硝酸盐在水中还原为亚硝酸盐的还原方法及其在检测水体中硝酸盐含量中的应用
技术领域
本发明涉及水质监测技术领域，尤其是涉及一种硝酸盐在水中还原为亚硝酸盐的还原方法及其在检测水体中硝酸盐含量中的应用。
背景技术
海水中硝酸盐含量是水质监测、评价海域富营养化的指标之一，现场、实时分析检测海水中硝酸盐含量对海洋生态预警有重要意义。水体中硝酸盐的检测方法很多，比如酚二磺酸法、离子色谱法、高效液相色谱法、电极法、戴氏合金还原法、硫酸肼还原法等。这些方法各具优点，但普遍存在检测过程繁琐、易受其他物质影响等缺点，不能满足在线、实时监测海水中硝酸盐的原位分析仪器的要求。
现有的原位分析海水硝酸盐含量的仪器，主要将硝酸盐还原为亚硝酸盐，之后通过分光光度法检测亚硝浓度，从而计算出硝酸盐含量。分析仪器中普遍应用的主要有两种还原方法，即镉柱还原法和紫外还原法。
镉柱还原法是利用镉粒的还原性，将待测的样品溶液缓慢流过镉柱，硝酸盐被还原为亚硝酸盐，此方法的还原效率较高，但是镉柱制备工序繁琐，镉粒毒性较大，已被限制使用，因此该方法不适用于原位监测海水中的硝酸盐含量。紫外还原法是将待测样品溶液放置在紫外灯照射环境中，通过紫外光照射诱导硝酸盐还原为亚硝酸盐，此方法所用设备简单、价格低、易操作是一种有望替代镉柱的一种新方法，其避免使用有毒的物质镉，但是紫外法对NO3-的还原效率较低、稳定性不佳，检测限较高，不适用于检测低盐浓度海水中硝酸盐的含量。因此，开发一种新型的适用于长期在线、实时监测海水中硝酸盐的方法迫在眉睫。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种硝酸盐在水中还原为亚硝酸盐的还原方法，所述还原方法利用钒离子作为还原剂能够有效的将水中的硝酸盐还原为亚硝酸盐，该方法具有还原率高、稳定性好的特点，相对于现有的使用镉离子的还原方法具有无毒环保的优势。
本发明的第二目的在于提供一种上述还原方法在检测水体中硝酸盐含量中的应用。
本发明的第三目的在于提供一种水体中硝酸盐含量检测的方法。
本发明提供的一种硝酸盐在水中还原为亚硝酸盐的还原方法，所述还原方法的还原剂为钒离子；
优选地，所述还原剂为包含钒离子的水溶液。
进一步的，所述包含钒离子的水溶液包括氯化钒水溶液；
优选地，所述氯化钒水溶液的浓度为0.1g/L～1.0g/L，优选为0.4g/L。
进一步的，所述还原方法包括以下步骤：
提供含硝酸盐的水溶液，将氯化钒水溶液与含硝酸盐的水溶液混匀，随后在紫外灯照射条件下处理0.5～5.0min，完成还原反应；
优选地，所述氯化钒水溶液与含硝酸盐的水溶液的体积比为1:2～6:1，优选为3：1；
优选地，所述还原反应在DTPA-Na2HPO4缓冲溶液存在的条件下进行；
更优选地，所述DTPA-Na2HPO4缓冲溶液、氯化钒水溶液和含硝酸盐的水溶液的体积比为1:3:1～10:3:1，优选为5:3:1。
更进一步的，所述还原方法包括以下步骤：
将DTPA-Na2HPO4缓冲溶液、氯化钒水溶液和含硝酸盐的水溶液以1:3:1～10:3:1的体积比混匀，随后在紫外灯条件下处理0.5～5.0min，完成还原反应。
优选地，所述还原方法包括以下步骤：
将DTPA-Na2HPO4缓冲溶液、氯化钒水溶液和含硝酸盐的水溶液以5:3:1的体积比混匀，随后在紫外灯条件下处理3min，完成还原反应。
本发明提供的上述还原方法在检测水体中硝酸盐含量中的应用。
优选地，所述水体包括水或海水。
本发明提供的一种水体中硝酸盐含量检测的方法，所述方法包括以下步骤：
(A)、提供含硝酸盐的待测水体，利用上述还原方法将待测水体中的硝酸盐还原为亚硝酸盐，随后通过重氮-偶氮法测定待测水体的吸光度值；
(B)、绘制硝酸盐标准浓度曲线，随后将步骤(A)得到的待测水体的吸光度值带入硝酸盐标准浓度曲线中，得到待测水体的硝酸盐含量；
进一步的，所述步骤(B)硝酸盐标准浓度曲线的制备方法为：
提供浓度分别为0.00、10.00、50.00、100.00、200.00、500.00μg/L的硝酸盐标准水溶液，利用上述还原方法将各硝酸盐标准水溶液中的硝酸盐还原为亚硝酸盐，随后通过重氮-偶氮法测定各浓度硝酸盐标准水溶液的吸光度值；然后以各浓度硝酸盐标准水溶液的吸光度值为纵坐标，各硝酸盐标准水溶液的浓度为横坐标，绘制得到硝酸盐标准浓度曲线。
进一步的，所述方法包括以下步骤：
(a)、提供含硝酸盐的待测水体，利用上述还原方法将待测水体中的硝酸盐还原为亚硝酸盐，随后通过重氮-偶氮法测定待测水体的吸光度值A样；
(b)、提供浓度分别为0.00、10.00、50.00、100.00、200.00、500.00μg/L的硝酸盐标准溶液，利用上述还原方法将硝酸盐标准溶液中的硝酸盐还原为亚硝酸盐，随后通过重氮-偶氮法测定各浓度硝酸盐标准溶液的吸光度值；
(c)、以步骤(b)得到的各浓度硝酸盐标准溶液的吸光度值为纵坐标，各硝酸盐标准溶液的浓度为横坐标，绘制得到硝酸盐标准浓度曲线。
(d)、将步骤(a)得到的待测水体的吸光度值A样带入硝酸盐标准浓度曲线中，得到待测水体的硝酸盐含量。
进一步的，当待测水体为海水时，还包括在测定待测水体吸光度值时去除海水中吸光度值干扰的步骤。
更进一步的，所述步骤(c)得到的硝酸盐标准浓度曲线为：A样＝0.00297×浓度样+0.01357。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的硝酸盐在水中还原为亚硝酸盐的还原方法，所述还原方法的还原剂为钒离子，优选为包含钒离子的水溶液。上述还原方法利用钒离子作为还原剂能够有效的将水中的硝酸盐还原为亚硝酸盐，该方法具有还原率高、稳定性好的特点，相对于现有的使用镉离子的还原方法具有无毒环保、易操作的优势。
本申请提供的上述还原方法，可以广泛的应用于检测水体中的硝酸盐含量。
本发明提供的水体中硝酸盐含量检测的方法，所述方法包括以下步骤：提供含硝酸盐的待测水体，利用上述还原方法将待测水体中的硝酸盐还原为亚硝酸盐，随后通过重氮-偶氮法测定待测水体的吸光度值；然后将待测水体的吸光度值带入硝酸盐标准浓度曲线中，得到待测水体的硝酸盐含量；上述检测方法操作流程简单，测试药剂易得，检测过程中也不需要复杂的检测设备，十分适用于海水硝酸盐含量的原位分析。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实验例2提供的海水中硝酸盐和亚硝酸盐的标准浓度曲线。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据本发明的一个方面，一种硝酸盐在水中还原为亚硝酸盐的还原方法，所述还原方法的还原剂为钒离子；
优选地，所述还原剂为包含钒离子的水溶液。
本发明提供的硝酸盐在水中还原为亚硝酸盐的还原方法，所述还原方法的还原剂为钒离子，优选为包含钒离子的水溶液。上述还原方法利用钒离子作为还原剂能够有效的将水中的硝酸盐还原为亚硝酸盐，该方法具有还原率高、稳定性好的特点，相对于现有的使用镉离子的还原方法具有无毒环保、易操作的优势。
在本发明的一种优选实施方式中，所述包含钒离子的水溶液包括氯化钒水溶液；
作为一种优选的实施方式，上述氯化钒水溶液制备过程简单，受海水中其他离子干扰较小。
在上述优选实施方式中，所述氯化钒水溶液的浓度为0.1g/L～1.0g/L，优选为0.4g/L。
作为一种优选的实施方式，上述氯化钒水溶液的浓度在相应的反应条件下，还原效率最高，测试结果最稳定。
在本发明的一种优选实施方式中，所述还原方法包括以下步骤：
提供含硝酸盐的水溶液，将氯化钒水溶液与含硝酸盐的水溶液混匀，随后在紫外灯照射条件下处理0.5～5.0min，完成还原反应；
作为一种优选的实施方式，硝酸盐在紫外灯照射下只产生亚硝酸盐，紫外灯的照射也能达到使试剂升温的效果。上述钒离子在紫外照射辅助条件下，能够高效的将水溶液中的硝酸盐还原为亚硝酸盐，从而也降低了现有紫外还原法的检出限，能够有效的应用于低盐浓度海水中硝酸盐含量的检测。
在本发明的一种优选实施方式中，紫外灯先预热照射1min后再对混合液进行处理，既可以使紫外灯光源达到稳定状态，排除光源不稳定造成的实验重复性差，还原效率低等问题；又可以使紫外灯表面温度达到90℃，还原剂在此温度条件下还原效率较高。
在上述优选实施方式中，所述氯化钒水溶液与含硝酸盐的水溶液的体积比为1:2～6:1，优选为3:1；
作为一种优选的实施方式，上述氯化钒水溶液与含硝酸盐的水溶液的体积比3:1，此条件下，钒离子的还原效率较高，稳定性好，同时减少了样品的消耗量。
在上述优选实施方式中，所述还原反应在DTPA-Na2HPO4缓冲溶液存在的条件下进行；
作为一种优选的实施方式，上述还原反应中紫外灯照射条件下，硝酸盐转化为亚硝过程是可逆的。DTPA-Na2HPO4缓冲溶液可以阻碍氧原子与亚硝酸盐再结合，提高光还原效率。
优选地，所述DTPA-Na2HPO4缓冲溶液、氯化钒水溶液和含硝酸盐的水溶液的体积比为1:3:1～10:3:1，优选为5:3:1，钒离子在酸性条件下还原反应较强，优选的体积比例中，酸性缓冲溶液的pH值及适宜的DTPA浓度，提高了钒离子还原硝酸盐的还原效率。
在上述优选实施方式中，所述还原方法包括以下步骤：
将DTPA-Na2HPO4缓冲溶液、氯化钒水溶液和含硝酸盐的水溶液以5:3:1的体积比混匀，随后在紫外灯条件下处理0.5～5.0min，完成还原反应。
优选地，所述还原方法包括以下步骤：
将DTPA-Na2HPO4缓冲溶液、氯化钒水溶液和含硝酸盐的水溶液以5：3：1的体积比混匀，随后在紫外灯条件下处理3min，完成还原反应。
根据本发明的一个方面，上述还原方法在检测水体中硝酸盐含量中的应用。
本申请提供的上述还原方法，可以广泛的应用于检测水体中的硝酸盐含量。
在本发明的一种优选实施方式中，所述水体包括水或海水。
根据本发明的一个方面，一种水体中硝酸盐含量检测的方法，所述方法包括以下步骤：
(A)、提供含硝酸盐的待测水体，利用上述还原方法将待测水体中的硝酸盐还原为亚硝酸盐，随后通过重氮-偶氮法测定待测水体的吸光度值；
(B)、绘制硝酸盐标准浓度曲线，随后将步骤(A)得到的待测水体的吸光度值带入硝酸盐标准浓度曲线中，得到待测水体的硝酸盐含量；
本发明提供的水体中硝酸盐含量检测的方法，所述方法包括以下步骤：提供含硝酸盐的待测水体，利用上述还原方法将待测水体中的硝酸盐还原为亚硝酸盐，随后通过重氮-偶氮法测定待测水体的吸光度值；然后将待测水体的吸光度值带入硝酸盐标准浓度曲线中，得到待测水体的硝酸盐含量；上述检测方法操作流程简单，测试药剂易得，检测过程中也不需要复杂的检测设备，十分适用于海水硝酸盐含量的原位分析。
本申请步骤(A)的反应原理如下：
一、硝酸盐转化为亚硝酸盐氮：
二、重氮偶氮法检测亚硝酸盐：酸性条件下，亚硝酸盐与对氨基苯磺酸(C6H7NO3S)进行重氮-偶氮化反应，反应产物与萘乙二胺盐酸盐(C12H14N2·2HCl)作用，生成深红色偶氮染料。
1、重氮-偶氮化反应：
2、偶合反应：
在本发明的一种优选实施方式中，所述步骤(B)硝酸盐标准浓度曲线的制备方法为：
提供浓度分别为0.00、10.00、50.00、100.00、200.00、500.00μg/L的硝酸盐标准水溶液，利用上述还原方法将各硝酸盐标准水溶液中的硝酸盐还原为亚硝酸盐，随后通过重氮-偶氮法测定各浓度硝酸盐标准水溶液的吸光度值；然后以各浓度硝酸盐标准水溶液的吸光度值为纵坐标，各硝酸盐标准水溶液的浓度为横坐标，绘制得到硝酸盐标准浓度曲线。
在本发明的一种优选实施方式中，所述方法包括以下步骤：
(a)、提供含硝酸盐的待测水体，利用上述还原方法将待测水体中的硝酸盐还原为亚硝酸盐，随后通过重氮-偶氮法测定待测水体的吸光度值A样；
(b)、提供浓度分别为0.00、10.00、50.00、100.00、200.00、500.00μg/L的硝酸盐标准溶液，利用上述还原方法将硝酸盐标准溶液中的硝酸盐还原为亚硝酸盐，随后通过重氮-偶氮法测定各浓度硝酸盐标准溶液的吸光度值；
(c)、以步骤(b)得到的各浓度硝酸盐标准溶液的吸光度值为纵坐标，各硝酸盐标准溶液的浓度为横坐标，绘制得到硝酸盐标准浓度曲线。
(d)、将步骤(a)得到的待测水体的吸光度值带入硝酸盐标准浓度曲线中，得到待测水体的硝酸盐含量。
在上述优选实施方式中，所述步骤(c)得到的硝酸盐标准浓度曲线为：吸光度值样＝0.00297×浓度样+0.01357。
在本发明的一种优选实施方式中，当待测水体为海水时，还包括在测定待测水体吸光度值时去除海水中吸光度值干扰的步骤。
优选地，当待测水体为海水时，所述检测方法包括以下步骤：
(1)、提供待测海水，利用上述还原方法将待测海水中的硝酸盐还原为亚硝酸盐，随后通过重氮-偶氮法测定待测海水的吸光度值A1；同时检测待测海水空白吸光度值A01；
(2)提供上述待测海水，根据上述步骤方法，在不打开紫外灯条件下，通过重氮-偶氮法测定待测海水中亚硝酸盐的吸光度值A2；同时检测待测海水空白吸光度值A02；
计算得到用于待测海水硝酸盐含量检测的吸光度值：
A样＝A1-A01-(A2-A02)；
(3)、将步骤(2)计算得到的用于待测海水硝酸盐含量检测的吸光度值带入上述硝酸盐标准浓度曲线中，得到待测海水的硝酸盐含量。
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行进一步地说明。
实施例1
一种水体中硝酸盐含量检测的方法，具体如下：
1、配置实验用溶液：
(1)、DTPA-Na2HPO4溶液的制备：称取DTPA 2.0g、Na2HPO4 16.0g于烧杯中，加水400mL溶解，加盐酸2-5mL调节pH为6.50，转入1L容量瓶中，超纯水定容。此为混合溶液1；
(2)、VCl3溶液的制备：称取0.2g VCl3于烧杯中，加少量水溶解，转入500mL容量瓶中，超纯水定容；
(3)、亚硝显色剂的制备：称取对氨基苯磺酸5.0g溶于350mL 14％的稀盐酸溶液中，称取0.4g萘替乙二胺二盐酸盐于烧杯中，少量水溶解，将对氨基苯磺酸和溶解后的萘替乙二胺二盐酸盐转入500mL容量瓶，超纯水定容。此为混合溶液2；
(4)、硝酸盐标准储备液的制备：称取优级纯KNO3(110℃-115℃烘1-2h)0.7218g溶于少量人工海水中，转入1L容量瓶中，人工海水定容、混匀，氮的质量浓度为100.0mg/L。取100.0mg/L的硝酸盐溶液50ml移入500ml容量瓶中，并用人工海水定容，得到10.00mg/L的硝酸盐溶液；取10.00mg/L的硝酸盐溶液50ml移入500ml容量瓶中，并用人工海水定容，得到1.00mg/L的硝酸盐溶液，此1.00mg/L的硝酸盐溶液即为硝酸盐标准储备液；
(5)、硝酸盐标准工作液的制备：取适量硝酸盐标准储备液于容量瓶中，并用人工海水逐级稀释、定容，制备氮含量分别为0-500μg/L的标准溶液。
(6)、人工海水的制备：称取31.0g NaCl，10.0g MgSO4·7H20，0.05g NaHCO3于烧杯中，加少量水溶解，转入1L容量瓶中，超纯水定容。
2、硝酸盐标准浓度曲线绘制：
(1)、在6个100ml容量瓶中，分别移入上述氮的质量浓度为1.00mg/L的硝酸盐标准储备液0、1、5、10、20、50ml，使用上述人工海水稀释至100ml。得到硝酸盐标准溶液的浓度依次为0、10、50、100、200、500μg/L；
(2)、分别将上述各浓度硝酸盐标准溶液与DTPA-Na2HPO4缓冲溶液和氯化钒水溶液以1：5：3的体积比混匀，随后在紫外灯条件下处理3min，完成还原反应；随后将还原后的各处理液与上述实验用溶液中的亚硝显色剂以5：1的体积比混匀，静置2min后检测520nm处吸光度值，得到上述各浓度硝酸盐标准溶液的吸光度值A；
(3)、以各浓度硝酸盐标准溶液为参比，分别测试520nm处各浓度硝酸盐标准溶液的空白吸光度值Ak；
同时，将上述各浓度硝酸盐标准溶液根据上述步骤方法，在不打开紫外灯条件下，通过重氮-偶氮法测定人工海水520nm处的吸光度值A2；并检测各浓度硝酸盐标准溶液在520nm处的空白吸光度值A02；
(4)、各浓度硝酸盐标准溶液的吸光度检测值＝A-Ak-(A2-A02)；然后以各浓度硝酸盐标准溶液的吸光度检测值为纵坐标，各硝酸盐标准水溶液的浓度为横坐标，绘制得到硝酸盐标准浓度曲线；
所述海水中硝酸盐标准浓度曲线为A＝0.00297×浓度+0.01357。
3、样品检测
(1)、提供含硝酸盐的待测海水，利用上述还原方法将待测海水中的硝酸盐还原为亚硝酸盐，随后通过重氮-偶氮法测定待测海水的吸光度值A1；同时检测待测海水的空白吸光度值A01；
(2)、提供含硝酸盐的待测海水，利用上述还原方法，在不打开紫外灯条件下，通过重氮-偶氮法测定人工海水的吸光度值A2；同时检测人工海水的空白吸光度值A02；
计算得到用于待测海水硝酸盐含量检测的吸光度值：
A样＝A1-A01-(A2-A02)；
(3)、将待测海水硝酸盐含量检测的吸光度值带入上述硝酸盐标准浓度曲线中，得到待测水体的硝酸盐含量。
实施例2
一种水体中硝酸盐含量检测的方法，具体如下：
1、配置实验用溶液：
(1)、(3)、(4)、(5)同实施例1；
(2)、VCl3溶液的制备：称取1.0g VCl3于烧杯中，加少量水溶解，转入500mL容量瓶中，超纯水定容；
2、硝酸盐标准浓度曲线绘制：
同实施例1。
3、样品检测
同实施例1。
实施例3
一种水体中硝酸盐含量检测的方法，具体如下：
1、配置实验用溶液：
同实施例1。
2、硝酸盐标准浓度曲线绘制：
(1)、同实施例1；
(2)、分别将上述各浓度硝酸盐标准溶液与DTPA-Na2HPO4缓冲溶液和氯化钒水溶液以3:3:1的体积比混匀，随后在紫外灯条件下处理3min，完成还原反应；随后将还原后的各处理液与上述实验用溶液中的亚硝显色剂以5：1的体积比混匀，静置2min后检测520nm处吸光度值，得到上述各浓度硝酸盐标准溶液的吸光度值；
(3)、同实施例1；
3、样品检测
(1)、提供含硝酸盐的待测水体，将DTPA-Na2HPO4缓冲溶液、氯化钒水溶液和含硝酸盐的水溶液以5:3:1的体积比混匀，随后在紫外灯条件下处理3min，完成还原反应；随后将还原后的处理液与上述实验用溶液中的亚硝显色剂以5:1的体积比混匀，静置2min后检测520nm处吸光度值，得到待测水体的吸光度值；
(2)、(3)、同实施例1。
实验例1
为了更好的理解本发明，以50μg/L的硝酸盐溶液为例，按实施例1的实验方法平行测定9次。具体结果如下表所示：
由上述结果可知，实验重复性好，准确度高，表明提供的实验方法稳定、精确度高。
实验例2
为表明本申请还原方法具有较高的还原率，申请人对海水中亚硝酸盐标准浓度曲线进行了绘制，具体方法如下：
提供浓度分别为0.00、10.00、50.00、100.00、200.00、500.00μg/L的亚硝酸盐标准溶液，分别将各浓度的亚硝酸盐标准溶液与显色剂以体积比5:1混合，通过重氮-偶氮法检测各浓度亚硝酸盐标准溶液的吸光度值Ak1；直接检测各浓度亚硝酸盐标准溶液在520nm的吸光度值Ak0；根据以上吸光度值，分别计算各浓度亚硝酸盐标准溶液的吸光度值Ak＝Ak1-Ak0。以浓度为横坐标，以各浓度对应的吸光度值AK为纵坐标，绘制亚硝酸盐的标准浓度曲线。
结果如图1所示，由图1可知，所述海水中亚硝酸盐标准浓度曲线为A＝0.00337×浓度+0.01767。
同时发明人对上述实验例1中的9次平行实验的还原率进行了计算，具体方法为：按照硝酸盐检测方法检测样品的吸光度值ANO3-,代入硝酸盐工作曲线中，计算硝酸盐浓度为CNO3-，按照亚硝酸盐检测方法检测样品的吸光度值ANO2-，代入亚硝酸盐工作曲线中，计算亚硝酸盐浓度为CNO2-，那么硝酸盐的还原效率
申请人做了如下平行试验，具体方法为：以50.00μg/L硝酸盐和50.00μg/L亚硝酸盐样品为例，分别检测两个样品的吸光度值后，将两个吸光度值分别代入硝酸盐和亚硝酸盐标准曲线，计算出硝酸盐和亚硝酸盐的浓度，计算得出的硝酸盐与亚硝酸盐的浓度比即为还原效率。
结果如下表所示：
由上表可知，实验结果平行性好，稳定性高，还原效率高。
综上所述，本申请利用钒离子作为还原剂的还原方法能够有效的将水中的硝酸盐还原为亚硝酸盐，该方法具有还原率高、稳定性好的特点，相对于现有的使用镉离子的还原方法具有无毒环保的优势。同时，利用该还原方法的水体中硝酸盐含量检测的方法，操作流程简单，测试药剂易得，检测过程中也不需要复杂的检测设备，十分适用于海水硝酸盐含量的原位分析。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
