土壤全量氮磷鉀試樣低溫自動聯(lián)合消解儀

賈玉杰　楊光照　王　欣　盧立新　盧明遠　孫嘉興

(1.沈陽金利潔環(huán)保科技股份有限公司，沈陽 110003；2.東北認證有限公司，沈陽 110015；3.中國科學院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所，沈陽 110016；4.沈陽市農(nóng)業(yè)科學院，沈陽 110034))

土壤全量氮磷鉀試樣低溫自動聯(lián)合消解儀

賈玉杰1楊光照1王欣1盧立新2盧明遠3孫嘉興4

(1.沈陽金利潔環(huán)保科技股份有限公司，沈陽 110003；2.東北認證有限公司，沈陽 110015；3.中國科學院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所，沈陽 110016；4.沈陽市農(nóng)業(yè)科學院，沈陽 110034))

摘要：采用自主研發(fā)的氮素保護劑及離子涂膜技術(shù)，研制了土壤全量氮磷鉀試樣低溫自動聯(lián)合消解儀。在197℃恒溫下，可一次完成土壤全量氮磷鉀試樣自動聯(lián)合消解。試液可準確檢測N、P、K三元素含量，準確、快速、高效、低耗、環(huán)保。與目前中外經(jīng)典法相比：節(jié)能>95%，成本降90%左右，省時90%左右，功效提高8～12倍。

關(guān)鍵詞：低溫自動聯(lián)合消解儀氮素保護劑離子涂膜聚四氟乙烯密封防脹消解管

1882年，J.Kjedahl等相繼提出了土壤全量氮、磷、鉀分析方法。百余年來，分析檢測技術(shù)發(fā)展較快，每分鐘可檢測1～2個試樣[1，2]。但上述三元素試樣的融熔和消煮的原理、方法并無較大改觀[3-6]：耗時甚多、能耗太大、操作復雜，嚴重影響了分析速度及結(jié)果應(yīng)用。

盧明遠研究員在多年土壤分析及檢測領(lǐng)域研究基礎(chǔ)上[7-9]認為，原有土壤元素檢測過程中的消解過程存在耗能高、成本高、操作困難等不利因素，隨著科技的進步、新材料的出現(xiàn)，土壤氮磷鉀試樣消解實驗方法及手段也必須更新。

由賈玉杰組建、親自督導、設(shè)計實驗過程，并在中科院沈陽生態(tài)所、中科院南京土壤所、中科院黑龍江農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化所及通遼市土肥站、沈陽市農(nóng)科院

等單位專家、學者鼎力相助下，在沈陽金利潔環(huán)保科技股份有限公司研發(fā)實驗室，終于完成了“土壤全量氮磷鉀試樣低溫自動聯(lián)合消解儀”的研發(fā)。

在研發(fā)過程中，本著科學、嚴謹、真實、準確的科研態(tài)度，實驗過程中的數(shù)據(jù)參數(shù)、性能原理等要求得到保證，以盧立新為組長的認證中心為此項任務(wù)進行了嚴格把控，并通過數(shù)據(jù)分析，給與了積極正確的合理化建議。

該消解方法與樣機已通過國內(nèi)專家鑒定、政府批準(關(guān)鍵詞)：“國際領(lǐng)先”；“建議批量生產(chǎn)”。用戶使用報告(關(guān)鍵詞)：“為中外提供了一種新型分析儀器”“準確快速高效低耗”。

在上述基礎(chǔ)上，為了加快試樣消解速度，升級儀器性能及功效又深入進行了下述研究與研發(fā)。

1土壤全量氮磷鉀試樣低溫自動聯(lián)合消解方法研究

1.1全新的復合試劑—氮素保護劑及用量

為了加快消解速度降低消解溫度，人們普遍認知：加入高氯酸便可。但這必將造成氮素(N)損失(圖1)。但是如果在試樣消解時，是否可以加入適量氮素保護劑來避免N素損失，研發(fā)小組成員經(jīng)過上千次試驗，研究元素之間化學反應(yīng)式及配比量，最終完成如下配比構(gòu)成的氮素保護劑。

試樣劑量配比：

鹽酸HCl(濃度37wt%)5～15mL；醋酸CH3COOH(濃度99.8 wt %)80～120mL；硫酸H2SO4(濃度98wt %)400～500mL；高純稀有金屬(濃度99.9wt%以上)：鋰Li 1～3mg、鍶Sr 2～4mg、鈹Be 3～5mg，氯化鈉1～2g。

加入氮素保護劑后效果如圖2所示，多年大量檢測，分析結(jié)果也充分證明了這一效果(表1)。

氮素保護劑為土壤全量氮磷鉀試樣低溫自動聯(lián)合消解儀核心技術(shù)之一，已經(jīng)獲得國家發(fā)明專利，專利名稱《一種氮素保護劑及其制備方法和應(yīng)用》專利號ZL2012 10545315.5。

氮素保護劑配比方法，可參考專利文檔《一種氮素保護劑及其制備方法和應(yīng)用》說明書。

圖1　HClO4引起N損失

氮素保護劑儲存要求：將一定重量高純稀有金屬Li、Sr、Be等溶于乙酸、硫酸及鹽酸混合液中，加熱等處理后密封。

經(jīng)多年實驗：正常用量0.15～0.25mL/樣。

圖2　氮素保護劑效果

結(jié)果(%)國家標樣(常規(guī)法)國家標樣(氮素保護劑法)10.1390.13520.1280.13530.1350.13740.1330.13550.1390.13160.1400.13570.1340.13380.1330.13390.1330.132100.1290.135110.1330.13x0.1340.134Sx0.00390.0018cv2.911.34

常規(guī)通用法：H2SO4消煮。

注：我們的檢測值0.134%，最終被定為國家第一號標準樣全N值。

1.2離子涂膜技術(shù)

聚四氟乙烯密度2.2～2.3kg/m3,遠不及金屬，但耐強酸，比較耐高溫。實驗表明，它對待測物有一定吸附、固定等作用，影響檢測結(jié)果。為消除其影響，只要在常溫下用低濃度N、P、K標準液進行浸泡12小時后，197℃條件下再用土壤樣本進行老化處理兩次，進行離子涂膜，可有效消除對檢測物的影響(表2)。

表2　離子涂膜效果(回收實驗)

注：經(jīng)典法 (N)380℃ H2SO4法玻璃皿

(P)920℃ Na2CO3法Pt皿

(K)720℃ NaOH法Ag皿

1.3聚四氟乙烯密封防脹消解管

密封目的為減少漏氣，防脹環(huán)是防止消解管口在較高溫度下膨脹、反翻，規(guī)格見圖3。

1.4消解液中H2SO4用量

參照目前中外常規(guī)用量(下限)，試樣0.3000g加H2SO44mL;,試樣消解完全、分析結(jié)果準確。

其他試劑規(guī)格及用量經(jīng)多年大量實驗證實，均按表3進行，可靠、成熟。

表3　試樣消解組分及用量

用量氮素保護劑(mL)H2SO4(mL)HF(mL)HCLO4(mL)室溫至197℃的升溫速度(min)消解時間(h)砂土0.241.20.3403黃土0.241.20.3403黑土0.241.20.3403有機肥0.241.20.4604

注：試劑規(guī)格：

氮素保護劑新試劑 公司提供

H2SO4二級 (d ≈1.84 ，≥98%)

HCLO4二級 (d ≈1.2 ，70 — 72%)

HF二級 (d ≈1.28 ，≥40 %)

2CH·SJ-1501型土壤全量氮磷鉀試樣低溫自動聯(lián)合消解儀

2.1立式及臥式兩種型號儀器

為便于用戶選擇，目前正式研發(fā)出兩種型號，相同功能的儀器(立式及臥式)，如圖4、圖5。

圖4　立式消解儀

圖5　臥式消解儀

2.2儀器主要功能

(1)自動升溫，按設(shè)定時間(一般設(shè)定為40min)儀器自動由室溫升至197℃。

(2)達到197℃自動恒溫

(3)197℃±2℃，自動按設(shè)定時間(一般設(shè)定時間3小時)自動消解試樣。

(4)試樣消解完成后，自動關(guān)機。

(5)如果儀器失控，溫度達到200℃，儀器自動警報。

(6)試樣消解完成后，可自動吹冷風10min，加速降溫。

3實驗結(jié)果

為了考證土壤全量N.P.K試樣、低溫自動聯(lián)合消解方法和儀器，對黑龍江省的黑土，遼寧省草甸土和國家標樣分別進行對比試驗，其結(jié)果令人滿意(表4、表5、表6)。

結(jié)果表明，低溫自動聯(lián)合消解方法和儀器與目前中外的經(jīng)典法相比，除結(jié)果準確外，它還具有快速、高效、低耗等優(yōu)點；因消解全過程在密封、低溫下自動完成，因此它算數(shù)平均值、標準偏差及變異系數(shù)等更好。 此外，中科院南京土壤研究所，中科院沈陽應(yīng)用生態(tài)所，中科院黑龍江農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化所及沈陽市農(nóng)業(yè)科學院等多個單位亦為我們提供了可行的使用報告，在此一并致謝！

表4　土壤全量氮(N)結(jié)果　(%)

注：經(jīng)典法：380℃ ，H2SO4消煮試樣

表5　土壤全量磷(P)結(jié)果　(%)

續(xù)表5

注：經(jīng)典法：920℃ ，Na2CO3鉑皿熔樣

表6　土壤全量鉀(K)結(jié)果　(%)

注：經(jīng)典法：720℃ ，NaOH 銀皿熔樣

4結(jié)論

(1)620W、197℃、試樣與消解液共熱3～4小時，一次性完成試樣聯(lián)合消解。其試液可直接檢測N.P.K三元素，結(jié)果準確、可靠。

(2)專用試劑：“氮素保護劑”的研發(fā)及“離子涂膜技術(shù)”的創(chuàng)新為降低試樣消解溫度、加快消解速度提供了條件。

(3)該方法和儀器已通過國內(nèi)專家鑒定及沈陽市科委批準。鑒定結(jié)論(關(guān)鍵詞)：“國際領(lǐng)先”。

(4)此方法和儀器為新機理、新方法、新儀器。準確、快速、高效、低耗并且全自動完成試樣聯(lián)合消解。

(5)與目前通用經(jīng)典法相比：節(jié)能>95%；省時90%左右；成本降90%左右；功效提高8～12倍況且無環(huán)境污染。

(6)試樣在特制聚四氟乙烯密封消解管中，低溫、自動完成消解。檢測結(jié)果與經(jīng)典法相比，具有精度更高、變異系數(shù)及標準偏差更小，結(jié)果更精準等優(yōu)點。

(7)新試劑氮素保護劑可信，新方法可靠，新儀器可行。

參考文獻

[1]方肇倫，等.土壤消煮液中全量氮磷鉀流動注射分析.土壤通報，1982，(4)：40.

[2]孫歷敬，等.土壤化液中全N流動注射比色分析.土壤通報，1981，(3)：38.

[3]中國科學院南京土壤研究所.土壤理化分析.上海：上海科技出版社，1978：106.

[4]中國科學院南京土壤研究所.土壤農(nóng)業(yè)化學分析方法.北京：中國農(nóng)業(yè)科學出版社，2000：146-192.

[5]Thomds G M， Peaslee D.Soil testing and plat analysis, 1985 ed：115-130.

[6]Buresh R J, Austin E R,Craswell E T. Fertilizer Research，1982，3：37-62.

[7]盧明遠，等.土壤全量N.P.K聯(lián)合消解方法研究.土壤學報，1992，29(3)：334-340.

[8]盧明遠，等.土壤全量N.P.K聯(lián)合消解方法和儀器.土壤通報，1992，23(6)：36-38.

[9]盧明遠，等.Y.L-8960型聯(lián)合消解儀研制.土壤，1990，22(5)：272-274.

Study on soil total nutrients digestion instrument.

Jia Yujie1, Yang Guangzhao1, Wang Xin1, Lu Lixin2, Lu Mingyuan3, Sun Jiaxing4

(1.ShenyangJinLiJieEnvironmentalProtectionTechnologyCo.,Ltd.,Shenyang110003,China; 2.NortheastCertificationCo.,Ltd.,Shenyang110015,China; 3.ShenyangInstituteofAppliedEcology.ChineseAcademyofSciences,Shenyang110016,China; 4.ShenyangAcademyofAgriculturalSciences,Shenyang110034,China)

Abstract:The apparatus can digest the total nitrogen and phosphorus in soil samples in one time. The N P K elements can be detected accurately and efficiently.Compared with the current Chinese and foreign classic methods, it can save energy by 95%, reduce costs about 90% and improve work efficiency by 8-12 times.

Key words:soil total nutrients digestion instrument; nitrogen protecting agent; ion coating; teflon seal anti-inflation digestion tube

作者簡介：賈玉杰 女，1964年出生，碩士，畢業(yè)于河北師范大學有機化學專業(yè)，正高級職稱，沈陽金利潔環(huán)保科技股份有限公司任董事長，主管產(chǎn)品研發(fā)統(tǒng)籌及實驗設(shè)計等方面工作。

DOI:10.3936/j.issn.1001-232x.2016.03.006

收稿日期：2015-11-20