李遠剛 楊容 陳永 李華靜 周安寧 梁耀東

摘 要：本文研究了靛酚藍顯色法測定水溶液中低濃度氨的線性范圍、檢出限以及常見催化劑中的金屬離子對測定結果的影響，并提出了對強干擾離子的掩蔽方案。實驗結果顯示，靛酚藍顯色法測定水溶液中氨含量精確度高，可靠性強。其標準曲線的R2=0.999 34，線性范圍為0.032 2～0.32 mM，檢出限為0.010 5 mM。對來自西安科技大學臨潼校區(qū)校內湖和曲江池實際水樣的回收率實驗結果分別為101.09%和95.91%，符合定量分析要求。常見離子的干擾實驗發(fā)現大部分金屬離子對氨的測定并不會造成干擾現象，而個別金屬離子會對測定結果產生較大影響。為解決這一問題，文中在大量實驗基礎之上提出了干擾離子的掩蔽方案。通過合適的掩蔽方法，可以將所有干擾離子的影響降低到測定誤差允許的范圍內。結果顯示，靛酚藍顯色法可以在常見干擾離子存在下對水中氨測定達到較好的測量精度，為常溫常壓下的光電催化合成氨催化劑評價提供參考。關鍵詞：氨測定;顯色法;靛酚藍;離子干擾;離子掩蔽中圖分類號：O 661.1

文獻標志碼：A

文章編號：1672-9315（2021）04-0585-07

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2021.0402開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Colorimetric determination of trace ammonia in aqueous

solution and the analysis of its interferences

LI Yuangang，YANG Rong，CHEN Yong，LI Huajing，ZHOU Anning，LIANG Yaodong

（College of Chemistry and Chemical Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）Abstract：This paper reported an indophenol blue coloration method to determined trace ammonia in aqueous solution.The linear range，detection limit and the influence of metal ions used in common catalysts on the determination results were observed in detail.According to the strong interference of some ions on the detection results，ionic masking approaches were proposed.The results show that the indophenol blue coloration method has high accuracy and reliability for determining ammonia in aquous solution.The R2 of standard curve was 0.999 34，the linear range was 0.032 2～0.32 mM and the detection limit was 0.010 5 mM.The recovery of the ammonia in water samples from campus lake of XUST and Qujiang lake were 101.09% and 95.91% respectively，which meet the requirements of quantitative analysis.The interference experiment of common ions shows that most metal ions will not interfere with the determination of ammonia，while minor metal ions will have a serious disturbance on the determination results.In order to solve this problem，based on a large number of experiments，a masking scheme for interfering ions was established.

By appropriate masking method，the effects of all interfering ions can be reduced to the allowable range of measurement error.The results show that the indophenol blue coloration method can achieve a proper test accuracy for determination of ammonia in aquous solution in the presence of common interfering ions，which provides a reference for the photoelectro catalytic synthesis of ammonia at room temperature and pressure.Key words：ammonia determination;coloration method;indophenol blue;ion interference;ion masking

0 引 言從氨基酸、多肽到功能蛋白，氮是所有生物體構建各種功能分子的基本元素，從大氣中固定N2合成NH3是維持生命必不可少的過程[1]。工業(yè)上，將N2還原為NH3的Haber-Bosch工藝是當今化工的基本支柱之一。該工藝是在相對苛刻的條件下（200～400 bars，400～500 ℃）通過鐵基催化劑協(xié)同活化實現的，反應原料H2通常是通過蒸汽甲烷重整（SMR）或水煤氣變換反應（WGS）得到的，而SMR和WGS過程不可避免地會消耗大量化石燃料同時也排放大量CO2[2]。在自然界，部分植物的根瘤菌合成氨是一個溫和的過程。常溫常壓條件下，在固氮酶的催化下將大氣中N2轉變?yōu)镹H3，但是該過程速度慢、產率低[3]。受固氮酶合成氨過程的啟發(fā)，人們正在研究的新型光催化和電催化系統(tǒng)能夠在類似于固氮酶的溫和條件下，將大氣中的N2轉變?yōu)镹H3。不同于高能耗高排放的Haber-Bosch過程，這種溫和條件下的合成氨路線能夠減少對化石燃料的依賴和溫室氣體的大量排放[4]。光催化和電催化技術提出了一種有前景的無碳合成氨策略，從而為發(fā)展清潔、可持續(xù)的合成氨路線提供了潛在的新途徑[5]。然而，不同于已經工業(yè)化的Haber-Bosch過程，溫和條件下的合成氨研究尚處于實驗室探索階段，開發(fā)廉價高效的催化劑無疑是當前研究所面臨的重要挑戰(zhàn)。在這些研究中，為了準確評價催化劑活性，建立方便可靠的低濃度NH3定量方法顯得尤為重要。另外，水樣中低濃度氨的定量分析對控制環(huán)境水樣富營養(yǎng)化[6-7]、實現人與環(huán)境的和諧發(fā)展也非常重要。常見的氨檢測方法有納氏試劑法、靛酚藍法、離子色譜法等。分光光度法因其成本較低得到廣泛應用[8]。其中以納氏試劑法和靛酚藍法最為常見。納氏試劑法[9-11]利用一種含有K2HgI4和KOH的溶液，使HgI42-離子與氨溶液在堿性條件下生成紅棕色絡合物，其最大吸收在420 nm處，在沒有干擾的情況下，所得到紅棕色絡合物的吸光度與氨濃度成正比。但是該方法存在試劑含有劇毒汞成分[12]、使用壽命較短（約3周）、氨與納氏試劑反應時間會影響氨的定量等缺點。另一種顯色方法是靛酚藍顯色法[13-15]，該方法具有操作簡便、有較高的精密度和準確度、不需要特殊程序處理危險廢物等優(yōu)點，廣泛應用于低濃度氨的定量分析。不同于上述顯色方法，離子色譜法[16-17]具有高效簡便、靈敏度高、重現性好、高選擇性等特點，由于需要復雜昂貴的儀器在實際應用中受到限制。利用靛酚藍顯色法測定氨含量是一種非常成熟的技術，在環(huán)境水樣分析、生化樣品檢測等方面得到廣泛應用。然而，將該方法應用到光電催化合成氨樣品的定量分析時會遇到新的問題。因為電催化樣品共存于高濃度電解液中，而光電催化過程使用的催化劑往往含有過渡金屬成分。為了驗證靛酚藍顯色法在光電催化合成氨領域應用的可能性，本論文著重分析了在模擬光電催化的高濃度電解質、共存過渡金屬離子等條件下靛酚藍顯色法的離子干擾問題，并通過大量實驗提出了排除干擾的離子掩蔽方案。論文結果顯示，一些過渡金屬離子確實對靛酚藍顯色法測氨產生強干擾，使得分析結果不可靠，而通過本論文提出的離子掩蔽策略，可以達到定量分析要求。因此，本論文為靛酚藍顯色法分析強干擾離子存在下的水溶液氨含量提供了有益借鑒。

1 實 驗

1.1 實驗原理靛酚藍分光光度法的理論依據為朗伯-比爾定律。在堿性條件及室溫下，以亞硝基鐵氰化鈉（硝普鈉）作為催化劑，氨與次氯酸鹽、水楊酸鹽反應生成藍色化合物[18-19]。其最大吸收波長671 nm處的吸光度與樣品中氨含量成正比例關系。反應式如圖1所示。

1.2 儀器紫外-可見分光光度計UV-2500（島津）、離心機TGL-16C（上海安亭）、電子分析天平CP214（奧豪斯）、超聲波清洗機JP-020PLUS（潔盟）、燒杯等玻璃儀器。

1.3 試劑實驗過程中所用的試劑都為分析純，采購于國藥集團化學試劑公司，硝普鈉溶液0.01 g/mL（阿拉?。?。實驗用水為去離子水，用干燥的氯化銨配制10 mM氨貯備液，使用時稀釋到所需濃度。

1.4 繪制標準曲線準確配制濃度為0.2 mM的氨儲備液，準確量取該溶液0，1，2，4，6，8，16，24 mL于25 mL容量瓶，用超純水定容至刻度線，得到濃度分別為0，0.008，0.016，0.032，0.048，0.064，0.128，0.192 mM的氨標準溶液。分別取0.6 mL上述溶液用于顯色反應，依次加入1.9 mL去離子水、1 M水楊酸鈉溶液0.4 mL、硝普鈉溶液0.025 mL、0.35% wt次氯酸鈉溶液0.025 mL，搖勻、混合靜置。在室溫下反應1.5 h，使其充分顯色。然后從低濃度到高濃度依次測定其吸光度，得到濃度-吸光度的擬合曲線[21]。

1.5 離子干擾實驗為了檢測常見金屬離子對氨含量測定的干擾情況。分別配制含有10 mM（Ag+，Al3+，Ni2+，Ca2+，Co2+，Cu2+，Fe3+，Zn2+，Mg2+，Mn2+，Cd2+）或0.1 M（Li+，Na+，K+）金屬離子的氨溶液。按上述實驗方法顯色并測定其吸光度，由此來確定干擾離子對測定水中氨含量的影響。掩蔽試劑的干擾測定使用相同的實驗方法。

1.6 干擾離子掩蔽實驗為了進一步消除Ni2+，Cu2+，Co2+，Mn2+，Ag+，Fe3+離子對氨含量測定結果的影響。分別配制含有10 mM上述干擾離子以及相同濃度掩蔽試劑的氨溶液（0.1 mM）按相同的實驗方法顯色，并測定其吸光度，以此來消除干擾離子對測定氨含量造成的影響。如果加入掩蔽劑濃度不同于干擾離子，在圖中以×X表示，代表所用掩蔽劑濃度為干擾離子的X倍。

1.7 樣品測定

1.7.1 已知濃度氨溶液測定準確量取1.25 mL，0.2 mM標準氨溶液，加入1.25 mL去離子水于5 mL試管中。然后取0.6 mL以上氨溶液，依次加入1.9 mL去離子水、水楊酸鈉溶液0.4 mL、硝普鈉溶液0.025 mL、次氯酸鈉溶液0.025 mL。在室溫下反應1.5 h，并測定其吸光度，通過以上標準曲線計算氨含量。平行測定3次，取平均值，計算相對偏差。

1.7.2 環(huán)境水樣測定取不同環(huán)境中的2種真實水樣（西安科技大學臨潼校區(qū)校內湖及曲江池），經過簡單過濾處理。取0.6 mL以上水樣，依次加入1.9 mL去離子水、水楊酸鈉溶液0.4 mL、硝普鈉溶液0.025 mL、次氯酸鈉溶液0.025 mL。在室溫下靜置1.5 h，待顯色完全測定其吸光度，計算水樣中的氨含量。各樣品分別平行測定7次，然后根據標準曲線計算得到各樣品中的氨含量，求取平均值為真實水樣中的氨含量（C0）。

1.7.3 回收率測定采用加標回收實驗測定回收率[22]，在上述水樣中加入0.1 mM（C1）的氨標準溶液，按相同方法顯色，測定吸光度，計算加標后濃度（Cx）按下列公式計算回收率P∶P=（Cx-C0）/C1×100%。

2 結果與討論

2.1 標準曲線的繪制不同氨含量的標準溶液顯色以后測定紫外可見吸收光譜結果如圖2（a）所示?？梢园l(fā)現所有樣品的紫外可見吸收光譜在671 nm出現最大吸收峰，且吸光度隨樣品氨濃度增加而增加。以氨含量（mM）為橫坐標，以671 nm處的吸光度數值為縱坐標繪制氨的標準工作曲線，結果如圖2（b）所示。其R2=0.999 34，說明靛酚藍顯色法具有良好的線性關系。經過分析計算，得到該方法的檢出限為0.010 5 mM，線性范圍為0.032 ～ 0.32 mM。

2.2 干擾實驗結果分析為檢驗不同金屬離子對氨含量測定的干擾情況，在共存干擾離子（Ag+，Al3+，Ni2+，Ca2+，Co2+，Cu2+，Fe3+，Zn2+，Mg2+，Mn2+，Cd2+）濃度為氨濃度的100倍或干擾離子（Li+，Na+，K+）的濃度為氨濃度的1 000倍情況下分別測定已知氨濃度溶液的吸光度，經過回歸方程計算的氨濃度與無干擾（空白）氨濃度測定值的偏差如圖3所示。

從圖3可知，絕大多數離子（Li+，Na+，K+，Zn2+，Mg2+，Al3+，Ca2+，Cd2+）對氨含量測定的干擾小于10%;只有部分離子（Ni2+，Cu2+，Co2+，Mn2+，Ag+，Fe3+）對氨測定的干擾大于10%。其中Co2+離子對測定結果的干擾最為明顯，偏差達到99.37%?？紤]到實驗精度的要求，認為干擾離子引起的偏差大于10%即為存在干擾。由此可知，Ni2+，Cu2+，Co2+，Mn2+，Ag+，Fe3+離子對測定水中氨含量產生較大干擾，為了消除這些離子對氨測量的影響，需要加掩蔽劑對其進行掩蔽。

2.3 掩蔽實驗結果分析

2.3.1 干擾離子掩蔽實驗實驗采用常見試劑分別對Ni2+，Cu2+，Co2+，Mn2+，Ag+，Fe3+離子進行掩蔽，結果如圖4所示。從圖4（a）可以看出，EDTA，Na2SO4對Mn2+離子掩蔽效果明顯，掩蔽后的氨測定偏差分別減小到9.345%，8.227%;從圖4（b）可以看出，EDTA，NaOH，H3PO4，NaF，KMnO4（H+）、磺基水楊酸（C7H6O6S），Na2SO4對Fe3+離子掩蔽效果明顯，掩蔽后的氨測定偏差分別減小到8.099%，9.968%，0.623%，6.230%，0.934%，4.049%，5.607%;從圖4（c）可以看出，酒石酸（PST）、Na2CO3對Co2+離子掩蔽效果明顯，掩蔽后的氨測定偏差分別減小到4.984%，2.492%;從圖4（d）可以看出，Na2CO3，EDTA，K3[Fe（CN）6]，Na3PO4，Na2SO4對Ni2+離子掩蔽效果明顯，掩蔽后的氨測定偏差分別減小到3.115%，4.984%，0.3115%，2.492%，9.657%;從圖4（e）可以看出，Na2CO3，Na3PO4，KMnO4（H+）對Cu2+離子掩蔽效果明顯，掩蔽后的氨測定偏差分別減小到9.960%，1.557%，5.60%;從圖4（f）可以看出，Na2CO3，NaOH，鄰菲羅啉（PTL）、Na3PO4對Ag+離子掩蔽效果明顯，掩蔽后的氨測定偏差分別減小到0.311 5%，2.180%，1.550%，9.345%。

2.3.2 掩蔽試劑的干擾分析為進一步驗證掩蔽方案的可靠性，我們測試了對干擾離子有掩蔽效果的EDTA等12種掩蔽試劑對氨測定的干擾情況，結果如圖5所示。

從圖5可知，絕大多數掩蔽試劑H3PO4，NaF，PTL，PST，C7H6O6S，Na2CO3，Na2SO4等對氨測定的干擾小于10%，而K3[Fe（CN）6]，KMnO4（H+），Na3PO4這些掩蔽劑自身對水中氨含量測定存在嚴重干擾，其引起氨測定偏差分別為71.96%，26.49%，10.90%，由于自身干擾較大掩蔽劑不能用于離子掩蔽實驗，為確保實驗的精確度和可靠性，應該優(yōu)先選擇干擾較小的掩蔽劑。從以上干擾掩蔽實驗的結果發(fā)現，Co2+，Ni2+，Cu2+，Ag+離子都可以通過分別加入Na2CO3掩蔽消除干擾，而Mn2+，Fe3+離子分別可以通過加入Na2SO4，H3PO4掩蔽消除干擾。

2.4 方法評價

2.4.1 已知濃度的氨測定為評估該方法的可靠性，對已知濃度的氨溶液進行了3次平行測定，實驗結果見表1。

表1所示為對已知濃度為0.100 00 mM氨溶液的3次平行測定結果，求得平均值為0.100 69 mM，相對偏差為0.69%，小于1%證明該方法有較高的準確度。

2.4.2 環(huán)境水樣測定為進一步驗證此方法的可靠性，采用加標回收法測定真實水樣氨含量的回收率，結果見表2。由表2可知，用靛酚藍法測定西安科技大學臨潼校區(qū)校內湖水樣和曲江池水樣的回收率分別為101.09%和95.91%，符合定量分析的要求，并且曲江水樣氨含量比臨潼水樣氨含量高。

3 結 論該論文采用靛酚藍顯色法測定了水樣中的氨濃度，詳細研究了常見金屬離子對測定結果的干擾情況，并對強干擾離子采取了試劑掩蔽措施。在大量實驗的基礎上，發(fā)展了對影響氨測定金屬離子的掩蔽方案。該論文提出的氨測定及干擾離子掩蔽方案在常溫常壓下的光電催化合成氨催化劑評價對環(huán)境水體富營養(yǎng)化控制等領域具有一定的指導意義和應用前景。

參考文獻（References）：

[1] YANG J H，GUO Y Z，JIANG R B，et al.High-efficiency “working-in-tandem” nitrogen photofixation achieved by assembling plasmonic gold nanocrystals on ultrathin titania nanosheets[J].Journal of the American Chemical Soceity，2018，

140：8497-8508.

[2]ZHAO Y X，SHI R，BIAN X N，et al.Ammonia detection methods in photocatalytic and electrocatalytic experiments：How to improve the reliability of NH3production rates？[J].Advanced Science，2019，6：1802109.

[3]肖瑤，胡文娟，任衍彪，等.仿生光電催化固氮[J].化學進展，2018，30（4）：325-337.XIAO Yao，HU Wenjuan，REN Yanbiao，et al.Bioinspired photo/electrocatalytic N2 fixation[J].Progress in Chemistry，2018，30（4）：325-337.

[4]張金鎖，柳夢琦，趙京，等.榆林市工業(yè)GDP與環(huán)境污染相關性的實證分析[J].西安科技大學學報，2009，29（3）：288-292.ZHANG Jinsuo，LIU Mengqi，ZHAO Jing，et al.Empirical study on correlation between industrial GDP and environmental pollution in Yulin[J].Journal of Xian University of Science and Technology，2009，29（3）：288-292.

[5]HAN L L，LIU X J，CHEN J P，et al.Atomically dispersed Mo catalysts for high-efficiency ambient N2fixation[J].Angewandte Chemie International Edition，2019，58：2321-2325.

[6]

甄玉靜，程俊峰，梅清科.地表水中氨氮測定方法的研究[J].內蒙古石油化工，2014（9）：5-7，91.ZHEN Yujing，CHENG Junfeng，MEI Qingke.Study on determination of ammonia in surface water[J].Inner Mongolia Petrochemical Industry，2014（9）：5-7，91.

[7]高榕，王志盈，邵遠，等.西安浐河城市人造水面富營養(yǎng)化分析[J].西安科技大學學報，2008，28（1）：144-149.GAO Rong，WANG Zhiying，SHAO Yuan，et al.Eutrophication evaluation of urban constructed pool of Xian Chan river[J].Journal of Xian University of Science and Technology，2008，28（1）：144-149.

[8]朱美華，葛沭鋒，王慶剛，等.納氏試劑分光光度法測定水中氨氮—顯色時間對測試結果的影響[J].能源環(huán)境保護，2018，32（2）：51-53.ZHU Meihua，GE Shufeng，WANG Qinggang，et al.Determination of nitrogen in water with nesslers reagent spectrophotometry：The effect of coloration time on test results[J].Energy Environmental Protection，2018，32（2）：51-53.

[9]俞凌云，趙歡歡，張新申.水樣中氨氮測定方法研究[J].西部皮革，2010，2（5）：27-33.YU Lingyun，ZHAO Huanhuan，ZHANG Xinshen.Determination of ammonia nitrogen in water[J].West Leather，2010，32（5）：27-33.

[10]楊青惠，?；勖簦钣狼?絮凝處理方式對納氏試劑比色法測定黃河水中氨氮結果的影響[J].科技創(chuàng)新與生產力，2018（8）：59-61.YANG Qinghui，CHANG Huimin，LI Yongqin.Effect of flocculation treatment on NH3 reagent colorimetric determination of ammonia nitrogen in the Yellow River water[J].Science and Technology Innovation & Productivity，2018（8）：59-61.

[11]穆小讓，王彩云，蔣蘭，等.氨氮測定中不同預處理方法對比研究[J].環(huán)境保護工程，2014，32（2）：118-120.MU Xiaorang，WANG Caiyun，JIANG Lan，et al.Comparative study on different pretreatment methods for determining ammonia nitrogen[J].Environmental Protection Engineering，2014，32（2）：118-120.

[12]顧金鳳，凌芳，曹麗麗，等.水樣中氨氮分析方法的研究[J].化學試劑，2015，37（5）：420-424.GU Jinfeng，LING Fang，CAO Lili，et al.Analysis method of ammonia nitrogen in water[J].Chemical Reagent，2015，37（5）：420-424.

[13]ZHOU L，

BOYD C E.Comparison of nessler，phenate，salicylate and ion selective electrode procedures for determination of total ammonia nitrogen in aquaculture[J].Aquaculture，2016，450：183-197.

[14]詹曉燕，劉臣輝，范海燕，等.水體中氨氮測定方法的比較——納氏試劑光度法、靛酚藍比色法[J].環(huán)境科學與管理，2010，35（11）：131-134.ZHAN Xiaoyan，LIU Chenhui，FAN Haiyan，et al.Comparison between two nammoniacal measurements in water：napierian reagent colorimetric method and indophenol-blue colorimetric method[J].Environmental Science and Management，2010，35（11）：131-134.

[15]安慧慧.水中氨氮測定方法的比較分析[J].山西化工，2017，37（4）：55-57.AN Huihui.Comparison and analysis of determination methods of ammonia nitrogen in water[J].Shanxi Chemical Industry，2017，37（4）：55-57.

[16]THOMAS D H，REY M，JACKON P E.Determination of inorganic cations and ammonium in environmental waters by ion chromatography with a high-capacity cation-exchange column[J].Journal Chromatography A，2002，956：181-186.

[17]何群華.水體中氨氮測定方法的研究進展[J].廣東化工，2013，256（40）：154-160.HE Qunhua.Advances on the analysis methods of ammonia nitrogen in water[J].Guangdong Chemical Industry，2013，256（40）：154-160.

[18]劉林斌.水中氨氮測定方法比較[J].廣州化工，2011，39（10）：110-111.LIU Linbin.Comparison of determination method for ammonia nitrogen content in water[J].Guangzhou Chemical Industry，2011，39（10）：110-111.

[19]張衛(wèi)，符偉杰，孫奕，等.水質氨氮測定方法研究進展[J].綠色科技，2017（10）：19-21.ZHANG Wei，FU Weijie，SUN Yi，et al.Advances on the research of the determination of ammonia nitrogen in water[J].Journal of Green Science and Technology，2017（10）：19-21.

[20]

皇甫咪咪.海水氨氮現場檢測方法研究[D].天津：天津大學，2016.HUANGFU Mimi.Study on the method of field detection of ammonia nitrogen in seawater[D].

Tianjin：Tianjin University，2016.

[21]仇星泉，吳曉燕.火焰原子吸收法測定水中的總鉻時金屬離子干擾的影響分析[J].廣東化工，2017，44（11）：272，275.QIU Xingquan，WU Xiaoyan.Analyzation of metal ion interference in determination of total chromium in water by flame atomic absorption spectrometry[J].Guangdong Chemical Industry，2017，44（11）：272，275.

[22]張衛(wèi)宏，趙萍.海水中氨氮的流動注射光度法分析[J].海洋環(huán)境科學，2013，32（2）：289-291.ZHANG Weihong，ZHAO Ping.Determintaion of ammonia in seawater by flow injection[J].Marine Environmental Science，2013，32（2）：289-291.

[23]FOSTER S L，BAKOVIC S I P，DUDA R D，et al.Catalysts for nitrogen reduction to ammonia[J].Nature Catalysis，2019（1）：490-500.