CN111220766A - 一种获得可变电荷土壤电荷零点的方法 - Google Patents

一种获得可变电荷土壤电荷零点的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种快速滴定可变电荷土壤电荷零点的方法。本发明通过对影响pHQ＝0的因素进行单因素测试，总结并设计出一套操作简易、应用范围广、耗时短的可变电荷土壤电荷零点的测定方式，解决了传统的电位滴定法存在的技术缺陷，为可变电荷矿物提供了一个统一的标准，并为可变电荷土壤过程中电位滴定条件的筛选和应用提供参考。

Description

一种获得可变电荷土壤电荷零点的方法
技术领域
本发明属于土壤化学技术领域，具体涉及一种快速滴定可变电荷土壤电荷零点的方法。
背景技术
可变电荷土壤主要分布在热带、亚热带地区，包括红壤、赤红壤、砖红壤、黄棕壤、黄壤等类型土壤，以及由这些类型土壤发展而来的水稻土，统称这些类型的土壤为红壤系列。我国长江以南地区跨越了热带、亚热带，是典型的可变电荷红壤体系，也是我国各种经济作物的重要生产地。由于该区域对我国农业发展至关重要，我国南方可变电荷土壤表面酸碱缓冲机制的研究对我国生态环境建设以及农业的可持续发展就变得更具有重要意义。
电位滴定法是研究可变电荷矿物的重要方法之一，表面电荷零点pHQ＝0(theapparent pH values when surface charge equal to zero)是表征可变电荷土壤表面电荷特征的重要参数，而这个参数可通过电位滴定法测量计算得出。影响pHQ＝0的因素有很多，例如温度、土水比、大气氛围、平衡时间、滴定方式、滴定范围等。通过不同的滴定方法探究可变电荷土壤表面电荷特征的变化，探究氧化物、矿物表面电荷特征的电位滴定方法各异，各研究者在电位滴定过程中选用的土水比浓度并未有统一的标准，在土水比范围内选择各异；电位滴定过程中酸碱滴定速度、滴定体积也各有不同。
经过对文献的研究发现，传统的电位滴定法耗时较久，且对可变电荷土壤的应用较不成熟，无法满足现今的可变电荷红壤土壤电荷零点的测定。
发明内容
本发明的目的在于提供一种快速滴定可变电荷土壤电荷零点的方法，以解决传统的电位滴定法在技术缺陷，为可变电荷土壤过程中电位滴定条件的筛选和应用提供参考。
本发明所采取的技术方案是：
一种获得可变电荷土壤电荷零点的方法，具体步骤如下：
(1)取土壤样品，加入电解质溶液，混合均匀，得到土壤悬浊液；
(2)校正电极；
(3)平衡步骤(1)中所得土壤悬浊液，进行酸量滴定；
(4)平衡步骤(3)中所得土壤悬浊液，进行碱量滴定；
(5)计算电荷零点；
其中，步骤(1)～(5)都在氮气氛围下进行。
当然，步骤(2)中的电极的选择和校正可根据实际需求，合理的选择本领域其他可替代电极及校正手段。
当然，步骤(3)和(4)中的滴定方式和溶液可根据实际需求，合理的选择本领域其他可替代定量方法和标准溶液。
当然，上述方法中气体氛围的选择可根据实际需求，合理的选择其他可替代性气体。其目的在于隔绝大气中的CO2，提高对可变电荷土壤表面电荷零点测定的准确性。
在一些实例中，上述通入氮气的流速范围为10mL/min～50mL/min。
在一些实例中，步骤(1)中还包括控温处理。
当然，上述的控温处理包括本领域中能使温度保持恒定的技术手段。
在一些实例中，上述温度控制范围为15℃～35℃。
在一些实例中，步骤(1)中的土壤样品选自中国南方可变电荷红壤，称取质量范围为0.14g～1.12g。
当然，可根据实际需求，测定其他类型土壤的可变电荷零点。
在一些实例中，步骤(3)和(4)中的平衡时间为30min～16h。
在一些实例中，步骤(3)和(4)中的滴定速度为6μL～96μL/20s。
在一些实例中，步骤(3)中滴定终点为2～4。
在一些实例中，步骤(4)中滴定终点为8～11。
当然，可根据实际需求，对滴定参数做出合理的调整。
本发明的有益效果是：
本发明相较于现有技术，操作简易，应用范围广，耗时短，解决了传统的电位滴定法存在的技术缺陷，为可变电荷矿物提供了一个统一的标准，并为可变电荷土壤过程中电位滴定条件的筛选和应用提供参考。
附图说明
图1是滴定pH范围的Q-pH相关关系图。
具体实施方式
为了使本发明的发明目的、技术方案及其技术效果更加清晰，以下结合具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。
试验1：温度的确定
滴定体系的温度分别调节为15℃,20℃,25℃,30℃,35℃。导出碱滴定过程中的pH和NaOH体积的滴定数据，利用表面电荷Q的计算公式算出表面电荷变化，以Q为横坐标，表面电荷pH为纵坐标绘制Q-pH关系图得出pHQ＝0，结果如表1所示。
表面电荷Q的计算公式：
Figure BDA0002376906380000031
Q:表面电荷量(mol/kg)
Ca:滴加HCl的浓度(mol/L)
Cb:滴加NaOH的浓度(mol/L)
[OH-]:体系中OH-离子浓度(mol/L)
[H+]:体系中H+离子浓度(mol/L)
a:悬浊液浓度(kg/L)
表1温度对pHQ＝0的影响
Figure BDA0002376906380000032
经计算得出在一定温度范围内pHQ＝0随温度的升高而发生负移。且在25℃后，随温度的升高不同离子强度的标准差越大。
试验2土水比的确定
分别称取0.14g,0.28g,0.56g,0.84g,1.12g土样于滴定体系中，分别配制成土水比为2:1，4:1，8:1，12:1，16:1的滴定体系进行电位滴定。导出碱滴定过程中的pH和NaOH体积的滴定数据，利用表面电荷Q的计算公式算出表面电荷变化，以Q为横坐标，表面电荷pH为纵坐标绘制Q-pH关系图得出各个土水比情况下的pHQ＝0，结果如表2所示。
表2.土水比对pHQ＝0的影响
Figure BDA0002376906380000033
Figure BDA0002376906380000041
经计算得出在一定温度范围内pHQ＝0随土水比的升高而发生负移。在8g/L后基于稳定,且其标准差随土水比的升高而减少，于8g/L情况下稳定。
试验3:反应氛围的确定
实验组1：不通入氮气，保持装置密闭。
实验组2：利用针孔连接氮气瓶于悬浊液液面上方通入氮气，调节转子流量计至20mL/min。
实验组3：用针孔线连接氮气瓶悬浊液液面中通入氮气，调节转子流量计至20mL/min。
导出碱滴定过程中的pH和NaOH体积的滴定数据，利用实施例1的计算公式算出表面电荷变化，以Q为横坐标，表面电荷pH为纵坐标绘制Q-pH关系图，结果如表3所示。
表3.反应氛围对pHQ＝0的影响
Figure BDA0002376906380000042
经研究发现滴定体系内，CO2对可变电荷土壤表面电荷零点有影响，滴定体系若在大气氛围下进行则会使电荷零点发生负移，为排除大气中CO2的影响可在滴定体系中通入氮气，在滴定体系悬浊液中通入氮气比在悬浊液液面上方通入氮气能使体系反应更加稳定，且在液面中通入氮气比液面上方通入更能使体系稳定。
试验4:平衡时间及氮气流速的确定
实验组1：分别调节转子流量计至10mL/min，20mL/min，30mL/min，40mL/min，50mL/min。
实验组2：分别用磁力搅拌器平衡体系30min，2h,4h,8h,12h,16h。
导出碱滴定过程中的pH和NaOH体积的滴定数据，利用实施例1的计算公式算出表面电荷变化，以Q为横坐标，表面电荷pH为纵坐标绘制Q-pH关系图,从而得出相应的电荷零点如下表所示，结果如表4所示。
表4氮气流速和平衡时间对pHQ＝0的影响
Figure BDA0002376906380000051
经计算得出在酸碱滴定前，一定时间范围内的悬浊液平衡时长对电荷零点无明显影响。一定氮气流速范围内，氮气流速对电荷零点无明显影响。为最节省时间及节省氮气，体系选择平衡时间为30分钟，氮气流速为20mL/min。
试验5:滴定方式的确定
实验组1：以20s每滴的滴定速度进行快速滴定，每次滴加体积分别为6μL,12μL,24μL,48μL,96μL。
实验组2：当玻璃电极检测到悬浊液电信号漂移≤0.2mV/min,最小等待时间为0s，最大等待时间为3600s时滴加下一滴溶液，每次滴加体积分别为6μL,12μL,24μL,48μL,96μL。
实验组3：当玻璃电极检测到悬浊液电信号漂移≤0.2mV/min,最小等待时间为20s，最大等待时间为24h时滴加下一滴溶液,每次加液体积为24μL。
导出碱滴定过程中的pH和NaOH体积的滴定数据，利用实施例1的计算公式算出表面电荷变化，以pH为横坐标，表面电荷Q为纵坐标绘制pH-Q关系图得出pHQ＝0，结果如表5所示。
表5.滴定方式对pHQ＝0的影响
Figure BDA0002376906380000052
经计算得出在不同的滴定方式对电荷零点无明显影响，在连续滴定过程中，微量快速的滴定方式能使体系的酸碱反应快速完成并且有效防止其他副反应的发生，在间歇滴定过程中，在一定滴定体积范围内，24μL以上的滴定体积更适于滴定可变电荷土壤。
试验6:滴定范围的影响
实验组1：滴定体系的滴定范围为2-11。
实验组2：滴定体系的滴定范围为3-10。
实验组3：滴定体系的滴定范围为3-9。
实验组4：滴定体系的滴定范围为4-9。
实验组5：滴定体系的滴定范围为4-8。
导出碱滴定过程中的pH和NaOH体积的滴定数据，利用实施例1的计算公式算出表面电荷变化，以Q为横坐标，表面电荷pH为纵坐标绘制Q-pH关系图，结果如图1所示。
经计算得出在不同的碱滴定终点对电荷零点没有影响，但是电荷零点随酸滴定起点的升高而增大。
实施例1：广东惠州不同土水比快滴慢滴比较
分别称取0.14g,0.28g,0.56g,0.84g,1.12g土样于滴定体系中，分别配制成土水比为2:1，4:1，8:1，12:1，16:1的滴定体系进行电位滴定。加入不同电解质溶液配制成8g/L的悬浊液，用针孔连接氮气，以20mL/min的氮气流速通入至悬浊液中，在25℃水浴锅中进行滴定，滴定范围为3-9。
实验组1：以6μL/20s的滴定速度进行快速滴定
实验组2：当玻璃电极检测到悬浊液电信号漂移≤0.2mV/min,最小等待时间为0s，最大等待时间为3600s时滴加下一滴溶液，每次滴加体积分别为6μL。
导出碱滴定过程中的pH和NaOH体积的滴定数据，利用pHQ＝0的计算公式算出表面电荷变化，以Q为横坐标，表面电荷pH为纵坐标绘制Q-pH关系图得出各个土水比情况下的pHQ＝0，结果如表6所示。
表6.广东惠州土壤不同土水比快滴慢滴比较
Figure BDA0002376906380000061
经计算得出在相同土水比情况下，快滴慢滴数据无明显差异。
实施例2：不同施肥处理快滴慢滴比较
分别称取0.56g不同施肥处理样品，加入不同电解质溶液配制成8g/L的悬浊液，用针孔连接氮气，以20mL/min的氮气流速通入至悬浊液中，在25℃水浴锅中进行滴定，滴定范围为3-9。
实验组1：以6μL/20s的滴定速度进行快速滴定
实验组2：当玻璃电极检测到悬浊液电信号漂移≤0.2mV/min,最小等待时间为0s，最大等待时间为3600s时滴加下一滴溶液，每次滴加体积分别为6μL。
导出碱滴定过程中的pH和NaOH体积的滴定数据，利用实施例1的计算公式算出表面电荷变化，以Q为横坐标，表面电荷pH为纵坐标绘制Q-pH关系图得出各个土水比情况下的pHQ＝0。
表7.不同施肥处理快滴慢滴比较
Figure BDA0002376906380000071
经计算得出在相同施肥处理情况下，快滴慢滴数据无明显差异。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种获得可变电荷土壤电荷零点的方法，具体步骤如下：
(1)取土壤样品，加入电解质溶液，混合均匀，得到土壤悬浊液；
(2)校正电极；
(3)平衡步骤(1)中所得土壤悬浊液，进行酸量滴定；
(4)平衡步骤(3)中所得土壤悬浊液，进行碱量滴定；
(5)计算电荷零点；
其中，步骤(1)～(5)都在氮气氛围下进行。
2.根据权利要求1所述的电荷零点获得方法，其特征在于，所述通入氮气的流速范围为10mL/min～50mL/min。
3.根据权利要求1所述的电荷零点获得方法，其特征在于，步骤(1)中还包括控温处理。
4.根据权利要求3所述的电荷零点获得方法，其特征在于，所述温度控制范围为15℃～35℃。
5.根据权利要求1所述的电荷零点获得方法，其特征在于，步骤(1)中所述土壤样品选自中国南方可变电荷红壤，称取质量范围为0.14g～1.12g。
6.根据权利要求1所述的电荷零点获得方法，其特征在于，步骤(3)和(4)中的平衡时间为30min～16h。
7.根据权利要求1所述的电荷零点获得方法，其特征在于，步骤(3)和(4)中的滴定速度为6μL～96μL/20s。
8.根据权利要求1所述的电荷零点获得方法，其特征在于，步骤(3)中滴定终点为2～4。
9.根据权利要求1所述的电荷零点获得方法，其特征在于，步骤(4)中滴定终点为8～11。
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