钾溶液使呈红色，然后重蒸馏。

（2）亚硝酸盐标准储备液：

称取1.232g亚硝酸钠溶于水中，加入1mL氯仿，稀释至1000mL。

此溶液每毫升含亚硝酸盐氮约为0.25mg。

由于亚硝酸盐氮在湿空气中易被氧化，所以储备液需标定。

标定方法：

吸取50.00mL0.050mol/L高锰酸钾溶液，加5mL浓硫酸及50.00mL亚硝酸钠储备液于300mL具塞锥型瓶中（加亚硝酸钠贮备液时需将吸管插入高锰酸钾溶液液面以下）混合均匀，置于水浴中加热至70～80℃，按每次10.00mL的量加入足够的0.050mol/L草酸钠标准溶液，使高锰酸钾溶液褪色并过量，记录草酸钠标准溶液用量（V2）；再高锰酸钾溶液滴定过量的草酸钠到溶液呈微红色，记录高锰酸钾溶液用量（V1）。

用50mL不含亚硝酸盐的水代替亚硝酸钠贮备液，如上操作,用草酸钠标准溶液标定高锰酸钾溶的浓度，按下式计算高锰酸钾溶液浓度（mol/L）：

ρ1/5KMnO4=0.0500*V4/V3

按下式计算亚硝酸盐氮标准储备液的浓度：

ρ亚硝酸盐氮=（V1*ρ1/5KMnO4-0.0500*V2）*7.00*1000/50.00

式中，ρ1/5KMnO4是经标定的高锰酸钾标准溶液的浓度，mol/L；V1是滴定标准储备液时，加入高锰酸钾标准溶液总量，mL；V2是滴定亚硝酸盐氮标准储备液时，加入草酸钠标准溶液总量，mL；V3是滴定水时，加入高锰酸钾标准溶液总量，mL；V4是滴定水时，加入草酸钠标准溶液总量，mL；7.00是亚硝酸盐氮（1/2N）的摩尔质量，g/mol；50.00是亚硝酸盐标准储备液取用量，mL；0.0500是草酸钠标准溶液浓度（1/2Na2C2O4，0.0500mol/L）。

（3）亚硝酸盐使用液：

临用时将标准贮备液配制成每毫升含1.0μg的亚硝酸盐氮的标准使用液。

（4）草酸钠标准溶液（1/2Na2C2O4，0.0500mol/L）：

称取3.350g经105℃干燥2h的优级纯无水草酸钠溶于水中，转入1000mL容量瓶中加水稀释至刻度。

（5）高锰酸钾溶液（1/5KMnO4，0.050mol/L）：

溶解1.6g高锰酸钾于约1.2L水中，煮沸0.5h至1h，使体积减小至1000mL左右，放置过夜，用G3号熔结玻璃漏斗过滤后，滤液贮于棕色试剂瓶中，用上述草酸钠标准溶液标定其准确浓度。

（6）氢氧化铝悬浮液：

溶解125g硫酸铝钾[KAl（SO4）2·12H2O]或硫酸铝铵[NH4Al（SO4）2·12H2O]于1L水中，加热到60℃，在不断搅拌下慢慢加入55mL浓氨水，放置约1h，转入试剂瓶内，用水反复洗涤沉淀，至洗液中不含氨、氯化物、硝酸盐和亚硝酸盐为止。

澄清后，把上层清液尽量全部倾出，只留浓的悬浮物，最后加100mL水。

使用前应振荡均匀。

（7）盐酸萘乙二胺显色剂：

50mL冰醋酸与900mL水混合，加入5.0g对氨基苯磺酸，加热使其全部溶解，再加入0.05g盐酸萘乙二胺，搅拌溶解后用水稀释至1L。

溶液无色，贮存于棕色瓶中，在冰箱中保存可稳定一个月（当有颜色时应重新配制）。

3.步骤

（1）水样如有颜色和悬浮物，可在每100mL水样中加入2mL氢氧化铝悬浮液，搅拌后，静置过滤，弃去25mL初滤液。

（2）取50.00mL澄清水样于50mL比色管中（如亚硝酸盐氮含量高，可酌情少取水样，用无亚硝酸盐蒸馏水稀释至刻度）。

（3）取7支50mL比色管，分别加入含亚硝酸盐氮1μg/mL的标准溶液0.00、0.50、1.00、2.00、3.00、4.00、5.00mL，用水稀释至刻度。

（4）在上述各比色管中分别加入2mL显色剂，20min后在540nm处，用2cm比色皿，以试剂空白作参比测定其吸光度，绘制标准曲线。

从标准曲线上查得水样中亚硝酸盐氮的含量（μg/mL）。

（三）硝酸盐氮的测定—二磺酸酚比色法

1．原理

浓硫酸与酚作用生成二磺酸酚，在无水条件下二磺酸酚与硝酸盐作用生成二磺酸硝基酚，二磺酸硝基酚在碱性溶液中发生分子重排生成黄色化合物，最大吸收波长在410nm处，利用其色度和硝酸盐含量成正比，可进行比色测定。

少量的氯化物即能引起硝酸盐的损失，使结果偏低。

可加硫酸银，使其形成氯化银沉淀，过滤去除，以消除氯化物的干扰，（允许氯离子存在的最高浓度为10μg/mL，超过此浓度就要干扰测定）。

亚硝酸盐氮含量超过0.2μg/mL时，将使结果偏高，可用高锰酸钾将亚硝酸盐氧化成硝酸盐，再从测定结果中减去亚硝酸盐的含量。

本法的检出限为0.02μg/mL硝酸盐氮，检测上限为2.0μg/mL。

2．试剂

（1）二磺酸酚试剂：

称取15g精制苯酚，置于250mL三角烧瓶中，加入100mL浓硫酸，瓶上放一个漏斗，置沸水浴内加热6h，试剂应为浅棕色稠液，保存于棕色瓶内。

（2）硝酸盐标准储备液：

称取0.7218g分析纯硝酸钾（经105℃烘4h），溶于水中，转入1000mL容量瓶中，用水稀释至刻度。

此溶液含硝酸盐氮100μg/mL。

如加入2mL氯仿保存，溶液可稳定半年以上。

（3）硝酸盐标准溶液：

准确移取100mL硝酸盐标准储备液，置于蒸发皿中，在水浴上蒸干，然后加入4.0mL二磺酸酚，用玻棒磨擦蒸发皿内壁，静置10min，加入少量蒸馏水，移入500mL容量瓶中，用蒸馏水稀释至标线，即为20μgNO3-N/mL的标准溶液（相当于88.54μgNO3-）。

（4）硫酸银溶液：

称取4.4g硫酸银，溶于水中，稀释至1L，于棕色瓶中避光保存。

此溶液1.0mL相当于1.0mg氯（Cl-）。

（5）高锰酸钾溶液（1/5KMnO4，0.100mol/L）：

称取0.3g高锰酸钾，溶于蒸馏水中，并稀释至1L。

（6）乙二胺四乙酸二钠溶液：

称取50g乙二胺四乙酸二钠，用20mL蒸馏水调成糊状，然后加入60mL浓氨水，充分混合，使之溶解。

（7）碳酸钠溶液（1/2Na2CO3，0.100mol/L）：

称取5.3g无水碳酸钠，溶于1L水中。

实验用水预先要加高锰酸钾重蒸馏，或用去离子水。

3.步骤

（1）标准曲线的绘制：

分别吸取硝酸盐氮标准溶液0.00、1.00、1.50、2.00、2.50、3.00、4.00mL50mL比色管中，加入1.0mL二磺酸酚，加入3.0mL浓氨水，用蒸馏水稀释至刻度，摇匀。

用1mL比色皿，以试剂空白作参比，于波长410nm处测定吸光度，绘制标准曲线。

（2）样品的测定

脱色：

污染严重或色泽较深的水样（即色度超过10度），可在100mL水样中加入2mLAl（OH）3悬浮液。

摇匀后，静置数分钟，澄清后过滤，弃去最初滤出的部分溶液（5～10mL）。

除去氯离子：

先用硝酸银滴定水样中的氯离子含量，据此加入相当量的硫酸银溶液。

当氯离子含量小于50mg/L时，加入固体硫酸银。

1mg氯离子可与4.4mg硫酸银作用。

取50mL水样，加入一定量的硫酸银溶液或硫酸银固体，充分搅拌后。

再通过离心或过滤除去氯化银沉淀，滤液转移至100mL的容量瓶中定容至刻度；也可在80℃水浴中加热水样，摇动三角烧瓶，使氯化银沉淀凝聚，冷却后用多层慢速滤纸过滤至100mL容量瓶，定容至刻度。

扣除亚硝酸盐氮影响：

如水样中亚硝酸盐氮含量超过0.2mg/L，可事先将其氧化为硝酸盐氮。

具体方法如下：

在已除氯离子的100mL容量瓶中加入1mL0.5mol/L硫酸溶液，混合均匀后滴加0.100mol/L高锰酸钾溶液，至淡红色出现并保持15min不褪为止，以使亚硝酸盐完全转变为硝酸盐，最后从测定结果中减去亚硝酸盐含量。

测定：

吸取上述经处理的水样50.00mL（如硝酸盐氮含量较高可酌量减少）至蒸发皿内，如有必要可用0.100mol/L碳酸钠溶液调节水样pH至中性（pH7～8），置于水浴中蒸干。

取下蒸发皿，加入1.0mL二磺酸酚，用玻棒研磨，使试剂与蒸发皿内残渣充分接触，静止10min，加入少量蒸馏水，搅匀，滤入50mL比色管中，加入3毫升浓氨水（使溶液明显呈碱性）。

如有沉淀可滴加EDTA溶液，使水样变清，用蒸馏水稀释至刻度，摇匀，测定吸光度。

根据标准曲线，计算出水样中硝酸盐氮的含量（μg/mL）。

四、数据处理

绘制NH3-N、NO2--N、NO3--N的浓度与吸光度的工作曲线，根据工作曲线和样品吸光度，计算水样中“三氮”的含量；并比较水样中“三氮”的含量，评价水体的自净程度。

五、思考题

1.如何通过测定三氮的含量来评价水体的“自净”程度？

如水体中仅含有NO3--N，而NH4+和NO2-未检出，说明水体“自净”作用进行到什么阶段？

如水体中既有大量NH3-N，又有大量NO3--N，水体污染和“自净”状况又如何？

2.用纳氏比色法测定氨氮时主要有哪些干扰，如何消除？

3.在三氮测定时，要求蒸馏水不含NH3、NO2-、NO3-，如何检验？

4.在蒸馏比色测定氨氮时，为什么要调节水样的pH在7.4作用？

pH偏高或偏低对测定结果有何影响？

5.在亚硝酸盐氮分析过程中，水中的强氧化性物质会干扰测定，如何确定并消

除？