自動機(jī)械分散密度計(jì)法測定土壤機(jī)械組成

張尼，周團(tuán)坤，張瑩，姚谷敏

(西安西北有色地質(zhì)研究院有限公司，陜西 西安 710054)

土壤機(jī)械組成是土壤分類的重要診斷指標(biāo)，是土壤地理研究、土壤改良、土建工程和區(qū)域水分循環(huán)過程等研究的重要內(nèi)容[1-10]。

目前，國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的測定方法基本都是采用密度計(jì)法或吸管法[11-15]。土壤樣品制備為土壤懸液后，人工使用攪拌棒進(jìn)行機(jī)械分散，然后通過密度計(jì)或吸管進(jìn)行測定，密度計(jì)法應(yīng)用更為普遍。但人工機(jī)械分散易導(dǎo)致分析結(jié)果重復(fù)性差，重現(xiàn)性也不佳。

本工作以自主研制的自動機(jī)械分散裝置替代人工，結(jié)合密度計(jì)法，建立測定土壤機(jī)械組成新方法，避免人工操作誤差，提高分析結(jié)果的精密度，提升現(xiàn)有分析技術(shù)水平和分析效能，保證檢測結(jié)果質(zhì)量。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

去離子水;六偏磷酸鈉、草酸鈉、氫氧化鈉均為分析純；分散劑為六偏磷酸鈉水溶液(3.0 mol/L)、草酸鈉水溶液(1.0 mol/L)、氫氧化鈉水溶液(0.5 mol/L)；土壤，土壤樣品均來源陜西省及甘肅省兩個區(qū)域，采集土地包括農(nóng)用地、林地、耕地、企業(yè)用地和礦山用地等。土壤機(jī)械組成等級涵蓋黏土、壤土和砂土。樣品均為風(fēng)干后過2 mm土壤篩的篩下樣品。

TM85甲種土壤密度計(jì)；1 000 mL的平底量筒(沉降洞)；自動機(jī)械分散裝置，自制。結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 自動分散裝置示意圖Fig.1 The schematic diagram of automatic dispersion device

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 干擾去除 稱取10～50 g風(fēng)干后的土壤樣品于500 mL錐形瓶，按照環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行去除可溶鹽和石膏、鐵氧化物、碳酸鹽等干擾[11]。

1.2.2 化學(xué)分散 根據(jù)土壤pH，加入不同的分散劑(石灰性土壤加25 mL六偏磷酸鈉溶液；中性土壤加25 mL草酸鈉溶液：酸性土壤加25 mL氫氧化鈉溶液)，再加水于錐形瓶中，使懸浮液體積約為250 mL。搖勻后靜置2 h。然后，在錐形瓶口放一小漏斗，在電熱板上加熱，微沸1 h，在煮沸過程中要經(jīng)常搖動錐形管，以防土粒沉積于瓶底結(jié)塊。

1.2.3 濕篩分 將63 μm洗篩放在漏斗中，置于沉降筒上，待懸液冷卻后轉(zhuǎn)入洗篩，用洗瓶沖洗，直至篩下流出的水清澈為止，然后加水至1 L刻度。留在洗篩上的砂粒轉(zhuǎn)移至蒸發(fā)皿，在電熱板上蒸干后移入烘箱，于(105±2)℃烘6 h，冷卻后分別過0.60 mm和0.212 mm土壤篩，稱重，并計(jì)算各粒級砂粒質(zhì)量。

1.2.4 機(jī)械分散和沉降 將裝待測懸液的沉降筒置于恒溫室，待溫度平衡后，將沉降筒放置在裝置中,攪拌器按照預(yù)設(shè)程序，在1 min內(nèi)，上下勻速攪動各30次。攪拌器包括304不銹鋼攪拌桿和聚四氟乙烯攪拌片(直徑50 mm,孔徑3 mm)。

1.2.5 懸液粒度測定 機(jī)械分散完畢后，立刻計(jì)時，在10～15 s緩慢放入密度計(jì)，在測定開始沉降后30 s、1，2，4，8，30 min，8，24 h等時刻的密度，按照斯托克斯定律計(jì)算粒度組成。

2 結(jié)果與討論

2.1 攪拌片觸底效果

對同一沉降筒樣品A1，分別采用人工觸底分散、裝置不觸底分散、裝置觸底分散，在相同的環(huán)境溫度下進(jìn)行攪拌，利用密度計(jì)法分別在30，60，120，240，480，1 800 s進(jìn)行密度測定。結(jié)果顯示，密度計(jì)讀數(shù)無論是人工分散，或者是裝置分散，觸底結(jié)果均明顯大于不觸底裝置分散，說明觸底是影響結(jié)果的準(zhǔn)確性的非常重要的因素。從相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)計(jì)算結(jié)果來看，裝置分散的精密度明顯優(yōu)于人工分散。

2.2 自動分散頻次和時間

由于整個機(jī)械分散過程所需時間不長，自動分散裝置的攪拌頻率對縮短流程時間意義不大，因此，參考現(xiàn)行國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)，仍采用2 s一個攪拌周期的攪拌頻率。在上述頻率下，分別對三個不同土壤樣品B1、B2、B3，在相同的環(huán)境溫度下，分別攪拌20，30，40，50，60，80，100次，在30，60，120，240，480，1 800 s 處，采用密度計(jì)法進(jìn)行懸液密度測定。結(jié)果顯示，隨著攪拌次數(shù)的增加，密度計(jì)讀數(shù)逐漸升高，當(dāng)攪拌周期大于50 s時，密度計(jì)讀數(shù)趨于穩(wěn)定?？芍S著攪拌次數(shù)的增加，土壤懸液逐漸攪拌充分，當(dāng)攪拌周期大于50 s時，土壤懸液被攪拌均勻、穩(wěn)定。

2.3 攪拌片移動位置

對攪拌片進(jìn)行上下攪拌的過程中，由下至上，提拉至距離液面的距離進(jìn)行了考察。實(shí)驗(yàn)分別在距離液面距離1，2，3，4 cm處，對3種土壤樣品懸液C1、C2、C3進(jìn)行了測定。攪拌時間為1 min，上下共計(jì)60次。結(jié)果顯示，隨著攪拌片距離液面越遠(yuǎn)，密度計(jì)讀數(shù)在3 cm處略有下降，在4 cm處讀數(shù)下降幅度增大。此外，攪拌片在1，2 cm處的讀數(shù)良好，但是1 cm處距離液面太近，導(dǎo)致液面晃動更強(qiáng)烈，不利于密度計(jì)快速靜止。此外，產(chǎn)生大量泡沫的幾率會增加，這會干擾密度計(jì)的測定。因此，選擇距離液面距離為2 cm。

2.4 方法評價

由于市場沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)可售，因此自制了14種土壤樣品D1-D14，用作方法驗(yàn)證，樣品涵蓋了砂土、壤土和黏土。分別通過人工機(jī)械分散密度計(jì)法和自動機(jī)械分散密度計(jì)法，對樣品進(jìn)行比對分析。樣品各進(jìn)行3次平行測試，測得粒徑分別為2～0.6，0.6～0.212，0.212～0.063，0.063～0.002 mm、<0.002 mm的土粒質(zhì)量百分比。計(jì)算各粒級質(zhì)量百分比的平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、相對標(biāo)準(zhǔn)偏差和極差，結(jié)果見表1。

由表1可知，各粒級的14種土壤樣品，采用自動機(jī)械分散法的精密度，無論從標(biāo)準(zhǔn)偏差、相對標(biāo)準(zhǔn)偏差還是極差等參數(shù)上，整體明顯要優(yōu)于人工機(jī)械分散法。

采用當(dāng)前現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)方法HJ 1068—2019和ISO 11277—2009的分析質(zhì)量要求對該方法測定結(jié)果進(jìn)行評價。環(huán)保行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HJ 1068—2019采用平行樣差值來評價分析結(jié)果的質(zhì)量，而國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 11277—2009采用標(biāo)準(zhǔn)偏差來評價分析質(zhì)量。參照上述標(biāo)準(zhǔn)評價方法，將本方法測定14種樣品的分析結(jié)果與上述標(biāo)準(zhǔn)方法評價要求進(jìn)行對比。結(jié)果顯示，采用自動機(jī)械分散密度計(jì)法對14件樣品的測定結(jié)果，僅有2個結(jié)果不滿足環(huán)保行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，合格率為97%，而僅有1個樣品數(shù)據(jù)超過ISO 11277—2009規(guī)定上限，合格率為98%。采用人工機(jī)械分散方法的測定結(jié)果，按照環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)和ISO標(biāo)準(zhǔn)的合格率分別僅有74%和70%。

3 結(jié)論

以自主研制的全自動土壤懸液攪拌裝置為基礎(chǔ)，建立了采用自動機(jī)械分散替代現(xiàn)有方法中人工機(jī)械分散的測定土壤中機(jī)械組成的方法。采用自動機(jī)械分散密度計(jì)法測定土壤機(jī)械組成具有較好的重復(fù)性，相比采用人工方法所測結(jié)果的精密度要好。并且，基于自動機(jī)械分散裝置實(shí)現(xiàn)土壤顆粒組成的樣品前處理過程關(guān)鍵步驟自動化，代替人工操作，工作效率提高2倍以上，節(jié)約了50%的人工成本，同時避免了人工操作造成的至少30%返工復(fù)查率的成本。該方法提高了土壤機(jī)械組成測定方法的準(zhǔn)確度以及分析效率，從經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)效益方面，均有積極意義。