一種測定土樣碳酸鈣含量的方法及其裝置與流程

2023-06-16 19:33:01

本發明屬於土壤檢測技術領域，涉及一種測定土樣碳酸鈣含量的方法及其裝置。

背景技術：

目前土樣內碳酸鈣含量測定的方法主要有以下幾類：一是對土樣酸洗及水洗後烘乾測量差重，計算碳酸鈣含量。該方法比較簡便，然而土樣在多次酸洗水洗過程中容易產生質量損失，影響試驗結果的精確性。二是採用密閉容器集氣法，測量土樣被鹽酸溶解後排出的co2體積或壓力改變，計算碳酸鈣含量。該方法存在兩個缺點：首先co2可溶於水，測定體積或壓力偏小。另外，向裝有土樣的密閉容器內注入鹽酸，該過程液體佔據了部分體積，也會影響了氣體體積與壓力的測量。三是icp法(等離子發射色譜儀)、原子吸收(火焰\石墨爐)光譜儀和edta滴定法，也能夠測定鈣離子含量，反算土體內的碳酸鈣含量。然而icp法和原子吸收光譜儀及edta滴定法成本較貴，而edta滴定法中乙二胺四乙酸二鈉能夠與大多數金屬陽離子發生絡合反應，受其他離子幹擾，影響測定精確性。

技術實現要素：

本發明的目的在於克服現有技術的缺陷，提供了一種測定土樣碳酸鈣含量的方法及其裝置，碳酸鈣含量的測定過程簡便易行，土樣不會產生質量損失，測量結果較為精確。

為解決現有技術的技術問題，本發明採用以下技術方案。

本發明的一種測定土樣碳酸鈣含量的裝置，其特徵在於：包括一個土樣鹽酸反應器和一個集氣排水法體積測定裝置；

所述土樣鹽酸反應器包括裝有稀鹽酸的反應容器，其頂部法蘭盤與反應容器頂蓋通過數個螺栓相連接，對所述的反應容器進行密封；一個杆件穿過所述反應容器頂蓋插進所述的反應容器內，杆件下部設置一個用於盛放土樣的託盤，所述託盤可繞轉軸旋轉；一個帶有排氣管閥門和雙通接頭的排氣管，其一端通過反應容器頂蓋的排氣口插入所述的反應容器內，另一端插入所述的集氣排水法體積測定裝置內；

所述集氣排水法體積測定裝置包括一個具有裝液容器頂蓋的裝液容器和一個體積測量容器；所述裝液容器內裝有至少1/2容器高度的清水和油層；一個排水管的左埠通過所述裝液容器頂蓋的出液口插入裝液容器內的清水中，其右埠插入所述體積測量容器內；所述的體積測量容器壁面設置有體積刻度。

所述的轉軸由一個電動微速馬達進行驅動。

所述的杆件上設置有開關，用於控制託盤的旋轉與停止。

所述的排水管右埠的下端面位置與裝液容器內的油層液面處於同一水平面上。

所述的排氣管插入裝液容器內的管口和其內液體不接觸。

本發明的一種測定土樣碳酸鈣含量的方法，其特徵在於：

其測定土樣碳酸鈣含量的裝置包括：一個土樣鹽酸反應器和一個集氣排水法體積測定裝置；

所述土樣鹽酸反應器包括裝有稀鹽酸的反應容器，其頂部法蘭盤與反應容器頂蓋通過數個螺栓相連接，對所述的反應容器進行密封；一個杆件穿過所述反應容器頂蓋插進所述的反應容器內，杆件下部設置一個用於盛放土樣的託盤，所述託盤可繞轉軸旋轉；一個帶有排氣管閥門與雙通接頭的排氣管，其一端通過反應容器頂蓋的排氣口插入所述的反應容器內，另一端插入所述的集氣排水法體積測定裝置內；

所述集氣排水法體積測定裝置包括一個具有裝液容器頂蓋的裝液容器和一個體積測量容器；所述裝液容器內裝有至少1/2容器高度的清水和油層；一個排水管的左埠通過所述裝液容器頂蓋的出液口插入裝液容器內的清水中，其右埠插入所述體積測量容器內；所述的體積測量容器壁面設置有體積刻度；

所述方法包括以下步驟：

s1.取土樣並烘乾，然後稱質量：2～100g；

s2.向反應容器內倒入體積為20～1000ml、濃度為2mol/l的稀鹽酸；所述的稀鹽酸的加入量與所述的土樣質量的比例為10ml：1g；

s3.集氣排水法體積測定裝置的處理：向裝液容器內首先倒入至少1/2容器容積的清水，然後倒入油層；蓋上裝液容器頂蓋後，使插入到裝液容器清水中的排水管內充滿清水；將所述的排水管右埠的下端面位置與裝液容器內的油層液面處於同一水平面上，從而裝液容器內部壓力與體積測量容器內的排水管管口處的壓力相平衡，清水不會從所述裝液容器頂蓋的出液口中流出；

s4.裝樣：將土樣置於託盤上，將帶有杆件與託盤的反應容器頂蓋與頂部法蘭盤通過螺栓連接，確保其密封性；未安裝反應容器頂蓋前，排氣管閥門處於打開狀態；然後擰緊螺栓，關閉排氣管閥門，並將排氣管通過雙通接頭與集氣排水法體積測定裝置相連；在試驗開始前，所述土樣鹽酸反應器裝置與集氣排水法體積測定裝置的內部壓力值均為一個大氣壓。

s5.啟動試驗：打開排氣管閥門和排水管閥門，並開啟開關啟動自動控制試驗；此時託盤沿帶電動微速馬達的轉動軸發生旋轉，土樣從託盤上滾落至稀鹽酸中並與之充分反應；反應生成的co2由排氣管排出後，進入密封的裝液容器；容器內部壓力發生變化，清水在氣壓作用下進入排水管，流入體積測量容器；當反應容器內無氣泡產生後，讀出體積測量容器中清水的體積，流出的清水體積即反應產生的co2體積；

s6.標定碳酸鈣含量與co2體積的關係：分別取碳酸鈣0.5g、1g、1.5g、2g、2.5g、3g，按上述測定步驟，測定其分別產生的co2體積，然後繪製碳酸鈣質量與所測co2的體積關係曲線；

s7.計算碳酸鈣含量：從所述的排水管排出後流入到體積測量容器的清水體積即co2的體積，根據步驟s6所繪製的碳酸鈣質量與所測co2的體積標定關係曲線，得出對應的碳酸鈣質量；由此，所述土樣的碳酸鈣含量：w＝caco3質量/土樣質量。

與現有技術相比，本發明包含以下優點和有益效果：

(1)本發明在測定土樣碳酸鈣含量時，土樣不存在質量損失且測定過程簡便，測量精確度高。

(2)測定時，在清水上倒入浮油層，避免了co2溶解於水，使得氣體體積測定更為精確。

(3)土樣鹽酸反應器裝置與集氣排水法體積測定裝置可以通過雙通斷開，先倒入鹽酸，裝好樣品，然後連接兩個主體裝置能夠避免加樣過程中造成的壓力變化，不會影響co2體積的測量。

(4)本發明的土樣由託盤進入稀鹽酸溶液，質量無損失。通過開關手動控制土樣與鹽酸反應的開始，實現了密閉容器的自動加樣，避免儀器組裝前加樣立即反應造成氣體逸散。

(5)通過氣液置換的方法使得co2氣體體積通過清水體積定量測得，測定結果精確。

附圖說明

圖1是本發明一種測定土樣碳酸鈣含量的裝置的一實施例結構示意圖。

圖2是本發明的一個實施例裝置的可旋轉託盤示意圖。

圖3是本發明的一實施例方法的co2體積與碳酸鈣質量的標定關係曲線。

圖中，1稀鹽酸，2反應容器，3頂部法蘭盤，4螺栓，5桿件，6開關，7轉軸，8託盤，9排氣管閥門，10雙通接頭，11反應容器頂蓋，12裝液容器頂蓋，13油層，14裝液容器，15排水管閥門，16排氣管，17排水管，18體積測量容器，19土樣。

具體實施方式

下面將結合附圖對本發明做進一步詳細說明。

如圖1所示，是本發明一種測定土樣碳酸鈣含量的裝置的一實施例結構示意圖。該實施例裝置包括：土樣鹽酸反應器裝置與集氣排水法體積測定裝置。所述土樣鹽酸反應器裝置與集氣排水法體積測定裝置相互獨立，試驗開始前兩大裝置內部壓力都為一個大氣壓力，加樣過程不會影響氣體體積的測定。

所述土樣鹽酸反應器裝置包括裝有稀鹽酸1的反應容器2，容器頂部法蘭盤3與反應容器頂蓋11，兩者通過螺栓4相連接，實現密封。

所述反應容器頂蓋11布設插入容器的杆件5，杆件5下部為裝有土樣19的託盤8，託盤8通過帶電動微速馬達的轉動軸7可發生慢速旋轉，杆件5上設有開關6，可控制託盤8的旋轉與停止，將土樣19倒入裝有鹽酸1的反應容器2中。儀器組裝好後，可通過開關自動控制試驗的開始，避免儀器未組裝好或未密封時投擲土樣，立即反應造成氣體逸散，實現了密閉容器的自動加樣。

所述反應容器頂蓋11上部留有排氣口，通過帶有閥門9和雙通接頭10的排氣管16與集氣排水法體積測定裝置相連。

所述集氣排水法體積測定裝置包括裝液容器14與體積測量容器17。

所述裝液容器14內裝有1/2-3/4容器高度的清水。清水液面以上為至少2cm的油層13，用於隔絕co2與清水，避免反應產生的co2溶解於水中，造成試驗所測氣體量較實際值偏小。

所述裝液容器14包含裝液容器頂蓋12，頂蓋12上設進氣口，通過排氣管16與土樣鹽酸反應容器裝置相連，排氣管16插入裝液容器14內部，管口要和裝樣容器14內液體不進行接觸，即：位於油層13液面以上2～5cm。

所述裝液容器頂蓋12還設有出液口，通過帶有排水管閥門15的排水管17與體積測量容器18相連。

所述裝液容器14內與出液口相連的排水管17插入清水中，其左端管口位置接近於裝液容器14的底部，但不與之相接觸。所述排水管17內徑較細，約為2～5mm，以便在氣壓作用下使清水能夠被壓入排水管17中並流出。

所述排水管17連接了裝液容器14與體積測量容器18，內部充滿清水。位於體積測量容器18內的排水管17右埠的下端面位置與裝液容器14內油層13液面處於同一水平面，至少不低於油層13液面的水平位置。從而可避免在測定試驗的排氣過程中，其初始液面差對排水過程產生影響，造成了所測排水體積值偏大的現象。

所述體積測量容器18壁面為體積刻度，可實時觀測進入的液體體積，最終液體體積即為反應產生的co2氣體體積。試驗未開始時，裝液容器14內壓力與體積測量容器18內的排水管17管口壓力相平衡。當反應產生co2後，裝液容器14內壓力增加，清水在氣壓作用下，被壓入排水管17中，並流入體積測量裝置18內，最終體積測量裝置18內的液體體積即產生co2的體積。通過氣水置換測液體體積的方法克服了co2氣體體積不能精確定量測定的缺點。

利用本發明一種測定土樣碳酸鈣含量的裝置測定土樣碳酸鈣含量的原理如下：土樣中的caco3與hcl發生反應，產生co2即：

caco3+2hcl→cacl2+h2o+co2↑

產生的co2通過集氣排水法體積測量裝置測得，根據co2體積可以得到完全反應的碳酸鈣質量，從而得到土樣的碳酸鈣含量。

本發明的一實施例方法包括以下步驟：

(1)取土樣19並烘乾，稱質量，所取土樣19為6g；

(2)向反應容器2內倒入體積為60ml、濃度為2mol/l的稀鹽酸1；

(3)組裝集氣排水法體積測定裝置：按圖1所示，首先向裝液容器14內倒入1000ml的清水，清水高度為2/3容器高度，以便於有足夠量的液體可排出。然後倒入至少2cm厚的油13，隔絕氣體與清水，避免co2溶於水，造成所測值偏小。裝液容器頂蓋12上設進氣口與排水口，通過排氣管16和排水管17分別與土樣鹽酸反應器裝置與體積測量容器18相連。裝液容器14內部排氣管16管口和裝樣容器14內油層不接觸，位於油層13液面以上2cm。內部排水管17管口位置接近於裝液容器14的底部，但不與之相接觸。蓋上裝液容器頂蓋12後，保證與體積測量容器18相連的排水管17內充滿清水。體積測量容器18內的排水管17管口位置與裝液容器14內油層13液面相平，此時裝液容器14內部壓力與體積測量容器18內的排水管17管口處壓力平衡，清水不會由出液口流出。

(4)裝樣：將稱重後的土樣19置於託盤8上，將帶有杆件5與託盤8的反應容器頂蓋11與頂部法蘭盤3通過螺栓4連接，保證密封性。反應容器頂蓋11上方排氣口連有排氣管16，反應容器頂蓋11未安裝前，排氣管閥門9處於打開狀態，試驗開始前所述土樣鹽酸反應器裝置與集氣排水法體積測定裝置相互獨立，試驗開始前兩大裝置內部壓力都為一個大氣壓力，加樣過程不會影響氣體體積的測定。克服了傳統測量方法向裝有土樣的密閉容器內注入鹽酸，液體佔據了部分體積，致使所測氣體體積偏大的缺點。

擰緊螺栓4後，關閉排氣管閥門9，並將排氣管16通過雙通10與集氣排水法體積測定裝置相連。

(5)啟動試驗：按圖1連接好各部件後，打開排氣管閥門9與排水管15。儀器組裝好後通過開關6自動控制試驗的開始，避免儀器未組裝好或未密封時投擲土樣立即反應造成氣體逸散，實現了密閉容器的自動加樣。此時託盤8沿帶電動微速馬達的轉動軸7發生旋轉，土樣19從託盤8上滾落至稀鹽酸1中，與鹽酸1充分反應，土樣無質量損失。反應生成的co2由排氣管17排出後，進入密封的裝液容器14。容器內部壓力發生變化，清水在氣壓作用下進入排水管17，流入體積測定容器18。當反應容器2內無明顯氣泡產生後15min，讀出體積測量容器18中清水的體積，即338.9ml，流出的清水體積即反應產生的co2體積。通過氣液置換的方法使得co2氣體體積通過清水體積定量測得。

(6)標定碳酸鈣含量與co2體積的關係：分別取碳酸鈣0.5g、1g、1.5g、2g、2.5g、3g，按上述儀器及測定方法，測定其分別產生的co2體積，繪製碳酸鈣質量與所測co2的體積關係曲線，如圖3所示。

(7)計算碳酸鈣含量：當排出清水體積即co2的體積為338.9ml時，由碳酸鈣質量與所測co2的體積標定關係曲線，即圖3所得，對應的碳酸鈣質量為1.49g。因此，所述土樣19的碳酸鈣含量w為w＝caco3質量/土樣質量，即24.83％。

總之，本發明提出了一種測定土樣碳酸鈣含量的方法及其裝置，解決了傳統測量方法易產生土樣質量損失、液體佔據體積影響氣體體積測量、氣體溶於水等問題，可實現密閉容器自動加樣，利用氣水置換方法測量氣體體積，使得待測土樣碳酸鈣含量得到簡便、精確的測定。