微孔濾膜法土壤陽離子交換量檢測方法的研究

山東同濟測試科技股份有限公司 山東 煙臺 264000

土壤(soil)指位于陸地表層能夠生長植物的疏松多孔物質層及其相關自然地理要素的綜合體[1]。而土壤陽離子交換量(Cation Exchange Capacity簡稱CEC)是指帶負電荷的土壤膠體，借靜電引力而吸附溶液中陽離子的數量，以每千克干土所含全部代換陽離子的物質的量(cmol，按一價離子計)表示。它是評價土壤保水保肥能力、緩沖能力的重要指標，是改良土壤和合理施肥的重要依據，在土壤環境質量評價或農業農耕等級分類項目中屬于必測項目，同時也是土壤環境影響評價技術中的重點理化項[2]，它對于保障農田土壤的緩沖性能、保存土壤營養成分、避免土壤溶液生理失衡具有至關重要的意義。同時，土壤陽離子交換量能為農田土壤的改良以及施肥提供科學依據[3]。

CEC的檢測方法很多，美國農業部規定用求和法測定陽離子交換量[4]；國際標準ISO11260：1994(E)[5]和ISO 13536：1995(P)[6]規定了有效陽離子交換量和潛在陽離子交換量的測定方法；乙酸銨交換法是國內外普遍應用的常規分析方法[7]，適用于酸性和中性土壤。1999年發布的LY/T1243采用氯化銨-乙酸銨交換法是測定石灰性土壤的較好方法[8]。2017年發布了HJ889使用三氯化六氨合鈷浸提-分光光度法[9]。以NY/T 295-1995為代表的經典的攪拌離心法缺點是操作繁瑣，反復處理樣品，分析周期長，工作效率低，并且難以批量處理。其共同特點是要實現“離子交換過程”，要完成充分交換，需重復操作多次，費時費力。

本文介紹一種微孔濾膜檢測柱，三步法實現離子交換過程，使分析步驟化繁為簡，減少試劑用量，極大提高檢測效率，批量處理更加節省時間，并且該裝置裝卸方便，可以重復利用，能夠有效提高其精密度和準確度。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器 乙酸銨AR、硼酸AR、酸性鉻蘭KAR、氫氧化鉀AR、氧化鎂AR，天津市恒星化學試劑制造有限公司提供；氨水GR、鹽酸AR、甲基紅AR、紅色碘化汞AR，國藥集團化學試劑有限公司提供；萘酚BAR，天津市致遠化學試劑有限公司提供；溴甲酚綠AR，天津市光復精細化工研究所提供；乙醇(95%)AR，煙臺三和化學試劑有限公司提供；氯化銨AR，天津市永大化學試劑有限公司提供；無水碳酸鈉工作基準試劑，上海山浦化工有限公司提供；碘化鉀GR，成都市科隆化工試劑廠提供；氯化鈉AR，天津市鼎盛鑫化工有限公司。

土壤微孔濾膜檢測柱，實驗室自制，并取得專利(專利號：ZL20172 1183040.X)；JTCQ-24B固相萃取儀，杭州聚同電子有限公司產品；FA224電子分析天平，上海舜宇恒平科學儀器有限公司產品；TRM4-2L土壤研磨機，連云港市春龍實驗儀器有限公司產品；PTTRX-24PT新型土壤干燥箱，常州普天儀器制造有限公司產品；SFJ-200土壤篩分機，連云港市春龍實驗儀器有限公司產品，K1100全自動凱氏定氮儀，濟南海能儀器股份有限公司。

樣品一：國家標準物質 土壤有效態成分分析標準物質GBW07460(ASA-9)陜西黃綿土，地球物理地球化學勘察研究所產品。

樣品二：在煙臺市福山區張格莊鎮進行土壤采集，采集后的樣品經晾干研磨后備用。

1.2 實驗方法

1.2.1 試樣制備 風干后樣品經TRM4-2L土壤研磨機研磨5min，SFJ-200土壤篩分機過10目篩。

1.2.2 土壤處理：

第一步：稱取制備好的試樣1.00g，與填充劑混合均勻后，放入土壤微孔濾膜檢測柱管體中。批次處理的樣品個數取決于固相萃取儀的管道數，本室用JTCQ-24B固相萃取儀為24通道，即可以同時處理24個樣品。啟動固相萃取儀，自動加入乙酸銨溶液(1.2.1)，沖洗至流出液不含鈣離子。(鈣離子鑒定方法：取5mL濾液中加入pH=10緩沖液(1.2.7)1mL，加入少許K-B指示劑(1.2.8)，若溶液中呈藍色，則說明鈣離子已除盡；若溶液呈紫色，則說明還存在鈣離子，需繼續加乙酸銨溶液(1.2.1)，直至濾液中無鈣離子為止。)

第二步：啟動固相萃取儀，在土壤微孔濾膜檢測柱中自動加入95%乙醇溶液(1.2.2)淋洗，至淋洗液中午銨離子。(銨離子鑒定方法：取濾液滴于白瓷盤中，立即加一滴納氏試劑(1.2.10)，若無黃色，說明銨離子已除盡；若變黃色，則需要繼續加入95%乙醇溶液(1.2.2)，直至濾液中無銨離子。)

第三步：啟動固相萃取儀，每個土壤微孔濾膜檢測柱自動加入80mL水淋洗，并轉入定氮瓶中，蒸餾前在凱氏定氮瓶中加入幾滴液體石蠟和1g左右氧化鎂(1.2.9)，立即把凱氏定氮瓶裝在K1100全自動凱氏定氮儀，用0.025mol/L鹽酸標準溶液(1.2.6)滴定，同時做空白試驗。根據NY/T295-1995所列公式進行CEC值的計算。

2 結果與分析

2.1 重復性試驗 對實驗室土壤樣品和國家級土壤標準物質(GBW07460(ASA-9)，標準值9.6±1.3cmol/kg)，用經典攪拌離心法和微孔濾膜檢測柱法，重復6次測定CEC值，統計相對標準偏差(RSD%)，結果見表1、2.

表1 兩種方法的測定結果比較(土壤樣品二)

表2 兩種方法的測定結果比較(GBW07460(ASA-9)，標準值9.6±1.3cmol/kg)

結果顯示，用土壤微孔濾膜檢測柱法檢測的相對標準偏差小于常規乙酸銨法的，表明該方法具有更好的精密度，檢測結果穩定，重復性好。

2.2 回收試驗

表3 經典攪拌離心法回收率(GBW07460(ASA-9)，標準值9.6±1.3cmol/kg)

表4 微孔濾膜檢測柱法回收率(GBW07460(ASA-9)，標準值9.6±1.3cmol/kg)

標準值 9.6 9.6 9.6 9.6 9.6 9.6回收率(%) 102 103 98.1 101 97.7 96.6

結果顯示，用土壤微孔濾膜檢測柱法準確度較高，完全能滿足國標要求，回收率在96.6%～103%，說明處理和淋洗過程更充分，誤差更小。

2.3 實驗用時比較

表5 處理時間和通量比較

上表可以看出，經典的攪拌離心處理方法檢測8個樣品，從稱樣到檢測完畢需要9.33個小時，全程都需要人工參與操作；而微孔濾膜檢測柱法處理24個樣品從稱樣到檢測完畢僅需5小時，且淋洗處理的時間是設備自動進行，所以淋洗的同時可以稱取第二批樣品，第一批樣品在全自動凱氏定氮儀滴定時第二批樣品在自動淋洗，即一個工作日7個小時可以處理48個樣品，處理通量是前者的8倍。

3 結論

本文研究了微孔濾膜土壤離子檢測柱測定陽離子交換量的方法，該方法可操作性強，準確度和精密度均滿足要求，并且處理交換更充分快速。同時去掉了繁瑣的洗滌、攪拌、離心等反復處理過程，三步法實現離子交換過程，使分析步驟化繁為簡，檢測效率大大提高，批量處理更加節省時間，能提高效率8倍左右。并且該檢測柱裝卸方便，可以重復利用，節能環保，特別適用于單批次送檢量大，時間要求嚴格的實驗室使用。此外，微孔濾膜土壤離子檢測柱法適用于各種類型的土壤樣品的檢測。由此可見，微孔濾膜土壤離子檢測柱配合自動固相萃取儀和全自動凱氏定氮儀適用于大批量、速度要求高的土壤樣品檢測，例如土壤抽樣調查等工作中應用。

本法的高效使用需要固相萃取儀，對于無固相萃取儀的實驗室，可以手工移液器添加淋洗液，經驗證，也能提高2-3倍的工作效率。