振蕩交換-抽濾淋洗結(jié)合凱氏定氮法快速測(cè)定土壤中的陽(yáng)離子交換量

馬怡飛， 張尼,2， 魏增， 高文旭， 王奎

(1.西安西北有色地質(zhì)研究院有限公司, 陜西 西安 710054；2.西北大學(xué)分析科學(xué)研究所，陜西省電分析化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710069)

陽(yáng)離子交換量(CEC)是度量土壤對(duì)溶液中陽(yáng)離子交換吸附性能強(qiáng)弱的指標(biāo)，可大致地反映出土壤中黏粒含量和黏土礦物成分，在一定程度上反映土壤的物理化學(xué)特性，同時(shí)也代表了土壤可能保持的養(yǎng)分?jǐn)?shù)量，即保肥性的高低[1-3]。它是土壤水穩(wěn)性和緩沖性能的主要來(lái)源，是改良土壤和合理施肥的重要依據(jù)[4-6]。土壤陽(yáng)離子交換量在諸如土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)和農(nóng)業(yè)農(nóng)耕等級(jí)分類等工作中都屬于必測(cè)項(xiàng)目，其特點(diǎn)是單批次送檢數(shù)量大，時(shí)間要求嚴(yán)格，因此建立快速、準(zhǔn)確地測(cè)定土壤CEC 值的方法是非常必要的[7]。

測(cè)定不同pH值的土壤陽(yáng)離子交換量有不同方法。如測(cè)定酸性和中性土壤的陽(yáng)離子交換量，常用乙酸銨離心交換法[8-10]和氯化鋇-硫酸法[11-12]，測(cè)定石灰性土壤的陽(yáng)離子交換量一般采用鹽酸-乙酸鈣交換法[9]、氯化銨-乙酸銨離心交換法。此外，也有很多研究者在嘗試采用其他方法檢測(cè)土壤陽(yáng)離子交換量，如土壤水分保持曲線法[13]、可見(jiàn)光-近紅外光譜法[14-15]以及直接測(cè)定土壤陽(yáng)離子組成及含量等改進(jìn)方法[16-17]，都取得了滿意的效果。

目前我國(guó)測(cè)定土壤中陽(yáng)離子交換量的林業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法(LY/T1243—1999)采用的是乙酸銨離心交換土壤中陽(yáng)離子、手工蒸餾滴定法。此方法選用的儀器常規(guī)，方法較簡(jiǎn)單，但是效率低，試劑成本大，重復(fù)步驟多，操作繁瑣，檢測(cè)時(shí)間偏長(zhǎng)。為解決這一問(wèn)題，有文獻(xiàn)指出可以采用振蕩的方式加速陽(yáng)離子的交換和清洗[7，18]，但樣品振蕩后仍需離心的操作，故對(duì)陽(yáng)離子交換步驟而言，只是減少了離心的次數(shù)，操作仍然繁瑣且耗時(shí)。而且，對(duì)陽(yáng)離子清洗步驟，由于乙醇對(duì)土壤有分散作用，若延長(zhǎng)振蕩時(shí)間則不易離心澄清，該步驟容易造成土壤樣品的損失。而使用凱氏定氮儀取代手工蒸餾及滴定已有大量報(bào)道[7-8，19]，故本文提出利用乙酸銨或氯化銨-乙酸銨溶液通過(guò)機(jī)械振蕩方式交換土壤中的陽(yáng)離子，采用抽濾方式淋洗多余的銨根離子，用凱氏定氮儀自動(dòng)蒸餾，測(cè)定CEC值，可以有效提高工作效率及檢測(cè)精度。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和裝置

全自動(dòng)凱氏定氮儀：K1100型，山東海能科學(xué)儀器有限公司。

電子天平：AL204型，瑞士梅特勒-托利多儀器有限公司。

電子天平：JM-B6002型，浙江余姚市紀(jì)銘稱重校驗(yàn)設(shè)備有限公司。

振蕩器：HY-4/KS-1型，浙江金壇市大地自動(dòng)化儀器廠。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和主要試劑

土壤有效態(tài)成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：GBW07461、GBW07458、GBW07415a(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所研制)。

氫氧化鈉溶液：濃度400g/L。

混合指示劑：將1份溶解于乙醇的0.1%甲基紅-乙醇溶液和5份溶解于乙醇的0.1%溴甲酚綠-乙醇溶液臨用時(shí)混合。

硼酸溶液：濃度20g/L，按100∶1比例加入混合指示劑。

0.02mol/L硫酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液：取硫酸1.1mL，緩緩注入1000mL水中，冷卻，搖勻，用基準(zhǔn)無(wú)水碳酸鈉標(biāo)定。

1mol/L乙酸銨溶液：稱取77.09g乙酸銨，用水溶解并定容至1L。

1mol/L氯化銨溶液：稱取53.49g氯化銨，用水溶解并定容至1L。

納氏試劑：稱取134g氫氧化鉀溶于460mL水中，稱取20g碘化鉀溶于50mL水中，加入約32g碘化汞，使溶解至飽和狀態(tài)，然后將兩溶液混合即成。

所用試劑除注明外，均為分析純；實(shí)驗(yàn)用水均為去離子水。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

對(duì)于石灰性土壤，稱取2.00g土壤樣品(精確到0.01g)于250mL錐形瓶中，加入氯化銨溶液50mL，蓋上表面皿，放在電爐上低溫煮沸，直到無(wú)氨味為止，若燒杯內(nèi)剩余溶液較少而仍有氨味時(shí)，則補(bǔ)加少量氯化銨溶液繼續(xù)煮沸，以完全分解除去土壤中的碳酸鈣，再加入60mL乙酸銨溶液，以下操作同非石灰性土壤。

根據(jù)滴定結(jié)果，按如下公式計(jì)算土壤的陽(yáng)離子交換量CEC(cmol/kg)。

式中：c—硫酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的濃度(mol/L)；V—硫酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的用量(mL)；V0—空白試驗(yàn)硫酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的用量(mL)；m—風(fēng)干土樣質(zhì)量(g)；K—將風(fēng)干土換算成烘干土的水分換算系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 振蕩和蒸餾時(shí)間的選擇

選擇不同振蕩時(shí)間和蒸餾時(shí)間，對(duì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07458(CEC參考值：31±1cmol/kg)三份平行樣進(jìn)行測(cè)定，同時(shí)做空白，測(cè)定結(jié)果平均值列于表1。由表1可以看出，隨著振蕩時(shí)間的增加，樣品中離子交換的比率也不斷提高，25min的振蕩時(shí)間已經(jīng)可以使樣品和乙酸銨溶液完成充分的陽(yáng)離子交換，振蕩時(shí)間繼續(xù)增加對(duì)測(cè)定結(jié)果無(wú)影響。綜合考慮效率和成本的因素，選擇振蕩時(shí)間為30min，能得到理想的效果。

表1振蕩時(shí)間和蒸餾時(shí)間條件實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Table 1 Experimental results under different oscillation time and distillation time

振蕩時(shí)間(min)CEC測(cè)定平均值(cmol/kg)蒸餾時(shí)間(min)CEC測(cè)定平均值(cmol/kg)518.911.451028.0228.31528.8330.82030.2431.02531.0530.93031.2631.13531.0731.04031.2831.0

通過(guò)普通搖勻后離心，其洗滌效率低，同等條件下，交換性鹽基離子可能并未交換完全，易引起土壤陽(yáng)離子交換量的測(cè)定值偏低，因此需要增加洗滌次數(shù)，這又提高了時(shí)間和試劑成本；陽(yáng)離子交換所用離心管需大于100mL，在此情況下，通常每批次樣品處理量不超過(guò)4個(gè)，這嚴(yán)重降低了檢測(cè)效率，且離心管平衡不好時(shí)會(huì)發(fā)生外溢，污染轉(zhuǎn)子和離心腔，影響感應(yīng)器正常工作。文獻(xiàn)[7]、[18]、[19]使用旋渦振蕩器振蕩以減少離心的次數(shù)，但旋渦振蕩器對(duì)于本實(shí)驗(yàn)所需的離心管，每次處理的樣品非常有限，檢測(cè)效率提高并不明顯。本實(shí)驗(yàn)使用水平往復(fù)式振蕩器，單次處理樣品數(shù)量大大增加，可以同時(shí)處理數(shù)量更多的樣品，且由于振蕩過(guò)程全自動(dòng)進(jìn)行，解放了人力，配合后續(xù)的淋洗操作，使得檢測(cè)效率有了大幅提高，樣品數(shù)量越多時(shí)改善效果越顯著。

隨著蒸餾時(shí)間的增加，氨被蒸餾出的比率不斷提高，4min的蒸餾時(shí)間已經(jīng)可以使樣品中氨被完全蒸餾出來(lái)并被硼酸溶液吸收，蒸餾時(shí)間繼續(xù)增加對(duì)測(cè)定結(jié)果也無(wú)影響。綜合考慮效率和成本的因素，選擇蒸餾時(shí)間為4min，能得到滿意的結(jié)果。一些報(bào)道中使用凱氏定氮儀蒸餾，蒸餾時(shí)間各不相同，如沈純怡等[7]采用4.5min，周圓等[8]采用2.7min，李荃[19]采用4min，這應(yīng)該是凱氏定氮儀的型號(hào)不同所造成的差異。

在蒸餾過(guò)程中，傳統(tǒng)的蒸餾裝置部件眾多，安裝連接復(fù)雜，所占空間大；過(guò)多的操作步驟、蒸餾裝置氣密性不佳等容易造成待測(cè)組分損失嚴(yán)重，使測(cè)定結(jié)果偏低；蒸餾體積難以準(zhǔn)確控制，不易獲得可靠的檢測(cè)結(jié)果。而采用凱氏定氮儀自動(dòng)蒸餾，條件固定，且蒸餾的重現(xiàn)性和蒸餾效率均明顯提高。

2.2 滴定酸濃度的選擇

滴定酸的濃度直接影響滴定的速率和結(jié)果的精密度，常用的滴定酸有硫酸和鹽酸兩種。考慮到鹽酸的揮發(fā)性強(qiáng)于硫酸，大批量檢測(cè)時(shí)可能出現(xiàn)滴定前期和后期酸度不一致的情況，故選擇硫酸作為滴定酸。

分別移取5mL硫酸銨溶液于消化管中，選擇不同濃度的硫酸作為滴定酸進(jìn)行測(cè)定，同時(shí)做空白實(shí)驗(yàn)，每個(gè)空白做7個(gè)平行，計(jì)算檢出限，每個(gè)樣做5個(gè)平行，計(jì)算精密度，同時(shí)記錄不同硫酸滴定硫酸銨溶液的平均時(shí)間，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可以看出，單個(gè)樣品的滴定時(shí)間以及精密度均隨著硫酸濃度的增加而降低，而檢出限隨著硫酸濃度的增加先增加后降低，而后又呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。這是因?yàn)樗岫仍叫。味w積越大，所需時(shí)間自然也就越長(zhǎng)，而滴定體積越大，又稀釋了指示劑，終點(diǎn)更難以讀取，造成精密度下降。硫酸濃度小，滴定酸體積大，會(huì)稀釋指示劑和硫酸濃度大更容易過(guò)量?jī)蓚€(gè)原因共同造成了檢出限的變化趨勢(shì)。

為了讓高低含量不同的樣品均能得到滿意的結(jié)果，本實(shí)驗(yàn)選擇0.020mol/L硫酸作為滴定酸。文獻(xiàn)[7-8,10,19]使用的滴定酸均為鹽酸，鹽酸濃度介于0.01～0.05mol/L之間，考慮到硫酸是二元酸，故本文選擇的滴定酸H+濃度和文獻(xiàn)中鹽酸的H+濃度一致。

表2不同硫酸酸度條件滴定實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Table 2 Experimental results under different sulfuric acid concentration as titration agent

測(cè)定參數(shù)硫酸不同酸度(mol/L)的測(cè)定結(jié)果0.00050.0010.0050.0100.0150.0200.0500.100滴定時(shí)間(min)10.826.934.002.222.312.031.861.73檢出限(0.01cmol/kg)1.882.167.604.061.431.063.5712.88RSD(%)1.581.531.461.010.870.750.720.69

2.3 指示劑配比的選擇

指示劑的配比是影響滴定結(jié)果最重要的因素。分別移取5mL硫酸銨溶液于消化管中，改變混合指示劑配比進(jìn)行測(cè)定，同時(shí)做空白實(shí)驗(yàn)，滴定結(jié)果見(jiàn)表3。

表3指示劑配比條件實(shí)驗(yàn)

Table 3 Experimental results under different indicator ratio conditions

V(甲基紅)∶V(溴甲酚綠)空白滴定結(jié)果(cmol/kg)樣品滴定結(jié)果(cmol/kg)RSD(%)5∶10.0000.000 0.000 0.000-2.5∶10.0000.000 0.000 0.000-1∶10.0000.000 0.000 0.000-1∶2.50.05425.22 25.00 24.940.591∶50.05625.04 25.11 24.920.401∶100.08424.72 25.14 24.601.13

本文使用的凱氏定氮儀對(duì)滴定結(jié)果的判斷通常是通過(guò)三基色加和來(lái)確定滴定終點(diǎn)的，當(dāng)傳感器檢測(cè)到光的三基色R(紅)、G(綠)、B(藍(lán))≥40時(shí)，停止滴定。由表3滴定結(jié)果可知，對(duì)于前三種配比，由于三基色加和已超過(guò)40，儀器無(wú)法對(duì)樣品進(jìn)行滴定，對(duì)于后三種配比，測(cè)定的準(zhǔn)確度均可以滿足要求。考慮到精密度的差別，本文選擇V(甲基紅)∶V(溴甲酚綠)=1∶5作為指示劑最終配比。

2.4 方法驗(yàn)證

2.4.1準(zhǔn)確度和精密度

使用本方法和林業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07461、GBW07458、GBW07415a分別進(jìn)行5次重復(fù)測(cè)定，陽(yáng)離子交換量的測(cè)定值見(jiàn)表4。本方法的測(cè)定結(jié)果與認(rèn)定值相符，且準(zhǔn)確度和精密度均優(yōu)于林業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法。

2.4.2本方法與標(biāo)準(zhǔn)傳統(tǒng)方法的比較

對(duì)本方法和林業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法的主要測(cè)試步驟、配制試劑種類以及檢測(cè)周期的比較列于表5(表中所列內(nèi)容均為非石灰性土壤的比較數(shù)據(jù)；對(duì)于石灰性土壤，只是增加了氯化銨處理步驟，其余操作步驟并未發(fā)生改變)。由比對(duì)結(jié)果可知，本方法在陽(yáng)離子交換、蒸餾、滴定各個(gè)步驟都有更好的表現(xiàn)，不僅提高了各步驟的效率，也更易得到滿意的結(jié)果。尤其對(duì)于大批量樣品的檢測(cè)，本方法的優(yōu)勢(shì)更為明顯。

表4本方法和標(biāo)準(zhǔn)方法的準(zhǔn)確度和精密度對(duì)比

Table 4 Comparison of accuracy and precision obtained by this methods and standard method

標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)編號(hào)CEC認(rèn)定值(cmol/kg)本方法林業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法 LY/T1234—1999CEC分次測(cè)試值(cmol/kg)CEC測(cè)試平均值(cmol/kg)RSD(%)CEC分次測(cè)試值(cmol/kg)CEC測(cè)試平均值(cmol/kg)RSD(%)GBW0746120±219.7 20.2 20.0 20.4 20.320.11.3819.7 19.5 20.4 19.8 20.520.02.22GBW0745831±130.6 31.2 30.7 31.1 30.230.81.3129.9 30.7 31.2 30.1 31.330.62.05GBW07415a19±118.7 19.0 18.8 19.2 19.119.01.0918.3 18.9 18.6 19.0 18.218.61.86

表5本方法和標(biāo)準(zhǔn)方法的操作流程對(duì)比

Table 5 Comparison of the operation procedure of this methods and standard method

測(cè)試步驟和條件本方法林業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法LY/T1234—1999陽(yáng)離子交換步驟振蕩和淋洗:耗時(shí)2h左右,但每次可處理超過(guò)100個(gè)樣品,且鈣鎂離子和銨離子的去除效果更好離心交換和清洗:需多次離心,每次處理不超過(guò)4個(gè)樣品,耗時(shí)約1h,但鈣鎂離子或銨離子可能會(huì)有殘留蒸餾步驟自動(dòng)蒸餾:條件固定,蒸餾效率可以達(dá)到100%,單個(gè)樣品蒸餾時(shí)間需約4min手工蒸餾:裝置所占空間大,連接安裝復(fù)雜,容易造成組分損失,蒸餾體積和蒸餾效率難以準(zhǔn)確控制,單個(gè)樣品蒸餾時(shí)間需約25min滴定步驟自動(dòng)滴定:節(jié)省人力,單個(gè)樣品滴定時(shí)間約2min,滴定終點(diǎn)自動(dòng)判斷,誤差較小手動(dòng)滴定:單個(gè)樣品滴定時(shí)間約2min,但滴定終點(diǎn)容易產(chǎn)生偏差,且滴定過(guò)程人力消耗較大需要配制試劑種類912檢測(cè)所需時(shí)間(1個(gè)樣品)1.5h1.5h檢測(cè)所需時(shí)間(100個(gè)樣品)12h65h

3 結(jié)論

建立的振蕩交換、抽濾淋洗結(jié)合凱氏定氮儀測(cè)定土壤中CEC的方法，免去了多次離心分離操作；避免了多次離心分離傾倒清液時(shí)造成待測(cè)成分損失；自動(dòng)控制蒸餾時(shí)間提高了實(shí)驗(yàn)效率和準(zhǔn)確度。本方法較林業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法的成本低，速度快，可操作性強(qiáng)，特別適用于土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)、地區(qū)土壤抽樣調(diào)查等批量大、速度要求高的土壤樣品分析工作。隨著全自動(dòng)淋洗儀、旋轉(zhuǎn)混勻儀、CEC前處理系統(tǒng)等設(shè)備的出現(xiàn)，將進(jìn)一步提高檢測(cè)效率，同時(shí)還能避免人工操作可能帶來(lái)的偏差。

但該方法依然存在乙酸銨交換法的缺點(diǎn)：由于土壤中的黏土礦物(蛭石或和云母)有較強(qiáng)的吸附銨離子的能力，乙酸銨又能與部分腐植質(zhì)形成可溶性膠體而后續(xù)被乙醇洗脫，因此使用此方法可能有部分的銨離子無(wú)法蒸餾出來(lái)而造成CEC測(cè)定值偏低。另外，對(duì)于一些鐵、鋁含量較高的酸性土壤，其中的膠體易吸附乙酸銨中的銨離子，難以被乙醇洗凈，會(huì)造成蒸餾后的CEC測(cè)定值偏高。