振蕩交換-抽濾淋洗結(jié)合凱氏定氮法快速測定土壤中的陽離子交換量

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.西北大學分析科學研究所，陜西省電分析化學重點實驗室， 陜西 西安 710069)

陽離子交換量(CEC)是度量土壤對溶液中陽離子交換吸附性能強弱的指標，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特性，同時也代表了土壤可能保持的養(yǎng)分數(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源，是改良土壤和合理施肥的重要依據(jù)[4-6]。土壤陽離子交換量在諸如土壤環(huán)境質(zhì)量評價和農(nóng)業(yè)農(nóng)耕等級分類等工作中都屬于必測項目，其特點是單批次送檢數(shù)量大，時間要求嚴格，因此建立快速、準確地測定土壤CEC 值的方法是非常必要的[7]。

測定不同pH值的土壤陽離子交換量有不同方法。如測定酸性和中性土壤的陽離子交換量，常用乙酸銨離心交換法[8-10]和氯化鋇-硫酸法[11-12]，測定石灰性土壤的陽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土壤陽離子交換量，如土壤水分保持曲線法[13]、可見光-近紅外光譜法[14-15]以及直接測定土壤陽離子組成及含量等改進方法[16-17]，都取得了滿意的效果。

目前我國測定土壤中陽離子交換量的林業(yè)標準方法(LY/T1243—1999)采用的是乙酸銨離心交換土壤中陽離子、手工蒸餾滴定法。此方法選用的儀器常規(guī)，方法較簡單，但是效率低，試劑成本大，重復步驟多，操作繁瑣，檢測時間偏長。為解決這一問題，有文獻指出可以采用振蕩的方式加速陽離子的交換和清洗[7，18]，但樣品振蕩后仍需離心的操作，故對陽離子交換步驟而言，只是減少了離心的次數(shù)，操作仍然繁瑣且耗時。而且，對陽離子清洗步驟，由于乙醇對土壤有分散作用，若延長振蕩時間則不易離心澄清，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-乙酸銨溶液通過機械振蕩方式交換土壤中的陽離子，采用抽濾方式淋洗多余的銨根離子，用凱氏定氮儀自動蒸餾，測定CEC值，可以有效提高工作效率及檢測精度。

1 實驗部分

1.1 儀器和裝置

全自動凱氏定氮儀：K1100型，山東海能科學儀器有限公司。

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，浙江余姚市紀銘稱重校驗設備有限公司。

振蕩器：HY-4/KS-1型，浙江金壇市大地自動化儀器廠。

1.2 標準物質(zhì)和主要試劑

土壤有效態(tài)成分分析標準物質(zhì)：GBW07461、GBW07458、GBW07415a(中國地質(zhì)科學院地球物理地球化學勘查研究所研制)。

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硫酸標準滴定溶液：取硫酸1.1mL，緩緩注入1000mL水中，冷卻，搖勻，用基準無水碳酸鈉標定。

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；實驗用水均為去離子水。

1.3 實驗方法

對于石灰性土壤，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，直到無氨味為止，若燒杯內(nèi)剩余溶液較少而仍有氨味時，則補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，按如下公式計算土壤的陽離子交換量CEC(cmol/kg)。

式中：c—硫酸標準滴定溶液的濃度(mol/L)；V—硫酸標準滴定溶液的用量(mL)；V0—空白試驗硫酸標準滴定溶液的用量(mL)；m—風干土樣質(zhì)量(g)；K—將風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 振蕩和蒸餾時間的選擇

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

表1振蕩時間和蒸餾時間條件實驗結(jié)果

Table 1 Experimental results under different oscillation time and distillation time

振蕩時間(min)CEC測定平均值(cmol/kg)蒸餾時間(min)CEC測定平均值(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，易引起土壤陽離子交換量的測定值偏低，因此需要增加洗滌次數(shù)，這又提高了時間和試劑成本；陽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4個，這嚴重降低了檢測效率，且離心管平衡不好時會發(fā)生外溢，污染轉(zhuǎn)子和離心腔，影響感應器正常工作。文獻[7]、[18]、[19]使用旋渦振蕩器振蕩以減少離心的次數(shù)，但旋渦振蕩器對于本實驗所需的離心管，每次處理的樣品非常有限，檢測效率提高并不明顯。本實驗使用水平往復式振蕩器，單次處理樣品數(shù)量大大增加，可以同時處理數(shù)量更多的樣品，且由于振蕩過程全自動進行，解放了人力，配合后續(xù)的淋洗操作，使得檢測效率有了大幅提高，樣品數(shù)量越多時改善效果越顯著。

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

在蒸餾過程中，傳統(tǒng)的蒸餾裝置部件眾多，安裝連接復雜，所占空間大；過多的操作步驟、蒸餾裝置氣密性不佳等容易造成待測組分損失嚴重，使測定結(jié)果偏低；蒸餾體積難以準確控制，不易獲得可靠的檢測結(jié)果。而采用凱氏定氮儀自動蒸餾，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?？紤]到鹽酸的揮發(fā)性強于硫酸，大批量檢測時可能出現(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行測定，同時做空白實驗，每個空白做7個平行，計算檢出限，每個樣做5個平行，計算精密度，同時記錄不同硫酸滴定硫酸銨溶液的平均時間，結(jié)果見表2。由表2可以看出，單個樣品的滴定時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。這是因為酸度越小，滴定體積越大，所需時間自然也就越長，而滴定體積越大，又稀釋了指示劑，終點更難以讀取，造成精密度下降。硫酸濃度小，滴定酸體積大，會稀釋指示劑和硫酸濃度大更容易過量兩個原因共同造成了檢出限的變化趨勢。

為了讓高低含量不同的樣品均能得到滿意的結(jié)果，本實驗選擇0.020mol/L硫酸作為滴定酸。文獻[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+濃度和文獻中鹽酸的H+濃度一致。

表2不同硫酸酸度條件滴定實驗結(jié)果

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

測定參數(shù)硫酸不同酸度(mol/L)的測定結(jié)果0.00050.0010.0050.0100.0150.0200.0500.100滴定時間(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行測定，同時做空白實驗，滴定結(jié)果見表3。

表3指示劑配比條件實驗

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滴定結(jié)果的判斷通常是通過三基色加和來確定滴定終點的，當傳感器檢測到光的三基色R(紅)、G(綠)、B(藍)≥40時，停止滴定。由表3滴定結(jié)果可知，對于前三種配比，由于三基色加和已超過40，儀器無法對樣品進行滴定，對于后三種配比，測定的準確度均可以滿足要求?？紤]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 方法驗證

2.4.1準確度和精密度

使用本方法和林業(yè)標準方法對標準物質(zhì)GBW07461、GBW07458、GBW07415a分別進行5次重復測定，陽離子交換量的測定值見表4。本方法的測定結(jié)果與認定值相符，且準確度和精密度均優(yōu)于林業(yè)標準方法。

2.4.2本方法與標準傳統(tǒng)方法的比較

對本方法和林業(yè)標準方法的主要測試步驟、配制試劑種類以及檢測周期的比較列于表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)。由比對結(jié)果可知，本方法在陽離子交換、蒸餾、滴定各個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。尤其對于大批量樣品的檢測，本方法的優(yōu)勢更為明顯。

表4本方法和標準方法的準確度和精密度對比

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

標準物質(zhì)編號CEC認定值(cmol/kg)本方法林業(yè)標準方法 LY/T1234—1999CEC分次測試值(cmol/kg)CEC測試平均值(cmol/kg)RSD(%)CEC分次測試值(cmol/kg)CEC測試平均值(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本方法和標準方法的操作流程對比

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

測試步驟和條件本方法林業(yè)標準方法LY/T1234—1999陽離子交換步驟振蕩和淋洗:耗時2h左右,但每次可處理超過100個樣品,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4個樣品,耗時約1h,但鈣鎂離子或銨離子可能會有殘留蒸餾步驟自動蒸餾:條件固定,蒸餾效率可以達到100%,單個樣品蒸餾時間需約4min手工蒸餾:裝置所占空間大,連接安裝復雜,容易造成組分損失,蒸餾體積和蒸餾效率難以準確控制,單個樣品蒸餾時間需約25min滴定步驟自動滴定:節(jié)省人力,單個樣品滴定時間約2min,滴定終點自動判斷,誤差較小手動滴定:單個樣品滴定時間約2min,但滴定終點容易產(chǎn)生偏差,且滴定過程人力消耗較大需要配制試劑種類912檢測所需時間(1個樣品)1.5h1.5h檢測所需時間(100個樣品)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造成待測成分損失；自動控制蒸餾時間提高了實驗效率和準確度。本方法較林業(yè)標準方法的成本低，速度快，可操作性強，特別適用于土壤環(huán)境質(zhì)量評價、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。隨著全自動淋洗儀、旋轉(zhuǎn)混勻儀、CEC前處理系統(tǒng)等設備的出現(xiàn)，將進一步提高檢測效率，同時還能避免人工操作可能帶來的偏差。

但該方法依然存在乙酸銨交換法的缺點：由于土壤中的黏土礦物(蛭石或和云母)有較強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法蒸餾出來而造成CEC測定值偏低。另外，對于一些鐵、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，會造成蒸餾后的CEC測定值偏高。