In water komt stikstof in de vorm van ammoniak voor als twee stoffen tegelijk: het ion ammonium (NH4+) en het opgeloste gas ammoniak (NH3). De verhouding tussen die twee hangt af van de pH en de temperatuur van het water. Dat bepaalt twee dingen die in de praktijk vaak door elkaar lopen: hoe giftig het water is voor waterleven en welke bepaling u moet kiezen. Dit artikel legt uit wat ammoniak in water is, waar het vandaan komt, hoe u de verdeling over NH4+ en NH3 berekent en hoe u ammonium in het laboratorium meet, van de fotometrische methode tot de ionselectieve elektrode. De eigen plaats van ammonium naast nitriet en nitraat staat in het artikel over de nitraat- en fosfaatbepaling in water, het totaaloverzicht van parameters in het artikel over wateranalyse.
Ammoniak is een kleurloos gas met een scherpe geur dat zeer goed oplost in water. Een deel van de opgeloste ammoniak reageert met water tot ammonium en hydroxide, zodat de oplossing basisch wordt. Wat u in een watermonster aantreft, is daarom altijd een mengsel van NH3 en NH4+ in een evenwicht dat verschuift met de omstandigheden.
Ammoniak (NH3) is een neutraal molecuul. Ammonium (NH4+) is het positief geladen ion dat ontstaat als ammoniak een waterstofion opneemt. In zuur tot neutraal water is vrijwel alles ammonium, in sterk basisch water vrijwel alles ammoniak. Het neutrale NH3 kan membranen passeren en is daardoor veel giftiger voor vissen dan het ion. Ammonium is ook het ion dat u terugvindt in zouten zoals ammoniumchloride.
Ja. Ammonia is de Engelse naam voor ammoniak. In Engelstalige methoden en rapporten leest u ‘ammonia’ voor het totaal van NH3 en NH4+, en ‘unionised ammonia’ of ‘free ammonia’ voor alleen het gas NH3. Let daarop bij het vergelijken van waarden uit verschillende bronnen.
Ammoniak is een zwakke base. Het neemt in water een waterstofion op: NH3 + H2O ⇌ NH4+ + OH−. De pKb is 4,75 bij 25 °C. De gevormde hydroxide-ionen maken de oplossing basisch. De achtergrond staat in het artikel over zuren en basen en in het artikel over pH en chemische evenwichten.
TAN staat voor total ammonia nitrogen, in het Nederlands totaal ammoniakaal stikstof: de som van het stikstof in NH3 en in NH4+, uitgedrukt als mg stikstof per liter. De meeste laboratoriummethoden meten dit totaal en niet het aandeel NH3. Het aandeel NH3 rekent u uit het totaal, de pH en de temperatuur (zie hieronder).
Resultaten staan vaak als mg N/l (stikstof) en soms als mg NH4+/l of mg NH3/l. De omrekening volgt uit de molmassa’s (stikstof 14,007 g/mol, NH4+ 18,04 g/mol, NH3 17,03 g/mol). Vermeld in een rapport altijd in welke vorm de waarde is uitgedrukt.
Ammonium ontstaat overal waar stikstofhoudend organisch materiaal wordt afgebroken, en het wordt direct geloosd of uitgespoeld uit meststoffen, mest en afvalwater. Een hoge waarde is daarom vaak een aanwijzing voor recente verontreiniging of voor zuurstofloze omstandigheden.
De belangrijkste bronnen zijn de afbraak van eiwitten en ureum door bacteriën, huishoudelijk en industrieel afvalwater, effluent van rioolwaterzuiveringen, uitspoeling van mest en kunstmest vanuit de landbouw en processen waarin ammoniak of ammoniumzouten worden gebruikt. Bij de bepaling van stikstof in dit soort monsters speelt ook organisch gebonden stikstof een rol, die u met de Kjeldahl-methode bepaalt.
In grondwater zonder zuurstof wordt organisch materiaal afgebroken zonder dat het ammonium verder oxideert. Daardoor kan ammonium in diep of veenrijk grondwater van nature aanwezig zijn, zonder dat sprake is van verontreiniging. Bij de bereiding van drinkwater uit zulk grondwater wordt het ammonium verwijderd, onder meer in zandfilters waarin bacteriën het omzetten.
Nitrificatie is de biologische oxidatie van ammonium via nitriet tot nitraat (NH4+ → NO2− → NO3−). Het verbruikt zuurstof: voor elk milligram ammoniumstikstof is theoretisch ongeveer 4,57 mg zuurstof nodig. In een watermonster dat te lang blijft staan, daalt daarom de ammoniumwaarde terwijl nitriet en nitraat stijgen. Bij een BZV-bepaling telt dit zuurstofverbruik mee, tenzij u de nitrificatie remt, bijvoorbeeld met allylthioureum. Zie het artikel over de COD- en BZV-bepaling.
Het evenwicht NH4+ ⇌ NH3 + H+ heeft een pKa van ongeveer 9,25 bij 25 °C. Bij een pH gelijk aan de pKa is de helft van het totaal NH3. Het aandeel NH3 volgt uit:
f(NH3) = 1 / (1 + 10(pKa − pH))
De pKa daalt als de temperatuur stijgt. Een veelgebruikte benadering voor zoet water is pKa = 0,0902 + 2730 / T, met T in kelvin. Per graad Celsius verschuift de pKa ongeveer 0,03 eenheid. Het zoutgehalte en de ionsterkte beïnvloeden de pKa eveneens; voor zeewater en brak water zijn aparte tabellen nodig.
De tabel geeft het aandeel NH3 in procenten van het totaal ammoniakaal stikstof, berekend met de bovenstaande benadering voor zoet water. Het patroon is wat telt: per pH-eenheid neemt het aandeel ongeveer een factor tien toe zolang de pH ver onder de pKa blijft.
U heeft drie gegevens nodig: de concentratie totaal ammoniakaal stikstof, de pH en de temperatuur van het water op het moment van bemonstering. Een rekenvoorbeeld: een monster bevat 1,00 mg NH4+-N/l bij pH 8,0 en 20 °C. Het aandeel NH3 is 3,8 %, dus 0,038 mg NH3-N/l. Omgerekend naar NH3 is dat 0,038 × 1,216 = 0,046 mg NH3/l. Meet de pH ter plaatse met een gekalibreerde pH-meter, want de pH van een monster verandert tijdens opslag door CO2-uitwisseling. Kalibratie en keuze van de meter staan in het artikel over de pH-meter keuzewijzer.
Het neutrale NH3 lost goed op in vetten en passeert kieuwen en celmembranen. Het geladen NH4+ doet dat veel minder. De toxiciteit voor vissen en ongewervelde waterdieren hangt daarom vooral af van de concentratie NH3, en die neemt toe met de pH en de temperatuur. Een monster met een onschuldig lijkende ammoniumwaarde kan bij een hoge pH, bijvoorbeeld door algenbloei in warm water overdag, toch schadelijk zijn.
Er is geen enkele grenswaarde voor ‘ammoniak in water’. De waarde hangt af van de toepassing: drinkwater, oppervlaktewater, water voor vissen, afvalwater dat u mag lozen of proceswater. Ook de uitdrukkingswijze verschilt: totaal ammonium, ammoniumstikstof of NH3. Raadpleeg daarom altijd de actuele tekst van de regeling die op uw situatie van toepassing is.
Ammonium is in het Drinkwaterbesluit opgenomen als parameter voor de kwaliteit van drinkwater. De waarde is een parameterwaarde in mg/l die u in de actuele wettekst vindt. Een verhoogd gehalte is meestal geen directe gezondheidsbedreiging, maar wijst op verontreiniging of op reducerende omstandigheden en bemoeilijkt de desinfectie met chloor, omdat chloor met ammonium chlooramines vormt. Het overzicht van wetgeving rond drinkwater staat in het artikel over wateranalyse.
Voor vissen is het gas NH3 bepalend, niet het totaal. Effecten op gevoelige soorten beginnen bij concentraties in de orde van tientallen microgrammen NH3 per liter, en de gevoeligheid verschilt sterk per soort, levensfase en blootstellingsduur. In een goed ingedraaid aquarium is ammoniak nauwelijks aantoonbaar. Een meetbare waarde is daarom een signaal om in te grijpen, bijvoorbeeld bij overbezetting, overvoering of een storing in het biologische filter. Welke waarde acceptabel is, hangt af van de soort en de pH. Gebruik de pH en de temperatuur om uit het totaal de NH3-concentratie te berekenen en vergelijk die met de literatuur voor uw soort.
Kijk eerst naar de eenheid. ‘mg N/l’ of ‘mg NH4+-N/l’ is stikstof. ‘mg NH4+/l’ is het ion en ligt een factor 1,288 hoger voor dezelfde hoeveelheid stikstof. ‘mg NH3/l’ is het gas en is alleen zinvol als de pH en de temperatuur erbij staan. Een testset die ‘ammoniak’ aangeeft, meet in veel gevallen het totaal en niet alleen NH3.
Welke methode u kiest, hangt af van het gehalte, de matrix, het aantal monsters en de norm waaraan u moet voldoen. De fotometrische methoden zijn de werkpaarden in het laboratorium. Destillatie met titratie is de oudste en robuuste referentiemethode voor troebele of gekleurde monsters, en de elektrode is handig voor snelle metingen in complexe matrices.
Ammonium reageert in basisch milieu met hypochloriet tot monochlooramine. Dat reageert vervolgens met fenol of salicylaat, met nitroprusside als katalysator, tot een blauwe indofenolkleurstof. De extinctie meet u met een spectrofotometer bij een golflengte rond 650 nm. De salicylaatvariant vervangt het giftige fenol en wordt daarom veel gebruikt. Om neerslag van calcium en magnesium bij de hoge pH te voorkomen, bevat het reagens een complexvormer zoals citraat of tartraat. De ontwikkeltijd en de reagentia staan in de norm. Voor de keuze van een instrument zie de spectrofotometer keuzewijzer, en voor de achtergrond van kleurbepalingen het artikel over fotometrische en colorimetrische bepalingen.
De Nessler-methode gebruikt een alkalische oplossing van kwik(II)jodide in kaliumjodide. Met ammonium ontstaat een geelbruine kleur. De methode is gevoelig, maar het reagens bevat kwik. Dat maakt het gebruik en de verwerking van het afval problematisch. Daarom is de methode in de meeste laboratoria vervangen door de indofenol- en salicylaatmethode. Zie voor de afvalstromen het artikel over laboratoriumafvalbeheer.
U maakt het monster alkalisch, zodat ammonium wordt omgezet in ammoniak, en destilleert de ammoniak over in een boorzuuroplossing. Het gevormde ammoniumboraat titreert u met een zuur van bekend gehalte, hetzelfde eindstadium als bij de Kjeldahl-methode. De werking van de destillatiestap staat in het artikel over de Kjeldahl-methode. Als apparatuur kunt u terecht in onze webgroep destillatie en evaporatie. De methode is geschikt voor monsters waarin kleur en troebelheid de fotometrie zouden verstoren, maar vluchtige basen zoals amines worden meegedestilleerd en tellen mee.
Er zijn twee uitvoeringen. De ammonium-ISE meet het ion NH4+ rechtstreeks, maar reageert ook op kalium, wat een correctie of voorbehandeling vraagt. De gasdiffusie-elektrode verhoogt de pH van het monster tot boven 11, zodat alles omgezet wordt in NH3, dat door een gasdoorlatend membraan naar de binnenelektrolyt diffundeert. Die elektrode is selectiever, omdat de ionen in het monster het membraan niet passeren. De werking staat in het artikel over ionselectieve elektroden en het onderliggende principe in het artikel over de Nernst-vergelijking. Elektroden en toebehoren vindt u in de webgroep elektrochemie.
Ja, met een kationenwisselkolom en geleidbaarheidsdetectie. Ammonium komt dan uit de kolom in de buurt van natrium en kalium, en bij een hoog natriumgehalte kan de piek van ammonium worden gemaskeerd. Het voordeel is dat u in één run meer kationen bepaalt. Voor de techniek zie het artikel over ionenchromatografie.
Een druppeltest of teststrip geeft een kleur die u met een kleurenkaart vergelijkt. Dat levert een indicatie in stappen op, met een nauwkeurigheid die beperkt wordt door het kleurverschil dat het oog kan onderscheiden en door de verlichting. Voor het snel signaleren van een probleem is dat bruikbaar. Voor rapportage aan een opdrachtgever of voor toetsing aan een norm heeft u een gevalideerde laboratoriummethode nodig. Weet ook of de set het totaal ammoniakaal stikstof meet of alleen NH3; de meeste sets meten het totaal.
Een testset gebruikt hetzelfde reagens, maar u beoordeelt de kleur visueel. Een fotometer of spectrofotometer meet de extinctie en rekent met een kalibratielijn om naar een concentratie, waardoor de afhankelijkheid van de waarnemer vervalt. Voor een laboratorium dat ammonium regelmatig bepaalt, is een spectrofotometer voor zichtbaar licht met cuvetten de logische keuze.
Ja. Voor procesbewaking bestaan online-analysers die de kleurreactie automatiseren en sondes met een ammonium-ISE of een gasdiffusiemembraan. Ze worden gebruikt in zuiveringsinstallaties en in de watertechniek. Sondes drijven af door vervuiling van het membraan en door veroudering, dus controleer ze periodiek met een laboratoriumbepaling.
Ammonium is een onstabiele parameter. Bacteriën zetten het om, en ammoniak kan uit het monster ontsnappen of uit de omgeving erin terechtkomen. Het resultaat staat of valt daarom met de bemonstering en de conservering. De algemene principes staan in het artikel over monsterneming en bemonstering.
Analyseer het monster zo snel mogelijk, bij voorkeur dezelfde dag, en bewaar het tot dan gekoeld en donker. Wilt u het langer bewaren, dan wordt in de praktijk aangezuurd met zwavelzuur tot een pH onder 2, waardoor al het ammoniak als ammonium vastligt en de bacteriële omzetting stopt. De bewaartijd en het conserveermiddel verschillen per norm en per monstertype, dus volg de methode die u toepast.
Troebele monsters kunt u filtreren of laten bezinken, mits het filtermateriaal zelf geen ammonium afgeeft. Spoel het filter vooraf met ammoniumvrij water en controleer met een blanco. Voor de fotometrische bepaling is een helder monster nodig, omdat troebelheid de extinctie verhoogt. Een draagbare troebelheidsmeter helpt bij het beoordelen van de monsters.
De tabel geeft de meest voorkomende storingen en de gebruikelijke maatregel. Kies de maatregel altijd in overleg met de norm of de validatie van uw methode.
Ammoniak is overal aanwezig in een laboratorium: in schoonmaakmiddelen en in geopende ammoniakoplossingen. Een open monster neemt ammoniak uit de lucht op, vooral bij lage gehalten. Houd monsters en reagentia afgesloten, werk niet in de buurt van geopende ammoniakoplossingen en meet altijd een blanco die dezelfde route doorloopt als de monsters. Bereid verdunningen en blanco’s met water van voldoende kwaliteit; zie het artikel over waterkwaliteit in het laboratorium en de webgroep waterbehandeling.
Een ammoniumbepaling bij lage gehalten vraagt om een vaste routine: een kalibratielijn, een blanco, een controlemonster en een herhaalbepaling. Registreer de resultaten in een controlekaart, zodat afwijkingen vroeg zichtbaar worden.
U maakt een stamoplossing van ammoniumchloride in ammoniumvrij water en verdunt die tot een reeks standaarden die het werkgebied bestrijkt. Meet de standaarden op dezelfde wijze als de monsters, inclusief de reagentia en de ontwikkeltijd, en zet de extinctie uit tegen de concentratie. Controleer lineariteit en spreiding, zie het artikel over kalibratielijn en lineariteit. Bij een matrix die de kleurvorming beïnvloedt is de standaardadditie een goed alternatief.
De detectiegrens hangt af van de methode, het instrument en de blanco. Bepaal hem zelf in uw laboratorium uit de spreiding van de blanco en het laagste gehalte dat u met voldoende zekerheid kwantificeert. De begrippen staan in het artikel over detectielimiet en kwantificeringslimiet, de onzekerheid van het resultaat in het artikel over meetonzekerheid.
Voor de bepaling van ammonium in water worden onder meer ISO 7150-1 (handmatige spectrometrische methode), ISO 11732 (doorstroomanalyse), ISO 5664 (destillatie en titratie) en ISO 6778 (potentiometrische methode) genoemd. Normen vindt u bij ISO en NEN. Raadpleeg altijd de actuele versie en de nationale uitgave, want normen worden herzien of ingetrokken.
In het laboratorium komt dit zelden voor, maar in de praktijk van afvalwater, proceswater en aquaria is het een veelgestelde vraag. Welke techniek past, hangt af van de concentratie en de pH.
Voor de keuze van waterzuivering voor het laboratorium zelf zie de waterbehandeling keuzewijzer.
Geconcentreerde ammoniakoplossingen, in het laboratorium gangbaar met ongeveer 25 tot 30 massaprocent, zijn bijtend en geven scherpe dampen die ogen en luchtwegen aanvallen. Werk in een zuurkast, draag een veiligheidsbril, handschoenen en een labjas en houd de fles gesloten. Meng ammoniak nooit met hypochloriet of bleekmiddel: daarbij ontstaan giftige chlooramine-dampen. Houd ammoniakoplossingen ook gescheiden van zuren. De gevaren en maatregelen per stof staan in het veiligheidsinformatieblad.
Een hoge ammoniumwaarde wijst meestal op recente verontreiniging met afvalwater of mest, op afbraak van organisch materiaal onder zuurstofarme omstandigheden of op natuurlijk ammoniumrijk grondwater. De betekenis hangt af van de bron van het water: in oppervlaktewater is het een signaal van belasting, in diep grondwater vaak een natuurlijke eigenschap.
Ammoniak ruikt scherp bij hogere concentraties, maar bij de waarden die voor waterleven relevant zijn, ruikt u niets. U heeft een bepaling nodig: een testset voor een indicatie of een laboratoriummethode voor een betrouwbaar resultaat.
In de gehalten die in drinkwater en oppervlaktewater voorkomen, is ammonium voor de mens niet de grootste zorg. Het is een indicator voor verontreiniging, het kan in het distributienet door bacteriën worden omgezet en het bemoeilijkt de desinfectie. Voor het werken met geconcentreerde ammoniakoplossingen gelden wel de bekende veiligheidsmaatregelen.
Zuivere ammoniak is bij kamertemperatuur een gas. Het lost zeer goed op in water. In het laboratorium werkt u met een waterige oplossing, ook wel ammonia-oplossing of ammoniumhydroxide genoemd.
Voor een indicatie kunt u een testset gebruiken. Een zekerder resultaat krijgt u met een fotometrische bepaling met kalibratie, blanco en controlemonster. Kies de methode op basis van wat u met het resultaat wilt doen.
Stikstof is de gemeenschappelijke noemer van ammonium, nitriet, nitraat en organisch gebonden stikstof. Door alles als mg N/l uit te drukken, kunt u de vormen optellen en de stikstofbalans van een water of een zuivering opstellen. Zie ook het artikel over stikstofbepaling.
Voor ammoniumbepalingen in water vindt u apparatuur en toebehoren in onze webgroepen optisch onderzoek, elektrochemie, cuvetten en destillatie en evaporatie. Neem contact op voor advies over de samenstelling van een opstelling voor uw monsters.
Onderdeel van: Milieulaboratorium
Geschreven door Labvakhandel, specialist in laboratoriumbenodigdheden voor bedrijven en instellingen.
Disclaimer: De informatie in dit artikel is bedoeld als algemene technische toelichting. Canidae Seal B.V. / Labvakhandel.nl aanvaardt geen aansprakelijkheid voor de toepassing van deze informatie in specifieke analytische, klinische of industriële situaties. Raadpleeg voor uw eigen toepassing altijd de geldende normen, vakliteratuur en de documentatie van fabrikant en apparatuur.
Inloggen
Wachtwoord vergeten
Account aanmaken
Uw winkelwagen is leeg.
