土壤全量氮磷鉀試樣低溫自動聯合消解儀

賈玉杰　楊光照　王　欣　盧立新　盧明遠　孫嘉興

(1.沈陽金利潔環保科技股份有限公司，沈陽 110003；2.東北認證有限公司，沈陽 110015；3.中國科學院沈陽應用生態研究所，沈陽 110016；4.沈陽市農業科學院，沈陽 110034))

土壤全量氮磷鉀試樣低溫自動聯合消解儀

賈玉杰1楊光照1王欣1盧立新2盧明遠3孫嘉興4

(1.沈陽金利潔環保科技股份有限公司，沈陽 110003；2.東北認證有限公司，沈陽 110015；3.中國科學院沈陽應用生態研究所，沈陽 110016；4.沈陽市農業科學院，沈陽 110034))

摘要：采用自主研發的氮素保護劑及離子涂膜技術，研制了土壤全量氮磷鉀試樣低溫自動聯合消解儀。在197℃恒溫下，可一次完成土壤全量氮磷鉀試樣自動聯合消解。試液可準確檢測N、P、K三元素含量，準確、快速、高效、低耗、環保。與目前中外經典法相比：節能>95%，成本降90%左右，省時90%左右，功效提高8～12倍。

關鍵詞：低溫自動聯合消解儀氮素保護劑離子涂膜聚四氟乙烯密封防脹消解管

1882年，J.Kjedahl等相繼提出了土壤全量氮、磷、鉀分析方法。百余年來，分析檢測技術發展較快，每分鐘可檢測1～2個試樣[1，2]。但上述三元素試樣的融熔和消煮的原理、方法并無較大改觀[3-6]：耗時甚多、能耗太大、操作復雜，嚴重影響了分析速度及結果應用。

盧明遠研究員在多年土壤分析及檢測領域研究基礎上[7-9]認為，原有土壤元素檢測過程中的消解過程存在耗能高、成本高、操作困難等不利因素，隨著科技的進步、新材料的出現，土壤氮磷鉀試樣消解實驗方法及手段也必須更新。

由賈玉杰組建、親自督導、設計實驗過程，并在中科院沈陽生態所、中科院南京土壤所、中科院黑龍江農業現代化所及通遼市土肥站、沈陽市農科院

等單位專家、學者鼎力相助下，在沈陽金利潔環保科技股份有限公司研發實驗室，終于完成了“土壤全量氮磷鉀試樣低溫自動聯合消解儀”的研發。

在研發過程中，本著科學、嚴謹、真實、準確的科研態度，實驗過程中的數據參數、性能原理等要求得到保證，以盧立新為組長的認證中心為此項任務進行了嚴格把控，并通過數據分析，給與了積極正確的合理化建議。

該消解方法與樣機已通過國內專家鑒定、政府批準(關鍵詞)：“國際領先”；“建議批量生產”。用戶使用報告(關鍵詞)：“為中外提供了一種新型分析儀器”“準確快速高效低耗”。

在上述基礎上，為了加快試樣消解速度，升級儀器性能及功效又深入進行了下述研究與研發。

1土壤全量氮磷鉀試樣低溫自動聯合消解方法研究

1.1全新的復合試劑—氮素保護劑及用量

為了加快消解速度降低消解溫度，人們普遍認知：加入高氯酸便可。但這必將造成氮素(N)損失(圖1)。但是如果在試樣消解時，是否可以加入適量氮素保護劑來避免N素損失，研發小組成員經過上千次試驗，研究元素之間化學反應式及配比量，最終完成如下配比構成的氮素保護劑。

試樣劑量配比：

鹽酸HCl(濃度37wt%)5～15mL；醋酸CH3COOH(濃度99.8 wt %)80～120mL；硫酸H2SO4(濃度98wt %)400～500mL；高純稀有金屬(濃度99.9wt%以上)：鋰Li 1～3mg、鍶Sr 2～4mg、鈹Be 3～5mg，氯化鈉1～2g。

加入氮素保護劑后效果如圖2所示，多年大量檢測，分析結果也充分證明了這一效果(表1)。

氮素保護劑為土壤全量氮磷鉀試樣低溫自動聯合消解儀核心技術之一，已經獲得國家發明專利，專利名稱《一種氮素保護劑及其制備方法和應用》專利號ZL2012 10545315.5。

氮素保護劑配比方法，可參考專利文檔《一種氮素保護劑及其制備方法和應用》說明書。

圖1　HClO4引起N損失

氮素保護劑儲存要求：將一定重量高純稀有金屬Li、Sr、Be等溶于乙酸、硫酸及鹽酸混合液中，加熱等處理后密封。

經多年實驗：正常用量0.15～0.25mL/樣。

圖2　氮素保護劑效果

結果(%)國家標樣(常規法)國家標樣(氮素保護劑法)10.1390.13520.1280.13530.1350.13740.1330.13550.1390.13160.1400.13570.1340.13380.1330.13390.1330.132100.1290.135110.1330.13x0.1340.134Sx0.00390.0018cv2.911.34

常規通用法：H2SO4消煮。

注：我們的檢測值0.134%，最終被定為國家第一號標準樣全N值。

1.2離子涂膜技術

聚四氟乙烯密度2.2～2.3kg/m3,遠不及金屬，但耐強酸，比較耐高溫。實驗表明，它對待測物有一定吸附、固定等作用，影響檢測結果。為消除其影響，只要在常溫下用低濃度N、P、K標準液進行浸泡12小時后，197℃條件下再用土壤樣本進行老化處理兩次，進行離子涂膜，可有效消除對檢測物的影響(表2)。

表2　離子涂膜效果(回收實驗)

注：經典法 (N)380℃ H2SO4法玻璃皿

(P)920℃ Na2CO3法Pt皿

(K)720℃ NaOH法Ag皿

1.3聚四氟乙烯密封防脹消解管

密封目的為減少漏氣，防脹環是防止消解管口在較高溫度下膨脹、反翻，規格見圖3。

1.4消解液中H2SO4用量

參照目前中外常規用量(下限)，試樣0.3000g加H2SO44mL;,試樣消解完全、分析結果準確。

其他試劑規格及用量經多年大量實驗證實，均按表3進行，可靠、成熟。

表3　試樣消解組分及用量

用量氮素保護劑(mL)H2SO4(mL)HF(mL)HCLO4(mL)室溫至197℃的升溫速度(min)消解時間(h)砂土0.241.20.3403黃土0.241.20.3403黑土0.241.20.3403有機肥0.241.20.4604

注：試劑規格：

氮素保護劑新試劑 公司提供

H2SO4二級 (d ≈1.84 ，≥98%)

HCLO4二級 (d ≈1.2 ，70 — 72%)

HF二級 (d ≈1.28 ，≥40 %)

2CH·SJ-1501型土壤全量氮磷鉀試樣低溫自動聯合消解儀

2.1立式及臥式兩種型號儀器

為便于用戶選擇，目前正式研發出兩種型號，相同功能的儀器(立式及臥式)，如圖4、圖5。

圖4　立式消解儀

圖5　臥式消解儀

2.2儀器主要功能

(1)自動升溫，按設定時間(一般設定為40min)儀器自動由室溫升至197℃。

(2)達到197℃自動恒溫

(3)197℃±2℃，自動按設定時間(一般設定時間3小時)自動消解試樣。

(4)試樣消解完成后，自動關機。

(5)如果儀器失控，溫度達到200℃，儀器自動警報。

(6)試樣消解完成后，可自動吹冷風10min，加速降溫。

3實驗結果

為了考證土壤全量N.P.K試樣、低溫自動聯合消解方法和儀器，對黑龍江省的黑土，遼寧省草甸土和國家標樣分別進行對比試驗，其結果令人滿意(表4、表5、表6)。

結果表明，低溫自動聯合消解方法和儀器與目前中外的經典法相比，除結果準確外，它還具有快速、高效、低耗等優點；因消解全過程在密封、低溫下自動完成，因此它算數平均值、標準偏差及變異系數等更好。 此外，中科院南京土壤研究所，中科院沈陽應用生態所，中科院黑龍江農業現代化所及沈陽市農業科學院等多個單位亦為我們提供了可行的使用報告，在此一并致謝！

表4　土壤全量氮(N)結果　(%)

注：經典法：380℃ ，H2SO4消煮試樣

表5　土壤全量磷(P)結果　(%)

續表5

注：經典法：920℃ ，Na2CO3鉑皿熔樣

表6　土壤全量鉀(K)結果　(%)

注：經典法：720℃ ，NaOH 銀皿熔樣

4結論

(1)620W、197℃、試樣與消解液共熱3～4小時，一次性完成試樣聯合消解。其試液可直接檢測N.P.K三元素，結果準確、可靠。

(2)專用試劑：“氮素保護劑”的研發及“離子涂膜技術”的創新為降低試樣消解溫度、加快消解速度提供了條件。

(3)該方法和儀器已通過國內專家鑒定及沈陽市科委批準。鑒定結論(關鍵詞)：“國際領先”。

(4)此方法和儀器為新機理、新方法、新儀器。準確、快速、高效、低耗并且全自動完成試樣聯合消解。

(5)與目前通用經典法相比：節能>95%；省時90%左右；成本降90%左右；功效提高8～12倍況且無環境污染。

(6)試樣在特制聚四氟乙烯密封消解管中，低溫、自動完成消解。檢測結果與經典法相比，具有精度更高、變異系數及標準偏差更小，結果更精準等優點。

(7)新試劑氮素保護劑可信，新方法可靠，新儀器可行。

參考文獻

[1]方肇倫，等.土壤消煮液中全量氮磷鉀流動注射分析.土壤通報，1982，(4)：40.

[2]孫歷敬，等.土壤化液中全N流動注射比色分析.土壤通報，1981，(3)：38.

[3]中國科學院南京土壤研究所.土壤理化分析.上海：上海科技出版社，1978：106.

[4]中國科學院南京土壤研究所.土壤農業化學分析方法.北京：中國農業科學出版社，2000：146-192.

[5]Thomds G M， Peaslee D.Soil testing and plat analysis, 1985 ed：115-130.

[6]Buresh R J, Austin E R,Craswell E T. Fertilizer Research，1982，3：37-62.

[7]盧明遠，等.土壤全量N.P.K聯合消解方法研究.土壤學報，1992，29(3)：334-340.

[8]盧明遠，等.土壤全量N.P.K聯合消解方法和儀器.土壤通報，1992，23(6)：36-38.

[9]盧明遠，等.Y.L-8960型聯合消解儀研制.土壤，1990，22(5)：272-274.

Study on soil total nutrients digestion instrument.

Jia Yujie1, Yang Guangzhao1, Wang Xin1, Lu Lixin2, Lu Mingyuan3, Sun Jiaxing4

(1.ShenyangJinLiJieEnvironmentalProtectionTechnologyCo.,Ltd.,Shenyang110003,China; 2.NortheastCertificationCo.,Ltd.,Shenyang110015,China; 3.ShenyangInstituteofAppliedEcology.ChineseAcademyofSciences,Shenyang110016,China; 4.ShenyangAcademyofAgriculturalSciences,Shenyang110034,China)

Abstract:The apparatus can digest the total nitrogen and phosphorus in soil samples in one time. The N P K elements can be detected accurately and efficiently.Compared with the current Chinese and foreign classic methods, it can save energy by 95%, reduce costs about 90% and improve work efficiency by 8-12 times.

Key words:soil total nutrients digestion instrument; nitrogen protecting agent; ion coating; teflon seal anti-inflation digestion tube

作者簡介：賈玉杰 女，1964年出生，碩士，畢業于河北師范大學有機化學專業，正高級職稱，沈陽金利潔環保科技股份有限公司任董事長，主管產品研發統籌及實驗設計等方面工作。

DOI:10.3936/j.issn.1001-232x.2016.03.006

收稿日期：2015-11-20