土壤中阳离子交换量分析方法优化思路分析

2020-07-17于巧银

绿色环保建材 2020年7期

于巧银

安徽工作环境监测有限责任公司

1 引言

土壤中阳离子交换量主要是指土壤样品吸附阳离子的能力，其数值单位为coml/kg，它作为衡量土壤保肥能力的重要指标，能够为土壤整治、测土配方施肥工作提供有力依据，因此，研究者要深入研究该项指标的测定分析方法，并采取优化措施，提高测定分析结果的准确度，增强该指标的效用。

2 方法优化研究意义

土壤吸附阳离子的能力主要体现在土壤胶体表面所附着的净负荷量，因此，人们通常采用所吸附阳离子总量，来量化土壤的阳离子吸附能力，并将数值单位设置为coml/kg。一般来说，阳离子交换量数值的大小直接能够体现出土壤保肥能力的强弱，所以在土壤检测中，人们经常会采用土壤阳离子交换量作为评价土壤保肥能力的重要指标。为此，研究者们正在不断地寻求阳离子交换量测定分析的高效途径。就目前来看，工作者常用的测定方法为乙酸铵、乙酸钙等方法，其中乙酸铵法已经成为检测酸性、中性土壤的常规方法，但该方法具有操作过程复杂、前处理效率低、蒸馏滴定过程易受影响等特质。专家们为了提高该方法的应用效果研发了智能一体化蒸馏联合技术等优化方法，提升了该方法的应用水平。然而在滴定部分的优化处理依然在探索中，因此，研究者借助基于全自动淋洗、蒸馏滴定装置，基于淋洗法、蒸馏滴定一体化技术，针对传统方法构建了优化思路，以期提高检测工作的效率和效果。

3 方法优化研究过程

3.1 材料设施准备

在土壤中阳离交换量测定中，乙酸铵法的主要作用原理是先利用1mol/L 的中性乙酸铵溶液多次处理土壤，使其成为饱和土。其次，用乙醇溶解土中多余乙酸铵后，再将土壤水洗到凯氏瓶中，并加入固体氧化镁蒸馏。再次，利用硼酸吸收反应生成的氨气，之后使用盐酸标准溶液滴定。最后，基于NH4+的量，计算出土壤中阳离子的交换量。为此，在材料设施准备上，研究者需要准备1mol/L中性乙酸铵溶液、1mol/L氯化铵溶液、无乙醇溶液、20g/L 硼酸溶液、甲基红-溴甲酚绿混合指示剂、氧化镁、0.1mol/L 盐酸标准溶液、土壤样本这几种试验材料，同时，为了保障试验的先进性和有效性，研究者还应根据当前阳离子交换量测定方法的发展，基于淋洗法、蒸馏滴定一体化技术，选用JE502 电子天平、ML 型可调式电热板，如图1 所示，K1100F 全自动凯式定氮仪，如图2所示，CEC400阳离子交换前处理系统这几台试验应用仪器设施。此外，在选择仪器、材料的过程中，研究者皆采用了正规厂家生产的常规性产品，基本不存在仪器材料质量、性能方面的试验结果影响因素，保障了分析结果的准确性。

图1 ML型可调式电热板图

图2 K1100F全自动凯式定氮仪

3.2 分析步骤设计

结合研究者在上述内容中提出的研究原理以及相关技术，此次试验中的阳离子交换量测定操作被设计为以下几个步骤。

（1）土壤处理，中、酸性土壤需要进行风干、过2mm 筛处理，而碱性土壤待风干过筛后还要经过消解处理，才能投入使用。

（2）消解处理，以2g 风干过筛土壤的消解为例，研究者要先将其放入200ml烧杯中，并加入50ml的氯化铵溶液，再将其放置在50℃的电热板上，煮沸至无氨味为止，该煮沸阶段大概耗时45min～60min。煮沸操作结束后即可认定消解环节完成。

（3）淋洗处理，待消解完成后，研究者还要用乙酸铵将土壤洗入搅拌杯中，设置参数进行乙醇淋洗试验。

（4）蒸馏滴定处理，研究者需将布式漏斗中粘有土壤的滤纸用20～30ml的蒸馏水吸入消化管中，并向其中加入固态氧化镁，然后利用蒸馏装置进行蒸馏滴定处理和空白试验。

（5）待上述试验过程完毕后，研究者还要根据试验所得出的

NH4

+的量，以计算的方式求解出最终的阳离子交换量。在此过程中，研究者所应用计算公式为：C*(V-V0)*100/m*k*10，其中m为土壤质量、k为土壤水分换算系数、C表示盐酸标准溶液浓度、V为蒸馏滴定处理的溶液用量、V0空白试验的溶液用量。

3.3 乙酸铵搅拌操作分析

乙酸铵搅拌操作主要是为了将土壤中存在的阳离子提取出来。根据物质的反应规律，研究者提出搅拌操作的时长对试验结果可能会产生影响，因此为了得出最佳操作步骤，研究者采用同一种土壤，分别进行时长1min、5min、15min、20min、25min的乙酸铵搅拌操作，并记录下了在上述5 种搅拌时长条件下的试验结果。试验结果显示，在这5 种条件下，测定的阳离子交换量数值分别为7.0cmol/kg、8.8cmol/kg、9.9cmol/kg、9.9cmol/kg、9.9cmol/kg。其中，在搅拌时长达到15min时，所得的9.9cmol/kg测定值处于试验标准值范围内，而在5min、1min 两个时长条件下，所得出的测定值小于标准值范围，因此可以得出15min以下的搅拌时长不能将土壤中的阳离子充分交换出来。在搅拌时长在15min以上时，研究者发现，最终的测定值没有出现明显变化，由此可知，乙酸铵搅拌操作的最佳时长为15min，所以在全自动淋洗仪的运行参数设定中，工作者将乙酸铵搅拌时长设置为15min，即可达到最优操作效果。

3.4 乙醇淋洗次数分析

乙醇淋洗环节的设置主要是为了去除土壤中多余的NH4+离子，保障试验结果的准确性，因此，该环节作为阳离子交换测定法中的重要组成部分，研究者需要寻求最佳的乙醇淋洗次数，来深入优化测定效率。在此过程中，工作者采用了同一类型的土壤，并分别将其淋洗2～8次，然后将测定结果分别记录下来。在这7 种淋洗次数的条件下，研究者所得出的CEC 测定值分别为

11.1cmol/kg、10.9cmol/kg、9.9cmol/kg、9.2cmol/kg、6.5cmol/kg、7.2cmol/kg、7.8cmol/kg。其中之后四次、五次淋洗所得出的数据9.9cmol/kg、9.2cmol/kg 处于标准范围内，由此可以看出，淋洗次数小于四次时，土壤中的多余铵离子不能被完全分离，而在乙醇淋洗次数大于五次时，土壤中的一部分胶体可能被分离，导致试验结果值偏低。根据此次试验，研究者从4 和5 次淋洗中，选取了4次作为乙醇淋洗处理的最佳操作次数参数，因此，在全自动淋洗仪的参数调整中，工作者需要将乙醇淋洗次数设置为4次，来保障最佳淋洗效果[1]。

3.5 蒸馏时间分析

在蒸馏滴定环节中，自动凯氏定氮仪器上的蒸馏时间参数，作为仪器最重要的运行参数，能够直接影响到最终结果的准确性，因此，研究者提出以蒸馏时间为切入点，来实现该项环节的优化。在此过程中，工作者分别在蒸馏时间为3.5min、4min、4.5min、5min、5.5min、6min 的条件下，对同一种土壤样品进行了阳离子交换量测定，希望得出蒸馏时间与测定结果准确性之间的关联。经过试验，研究者得出在上述6种蒸馏时长条件下，所测定阳离子交换量分别为7.1cmol/kg、7.9cmol/kg、8.1cmol/kg、9.8cmol/kg、9.8cmol/kg、10cmol/kg，其中仅有5min 时长条件下得出的9.8cmol/kg 处于标准值范围内。基于此，研究者得出，5min以下样品中的铵离子尚未被提取完全，由此可知5min为蒸馏环节的最佳时长，因此，全自动凯氏定氮仪的调节中，工作者将蒸馏时间参数调整为5min即可实现最佳蒸馏操作[2]。

3.6 方法精密度测试

在确认上述优化步骤之后，研究者对经过优化后的淋洗法、蒸馏滴定一体化技术开展了精密度测试，意在检验优化行为是否对该技术的精密度产生影响。在此过程中，研究者基于行业标准《LY/T1243-199》，采用了行业标准方法来分别对三种土壤样本开展阳离子交换测试，并将测试结果与经优化后技术下，阳离子交换结果进行对比。测试结果显示，通过优化后的交换技术所得出的结果中存在的相对标准偏差在0.87%～1.07%，远远小于行业标准方法下3.87%～5.18%的相对标准偏差，因此，优化措施并没有影响到一体化技术的精密度，而且证实了经优化后的技术具有更高的精密度。

3.7 方法准确度测试

在分析方法的优化中，该环节的设定主要是为了测试，在蒸馏5min、乙酸铵搅拌15min、乙醇淋洗4次的前提下，一体化技术的准确度是否能够满足阳离子交换分析工作的要求。在此过程中，研究者需要利用优化后的分析技术，对3种国家标准物质进行测定，同时，要反复测定6次，保障准确度测试效果。测试结果显示，经过优化后的分析技术所测定的CEC均在标准范围内，从此可以看出，上述各项优化措施并未影响分析技术的准确度，研究者可以将该技术应用到常规的土壤阳离子交换量测定中。