[发明专利]一种基于渗析叠加电场预处理方式直接测量水体中溶解性有机氮浓度的方法

说明书

技术领域

本发明属于环境保护、水处理领域，具体为利用基于渗析叠加电场处理方式，直接测量水体中的溶解性有机氮(DON)浓度的方法。可应用与环境保护及各类利用水为载体中DON的测量，如水处理、海洋、农业施肥和大气雾霾等。

背景技术

氮元素在地球化学循环中有着非常重要的作用。总氮(TDN)包括有机氮(DON)和无机氮(DIN)。自然水体水样中的总氮(TDN)浓度是衡量水质的重要指标，其中溶解性有机氮(DON)是总氮的重要组成部分。DON可支持水体富营养化，导致藻类、细菌等微生物大量繁殖，使水源受到污染。在供水系统中，DON能够滋生微生物的生长，导致水处理单元中滤池或膜的堵塞，从而降低水厂出水效率。在水厂消毒过程中，DON与消毒剂反应会产生强毒性含氮消毒副产物(N-DBPs)。同时也导致三致性(致癌、致畸、致突变)消毒副产物(DBPs)的生成^[1]1428。因此，为了预防及控制DON的危害，有必要快速准确测量有机氮浓度。

尽管已经意识到有机氮的问题，但是目前尚无快速准确测量有机氮的方法。现有的有机氮测试方法无一例外都是通过减差法间接得到。目前常用的方法有总氮减去无机氮和总凯氏氮减去氨氮两种。

方法一：

有机氮(DON)＝总氮(TDN)-无机氮(DIN)(1-1)

DIN＝氨氮(NH₄⁺)+硝态氮(NO₃^-)+亚硝态氮(NO₂^-) (1-2)

方法二：

有机氮(DON)＝总凯氏氮(TKN)-氨氮(NH₄⁺) (1-3)

为了改进有机氮测量的准确性，减小误差并且降低在测量过程中的繁琐程度，部分学者提出了各种改进措施。一些学者通过对水样进行预处理，直接或者间接的得到更加准确的有机氮浓度。但是对于水样的预处理的难点在于使得DIN的去除和DON的保留同时最大化。这些预处理的方法包括四大类：膜分离方法、吸附方法、催化方法以及预浓缩方法。

现有资料显示，许多研究更加青睐于渗析膜的方法，但是这种方法耗时长，用水量大，并不适用于大范围推广使用^[2，3，4]。电渗析的方法和反渗透的方法虽然没有应用于有机氮的检测，但是众所周知，这两种方法在无机离子的去除和有机物的截留方面表现出很好的效果。使用离子交换树脂、色谱柱或者吸附剂的方法在少数情况下有比较好的成果，但是有机氮的损失较大^[5，6]。因此，这项技术的应用还有待发展。

韩国学者Lee等人采用渗析膜的方法对水样进行预处理，将高DIN/TDN的水样盛放在渗透膜内，膜外为去离子水，且去离子水在一定的时间内更新，利用浓度梯度，使膜内无机氮物质由膜内迁移到去离子水中，达到去除无机氮，保留有机氮的目的^[2]880。此研究选择截留分子量为100Da的渗析膜，即通过膜的作用，使得小分子量物质从大分子量物质中分离。这项研究验证了有机氮和无机氮的分离效果，并且应用于有机氮的检测。在渗析24h内，可以去除70％无机氮，同时有机氮的回收率可以达到80％以上，平均回收率为95％(除尿素外)，证明了渗析膜可以降低DIN/TDN。通过延长预处理时间，可以达到更高的DIN的去除，在5天的渗析过程中，DIN的去除率可以达到99％。

另外也有一些学者利用电渗析方法来分离有机物和无机物。虽然电渗析方法的研究比较成熟，且在分离有机物和无机物方面效果较好。但是目前主要应用在海水淡化、水体软化脱盐等方面，而在有机氮检测方面并无应用。尽管这项技术并没有用于有机氮的测量，但是在电渗析去除无机物的研究中表明应用电渗析去除硝态氮的速率远大于渗析膜^[7]。