吴宁安, 王瑞瑞, 刘金利, 房维洁, 杜 川
(清华大学 天津高端装备研究院, 天津 300304)
1918 年,德国化学家弗里茨·哈伯使用氮气和氢气的混合气体为原料,在高温、高压和催化剂存在条件下合成了氨气,在BASF 公司的工程师博施的协作下,实现了氨气的工业化生产,这种人工固氮技术被后世称之为哈伯-博施法[1]。
氮肥的大量使用大大提升了农作物的产量,有效缓解了人口激增导致的粮食危机[2]。
此外,氨气作为化工原料,广泛应用于硝酸、铵盐等产品的合成[3],同时,还被应用于储氢材料、清洁燃料和冷冻液等行业[1]。
然而,氨氮和铵盐极易溶于水中,侵入环境水体中的高浓度氨氮和铵盐可导致水体富营养化,致使藻类等浮游生物大量繁殖,进而死亡的浮游生物不断被好氧菌和厌氧菌分解,消耗水中的溶解氧,产生恶臭物质,严重破坏了水生生态系统[4]。
同时,水体中的铵盐可被氧化成硝酸盐和亚硝酸盐,这2 种致癌物会对人的身体健康造成严重影响。
另外,氨气具有强烈的刺激性气味,仅仅0.05‰ ～0.1‰体积浓度的氨气就会灼伤人的眼睛、皮肤,危害人的呼吸系统[5]。
氨氮和铵盐的控制和检测受到了人们广泛的关注,包括中国、英国、美国、澳大利亚在内的众多国家制定了针对氨氮和铵盐排放的相关标准。
其中,相关的检测方法包括靛酚蓝分光光度法[6]、纳氏试剂分光光度法[7]、荧光分析法[8]、离子选择电极法[9]、气敏电极法[4]、离子色谱法[10]、生物酶检测法[11]等。
分光光度法以其低廉的检测成本、便捷的操作流程而得到广泛应用,其中以靛酚蓝分光光度法和纳氏试剂分光光度法最为常见。
纳氏试剂分光光度法利用纳氏试剂与氨溶液发生化学反应生成黄色化合物,这种黄色化合物溶液的吸光度与氨浓度成正比[7]。
纳氏试剂分光光度法具有操作简便,快捷等优点,但是纳氏试剂分光光度法在检测过程中使用了剧毒物质HgCl2或HgI2,存在安全风险,因此纳氏试剂分光光度法的应用受到了一定程度的限制[12]。
1859 年,Berthelot 等[13]将氨、苯酚和次氯酸盐相混合发生了化学反应,生成了一种蓝绿色化合物。在此Berthelot 反应过程中,氨在碱性条件下与次氯酸盐反应生成氯胺,然后氯胺与苯酚反应生成蓝绿色化合物,生成化合物的色度与氨的浓度成正比[4],可据此用来检测氨氮成分。
但是由于苯酚有很强的毒性,人们使用水杨酸、百里香酚、1-萘酚、愈创木酚和邻氯苯酚等进行了替换,其中以水杨酸的应用较为广泛。
另外,Berthelot 反应耗时较长,人们在此反应体系中加入亚硝基铁氰化钠作为催化剂,极大地加快了反应速率[14]。
靛酚蓝分光光度法是基于Berthelot 反应而建立的检测氨氮和铵盐的基本方法,被广泛应用于水和空气中氨氮和铵盐的检测[13]。
然而,目前靛酚蓝分光光度法的研究与应用多集中于配制成氨浓度低于1 μg/mL 的溶液进行测试[6-7,15-16],而在实际生产活动中,特别是涉及氨氮生产、氨氮固废处理的场所,氨氮浓度较高,使用靛酚蓝分光光度法测试时易存在检测误差,因此,针对高浓度氨氮溶液的靛酚蓝分光光度法进行检测分析对于实际生产活动具有一定的参考价值。
本文使用靛酚蓝分光光度法对配制的一系列不同氨浓度(0.05 ～100 μg/mL)溶液进行吸光度测试,发现了高氨浓度情况下的低吸光度反常现象,并进行了分析研究,同时对此催化反应机理进行了推测。
1.1 仪器与试剂
试验仪器:紫外可见分光光度计,上海仪电分析仪器有限公司;分析天平,Mettler Toledo;pH 计,上海仪电科学仪器有限公司;1.5 立方密封舱,天津中科锦析科技有限公司;空气采样器,盐城市紫光电子仪器有限公司。
试剂:硫酸,分析纯,福晨(天津)化学试剂有限公司;水杨酸,分析纯,福晨(天津)化学试剂有限公司;柠檬酸钠,分析纯,天津市恒兴化学试剂制造有限公司;氢氧化钠,分析纯,天津市风船化学试剂科技有限公司;亚硝基铁氰化钠,分析纯,福晨(天津)化学试剂有限公司;氨水,分析纯,25% ～28%,上海麦克林生化科技有限公司;氯化铵,优级纯,福晨(天津)化学试剂有限公司。
1.2 试验方法
1.2.1 标准曲线的绘制
按 照 GB/T 18204.2—2014[6]配 制 吸 收 液(c(H2SO4) =0.005 mol/L)、水杨酸溶液(50 g/L)、亚硝基铁氰化钠溶液(10 g/L)、次氯酸钠溶液(0.05 mol/L)、氨标准溶液(1.00 mg/L),然后分别吸取0.00、0.50 mL、1.00 mL、3.00 mL、5.00 mL、7.00 mL 和10.00 mL 氨标准溶液于具塞比色管中,加吸收液至10 mL,各具塞比色管中氨浓度分别为:0、 0.05 μg/mL、 0.10 μg/mL、 0.30 μg/mL、0.50 μg/mL、0.70 μg/mL 和1.00 μg/mL,即氨含量分别为:0、0.50 μg、1.00 μg、3.00 μg、5.00 μg、7.00 μg 和10.00 μg。
然后分别加入0.5 mL 水杨酸溶液、0.1 mL 亚硝基铁氰化钠溶液和0.1 mL 次氯酸钠溶液,混匀后室温放置60 min,使用10 mm 比色皿,在697.5 nm 处,使用纯水作为参比,测定各具塞比色管中溶液的吸光度。
然后以氨含量为横坐标,吸光度为纵坐标,绘制标准曲线。
1.2.2 样品测定
将一定量的氯化铵经过105 ℃干燥60 min,称取3.142 g,使用少量纯水溶解后倒入100 mL 容量瓶中,然后使用吸收液稀释至刻度,此溶液氨浓度为10.00 mg/mL,然后用吸收液将其稀释成氨含量100.00 μg/mL 的溶液。
进一步,将溶液用吸收液稀释成氨浓度范围为3.00 ～100.00 μg/mL 的溶液。分别取10.00 mL 氨溶液倒入各具塞比色管中,在其中分别加入水杨酸溶液0.50 mL 或1.00 mL、亚硝基铁氰化钠溶液0.10 ～0.50 mL、次氯酸钠溶液0.10 mL或0.20 mL。
将各溶液混匀后室温放置60 min,使用10 mm比色皿,在697.5 nm 处,使用纯水作为参比,测定各具塞比色管中溶液的吸光度,然后使用标准曲线计算氨反应量。
使用pH 计测试溶液的pH 值。
分别称取3.50 g 氨水倒入500 mL 烧杯中,用纯水稀释至100 mL,然后将绑有医用脱脂纱布的玻璃棒直立放入烧杯中,再将烧杯放入1.5 立方密封舱中,开启风扇搅拌60 s 后关闭风扇,密封放置24 h。使用装有10.00 mL 吸收液的气泡吸收管,以0.5 L/min的抽气速率采样0.25 ～2.00 L,使用靛酚蓝分光光度法检测溶液吸光度,再使用标准曲线计算氨反应量。
2.1 标准曲线的绘制
图1 为氨含量-吸光度关系图,从图中可以看出在氨含量0 ～1 000.00 μg 时,即在0 ～100.00 μg/mL的氨浓度范围内,随着氨含量的增加,吸光度先增加后降低。
当具塞比色皿中氨含量为0 ～10.00 μg时,即氨浓度在0 ～1.00 μg/mL 范围内,氨含量与吸光度呈线性正相关,标准曲线斜率为0.082 77(标准曲 线:y= 0.082 77x+ 0.029 83), 符 合 GB/T 18204.2—2014 中规定的标准曲线斜率范围(0.008 1 ±0.003)[6,17],此曲线的吸光度与靛酚蓝浓度即氨反应量有关,因此可用此标准曲线计算各氨浓度下的氨反应率;当具塞比色皿中氨含量为0 ～30.00 μg 时,即氨浓度在0 ～3.00 μg/mL 范围内,即氨含量与吸光度仍然呈线性正相关,标准曲线斜率有所降低,为0.076 45,与GB/T 18204.2—2014 中规定的标准曲线斜率范围(0.008 1 ±0.003)较为接近。
因此当氨浓度在0 ～3.00 μg/mL 范围内时,可认为氨已经基本完全反应生成靛酚蓝。
图1 氨含量-吸光度关系Fig.1 The relationship diagram of ammonia-absorbance
当具塞比色皿中氨含量为30.00 ～70.00 μg,即氨浓度为3.00 ～7.00 μg/mL 时,氨含量与吸光度仍呈正相关,但斜率进一步降低,为0.028 0,这表明溶液中的氨未反应完全。
当具塞比色皿中氨含量为70.00 ～1 000.00 μg,即氨浓度为7.00 ～100.00 μg/mL时,氨含量与吸光度呈负相关。
即其他条件不变的情况下,随着氨含量的增加,氨反应量不但没有增加或者保持不变,反而出现反常的降低现象。
甚至当氨浓度为100.00 μg/mL 时的吸光度(0.388)低于氨浓度为0.5 μg/mL 时的吸光度(0.429),这表明高浓度的氨溶液中氨的反应受到了抑制。
图2 为10 μg/mL 和100 μg/mL 氨浓度时的氨反应率对比图,从图中可以看出在第1 h 时,10 μg/mL氨溶液的氨反应率为31.7%,即当具塞比色皿中氨含量为100 μg 时,氨反应量为31.7 μg。而100 μg/mL 氨溶液的氨反应率为0.433%,即当具塞比色皿中氨含量为1 000 μg 时,氨反应量为4.33 μg,远低于10 g/mL 氨溶液的反应量。
表明100 μg/mL 氨溶液的氨反应速率降低,氨反应受到抑制。
10 μg/mL 和100 μg/mL 氨溶液随着反应时间的延长,其氨反应率也随之增加,第5 h 相对于第1 h 时的氨反应量增加率分别为14.3%、89.3%,表明100 μg/mL 高浓度氨溶液在第1 h 时氨反应受到抑制的程度要高于10 μg/mL 的氨溶液。
高浓度氨溶液的氨反应受到抑制的原因可能是氨过多加入对水杨酸、亚硝基铁氰化钠、次氯酸钠或者pH 值产生了影响。
图2 10 μg/mL 和100 μg/mL 氨溶液的氨反应率对比Fig.2 Comparison of ammonia reaction rates of 10 μg/mL and 100 μg/mL ammonia solutions
2.2 不同条件下的氨反应率
图3 为不同条件下100 μg/mL 氨溶液的氨反应率、pH 值关系对比图。
图中样品水杨酸+亚硝基铁氰化钠+ 次氯酸钠添加量分别为1#: 0.5 mL +0.1 mL+0.1 mL;2#:1.0 mL+0.1 mL+0.1 mL;3#:0.5 mL+0.2 mL +0.1 mL;4#: 0.5 mL +0.1 mL +0.2 mL;5#:1.0 mL+0.2 mL+0.1 mL;6#:0.5 mL+0.2 mL+0.2 mL;7#:1.0 mL+0.1 mL+0.2 mL;8#:1.0 mL+0.2 mL+0.2 mL。
图3 不同条件100 g/mL 氨溶液的氨反应率、pH 值关系对比Fig.3 Comparison of ammonia reaction rate and pH of 100 μg/mL ammonia solution under different conditions
从图3 可以看出,各不同条件下100 μg/mL 氨溶液的 pH 值在12.50 左右, 而在氨浓度为1.00 μg/mL时的pH 值为12.53,各浓度溶液体系的pH 值基本相同,可见pH 值对此低吸光度反常现象的影响较小。
当水杨酸添加量分别为0.5 mL、1.0 mL,亚硝基铁氰化钠+次氯酸钠的添加量分别取0.1 mL +0.1 mL、0.2 mL +0.1 mL、0.1 mL +0.2 mL、0.2 mL+0.2 mL 时,氨反应量增加率分别为:31.6%、35.6%、24.7%、11.4%,平均增加率为25.8%。
当亚硝基铁氰化钠添加量分别为0.1 mL、0.2 mL,水杨酸+次氯酸钠的添加量分别取0.5 mL +0.1 mL、1.0 mL+0.1 mL、0.5 mL+0.2 mL、1.0 mL+0.2 mL时,氨反应量增加率分别为:147.5%、155.1%、141.9%、116.1%,平均增加率为140.2%。
当次氯酸钠添加量分别为0.1 mL、0.2 mL,水杨酸+亚硝基铁氰化钠添加量分别取0.5 mL +0.1 mL、1.0 mL+0.1 mL、0.5 mL+0.2 mL、1.0 mL +0.2 mL 时,氨反应量增加率分别为:29.1%、22.4%、26.2%、3.7%,平均增加率为20.4%。
可见亚硝基铁氰化钠对氨反应率的影响最大,其次为水杨酸,然后是次氯酸钠。
图3 中1#～8#溶液第2 h 相对于第1 h 时氨反应量增加率分别为: 31.3%、 24.0%、 28.7%、11.3%、19.0%、8.0%、1.5%、0.3%。
根据以上可推断当氨浓度在100.00 μg/mL 时,氨未反应完全,反应受到抑制,导致此范围的曲线斜率呈负值。
图4 为不同亚硝基铁氰化钠添加量的100 μg/mL氨溶液的氨反应率对比图。
保持水杨酸和次氯酸钠添加量不变,分别为0.5 mL 和0.1 mL,1#～5#亚硝基铁氰化钠添加量分别为0.1 mL、0.2 mL、0.3 mL、0.4 mL 和0.5 mL。
从图4 可以看出,随着亚硝基铁氰化钠添加量的增加,相同时间内氨反应率也随之增加,第1 h时,相对于1#,样品2#～5#氨反应量增加率分别为147.5%、414.8%、558.5%和711.6%。
1#～5#样品均随着反应时间的增加氨反应率增加,第5 h 相对于第1 h 时氨反应量增加率分别为89.3%、83.4%、50.8%、42.5%和28.3%。
可见随着亚硝基铁氰化钠添加量的增加,氨反应率大幅度增加,与图3 结论相符,这表明随着亚硝基铁氰化钠添加量的增加,高浓度氨对亚硝基铁氰化钠的抑制作用降低。
图4 不同亚硝基铁氰化钠添加量的100 μg/mL氨溶液的氨反应率对比Fig.4 Comparison of ammonia reaction rates of 100 μg/mL ammonia solution with different amounts of sodium nitroprusside
2.3 1.5 立方舱测试
图5 为1.5 立方舱采样溶液-吸光度与标准曲线的对比图,共采样4 组,图中从左到右采样体积分别为0.25 L、0.50 L、1 L 和2 L。
从图中可以看出随着采样量的增加,吸光度先增加后降低。
其中,采样0.25 L 和0.50 L 时的吸收液吸光度分别为1.984和3.680,对应于0 ～7.00 μg/mL 标准曲线氨浓度范围内的吸光度;而采样0.25 L 吸收液吸光度对应于0 ～3.00 μg/mL 标准曲线氨浓度范围内。
表明采样0.25 L 时,溶液中的氨完全反应,计算溶液中的氨浓度为2.53 μg/mL,即具塞比色皿中氨含量为25.3 μg。
因此,采样0.50 L、1 L 和2 L 时吸收液的氨浓度为5.06 μg/mL、10.12 μg/mL 和20.24 μg/mL,检测吸光度分别为3.680、3.50 和1.885。
这4 个点的吸光度与标准曲线相吻合,再次验证前文所述结论。
图5 采样溶液吸光度与标准曲线对比Fig.5 Comparison of the sample solution absorbance and the standard curve comparison diagram
2.4 机理推测
根据上文,对高浓度氨溶液中的催化反应机理进行了推测,如图6 所示,首先,氨与次氯酸钠反应生成氯胺,然后氯胺与水杨酸反应生成氨基水杨酸,进而发生异构化反应生成醌亚胺。
正常情况下,醌亚胺在亚硝基铁氰化钠的催化作用下,在碱性条件下,与水杨酸反应生成靛酚蓝[15,18]。
但是当氨浓度过高时,一方面会使反应转化率降低,另一方面,过量的氯胺可能会与亚硝基铁氰化钠的氰基发生化学反应,导致催化剂失活,进而影响催化反应活性。
图6 催化反应机理Fig.6 Catalytic reaction mechanism
本文使用靛酚蓝分光光度法对配制的一系列不同氨浓度的溶液(0.05 ～100 μg/mL)进行吸光度测试,发现了高浓度情况下的低吸光度反常现象,并进行了分析研究,得出以下结论。
1)使用靛酚蓝分光光度法测定氨氮吸光度,发现在0 ～100.00 μg/mL 的氨浓度范围内,吸光度先增加后降低。
当氨浓度为0 ～1.00 μg/mL 时,氨含量与吸光度呈线型正相关,标准曲线斜率为0.082 77;当氨浓度为0 ～3.00 μg/mL 时,氨含量与吸光度呈线型正相关,曲线斜率降低,为0.076 45;当氨浓度为3.00 ～7.00 μg/mL 时,氨含量与吸光度仍呈正相关,但斜率进一步降低,为0.028 00;当氨浓度7.00 ～100.00 μg/mL 时,氨含量与吸光度呈负相关,斜率为-0.003 24,即其他条件不变的情况下,随着氨浓度的增加,氨反应量出现降低现象。
2)发现100.00 μg/mL 高氨浓度时氨反应量低于氨浓度为0.50 μg/mL 时氨反应量。
通过对这种反常现象研究发现,亚硝基铁氰化钠对于氨反应效率具有较大的影响,其次是水杨酸,然后是次氯酸钠。
其他条件保持一致,亚硝基铁氰化钠添加量增加一倍,氨平均反应量增加140.2%。
3)对此催化反应机理进行推测,当氨浓度过高时,一方面会使反应转化率降低,另一方面,过量的氯胺可能会与亚硝基铁氰化钠的氰基发生化学反应,导致催化剂失活,进而影响催化反应活性。
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