一种适用于非饱和土壤元素活性态提取的梯度扩散薄膜技术
技术领域
本发明属于土壤无机元素监测领域,涉及一种用于旱作土壤等环境介质分析中无机元素易动态提取薄膜梯度扩散技术(Diffusive gradients in thin films,DGT) 装置。
背景技术
1994年,薄膜梯度扩散(Diffusivegradients in thin-films,DGT)技术应运而生, DGT技术由保护膜、扩散膜及结合相结合,其中结合相是DGT的核心部件之一。梯度扩散薄膜(DGT)技术是一种新型的原位被动采样技术,能富集被监测物质,并能根据被监测物质富集量定量测定环境中该物质的有效态浓度,是目前较为理想的元素形态采集和分析方法(Davison et al,1994;Zhang et al.,1995;Scally et al.,2006)。DGT技术具有操作简便灵活、原位和定量化的环境中金属和非金属元素浓度等优点。目前,DGT已广泛应用于土壤、水、和沉积物的重金属污染监测。 DGT在水份饱和状态下作为一种有效的原位监测技术。而对于旱地等水分无法达到饱和状态的土壤环境,DGT的运用,受到了很大的限制。
旱作土壤常规监测重金属有效态的方式,目前仍采用异位采样的方式,利用化学提取法来提取土壤中重金属有效态含量。其方法监测过程过于复杂,从而在过程中增大的试验误差,导致试验准确性不足。
目前,关于旱地原位无机元素监测技术的相关报道还没可见,本发明着重 DGT在缺水的旱地土壤条件下的运用,原有的DGT提供了重金属浓度梯度,而本文所述旱地用DGT结合膜由重金属吸附材料与吸水材料(低交联的丙烯酰胺) 相结合的复合材料替代原有的单一性的重金属吸附材料。利用无机元素在土壤中随水运移的特点,通过计算有效水在土壤中的运移系数,即为土壤中活性态元素的扩散系数。通过DGT计算公式计算得出相应元素的CDGT浓度,大大的弥补了 DGT不能应用于旱地土壤的缺陷。
发明内容
本发明目的在于克服现有DGT技术的不足之处,提供一种可用于旱作土壤 DGT制作方法,本方法制备的DGT可提供无机元素和水两个梯度,使其能够原位在旱作土壤中吸附重金属,大大提升了检测结果的精确性,降低了监测成本,弥补了原有DGT不能在缺水条件下的使用。
本发明为实现上述目的,所采用的技术方案是:
一种适用于非饱和土壤元素活性态提取的梯度采样器,包括圆形底座、扩散支架网以及密封盖,在圆形底座上同轴固装圆筒形扩散支架网,扩散支架网上部同轴密封嵌装密封盖,在扩散支架网内缘同轴敷贴扩散膜,扩散支架网的扩散膜内缘同轴滑动安装一压力阀片,在压力阀片与密封盖之间安装一压缩弹簧,在压力阀与底座之间的扩散膜内填充重金属吸收凝胶。
而且,所述扩散膜为再生纤维膜,排阻分子量为7000-15000。
一种适用于非饱和土壤具有生物利用性的重金属有效态浓度测定方法,计算方法如下
重金属有效态浓度CDGT,公式(1)
CDGT=MΔg/DAt (1)
式中:CDGT表示土壤在一定时期内的重金属有效态测量值;M为在DGT展开时间内结合相上累积的金属量;A为DGT窗口面积;Δg为扩散层厚度;D 为重金属随土壤有效态水在土壤中的扩散系数(cm2·s-1);t为装置展开时间。
对于重金属随土壤有效态水在土壤中的扩散系数D,由公式(2)得出:
D=slpe·Δg/C·A·60(2)
式中C为土壤有效态水含量,其由公式(3)计算得出:
C=m1-m2 (3)
式中:m1为原土壤重量;m2为烘干土重。
而且,方法使用的采样器结构如下:包括圆形底座、扩散支架网以及密封盖,在圆形底座上同轴固装圆筒形扩散支架网,扩散支架网上部同轴密封嵌装密封盖,在扩散支架网内缘同轴敷贴扩散膜,扩散支架网的扩散膜内缘同轴滑动安装一压力阀片,在压力阀片与密封盖之间安装一压缩弹簧,在压力阀与底座之间的扩散膜内填充重金属吸收凝胶。
而且,所述重金属吸收凝胶的制备方法为:将重金属吸附材料和保水剂过筛,按重金属吸附材料与保水剂体积比1-5:10,将两种材料放入干粉混匀机高速混匀3min,得到混合均匀后的材料。
而且,重金属吸附材料制备方法为:步骤如下:
⑴将DTPA改性材料和丙烯酰胺凝胶溶液混合搅拌,并超声2-3分钟,使DTPA 改性颗粒充分散开;所述DTPA改性材料:丙烯酰胺的重量比=3~1:10;
⑵加入10wt%的过硫酸铵溶液,体积为V(过硫酸铵溶液):V(丙烯酰胺凝胶)=3:500;并加入四甲基乙二胺,体积为V(四甲基乙二胺):V(丙烯酰胺凝胶)=3:2000;
⑶在低温超声1-3分钟后将悬浊液快速注入一定厚度的玻璃槽内,用玻璃盖板盖好后转入4-10℃低温培养箱培养20-40分钟后将其平移至恒温恒湿培养箱于42℃条件下培养1h,而后取出放在超纯水中,30分钟后取出凝胶,24小时内换水至少三次制得DGT结合相;
所述步骤⑴中DTPA改性材料的改性方法如下:
⑴向水中加入氨水,按体积比V(NH4(OH)):VI(H2O)=1:3混匀,而后加入DTPA 及甲醇,重量为W(DTPA):WI(H2O)=5:11,W(CH4O):WI(H2O)=5:366将其充分溶解后备用,为溶液I;
⑵另取一烧杯加入一定量的水和氨水,体积为V(NH4(OH)):VII(H2O)=1:3,充分混匀后备用,为溶液II;
⑶将上述两种溶液同时加入到含有MgCl2·6H2O、AlCl3·6H2O的溶液中获得溶液III,其中重量比为W(MgCl2·6H2O):WIII(H2O)=2:59,W(AlCl3·6H2O):W3(H2O)=5:62,体积为溶液I:溶液II:溶液III=1:8:21,充分混合后,调节pH达9以上;高速搅拌10~20min,老化50~80min后采用喷雾干燥方式干燥成小于75μm的细颗粒,为DTPA改性材料。
DGT结合相络合的重金属的洗脱方法为:采用2M的HNO3洗脱,结合相可被HNO3溶解,洗脱率达100%。
而且,所述保水剂为聚丙烯酰胺。
而且,所述聚丙烯酰胺呈白色颗粒晶体状,主要成分为:丙烯酰胺65%-66%丙烯酸钾23%-24%水8%-10%交联剂0.5%-1.0%,交联后形成聚丙烯酰胺保水剂。
本发明的优点和积极效果如下
本申请提供的可用于旱地的重金属有效态提取设备首次解决了旱地重金属检测的问题,重金属吸附材料内包含保水剂,能够在干燥的土壤内吸附水分,当材料吸附十分后,材料膨胀,向上顶起压力阀片,当压力阀片向上移动后,表明土壤中水分进入到吸附材料中,便可以直接取出材料,进行重金属检测,操作和标识都十分清楚,操作极其方便。
本发明外套具有设计简单、操作方便,可批量生产,成本低廉,避免渗土渗水等特点。
本申请提供的可用于旱地的重金属有效态提取设备首次解决了旱地重金属检测的问题,重金属吸附材料内包含保水剂,能够在干燥的土壤内吸附水分,当材料吸附十分后,材料膨胀,向上顶起压力阀片,当压力阀片向上移动后,表明土壤中水分进入到吸附材料中,便可以直接取出材料,进行重金属检测,操作和标识都十分清楚,操作极其方便。
本发明外套具有设计简单、操作方便,可批量生产,成本低廉,避免渗土渗水等特点。
附图说明
图1为本重金属有效态提取设备的结构示意图。
图2为DGT结合相中Cd对时间的累积量。
图3孔隙水随时间扩散进入DGT中的量。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的内容、特点及功效,提供以下实施例,详细说明如下,需要说明的是,本实施例是描述性的,不是限定性的,不能由此限定本发明的保护范围。
一种适用于非饱和土壤元素活性态提取的梯度采样器,包括圆形底座6、扩散支架网4以及密封盖1,在圆形底座上同轴固装圆筒形扩散支架网,扩散支架网上部同轴密封嵌装密封盖,在扩散支架网内缘同轴敷贴扩散膜3,扩散膜为再生纤维膜,排阻分子量为7000-15000之间,扩散支架网的扩散膜内缘同轴滑动安装一压力阀片5,在压力阀片与密封盖之间安装一压缩弹簧2,在压力阀与底座之间的扩散膜内填充重金属吸收凝胶7,正常状态下,弹簧向下挤压压力阀片,压力阀片挤压重金属吸收凝胶,重金属挤压凝胶包含重金属吸附材料和保水剂。
扩散支架网为硬质网状材料,塑料材质,不能是金属材质,避免对土壤污染。
本采样器的使用方法及原理:
重金属吸附材料内包含保水剂,能够在干燥的土壤内吸附水分,当材料吸附十分后,材料膨胀,向上顶起压力阀片,当压力阀片向上移动后,表明土壤中水分进入到吸附材料中,便可以直接取出材料,进行重金属检测。
上述采样器外套使用后需放入硝酸中浸泡,再用超纯水洗净,所以为保证外套材料的可重复使用,本采样器外套的所有部件均由聚乙烯塑料制做。
一种旱作DGT装置中保水剂(丙烯酰胺保水剂)可以在土壤和DGT装置扩散膜之间形成一个水力梯度,通过测定非饱和水运移至DGT中的土壤有效态水中的有效态重金属含量,来计算旱地土壤中具有生物利用性的重金属有效态浓度 CDGT(公式1)
CDGT=MΔg/DAt (1)
式中:CDGT表示土壤在一定时期内的重金属有效态测量值;M为在DGT展开时间(一般为24h)内结合相上累积的金属量;A为DGT窗口面积;Δg为扩散层厚度为透析膜厚度(0.08cm);D为重金属随土壤有效态水在土壤中的扩散系数(cm2·s-1);t为装置展开时间(24h)。
对于重金属随土壤有效态水在土壤中的扩散系数D,由公式(2)得出:
D=slpe·Δg/C·A·60 (2)
式中C为土壤有效态水含量,其由公式(3)计算得出:
C=m1-m2 (3)
式中:m1为原土壤重量;m2为烘干土重。
DGT安置后,溶于土壤水溶液中的有效态重金属随有效态水进入DGT。通过吸附膜中的重金属吸附材料(全解离型DGT结合相,具体详细制备方法参考专利:CN105148846A)将从扩散相中扩散过来的重金属离子快速地吸附在其表面,吸附的重金属利用1mol/L硝酸将其解离。
采样器的具体制备方法如下:
DGT扩散膜的制备方法为:
将透析袋剪切适当长度,通常10-20cm,放置2%体积的碳酸氢钠和 1mmol/LEDTA溶液中煮沸10分钟,用超纯水清洗干净后,放在1mmol/LEDTA溶液中煮沸10分钟。冷却后放置4℃冰箱内封存,保证透析袋始终放置与溶液中。使用时,再次用超纯水彻底清洗3遍。
重金属吸收凝胶的制备方法为:
分别将重金属吸附材料(CN105148846A中制备的快速全解离型DGT结合相) 和保水剂过筛(200-400目),按重金属吸附材料与保水剂(丙烯酰胺保水剂) 体积比1-5:10的比例称取重金属分别称取5g的重金属吸附材料和5g的保水剂,将两种材料放入干粉混匀机高速混匀3min,得到混合均匀后的材料。
旱地DGT检测采样器的制作方法为:
取出处理好的透析膜,用超纯水清洗3遍后。用透析袋一端用专用夹密封。从另一端口中灌满水,检查透析袋是否漏水,方可放入材料。
倒出水分,用滤纸擦干多余水分。放入DGT支柱(圆形底座和扩散支架网的围合起来组成的结构),称取一定量的材料加入透析袋中,用带孔圆片穿过支柱对材料进行压实。保证透析袋膨胀,吸附面积统一,避免误差。
穿过支柱,放入特定规格的弹簧,固定带孔圆片。在弹簧顶端加顶盖后,密封透析袋。
将制作好的DGT放置于土壤中,并使土壤表面与材料顶端平齐。一定时间内,取出DGT。
用卫生纸擦净表面土壤后,取出装置中的材料,放入50ml离心管中,加入 30ml1M硝酸溶液。
将洗脱液3000r/min下离心3分钟,取上层液过0.45μm过滤器,于ICP-MS 或AAS测定金属元素含量Ma。并通过公式计算出相应的CDGT浓度。
实验验证
试验土壤采自湖南湘潭县水稻土表层土壤,自然风干后过20目。称取1kg 干土加水250ml,混匀稳定后,室温下密封24h。将制作好的DGT放置于1kg有效水量为25%的土壤中,并使土壤表面与材料顶端平齐。压实保证DGT表面与土壤充分接触。分别在3,6,9,14,22,32小时后取出DGT装置,于1MHNO3下洗脱混匀后离心,ICP-MS测定其洗脱液中重金属含量Ma。通过称重计算出 DGT的吸附水与重金属的总重量M,不同时间下M值如图3所示:由各点斜率计算出来扩散系数D为1.14E-05,则土壤中CDGT浓度为1.24μg/L,即0.31μg/kg。
CN105148846A公开一种快速全解离型DGT结合相制备方法,步骤如下:
⑴将DTPA改性材料和丙烯酰胺凝胶溶液混合搅拌,并超声2-3分钟,使DTPA 改性颗粒充分散开;所述DTPA改性材料:丙烯酰胺的重量比=3~1:10;
⑵加入10wt%的过硫酸铵溶液,体积为V(过硫酸铵溶液):V(丙烯酰胺凝胶)=3:500;并加入四甲基乙二胺,体积为V(四甲基乙二胺):V(丙烯酰胺凝胶)=3:2000;
⑶在低温超声1-3分钟后将悬浊液快速注入一定厚度的玻璃槽内,用玻璃盖板盖好后转入4-10℃低温培养箱培养20-40分钟后将其平移至恒温恒湿培养箱于 42℃条件下培养1h,而后取出放在超纯水中,30分钟后取出凝胶,24小时内换水至少三次制得DGT结合相;
所述步骤⑴中DTPA改性材料的改性方法如下:
⑷向水中加入氨水,按体积比V(NH4(OH)):VI(H2O)=1:3混匀,而后加入DTPA 及甲醇,重量为W(DTPA):WI(H2O)=5:11,W(CH4O):WI(H2O)=5:366将其充分溶解后备用,为溶液I;
⑸另取一烧杯加入一定量的水和氨水,体积为V(NH4(OH)):VII(H2O)=1:3,充分混匀后备用,为溶液II;
⑹将上述两种溶液同时加入到含有MgCl2·6H2O、AlCl3·6H2O的溶液中获得溶液III,其中重量比为W(MgCl2·6H2O):WIII(H2O)=2:59,W(AlCl3·6H2O):W3(H2O)=5:62,体积为溶液I:溶液II:溶液III=1:8:21,充分混合后,调节pH达9以上;高速搅拌10~20min,老化50~80min后采用喷雾干燥方式干燥成小于75μm的细颗粒,为DTPA改性材料。
DGT结合相络合的重金属的洗脱方法为:采用2M的HNO3洗脱,结合相可被HNO3溶解,洗脱率达100%。
丙烯酰胺保水剂可以采用聚丙烯酰胺,聚丙烯酰胺呈白色颗粒晶体状,主要成分为:丙烯酰胺65%-66%丙烯酸钾23%-24%水8%-10%交联剂0.5%-1.0%,交联后形成聚丙烯酰胺保水剂。