【入门篇】环境分析系列：含氮污染物的测定
含氮污染物的测定
环境水体中存在着各种形态的含氮化合物，由于化学和生物化学的作用，它们处在不断变化和循环之中。各种含氮化合物包括有机氮化合物和无机氮化合物，在水体中变化的总趋势是经过降解、分解、氧化等复杂过程，最后变为硝酸盐。因此，分析测定各种形态氮的含量，不仅对于了解水质污染情况是必要的，而且在环境化学和环境医学方面也有重要意义。要分别检出和测定水体中的含氮化合物是困难的，通常只测定水中的氨(或以铵离子形式存在)、亚硝酸盐和硝酸盐三种形式的氮，简称“三氮”。此外，以凯氏氮或总氮的测定来表示水中可能存在各种含氮化合物的总量。总氮也是水体富营养化的敏感指标之一。
(1)氨氮(NH3-N)
氨氮是指以游离态的氨或铵离子形式存在的氮。
氨氮测定方法常用的有分光光度法和氨气敏电极法。
分光光度法干扰因素较多，通常要预蒸馏分离。
氨氮蒸馏装置与凯氏定氮法用的相同。蒸馏的水样先调节至中性，再加入适量pH 7.4的磷酸盐缓冲溶液，加热蒸馏，蒸出的氨用硫酸或硼酸吸收。这里不采用高pH值，其原因是为了防止某些含氮有机化合物降解释出游离氨。当氨氮含量较高时，可采用酸滴定吸收液的方法测定氨氮。
纳氏试剂(Nessler's Reagent)即碘汞酸钾(K2HgI4) 的碱性溶液。在强碱性条件下氨或铵离子能与纳氏试剂反应：
反应生成黄棕色络合物，借此进行光度法测定，测量波长为420nm。
由于反应必须在强碱性介质中进行，此法用于未经处理的水样测定时会有干扰。
对于钙、镁、铁等金属离子，加人酒石酸和EDTA可消除其影响，对于污染较重的水样应做预蒸馏后测定。本法的检测范围为0.05~2mg/L。
③苯酚-次氯酸盐光度法
在碱性介质中以亚硝基铁氰化钠为催化剂，氨与次氯酸钠反应生成氯胺，进而与酚反应生成蓝色的靛酚，借此进行测定。有关的化学反应式如下：
生成的靛蓝在碱性介质中发生离解呈蓝色，显色反应受pH值、温度及次氯酸盐浓度等因素影响较大，采用pH为11.7的磷酸盐缓冲溶液，在37C发色30min。次氯酸盐是很不稳定的，其浓度要求在使用前进行标定，反应中次氯酸盐浓度要求为50mg/L (以有效氯计)。以使用氯气通入氢氧化钠溶液制备的次氯酸盐为好。
本法的检测范围为0. 01~0.5mg/L，适用于饮用水、生活污水和大部分工业废水中氨
氮的测定。对钙、镁等阳离子的干扰，可加EDTA掩蔽。
若用水杨酸代替苯酚则成为水杨酸次氯酸盐光度法，所涉及的化学反应类似。其检测范围为0.01~1mg/L，测定波长为697nm，与上述方法等效。
④氨气敏电极法
原理： 氨电极是一种复合电极，它以平头玻璃电极为指示电极，银-氯化银电极为参比电极，放人充有0. 1mol/L NH4Cl溶液的塑料管中，管底用聚四氟乙烯疏水选择性透气薄膜，将内充液和待测液隔开。透气膜与平头玻璃电极间有一层很薄的溶液，可使电极迅速响应。测定时水样中加入强碱，使NH4+转变为氨：
生成的氨由扩散透过微孔膜进人内充液的薄层中(水和离子不能通过透气膜)，引起下列反应向右移动：
因此可由测得的电位值确定水样中氨氮的含量。
此法的最低检出限为0. 07mg/L氨氮，测定上限为1400mg/L氨氮，适用于地面水、生活用水和工业污水的测定，一般不需对水样进行预蒸馏。
(2) 亚硝酸盐氮(NO2 -N)
亚硝酸盐是含氮化合物分解过程中的中间产物，亚硝酸盐极不稳定，可被氧化为硝酸盐，也可被还原为氨氮。亚硝酸盐实际上是铁血红蛋白症的病原体，它还可以与仲胺反应生成亚硝胺，后者为强致癌物质。
亚硝酸盐氮的测定方法有分光光度法、气相分子吸收光谱法和离子色谱法等。
①N-1-萘乙二胺光度法
原理：水中的亚硝酸盐，在pH 2.0~2.5时，与对氨基苯磺酸生成重氮盐，再与N-1-萘乙二胺偶联生成红色染料，其反应式为：
这一反应具有高灵敏度和选择性，最低检出浓度可达5μg/L。测定中主要的干扰是强氧化剂或还原剂，因为亚硝酸根本身不稳定。在测定条件下生成沉淀的金属离子如Fe3+、Bi3+等也有干扰，悬浮物会干扰吸光度测定，铜离子能催化分解重氮盐，使结果偏低。
测定时采到水样应尽快分析处理，若有颜色和悬浮物，可于每100mL水中加入2mL氢氧化铝悬浮液，搅拌、静置、过滤再取水样测定。
在0. 15~0. 3mol/L柠檬酸介质中，加入无水乙醇将水样中亚硝酸盐迅速分解，生成二氧化氮气体，以空气为载气将它引人气相分子吸收光谱仪的吸光管中，测定该气体对来自锌空心阴极灯213. 9nm波长产生的吸光强度(当浓度大于10mg/L，改用铅灯283.3nm)，以标准亚硝酸盐溶液系列制作标准曲线，求得水样中NO2-N含量。
本法最低检测浓度为0.5μg/L，可用于地表水、地下水、海水、饮用水及某些废水中亚硝酸盐氮的测定。
(3) 硝酸盐氮(NO3 -N)
饮用水中的硝酸盐是有害物质，进人人体后可以被还原为亚硝酸盐进而生成其他危害更严重的物质。硝酸盐氮的主要测定方法有酚二磺酸光度法、紫外分光光度法、离子选择电极法和离子色谱法等。
①酚二磺酸光度法
利用硝酸盐在无水情况下与酚二磺酸反应生成邻硝基苯酚二磺酸，在碱性(氨性)溶液中生成黄色化合物，进行测定。测定波长为410nm，最低检出浓度为0.02mg/L。
②紫外分光光度法
硝酸根离子在紫外区有强烈的吸收，利用它在220nm波长处的吸光度A220nm可定量测定硝酸盐氮。氯化物、硫酸盐在此波长下不干扰测定。本法适用于测定自来水、井水、地下水和清洁的地面水中的硝酸盐。测定范围0.04~8mg/L。
测定样品时，先用稀盐酸酸化，以防止氢氧化物和碳酸盐的干扰。可溶性有机物在紫外区有吸收，干扰测定，但其影响可用在275nm处测定的吸光度A275nm进行校正。校正公式如下：
A校= A220nm-2A275nm
可溶性有机物、亚硝酸盐、六价铬和表面活性剂干扰测定，可溶性有机物用校正法消除，亚硝酸盐的干扰用加入氨基磺酸的方法去除，六价铬和表面活性剂可作各自的校正曲线进行校正。
③硝酸根离子选择性电极法
硝酸根电极 为液膜型离子选择性电极，这种电极采用浸有液态有机离子交换剂的惰性多孔薄膜作为电极膜。膜外样品溶液和内参比溶液中的硝酸根离子交换而产生电位差，测试时由硝酸根电极、甘汞电极和被测溶液组成原电池。
由测得的电位值可计算被测溶液中的硝酸盐氮的含量。硝酸根电极的测定范围为10- 1~10 - 5 mol/L。
①凯氏氮
凯氏氮是指采用特定的凯氏定氮法测得的氨氮量，包括游离氨、铵盐和部分有机氮化合物的总和。
凯氏定氮法，首先将试样在酸性条件下消解，其中含氮有机化合物在消解过程中转化为铵盐，而后将消解液中的铵盐在碱性介质中以氨气蒸出，用硼酸吸收，以标准浓度的硫酸溶液滴定之。含量较低时，可用测定NH3-N的光度法测定。
消解液由酸、盐、催化剂组成，例如常用硫酸-硫酸钾-硫酸汞组成的消解液，消解效果较好，大量盐类存在可提高消解温度，催化剂促使有机物的降解，除汞外，砷和铜也有良好效果。
凯氏定氮法可以测定多肽氨基酸和蛋白质等有机化合物中的氮，但是本法对于水体中存在的硝酸盐、亚硝酸盐以及以硝基、亚硝基、连氮、偶氮、腙、腈等形态存在的氮不能测定。
如果从凯氏氮中减去游离氨氮，即代表试样中的有机氮。
将凯氏氮加上亚硝酸盐氮和硝酸盐氮即为总氮。
也可在碱性介质中用过硫酸钾将有机氮和无机氮均氧化成硝酸盐，然后用测定硝酸盐的方法，如紫外分光光度法，得到总氮含量。
有一种测定TN的新技术是催化燃烧化学发光法，水中含氮化合物经催化燃烧(Pt催化剂，燃烧温度720°C)生成NO, NO用化学发光法检测，该法免去了强酸、强氧化剂，缩短了分析时间，降低了检测限，提高了自动化程度。该法还可将TN与TOC测定组装在一个仪器中，即TOCN测定仪。