振蕩抽濾-pH計指示電位滴定法快速測定土壤樣品中陽離子交換總量

李光一 任曉榮 周彧琛 張飛鴿 曲少鵬

(湖北省地質實驗測試中心，武漢 430034)

前言

土壤陽離子交換量即CEC 是指土壤膠體所能吸附各種陽離子的總量。土壤陽離子交換量是影響土壤緩沖能力高低，也是評價土壤保肥能力、改良土壤和合理施肥的重要依據，在農業土地質量評估項目及土壤環境質量監測項目中為常測項目[1-3]。土壤陽離子交換量的測定是用交換劑也叫飽和劑把土壤膠粒上吸附的離子交換下來然后進行測定。文獻常報道的交換劑種類主要為含NH4+、Ca2+、Ba2+等離子的無機化合物[4-9]，行業標準方法采用NH4+為離子交換劑，NH4+具有土壤中含量較少，多余的NH4+易被洗去，且不會引起土壤被洗散，交換到土壤膠體上的NH4+被測定方法較多的優點。NH4+的測定常采用的是手工滴定凱氏定氮法以及自動定氮儀凱氏定氮法[10-11]，此方法蒸餾時間較長，并且偶有樣品餾出液顏色較深干擾滴定終點的判斷，從而造成分析誤差較大。

近年需檢測土壤陽離子交換量的項目較多，通常為農業土地質量評估項目及土壤環境質量監測項目，此類項目具有樣品數量大、分析時間要求較短的特點。而常采用的林業部和農業部標準方法選擇的是采用銨鹽進行交換，通過離心的方式反復交換后采用凱氏定氮法進行人工滴定[12-13]。但此方法具有流程時間長、試劑消耗量大、樣品易損失、分析效率低的缺點。對于樣品量大的項目，難以滿足其時間進度要求。故本文提出采用振蕩并結合抽濾的方式實現陽離子的動態交換，土壤離子交換完全后，并用甲醛-氯化鈣溶液交換土壤飽和吸附的銨離子最終采用氫氧化鈉溶液進行中和滴定，并用pH計指示滴定終點，可以提高分析效率和分析結果的準確度、精密度。

1 實驗部分

1.1 儀器和設備

BSA124S型電子天平(德國賽多利斯公司)、振蕩器、真空泵、30孔抽濾箱、PHS-3C型pH計(上海雷磁儀電科學儀器股份有限公司)。

1.2 主要試劑

乙酸銨溶液(1 mol/L)：稱取77.1g乙酸銨固體用去離子水定容到1 L，用pH計與氨水調到pH=7.0±0.2。

氯化銨溶液(1 mol/L)：稱取77.1g氯化銨固體用去離子水定容到1 L，搖勻。

K-B指示劑：0.5 g酸性絡藍K和1.0 g萘酚綠B，與100 g于105 ℃烘過的氯化鈉一同研磨細勻，儲存于棕色玻璃瓶中。

甲基紅-溴甲酚綠：稱取0.066 g甲基紅固體、0.099 g溴甲酚綠用無水乙醇定容到100 mL容量瓶中，搖勻。

甲醛-CaCl2溶液(1 mol/L)：稱取125 g無水氯化鈣溶于水冷卻、量取125 mL甲醛溶液，用去離子水定容到1 L容量瓶中，用稀鹽酸調節pH=8.6(pH計測定)。

酚酞：稱取1 g酚酞，用無水乙醇定容至100 mL容量瓶中，搖勻。

NaOH溶液(0.06 mol/L)：稱取2.4 g NaOH用燒開放冷的去離子水溶解并定容至1 000 mL容量瓶中。

NaOH溶液的標定：稱取0.05 g(精確至±0.000 1 g)曾在120℃烘箱中烘干2 h的鄰苯二甲酸氫鉀置于250 mL錘形瓶重，加入50 mL剛煮沸冷卻的去離子水，攪拌溶解，加2滴酚酞指示劑，用配制的NaOH標準溶液滴定至溶液呈粉紅色。

CNaOH—氫氧化鈉標準溶液的濃度，mol/L

V—滴定時所消耗氫氧化鈉的體積，mL

204.23—鄰苯二酸氫鉀的分子量，g/mol

1.3 實驗方法

稱取5.0 g風干土壤樣品于50 mL小燒杯中。酸性或中性土壤加入12 mL NH4OAc(1 mol/L)溶液(堿性土壤預先加入10 mL NH4Cl溶液，低溫蒸至無銨味)，振蕩0.5 h，用乙酸銨淋洗抽濾，直至濾液無鈣鎂離子。

用中速定量濾紙抽濾，用工業酒精多次淋洗直到最后一滴濾出液檢測不到銨根離子為止(甲基紅-溴甲酚綠不變藍)。將濾渣連同濾紙一起取出放入錐形瓶內，用少量去離子水將漏斗壁沖洗干凈并全部倒入錐形瓶內。加入25 mL甲醛-CaCl2溶液，加入兩滴酚酞試劑，充分振蕩搖勻，靜置5 min。用NaOH標準溶液滴定，用pH計準確控制滴定終點pH=8.60±0.2。

1.4 陽離子交換量的計算

根據公式(1)計算陽離子交換容量(CEC，cmol/kg)：

(1)

c——NaOH標準溶液的濃度，mol/L；

V——消耗NaOH標準溶液的體積，mL；

m——稱取樣品重量，g。

2 結果與討論

2.1 離子交換方式、水溶性銨洗脫方式的選擇

土壤中帶負電荷膠粒吸附的陽離子與土壤溶液中的陽離子進行交換，稱為陽離子交換作用。該過程為可逆的平衡過程，需不斷除去產物，促進反應正向進行，直到濾液或離心液中無鈣鎂離子，此時表示離子交換完全，土壤為氨基飽和土壤[14]。溶液中多余的銨離子需通過工業酒精反復洗滌，直至濾液中無銨離子。

通過選取有效態國家一級標準物質ASA-10，采用振蕩-抽濾交換方式與反復離心方式進行比對，通過K-B指示劑與甲基紅-溴甲酚綠指示劑的指示分別判定銨離子交換完全的時間與水溶銨離子的洗脫時間，結果列于表1。

表1 離心交換與振蕩-抽濾交換時間比對Table 1 Comparison of centrifugal exchange and oscillation-suction exchange time

由表1可以看出振蕩-抽濾方式在銨離子交換過程和水溶銨離子洗脫過程的時間均要小于離心交換方式，時間縮短一倍，效率大幅提高。并且離心交換方式，試劑消耗量大，樣品處理過程中溶液樣品易撒漏，因此振蕩-抽濾方式優于離心交換方式。

2.2 乙酸銨用量選擇

乙酸銨溶液作為離子交換劑與土壤膠體吸附的陽離子進行置換的過程為動態平衡過程，乙酸銨溶液的加入量對離子交換率影響很大。

稱取5.0 g國家一級標準樣品ASA-6a、ASA-7、ASA-9、ASA-10，分別加入4、6、8、10、12、14、16 mL 乙酸銨，并按照實驗方法測定，測定結果如圖1所示。

從圖1中可以看出，1 mol/L乙酸銨溶液用量達到10 mL能夠將土壤吸附的陽離子交換完全，乙酸銨用量增加對于分析結果的影響很小。乙酸銨的用量增加，會增加溶解銨的洗脫時間，綜合考慮分析效率，乙酸銨的用量為12 mL。

圖1 不同乙酸銨用量測定結果對比圖Figure 1 Comparison of the results of different amounts of ammonium acetate.

2.3 甲醛-CaCl2溶液用量及反應時間

Ca2+將土壤中吸附的銨離子置換到溶液中，甲醛與銨離子發生縮合反應，生成弱酸，再用標準堿溶液滴定，甲醛-CaCl2溶液的加入量對此反應過程的完成程度有很大影響[15]。選取國家一級標樣ASA-6a、ASA-7、ASA-8、ASA-9、ASA-10，按照實驗方法操作之后，分別加入10、15、20、25、30、35、40 mL甲醛-CaCl2溶液，測定值如圖2所示。

圖2 不同甲醛-CaCl2溶液用量測定結果對比圖Figure 2 Comparison of the results of different formaldehyde-CaCl2 solutions.

由圖2可知溶液加入體積達到20 mL之后，測定結果穩定并且接近于標準值，為了能夠確保高含量樣品能夠反應完全，甲醛-CaCl2溶液加入體積為25 mL。

甲醛法測定銨離子過程包含兩部分，首先Ca2+將土壤中吸附的銨離子置換到溶液中，然后甲醛與銨離子發生縮合反應，等反應完全之后才能用標準堿溶液滴定。但放置時間過長，甲醛溶液被氧化生成弱酸，會導致滴定結果偏高。選取國家一級標樣ASA-7，按照實驗方法操作，加入甲醛-CaCl2溶液后，分別放置2、5、10、20、40、60、120 min測定結果如圖3所示。

圖3 不同反應時間測定結果對比圖Figure 3 Comparison chart of the results of different reaction times.

從圖3可以看出，加入甲醛-CaCl2溶液后放置5 min，反應完全，測定結果接近標準值。當時間大于20 min后，由于甲醛的氧化，測定結果開始不斷偏高，則滴定時要控制在5～20 min。

2.4 滴定終點的確定

在測定土壤陽離子交換量時，由于土壤樣品成分復雜，有些樣品有機質含量較高，溶液渾濁，且溶液顏色較深，干擾滴定終點的顯色。如用傳統手工滴定，以酚酞顏色為滴定終點，滴定終點誤差較大。采用pH計指示滴定終點，分析結果重現性較好[16]。

滴定后溶液中主要成分六次亞甲基四銨(CH2)6N4是很弱的堿，Kb=1.4×10-9，根據酸堿平衡理論，溶液的pH值為8.6，因此用pH計控制的滴定終點為pH=8.6。但在實際實驗過程中，若以pH=8.6作為滴定終點會使測定結果比標準值偏高，因此做了不同滴定終點pH值的對比實驗。實驗結果見表2。

表2 不同滴定終點pH值測定結果Table 2 pH results of different titration endpoints /(cmol·kg-1)

從表2可以看出，當終點pH值為8.5時，測定結果更接近標準值，則確定滴定終點pH值為8.5。

2.5 方法驗證

按照實驗方法，平行測定8次有效態標準樣品ASA-6a、ASA-7、ASA-8、ASA-9、ASA-10，并計算測定結果準確度與精密度(表3)。

表3 方法精密度與準確度Table 3 Method precision and accuracy /(cmol·kg-1)

從表3看出選取的5個國家有效態一級標準物質的相對誤差均在5%以內，相對標準偏差均在7%以內，滿足相關規范的要求。

3 結論

以行業標準方法為基礎，為了提高方法的分析效率與分析結果的準確度、精密度，對分析條件進行了改進。首先對離子交換過程進行了研究，選取了乙酸銨為離子交換劑，對于石灰性土壤采用氯化銨-乙酸銨為離子交換劑。實驗對乙酸銨的用量、離子交換方式與剩余水溶性銨離子洗脫方式等條件進行了優化，最終乙酸銨用量為12 mL，交換方式為振蕩-抽濾的方式。采用此種方式單個樣品交換速率較高，并且容易實現批量處理，相對于離心交換方式，處理效率大大提高。被土壤吸附的銨離子先用甲醛-CaCl2溶液反應后用電位滴定的方式進行測定。其中采用電位滴定的方式相對于凱氏定氮儀的測定效率更高，適于批量分析。則本項目采用電位滴定的方式，測定了5個有效態國家一級標準樣品，對方法的準確度與精密度水平進行了統計，并與規范做比較進行評定，該方法的測定結果各項參數均能滿足規范要求。