Optimization of Cation Exchange Capacity Determination in Soil by Hexamminecobalt Trichloride Method
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摘要:
土壤阳离子交换量(CEC)是评价土壤保肥能力和改良土壤、合理施肥的重要依据,同时也能影响土壤中污染物的迁移转化。与传统的乙酸铵交换法、乙酸钙交换法测定CEC的方法相比,三氯化六氨合钴法的操作步骤简洁,检测效率高,试剂消耗量小,对大批量样品的分析有明显优势。但该方法的适用范围较小,对中性和碱性样品检测结果好,而对酸性样品的检测结果偏低至50%。为解决以上问题,本文以2mol/L氢氧化钠溶液调节pH至碱性,样品的CEC测定值有显著提高,酸性和碱性样品测定结果均可达到标准值范围内。通过绘制pH调节曲线,得到不同pH范围的土壤样品中加入2mol/L氢氧化钠溶液体积,以此调节未知样品的pH值,实现CEC的准确测定。在原有的方法基础上调节样品pH至碱性,优化后的方法精密度范围为1.02%~3.82%(n=6)。
Abstract:Compared with the traditional ammonium acetate exchange method and calcium acetate exchange method to determine cation exchange capacity (CEC), hexamminecobalt trichloride method has obvious advantages in the analysis of large quantities of samples. However, the application scope of this method is limited, and the detection results of neutral and alkaline samples are good, but the detection results of acidic samples are as low as 50%. In order to solve these problems, the pH was adjusted to alkaline with 2mol/L sodium hydroxide solution, the CEC value of the sample was significantly improved, and the determination results of both acidic and alkaline samples reached the range of standard values. By drawing the pH adjustment curve, the volume of 2mol/L sodium hydroxide solution was obtained in soil samples with different pH ranges, so as to adjust the pH value of unknown samples and realize the accurate determination of CEC. On the basis of the original method, the pH of the sample was adjusted to alkalinity, and the precision of the optimized method ranged from 1.02% to 3.82% (n=6). After optimization, the application scope of the method is expanded, the precision and accuracy are improved, and the detection efficiency of a large number of samples is effectively improved.
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阳离子交换量(CEC)是指在一定pH值时(pH=7),每千克土壤中所含有的全部交换性阳离子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+、NH4+、Al3+等)的厘摩尔数(单位:cmol+/kg)[1-3],是研究土壤吸附特性的常规测定项目。土壤中CEC的大小代表了土壤可保持的养分数量,即土壤保肥性的高低,因此CEC可作为评价土壤保肥能力的指标[3-6];作为土壤缓冲性能的主要来源,CEC是调节土壤溶液离子浓度和保水能力、保持土壤溶液营养成分的重要因子,是改良土壤和合理施肥的重要依据[2,6-7]。同时,CEC还可影响有效态重金属等土壤中污染物的迁移转化[8-9],替代微生物的功能以实现土壤自身的调节[10],是土壤环境容量的重要影响因素[8,11]。土壤胶体类型、粒度、土壤溶液pH值以及有机质含量是影响CEC的主要因素。
近年来,国外学者探索了用可见-近红外光谱、便携式X射线荧光光谱法(XRF)、X射线衍射法(XRD)来测定土壤中的CEC[12-13],中国学者主要参照三种国家标准方法《中性土壤阳离子交换量和交换性盐基的测定》(NY/T 295—1995,乙酸铵交换法)、《土壤检测 第5部分 石灰性土壤阳离子交换量的测定》(NY/T 1121.5—2006,乙酸钙交换法)和《土壤阳离子交换量的测定 三氯化六氨合钴浸提-分光光度法》(HJ 889—2017)进行测试,其原理均是以一种离子取代土壤中的交换性阳离子[14]。前两项国标方法颁布时间较早,已被广泛使用,但这两种方法需要反复浸提离心并进行滴定,操作繁琐、耗时长、工作强度大[15-18],对大批量土壤样品的分析缺乏优势[19],分析过程中需要多次转移和稀释溶液,方法的系统误差和不确定度较大,需要大量的乙醇溶液反复淋洗,试剂种类多且消耗量巨大[20],使用和存储过程均存在安全隐患。与传统的乙酸铵交换法、乙酸钙交换法相比,三氯化六氨合钴法干扰少,操作步骤简洁[21],检测效率高,对大批量样品的分析有明显优势,试剂消耗量小,污染小且相对安全。但三氯化六氨合钴法未明确指出方法适用的土壤样品酸碱度范围,以该方法分析有证土壤标准物质GBW07416a(pH=4.71)、GBW07458(pH=6.14)、GBW 07414a(pH=8.18)和GBW07459(pH=8.61)时,CEC绝对偏差分别为9.9×10−2、5.4×10−2、1.5×10−2和1.9×10−2mol/kg,说明对碱性土壤CEC的测定效果好,对酸性土壤CEC的测定效果有待提高[21]。可能是由于三氯化六氨合钴法测定的土壤CEC含量受体系pH影响较大的原因所致[22-23]。
《土壤阳离子交换量的测定 三氯化六氨合钴浸提-分光光度法》(HJ 889—2017)中标明方法适用于土壤中阳离子交换量的测定。本课题组在实际检测中,按照该标准方法对已有的GBW07412~GBW07417、GBW07414a和GBW07460共8种国家有证标准物质检测其中CEC含量,实验中发现部分标准物质的CEC测定值在标准值范围内,但也有部分标准物质的CEC测定值比标准值偏低近50%。实验结果与前人的研究结果相同[21,24],表明现有的三氯化六氨合钴法并不能检测所有类型土壤的CEC。已有研究表明,体系pH是决定结果准确度的重要因素[25-26],可通过调节pH以提高方法准确度[20]。本文针对以上问题,通过以NaOH溶液调节pH,对现有的三氯化六氨合钴法浸提土壤CEC过程进行优化,探索不同酸碱度土壤样品的pH调节过程,明确不同pH值样品的NaOH溶液加入体积,完善方法适用范围,提高方法的准确度和精密度,提升大批量样品CEC的检测效率。
1. 实验部分
1.1 实验样品
选取GBW07412~GBW07417、GBW07414a和GBW07460共8种国家有证标准物质,涵盖酸性、碱性样品和不同CEC含量梯度,3件实际土壤样品为农田土壤,烘干破碎至200目,均匀性良好。标准物质和实际样品详细信息见表1。
表 1 标准物质和实际样品详细信息Table 1. pH and CEC in reference materials and samples标准物质 pH值 CEC标准值
(cmol+/kg)标准物质和实际样品 pH值 CEC标准值
(cmol+/kg)GBW07412 6.8 16.0±2.1 GBW07414a 8.18 17.0±1.0 GBW07413 8.15 13.0±1.1 GBW07460 8.5 9.6±1.3 GBW07414 8.18 22.4±1.7 样品1 6.23 — GBW07415 6.08 19.6±2.2 样品2 7.80 — GBW07416 4.71 11.2±1.5 样品3 5.51 — GBW07417 6.8 6.0±0.5 1.2 仪器和主要试剂
双光束紫外可见分光光度计(T9CS,北京普析通用仪器有限责任公司)。分析天平:感量为0.001g和0.01g(MS105DU,美国Mettler Toledo公司)。恒温振荡培养箱(HZQ-X100,苏州培英实验设备有限公司)。离心机:配有4个100mL离心工位的低速离心机(TD6M,河南北弘实业有限公司)。尼龙筛:孔径1.7mm(10目)。pH计(PHS-3E,上海雷磁传感器科技有限公司)。
三氯化六氨合钴[Co(NH3)6Cl3]:纯度99%,规格25g/瓶(购自上海麦克林生化科技有限公司)。
三氯化六氨合钴溶液:浓度为c[Co(NH3)6Cl3]=1.66cmol/L,配制方法:准确称取4.458g三氯化六氨合钴,以水定容至1000mL,配制好的溶液在4℃低温保存。
氢氧化钠:优级纯,500g/瓶(购自国药集团化学试剂有限公司)。
氢氧化钠溶液(2mol/L):准确称取8g氢氧化钠溶于水中,定容至100mL。
1.3 实验步骤
1.3.1 试样制备和检测
准确称取3.5g样品于100mL离心管中。加入50.0mL三氯化六氨合钴溶液,旋紧密封盖后置于振荡器上,振荡频率为260r/min,在20±2℃条件下振荡60±5min,振荡过程中保持土壤浸提液混合物处于悬浮状态。振荡后以4000r/min离心10min,上清液在24h内完成比色分析。
1.3.2 标准曲线的建立及消除干扰
在进行比色时,样品中的有机质在475nm处也会有吸收,从而影响CEC的测定结果。可同时以380nm处的吸光度来校正样品中有机质的干扰。若样品在475nm和380nm处测量所得的吸光度分别为A1和A2,则校正后的样品吸光度(A)为:A=1.025A1-0.205A2(参考HJ 889—2017)。本研究中样品的吸光度均为检测、校正后的吸光度。
配制浓度分别为0、0.166、0.498、0.830、1.16和1.49(cmol+/kg)的6种三氯化六氨合钴标准系列溶液,以水为参比,分别在475nm、380nm处测量吸光度,以三氯化六氨合钴溶液的浓度(cmol+/kg)为横坐标,以其对应吸光度为纵坐标,建立标准曲线。
按照与标准曲线的建立相同的步骤进行试样、空白试样的定量分析。
1.3.3 CEC测定结果计算
样品中的CEC按照公式(1)进行计算:
$$ \mathit{\mathit{\mathit{\mathit{C\mathit{\mathrm{\mathit{E}}\mathrm{\mathit{C}}}}}}}=\frac{\left(A_0-A\right)\times V\times3}{b\times m\times w_{\mathrm{d}\mathrm{m}}} $$ (1) 式中:CEC为土壤样品阳离子交换量(cmol+/kg);A0为空白试样吸光度;A为试样吸光度或校正吸光度;V为浸提液体积(mL);3为[Co(NH3)6]3+的电荷数;b为标准曲线斜率;m为取样量(g);$ {w}_{\mathrm{d}\mathrm{m}} $为土壤样品干物质含量(%)。
2. 结果与讨论
2.1 样品溶液pH的调节
2.1.1 溶液pH对CEC测定结果的影响机理
以HJ 889—2017中规定的实验过程(1.3.1节)分析样品GBW07412~GBW07415、GBW07460。表2测试结果表明酸性土壤标样的CEC测定值偏低,测定值只有标准值的50%左右,碱性土壤标样CEC测定结果不稳定,仅有个别碱性标样CEC测定结果在标准值范围内,这与前人研究结果相同[27-28]。土壤胶体微粒表面羟基(—OH)的解离受到介质pH的影响,当土壤pH降低时,H+含量增大,占据一定位置,土壤胶体微粒表面所负电荷减少,没有足够的位置供[Co(NH3)6]3+交换,阳离子交换量降低[22,27,29]。因此,测量前需调节pH至中性或碱性。
表 2 标准物质的pH值、标准值及不同pH条件下CEC的测定结果Table 2. The pH, standard values of national reference materials and the determination results of CEC at different pH.标准物质
编号调节pH前
CEC测定值
(cmol+/kg)调节pH后
CEC测定值
(cmol+/kg)CEC
标准值
(cmol+/kg)pH
标准值GBW07412 8.6 18.4 16.0±2.1 6.80 GBW07413 5.5 8.2 13.0±1.1 8.15 GBW07414 19.1 23.4 22.4±1.7 8.18 GBW07415 9.8 16.0 19.6±2.2 6.08 GBW07460 6.9 7.7 9.6±1.3 8.50 2.1.2 溶液pH调节效果
对GBW07412~GBW07415、GBW07460共5种土壤标准物质,分别称取3.5g样品于100mL离心管中,加入50mL三氯化六氨合钴溶液,在每种样品中加入0.004g氢氧化钠固体颗粒,振荡器260 r/min振荡1h,离心10min,分光光度计测量、计算CEC含量,结果见表2。与调节pH前相比,调节pH后的CEC测定值有了明显改善,酸性样品的CEC测定值有显著提高,部分样品测定结果在标准值范围内,说明对不同pH值的土壤样品进行CEC测量时,将pH调节至碱性有效地提高了测定结果准确度。
分别称取GBW07413、GBW07415、GBW07416、GBW07417和GBW07460各3.5g,加入50mL三氯化六氨合钴溶液(pH=6.28),在260r/min下振荡1h,以2mol/L氢氧化钠溶液为pH调节液,每次加入50µL并测量溶液pH,绘制pH调节曲线。图1结果表明,随着加入的2mol/L氢氧化钠溶液体积增加,溶液体系pH由急速上升逐渐放缓至稳定,碱性体系pH达到11附近时pH值趋于平缓,酸性体系pH达到9附近时pH值趋于平缓,可以分别将pH=11和pH=9作为碱性体系和酸性体系的调节终点,认为此时样品和溶液中的H+已全部被中和,H+对CEC测定的影响可基本忽略。
2.1.3 氢氧化钠溶液用量范围
在准确称取3.5g样品的前提下,比较了不同pH值的土壤的氢氧化钠溶液用量,通过将体系pH调节至调节终点,得到在不同pH范围的土壤样品中加入2mol/L氢氧化钠溶液体积(表3),以此调节未知样品的pH值,实现CEC的准确测定。调节样品pH后,可在不改变方法其他实验条件的基础上完善方法适用范围,提高方法的准确度和精密度,有效地提升大批量样品的检测效率。
表 3 不同土壤pH值范围下,2mol/L氢氧化钠溶液用量Table 3. Dosage of 2mol/L NaOH solution under different soil pH ranges土壤样品pH值范围 取用2mol/L氢氧化钠溶液
体积(mL)4~5 0.35 5~6 0.25 6~7 0.20 >7 0.15 根据土壤样品pH值加入适量氢氧化钠溶液,调节体系pH至碱性,以此来优化国标方法。优化后的方法可大幅地提升对酸性土壤样品CEC检测准确度,实现对酸性、中性、碱性土壤样品准确测定。
2.2 方法优化后的CEC计算公式
公式(1)中m×wdm是土壤样品干物质质量,$ \dfrac{({A}_{0}-A)\times V\times 3}{b} $应为土壤样品中阳离子物质的量,本文所用分光光度计所给出标准曲线的横纵坐标与国标方法中的横纵坐标相反,因此有b=1/k,所以$ ({A}_{0}-A)\times V\times 3\times k $是本研究中溶液体系阳离子物质的量。在本研究中向土壤样品加入氢氧化钠溶液以调节pH,样品中人为地引入Na+,增加了溶液体系阳离子物质的量(增加值为0.2×V1),在进行结果计算时应予以剔除。因此,根据本实验原理对CEC计算公式进行适当优化,样品CEC含量按照公式(2)进行计算:
$$ \mathit{\mathrm{\mathit{C}\mathit{E}\mathit{C}}}=\frac{\left(A_0-A\right)\cdot V\cdot3\cdot k-0.2V_1}{m\cdot w_{\mathrm{d}\mathrm{m}}}_{ } $$ (2) 式中:CEC为土壤样品的阳离子交换量(cmol+/kg);A0为空白试样吸光度;A为试样吸光度或校正吸光度;V为浸提液的体积(mL);3为[Co(NH3)6]3+的电荷数;m为取样量(g);wdm为土壤样品干物质含量(%);k为波长475nm的标准曲线斜率;V1为2mol/L氢氧化钠溶液体积(mL)。
2.3 标准曲线、方法检出限和测定下限
参照1.3.2节中标准曲线浓度,以水为参比,在475nm处测量吸光度,以三氯化六氨合钴溶液的浓度(cmol+/kg)为纵坐标,以其对应吸光度为横坐标,建立标准曲线C=1.64745×A−0.02862,线性相关系数r=0.9996,线性关系良好。
按照《环境监测 分析方法标准制修订技术导则》(HJ 168—2010)附录A.1.2分光光度法进行检测时,若空白实验中没有检出目标物质,则在没有前处理的情况下以扣除空白值后与0.01吸光度相对应的浓度值为检出限[30]。计算公式为:
$$ \mathrm{MDL}=0.01 / b=0.01 / 0.607=0.0165(\mathrm{cmol}+/ \mathrm{kg}) $$ 式中:b为标准曲线斜率。
当取样量为3.5g,浸提液为50mL时,方法检出限为 0.706(cmol+/kg)。以4倍方法检出限为测定下限[31]。本方法测定下限为:0.706×4=2.824(cmol+/kg)。对方法HJ 889—2017进行优化后,检出限和测定下限均有显著提升。
2.4 方法精密度、准确度及实际样品测试
选取GBW07412~GBW07417、GBW07414a和GBW07460共8种国家有证标准物质进行准确度和精密度测试,同时选取3件实际土壤样品,参照表3取用体积加入2mol/L氢氧化钠溶液,平行测定6次,测定结果见表4。8种标准物质CEC测定结果基本在标准值不确定度范围内,说明准确度好,酸性标准物质的CEC测定结果较优化前有显著提高。RSD范围为1.02%~3.82%(n=6),方法精密度较高,满足分析要求。3件实际土壤样品涵盖酸性样品和碱性样品,CEC含量有明显梯度,6次测定平行性好,说明优化后的分析方法可靠。
表 4 方法准确度和精密度实验结果Table 4. Precision and accuracy tests of the method标准物质编号 CEC标准值
(cmol+/kg)CEC单次测定值
(cmol+/kg)CEC测定平均值
(cmol+/kg)RSD
(%)GBW07412 16.0±2.1 16.3 16.6 15.7 16.2 2.09 16.5 16.1 15.9 GBW07413 13.0±1.1 10.7 11.0 10.6 10.9 2.81 11.0 11.4 10.7 GBW07414 22.4±1.7 21.1 21.2 21.1 21.3 1.02 21.5 21.4 21.6 GBW07415 19.6±2.2 17.0 17.3 17.3 17.3 1.06 17.2 17.5 17.4 GBW07416 11.2±1.5 11.4 10.6 11.4 11.3 3.82 11.9 11.4 11.2 GBW07417 6.0±0.5 6.5 6.5 6.5 6.4 1.61 6.4 6.2 6.5 GBW07414a 17.0±1.0 17.0 15.2 16.0 16.1 3.82 16.2 15.7 16.3 GBW07460 9.6±1.3 7.6 7.7 7.6 7.6 1.32 7.5 7.4 7.5 样品1 — 11.9 11.6 11.7 11.7 1.93 11.6 11.9 11.3 样品2 — 22.6 23.1 22.5 22.5 1.50 22.1 22.6 22.3 样品3 — 8.8 8.4 8.2 8.4 3.01 8.6 8.2 8.2 3. 结论
本文以2mol/L氢氧化钠调节溶液pH,样品的CEC测定值有显著提高,酸性和碱性样品测定结果均可达到标准值范围内。通过pH计测量溶液pH并以pH稳定点为调节终点,绘制pH调节曲线,得到在不同pH范围的土壤样品中加入2mol/L氢氧化钠溶液体积,以此调节未知样品的pH值,以适用于酸性、中性和碱性土壤样品的CEC测定,优化后方法准确度和精密度有所提高,有效地提升了大批量样品的检测效率。此外,在使用三氯化六氨合钴法测定土壤中CEC时应注意,不要用去离子水冲洗比色皿,原因是引入的去离子水会使样品吸光度降低,从而导致计算出的CEC结果偏大。
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表 1 标准物质和实际样品详细信息
Table 1 pH and CEC in reference materials and samples
标准物质 pH值 CEC标准值
(cmol+/kg)标准物质和实际样品 pH值 CEC标准值
(cmol+/kg)GBW07412 6.8 16.0±2.1 GBW07414a 8.18 17.0±1.0 GBW07413 8.15 13.0±1.1 GBW07460 8.5 9.6±1.3 GBW07414 8.18 22.4±1.7 样品1 6.23 — GBW07415 6.08 19.6±2.2 样品2 7.80 — GBW07416 4.71 11.2±1.5 样品3 5.51 — GBW07417 6.8 6.0±0.5 表 2 标准物质的pH值、标准值及不同pH条件下CEC的测定结果
Table 2 The pH, standard values of national reference materials and the determination results of CEC at different pH.
标准物质
编号调节pH前
CEC测定值
(cmol+/kg)调节pH后
CEC测定值
(cmol+/kg)CEC
标准值
(cmol+/kg)pH
标准值GBW07412 8.6 18.4 16.0±2.1 6.80 GBW07413 5.5 8.2 13.0±1.1 8.15 GBW07414 19.1 23.4 22.4±1.7 8.18 GBW07415 9.8 16.0 19.6±2.2 6.08 GBW07460 6.9 7.7 9.6±1.3 8.50 表 3 不同土壤pH值范围下,2mol/L氢氧化钠溶液用量
Table 3 Dosage of 2mol/L NaOH solution under different soil pH ranges
土壤样品pH值范围 取用2mol/L氢氧化钠溶液
体积(mL)4~5 0.35 5~6 0.25 6~7 0.20 >7 0.15 表 4 方法准确度和精密度实验结果
Table 4 Precision and accuracy tests of the method
标准物质编号 CEC标准值
(cmol+/kg)CEC单次测定值
(cmol+/kg)CEC测定平均值
(cmol+/kg)RSD
(%)GBW07412 16.0±2.1 16.3 16.6 15.7 16.2 2.09 16.5 16.1 15.9 GBW07413 13.0±1.1 10.7 11.0 10.6 10.9 2.81 11.0 11.4 10.7 GBW07414 22.4±1.7 21.1 21.2 21.1 21.3 1.02 21.5 21.4 21.6 GBW07415 19.6±2.2 17.0 17.3 17.3 17.3 1.06 17.2 17.5 17.4 GBW07416 11.2±1.5 11.4 10.6 11.4 11.3 3.82 11.9 11.4 11.2 GBW07417 6.0±0.5 6.5 6.5 6.5 6.4 1.61 6.4 6.2 6.5 GBW07414a 17.0±1.0 17.0 15.2 16.0 16.1 3.82 16.2 15.7 16.3 GBW07460 9.6±1.3 7.6 7.7 7.6 7.6 1.32 7.5 7.4 7.5 样品1 — 11.9 11.6 11.7 11.7 1.93 11.6 11.9 11.3 样品2 — 22.6 23.1 22.5 22.5 1.50 22.1 22.6 22.3 样品3 — 8.8 8.4 8.2 8.4 3.01 8.6 8.2 8.2 -
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