土壤全量氮磷鉀聯合消解方法及設備的製作方法

2023-10-28 06:14:57 4

專利名稱：土壤全量氮磷鉀聯合消解方法及設備的製作方法
技術領域：
本發明為土壤、植物全量氮磷鉀三元素分析的前道工序-消解處理建立一種簡便方法及為這種消解方法研製了一套專用的聯合消解儀。
十九世紀末Djedahl，J.lawrencl Smlth等相繼提出了土壤全量N.K.P的分析方法，百餘年來，其分析方法，檢測手段雖有很大發展，但是試樣的消解，熔融仍然基本未能改進。經典的土壤三元素分析須分三次單獨高溫消解N-350℃～450℃用H2SO4消解;P-920℃在鉑皿中用Na2CO3熔融試樣;K-720℃在銀皿中用NaOH熔融試樣，採用這種經典的方法不但分析過程長(耗時、低效)，分析誤差較大，而且需要價昂的鉑和銀坩鍋。同時這種分析方法對環境汙染較嚴重，工作人員操作時勞動強度大。目前雖然國內、外已有土壤消解儀生產，但其功能只能消解一種元素，而且價格昂貴，無法普及推廣應用。因此長期以來，由於土壤全量氮磷鉀分析中，消解方法未得到解決，嚴重的影響了分析速度，影響了有關土壤科學，農業科學的發展。
本發明的目的是建立一種進行土壤全量氮磷鉀，分析前試樣快速、低溫消解的方法及專用的設備消解儀。利用這套專用消解儀及按本發明提供的消解方法可在80～270℃條件下完成土壤全量氮磷鉀試樣一次性聯合消解。
本發明土壤全量氮磷鉀聯合消解方法的基本原理是，試樣與消解液共熱消解，使土壤中全量N、P、K各元素99%以上可轉化為(NH4)2SO4，HaPO4及K2SO4等供測化合物，即實現土壤試樣的消解過程，然後對上述三種元素進行分析和檢測，得出相應N、P、K的含量。上述方法中所述的消解液為硫酸、氫氟酸和高氯酸。具體說本發明的土壤全量N、P、K試樣聯合消解方法其步驟如下1、試樣的予處理，按常規試樣處理方法，將試樣烘乾、粉碎和過篩得予處理試樣稱取一定量備用;
2、試樣中加入消解液，稱一定量試樣於消解管中，分別加入一定量的消解液硫酸、氫氟酸和高氯酸，每加入一種消解液後充分搖混;
3、將試樣與消解液共熱進行消解，反應溫度由常溫(室溫)採取梯度升溫法，最後消解溫度為270℃，待試樣消解反應後(試液由黑色變為灰白色，冷卻後顯微蘭綠色)，將消解管溫度降至室溫;
4、將上述消解反應後試液全部洗入溶量瓶，並稀至標線。
在上述消解過程中所用的消解液應使用濃度為96～98%的濃硫酸，氫氟酸濃度為35～40%及高氯酸濃度50～70%。當使用的消解液濃度過低時，不但消解液使用量要加大，且消解效果不佳，影響分析的準確性。此外，在加入消解液時應控制使用量，當取試樣重為0.5000克時。相應消解液濃硫酸(96～98%)的量為3～8ml;氫氟酸(35～40%)的量為0.3～1ml及高氯酸(50～70%)的量為0.05～0.2ml為宜。
另外，在上述消解反應過程中所述的升溫，可由室溫(25℃)按3～5℃/分速度程序升溫到260～270℃，然後在最高反應溫度下反應1～3小時。也可以採用多級梯度升溫，在2～4小時內升到最高反應溫度，然後在此溫度下反應1～3小時完成消解過程。
本發明的消解方法與經典方法相比，它獨具消解反應迅速、操作簡便、準確、低能耗等各種優點，同時它可一次消解試樣中N、P、K三種元素之功能，顯著提高了分析的速度。此外由於消解反應溫度低，消解液對反應容器(消解管)腐蝕性小，因此可以不用價格昂貴的鉑或銀的鉗鍋，而採用聚氟塑料這樣能耐氫氟酸、濃硫酸和高氯酸腐蝕的材料作消解容器，可大幅度降低費用。同時本發明建立的方法對環境無汙染、反應條件要求低，因此這種消解方法可在普通實驗室中進行。
為使本發明的消解方法適應更強，簡化操作條件，提高分析的準確性和分析效率，本發明者專為完成上述消解過程設計了一套消解儀，這套消解儀由加熱器、溫度控制裝置、消解管、排汙系統四部分組成。消解管放在加熱器內，由溫度控制裝置控制加熱器溫度和時間完成消解反應，排汙系統是保證產生的廢氣順利經連通器，冷凝器和吸收器對環境無二次汙染。所謂加熱器由電熱絲及導熱體組成，電熱絲供給熱量，導熱體由導熱性好的金屬材料，例如鋁或銅錠製成，導熱體中帶加熱孔，其孔徑稍大於消解管的外徑，使消解管能插入孔中。由於導熱體質量較大，導熱性好，因此在加熱過程中可使消解管受熱均勻，同時加熱溫度也便於控制。導熱體周圍加絕緣保溫材料以利於保溫和隔熱，使有效利用能量。溫度控制裝置，可利用普通的溫度控制設備(商品溫控儀)，用以控制加熱的溫度，使加熱器可按操作要求進行程序升溫或梯度升溫加熱，並可保持恆溫以完成試樣消解。溫度控制裝置與加熱器可按普通溫控儀的安裝和使用辦法與加熱器組合成為可自動控溫的加熱器。
本發明消解儀中消解管是關鍵的儀器組成部分，它可由氟塑料，例如聚四氟乙烯製成，它可耐HF及HClO3的腐蝕，並可有效的保持消解試樣中的N.P.K不損失，保證分析準確性。但使用這種材料的消解管消解溫度應較嚴控制，以不超過280℃為宜。消解管的外徑稍小於加熱器導熱體的孔徑，使其可方便地插入孔中，消解管容積可根據常規分析試樣的量而定，使最多加入消解液後，佔消解管的1/3左右，可有效避免加熱過程消解液外濺。進行土壤試樣消解過程中一次可使用多支消解管同時插入導熱體的孔中，進行多組試樣消解反應，提高分析速度。
最後排汙系統由消解管連通罩，冷凝器，吸收器和減壓器構成。消解管連通罩是蓋在消解管上的試管蓋，但蓋的上部帶連通管，使與每個消解管連通，在消解管加熱時外逸的氣體只能通過蓋上的連通管排出，而不能自由釋放，這樣可使消解過程產生氣體(廢酸及有害氣體)得到收集和處理避免對操作環境產生汙染。冷凝器為消解管排出氣體的緩衝器，使高沸點液化收集起來，它可用普通塑料或玻璃瓶代替。由冷凝器排出氣體進入吸收器，它是一隻盛有1/3體積，10%濃度的NaOH溶液的過濾瓶。排出廢氣中的酸性氣體被NaOH溶液吸收，避免對空氣汙染。減壓器與冷凝器相似起緩衝排出氣體速度的作用，減壓器或微型排氣泵，可根據實驗室條件使用其一。下面通過附圖對本發明設計的消解儀的結構和工作過程給予進一步說明。


圖1為聯合消解儀結構示意圖。圖中1，加熱絲;2，導熱體;3、溫度控制裝置;4，消解管;5，消解管連通罩;6，冷凝器;7，吸收器;8，減壓器。消解過程排出的廢氣由A放空，廢液由B排入下水中。
由圖1，加熱絲1和導熱體組成加熱器，導熱體可為鋁錠，內帶多個可放入消解管的加熱孔，加熱孔可根據消解過程放入消解管數目而定，為提高分析速度作為一個實例導熱體可帶40個加熱孔，即一次可以同時進行40個試樣的消解過程。加熱孔深度大約可將消解管管體插入約1/3，以保證消解管在加熱時均勻被加熱。溫度控制裝置3將控制加熱器保持一定溫度，溫度控制裝置為一普通溫控儀，它與加熱器的安裝和使用，如普通溫控儀的過程。消解管4為聚四氟乙烯制消解管，消解管長度約為插入導熱體加熱孔深度的3倍為宜。消解管連通罩5同樣可用聚四氟乙烯製成，罩上帶連通管與各消解管相通，連通罩平面布局同導熱體加熱孔相對，即能保證插入加熱孔的每個消解管都能被連通罩5蓋好。冷凝器6，減壓器7可是兩個廣口塑料瓶，瓶塞上帶連通管，吸收器可用塑料或玻璃廣口瓶製成，內盛1/3左右10%的NaOH溶液，減壓器的排氣管接排氣泵。消解管連通罩5，冷凝器6，吸收器7，減壓器8通過連通管連結組成排汙系統。每次消解反應後將冷凝器6，減壓器8中收集的廢液倒掉，吸收器7中的NaOH溶液每使用一次後倒掉，換新的NaOH溶液。
實例1，土壤全量N.P.K試樣聯合消解試驗。
利用附圖1所示消解儀，其溫度控制範圍0～280℃，控制精度±2℃%。消解儀的使用過程和土壤試樣消解過程如下。
1、稱取過0.25mm篩孔105℃烘乾土樣0.5000克於消解管4中2、首先向消解管4中加硫酸(96～98%)4ml並與試樣搖混;用塑料滴管加氫氟酸(35～40%)0.2ml(2～3滴)與試液搖混，10分鐘後再搖混一遍再加0.12mlHF，如此反覆5～6次，使HF總量達0.7ml;最後加入高氯酸(50～70%)0.1ml左右搖勻後放置過液。
3、將消解管4置於導熱體2加熱孔中，蓋上連通罩5，加上排汙系統啟動排氣泵。然後通過溫度控制裝置控制加熱器升溫速度，按梯度升溫由室溫開始，分別給定80℃，100℃，120℃，140℃各恆15分鐘，接著給定160℃，180℃，200℃各恆10分鐘，最後直接給定260℃恆溫90～120分鐘，待試液由黑色變灰白色，即消解完畢，關閉電源開關。
4、取下消解管4，冷至室溫，用帶膠皮頭玻璃棒及蒸餾水把消解物全部洗入100ml溶量瓶中，冷卻定溶至100ml，搖勻即為消解後待測溶液。
上述消解後的待測液可直接用火焰光度法測全鉀。取上清液5～10ml用鉬銻抗比色法分析全磷。採用蒸餾法或流注射比色分析法測全氮。這些測量分析N.P.K的方法可按常規分析法進行。
實例2，採用聯合消解儀消解植物，種子或建材試樣，實驗操作過程1，2，4，同實例1，其中硫酸加5ml，氫氟酸加0.1～0.15ml，高氯酸加0.1ml。操作過程3的溫度控制按下步驟分別給定75℃，100℃，120℃，140℃，160℃，180℃，200℃，220℃，240℃和260℃各恆溫20分鐘，取下消解管冷卻至80℃以下後加H2O30.3ml左右，待加熱器降至100℃時重新升溫消解，在100℃～260℃之間按20℃遞增每個溫度點恆溫10分鐘。再如上述步驟反覆追加H2O23～4次，每次0.3ml升溫3～4次，最後於260℃或270℃消解60分鐘。待消解液呈灰色時，消解完畢。
由上述實例，採用本發明建立的土壤，植物全量N.P.K三元素分析的前道工序-消解處理方法及為這種方法提供的專用消解儀，可取代經典常規N.P.K三元素分別高溫熵融消化的繁慢過程，用270℃低溫可一次性實現三元素聯合消解用於可直接測定N.P.K。使用這種儀器和方法三元素的回收率可達99%以上。工效可提高6～7倍，節能80%以上，降低成本80%。同時該儀器可有效消除對環境的汙染，減少操作人員的勞動強度。
權利要求
1.一種用於土壤全量氮、磷、鉀三元素分析的消解處理方法，其特徵在於採用硫酸、氫氫酸和高氯酸為消解液與土壤試樣在270℃下進行共熱消解反應，使被測元素轉化為(NH4)2SO4，H3PO4及K2SO4等可供分析檢測的待測物。
2.按照權利要求1所述的消解方法，其特徵在於所用的消解液應使用濃度為96～98%的濃硫酸，濃度為35～40%的氫氟酸及濃度為50～70%的高氯酸。
3.按照權利要求1所述的消解方法，其特徵在於共熱消解反應溫度可由常溫採取程序升溫或梯度升溫法，最後在消解溫度為270℃下進行。
4.一種專用於實施權利要求1所述消解方法的土壤全量氮、磷鉀聯合消解儀，其特徵在於它是由加熱器，溫度控制裝置、消解管及排汙系統四部分組成;消解管放在加熱器內，由溫度控制裝置控制加熱器溫度和時間完成消解反應，排汙系統是保證在消解過程中產生的廢氣(廢酸或有害氣體)不汙染操作環境，順利排放到空間的一套密閉排氣裝置。
5.按照權利要求4所述的消解儀，其特徵在於加熱器由電熱絲1和導熱體2組成，導熱體2由導熱性好的金屬材料，例如鋁或銅錠製成，導熱體中帶有多孔，其孔徑稍大於消解管的外徑。
6.按照權利要求1所述的消解儀，其特徵在於消解管4是由聚四氟乙烯製成的，消解管的外徑稍小於加熱器導熱體的孔徑，使其可方便的插入孔中。
7.按照權利要求4所述的消解儀，其特徵在於排汙系統由消解管連通罩5，冷凝器6，吸收器7和減壓器8組成，消解管連通罩是蓋在消解管上的試管蓋，在蓋的上部帶有連通管，使與每個消解管連通;冷凝器6，減壓器8可是兩個廣口塑料瓶，瓶塞上帶連通管;吸收器可用塑料或玻璃廣口瓶製成，內盛1/3左右10%的NaOH溶液，消解管連通罩5排氣孔，冷凝器6，吸收器7，減壓器8通過連通管連結。
全文摘要
一種土壤全量氨磷鉀聯合消解方法是採用濃硫酸，氫氟酸和高氯酸為消解液，在聚四氟乙烯消解管中將試樣與消解液共熱消解，消解溫度80～270℃。該方法可取代常規N.P.K三元素分別高溫熵融消化的繁慢過程，在較低消解溫度(270℃)，可一次使N.P.K三種元素聯合消解，消解液可直接用於N.P.K全量分析。使用這種方法(及專用儀器)具有準確、快速、高效、低耗之優點。
文檔編號G01N31/00GK1068195SQ9110616
公開日1993年1月20日 申請日期1991年6月28日 優先權日1991年6月28日
發明者盧明遠 申請人:中國科學院瀋陽應用生態研究所