新型薄膜扩散梯度技术定量采集高盐度水体中的铵离子

doi:10.7503/cjcu20210147

摘要/Abstract

摘要：

设计了一种基于铁氰化钴钠的新型薄膜扩散梯度(DGT)被动采样装置，将其应用于高盐度水体中铵离子的定量采集. 采用双滴加法制备铁氰化钴钠, 并利用扫描电子显微镜(SEM)、 X射线衍射(XRD)仪和氮气吸附-脱附测试对其表面形貌、晶体结构和孔结构特征进行表征. 研究了铁氰化钴钠对铵离子的吸附速率和吸附容量. 建立了以琼脂糖凝胶为扩散相、铁氰化钴钠为结合相的DGT被动采样装置. 研究了采集时间、水体pH值和共存阳离子对基于铁氰化钴钠的DGT技术采集铵离子的影响. 实验结果表明, 铁氰化钴钠吸附铵离子在60 min时基本达到了吸附平衡; 当铵离子初始浓度为300 mg/L时其吸附容量为90 mg/g. DGT装置结合铵离子的质量随着布置时间的增加呈现线性增长(0~24 h, r²=0.994). 当pH=4~8, Na⁺浓度为0~10000 mg/L, K⁺浓度为0~25000 mg/L, Mg²⁺浓度为0~20000 mg/L, Ca²⁺浓度为0~25000 mg/L时, DGT装置累积的铵离子质量没有明显的变化. 实验结果表明，使用基于铁氰化钴钠的DGT装置可以准确有效地采集高盐度水体中的铵离子.

关键词: 薄膜扩散梯度(DGT), 铵离子, 高盐度, 共存离子

Abstract:

Eutrophication is directly related to the concentration of ammonium ion. A new diffusive gradients in thin film（DGT） technique， using sodium cobalt hexacyanoferrate， was developed and evaluated for sampling ammonium ion in high salinity waters. Sodium cobalt hexacyanoferrate was prepared using double-dropwise addition method and characterized by means of SEM， XRD and nitrogen adsorption-desorption analysis. The adsorption rate and capacity for ammonium ion by sodium cobalt hexacyanoferrate and the effects of time， pH and co-existing ions on the sampling of ammonium ion by DGT devices based on sodium cobalt hexacyanoferrate were investigated. The adsorption process reached equilibrium after 60 min and was fitted well with pseudo-second-kinetic rate model. The adsorption capacity was 90.00 mg/g at the initial concentration of ammonium ion of 300 mg/L. Langmuir and Freundlich models could both fit well the adsorption behavior. The binding gel could be eluted by 1 mol/L KCl and the elution efficiency was 85.68%（n=6）. The uptake mass of ammonium ion by DGT device as a function of time over 24 h demonstrated excellent linearity（r²=0.994）. The uptake mass of ammonium ion was quantitative over pH range 4—8 and typical ion concentration ranges（up to Na⁺ 10000 mg/L， K⁺ 25000 mg/L， Mg²⁺ 20000 mg/L， Ca²⁺ 25000 mg/L）. The results demonstrate that the DGT devices based on sodium cobalt hexacyanoferrate can accurately adsorb ammonium ion in high salinity waters.

Key words: Diffusive gradients in thin films technique（DGT）, Ammonium ion, High salinity, Co-existing ion

中图分类号:

O653

TrendMD:

冯钟敏, 杨澜, 孙挺. 新型薄膜扩散梯度技术定量采集高盐度水体中的铵离子. 高等学校化学学报, 2021, 42(10): 3082.

FENG Zhongmin, YANG Lan, SUN Ting. Sampling of Ammonium Ion in High Salinity Waters Using Diffusive Gradients in Thin Films Technique. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(10): 3082.

图/表 9

Scheme 1 Schematic diagram of DGT devices

Fig.1 SEM image(A), XRD pattern(B), nitrogen adsorption?desorption isotherm(C) and pore size distribution(D) of sodium cobalt hexacyanoferrate

Fig.2 Adsorption efficiency of ammonium ion over time(A), pseudo?first?order kinetic model(B) and pseudo?second?order kinetic model(C) fitting plots for the adsorption process

Fig.3 Adsorption isotherms of ammonium ion on sodium cobalt hexacyanoferrate(A), and Langmuir model, Freundlich model as well as Koble?Corrigan model fitting plots for the adsorption process(B)

Fig.4 FTIR spectra(A) and nitrogen adsorption?desorption isotherms(B) of sodium cobalt hexacyanoferrate before(a) and after(b) adsorption of ammonium ion

Fig.5 Effects of Na+(A), Mg2+(B) and solution pH(C) on the adsorption efficiency of ammonium ion by sodium cobalt hexacyanoferrate

Fig.6 Relationship between the diffusion coefficient of ammonium ion, temperature and salinity

Fig.7 Effects of time(A) and initial pH values(B) on the sampling of ammonium ion by DGT devices

Fig.8 Effects of concentrations of Na+(A), K+(B), Mg2+(C) and Ca2+(D) on the sampling of ammonium ion by DGT devices

参考文献 29

1	Guo L.， Science， 2007， 317， 1166
2	Fan J. W.， Wu H. X.， Liu R. Y.， Meng L. Y.， Fang Z.， Liu F.， Xu Y. H.， J. Hazard. Mater.， 2021， 401， 123627
3	Putra R. N.， Lee Y. H.， Sep. Purif. Technol.， 2020， 237， 116351
4	Wang R.， Jones K. C.， Zhang H.， Environ. Sci. Technol.， 2020， 54， 7961—7969
5	Guan D.X.， Li Y.Q.， Yu N.Y.， Yu G.H.， Wei S.， Zhang H.， Davison W.， Cui X.Y.， Ma L. Q.， Luo J.， Water Res.， 2018， 144， 162—171
6	Yao H.， Zhao Y. J.， Lin C. J.， Yi F. J.， Liang X. F.， Feng X. B.， Chemosphere， 2020， 251， 126231
7	You N.， Chen Y.， Zhang Q. X.， Zhang Y.， Meng Z.， Fan H. T.， Sci. Total Environ.， 2020， 735， 139553
8	Liu J. F.， Zhao Y. J.， Song Z. T.， Zhou Q. W.， Liu X. W.， Fan H. T.， Ecotoxicol. Environ. Saf.， 2018， 166， 446—452
9	Chen W.， Li Y. Y.， Chen C. E.， Sweetman A. J.， Zhang H.， Jones K. C.， Environ. Sci. Technol.， 2017， 51， 13274—13281
10	Yao H.， You N.， Cao H. G.， Kang L. X.， Wu J. B.， Zhao Y. J.， Fan H. T.， Yi Y. L.， Environ. Chem.， 2018， 15， 205—214
11	Huang J.， Bennett W. W.， Welsh D. T.， Li T.， Teasdale P. R.， Anal. Chim. Acta， 2016， 904， 83—91
12	Feng Z. M.， Guo T. T.， Jiang Z. W.， Sun T.， Microchim. Acta， 2015， 182， 2419—2425
13	Ren M. Y.， Ding S. M.， Shi D.， Zhong Z.， Cao J.， Yang L.， Tsang D. C. W.， Wang D.， Zhao D.， Wang Y.， Sci. Total Environ.， 2020， 725， 138447
14	You N.， Li J. Y.， Fan H. T.， Shen H.， J. Adv. Res.， 2020， 15， 77—86
15	General Administration of Quality Supervision， Inspection and Quarantine， Standardization Administration， GB 17378.4⁃2007， the Specification for Marine Monitoring Part 4： Seawater Analysis， 2007
16	Jiang Y.， Minami K.， Sakurai K.， Takahashi A.， Parajuli D.， Lei Z.， Zhang Z.， Kawamoto T.， RSC Adv.， 2018， 8， 34573—34581
17	Wang Y. F.， Lin F.， Pang W. Q.， J. Hazard. Mater.， 2007， 142， 160—164
18	Malekian R.， Abedi⁃Koupai J.， Eslamian S. S.， Mousavi S. F.， Abbaspour K. C.， Afyuni M.， Appl. Clay Sci.， 2011， 51， 323—329
19	Miyamoto S.， Shimono K.， Molecules， 2020， 25（22）， 5340
20	Sharqawy M. H.， Lienhard J. H. V.， Zubair S. M.， Desalin. Water Treat.， 2010， 16， 354—380
21	Zhang H.， Davison W.， Gadi R.， Kobayashi T.， Anal. Chim. Acta， 1998， 370， 29—38
22	Tandy S.， Mundus S.， Zhang H.， Lombi E.， Frydenvang J.， Holm P.， Husted S.， Environ. Chem.， 2012， 9， 14—23
23	You N.， Yao H.， Wang Y.， Fan H. T.， Wang C. S.， Sun， T.， Sci. Total Environ.， 2019， 651， 1653—1660
24	Sui D. P.， Fan H. T.， Li J.， Li Y.， Li Q.， Sun T.， Talanta， 2013， 114， 276—282
25	Dong J.， Fan H. T.， Sui D. P.， Li L.， Sun T.， Anal. Chim. Acta， 2014， 822， 69—77
26	Feng Z. M.， Zhu P.， Fan H. T.， Piao S. S.， Xu L.， Sun T.， Anal. Chem.， 2016， 88， 6836—6843
27	Li W. J.， Wang F. Y.， Zhang W. H.， Evans D.， Anal. Chem.， 2009， 81， 5889—5895
28	Panther J. G.， Teasdale P. R.， Bennett W. W.， Welsh D. T.， Zhao H.， Environ. Sci. Technol.， 2010， 44， 9419—9424
29	Pescim G. F.， Marrach G.， Vannuci⁃Silva M.， Souza L. A.， Menegario A. A.， Anal. Bioanal. Chem.， 2012， 404， 1581—1588

[1]	王俊蒲, 张炜, 黄利敏 . 由N-苯基[1,3]苯并噁嗪正离子与烯烃[4+2]反应合成喹啉并[1,2-c][1,3]苯并噁嗪-6-酮衍生物[J]. 高等学校化学学报, 2007, 28(10): 1881.
[2]	张锦楠, 叶玲, 郑筱燕, 李奇. 尿素-富马酸根-水分子为主体晶格的四乙基铵离子包合物的合成与晶体结构[J]. 高等学校化学学报, 2002, 23(12): 2296.