-
20 2026.04
阅读:
燃烧氧化-缓释-非分散红外吸收法测定土壤中总有机碳（TOC）的研究
1 研究背景
土壤是农业基础的生产资料，是生产力和可持续农业系统的关键组成部分。土壤中总有机碳（TOC）是土壤肥力的重要指数，是植物矿物质营养和有机营养的来源，是土壤微生物的能源物质[1]。同时，土壤中的污染物含量会受到TOC含量和性质的调控，尤其是重金属和有机污染物的含量、迁移、转化等环境行为。因此，相对于测定土壤中生化需氧含量和化学需氧含量，TOC更能直接分析区域的土壤污染程度[2]。此外，通过测定TOC含量，可以评价土壤的碳汇力和固碳力，对土地自然和社会经济属性综合鉴定。当前，测定土壤中TOC含量主要可以分为氧化测定法和燃烧测定法。其中，氧化方法中最为经典则是重铬酸钾-外加热氧化法，方法具有成本低等优势，但操作易受到土壤中氯化物或低价铁、锰的干扰，且过程中需要使用大剂量的硫酸等易造成污染[3]。而燃烧测定法中使用燃烧氧化-非分散红外吸收来测定土壤中的TOC，经高温燃烧管的土壤样品受高温催化氧化，使有机化合物和无机碳酸盐均转化成为二氧化碳，操作流程简单快捷，重复性、精密度，但土壤中存在其他杂质如碳酸盐等和复杂的燃烧反应会带来的误差[4]。基于此，本文将常规的燃烧氧化-非分散红外吸收方法进行了优化，在检测流程中添加了缓释步骤来测定不同土壤中TOC含量，主要将土壤中有机碳燃烧氧化为CO2,CO2被NaOH溶液吸收后，再通过滴定稀磷酸溶液将CO2缓慢释放，产生的CO2进入总有机碳分析仪中非色散红外检测器来测定含量，加入缓释步骤优化后的测定方法能有效减少误差，具有抗干扰、准确度高等的特点。
2 材料与方法
2.1 仪器与设备
HCS-801型高频红外碳硫分析仪、电子天平购于上海宝英科技。101-4B型电热恒温鼓风干燥箱购于上海锦昱科学仪器有限公司。SX2-8-12箱式（管式）电阻炉购于江苏省泰州市天泰实验仪器厂。
2.2 试剂
蔗糖、二水合草酸和邻苯二甲酸氢钾、85%浓磷酸、氢氧化钠分析纯购于上海阿拉丁生化科技股份有限公司。
2.3 仪器参数
HCS-801型高频红外碳硫分析仪主要操作参数：高频炉空载电流（阳极电流0.2 A，栅极电流100～150 mA）；高频炉工作电流（阳极电流0.2 A～0.6A，栅极电流150 mA～100 Ma）；高频炉灯丝电压6.3 V。红外气体吸收池光源电压DC 3 V；红外气体吸收池信号电压（C 0.5～1.5 V,S:0.5～1.5 V）；红外气体吸收池电池阀工作电压DC 12 V；红外气体吸收池主控板电压DC±12 V、DC 5 V。
电热恒温鼓风干燥箱温度范围室温～300℃；灵敏度±1℃；电热功率：6 kW；鼓风电机：40 W。
2.4 样品预处理
将土壤样品置于风干盘中，平摊成2～3 cm厚的薄层，先剔除植物、昆虫、石块等残体，用铁锤或瓷质研磨棒压碎土块，每天翻动几次，自然风干。充分混匀风干土壤，采用四分法，取其两份，一份留存，一份研磨至全部过土壤筛，装入棕色具塞玻璃瓶中，待测。
2.5 燃烧氧化-缓释-非分散红外吸收
取0.1000 g土壤样品，于100℃烘箱中烘干3 h冷却至室温，对冷却后的土壤样品进行磷酸酸化曝气处理后置于反应舟上，通入装有催化剂的高温燃烧管中，产生的CO2被NaOH溶液吸收后，再通过滴定稀磷酸溶液将CO2缓慢释放，产生的CO2进入总有机碳分析仪中非色散红外检测器来测定含量。
2.6 燃烧氧化-非分散红外吸收
取0.1000 g土壤样品，于100℃烘箱中烘干3 h冷却至室温，对冷却后的土壤样品进行磷酸酸化曝气处理后置于反应舟中，通入装有催化剂的高温燃烧管中，产生的CO2进入总有机碳分析仪中非色散红外检测器来测定含量[5]。
3 结果与分析
3.1 燃烧氧化-缓释-非分散红外吸收法和燃烧氧化-非分散红外吸收法精密度对比分析
三种环境土壤标准样品分别通过燃烧氧化-缓释-非分散红外吸收法和燃烧氧化-非分散红外吸收法对其TOC含量进行检测。结果如同表1所示，燃烧氧化-缓释-非分散红外吸收法测定的三种环境土壤标准样品的RSD均小于1%，且都小于燃烧氧化-非分散红外吸收法，表明燃烧氧化-缓释-非分散红外吸收法具有更高的精密度。主要原因是由于燃烧氧化-非分散红外吸收法检测步骤少，时间较短，但会引起较大的实验误差，因此影响了该方法结果的精密度[6]，而燃烧氧化-缓释-非分散红外吸收法加入了缓释的步骤整个检测过程的时间延长，样品中的有机碳能彻底分解，因而测量结果更接近实际值，以上结果表明燃烧氧化-缓释-非分散红外吸收法的测量结果重复性好、精密度高。
3.2 燃烧氧化-缓释-非分散红外吸收法和燃烧氧化-非分散红外吸收法线性分析
称量不同碳含量的蔗糖样品和无水碳酸钠，放入仪器中检测响应峰面积，建立燃烧氧化-缓释-非分散红外吸收标准曲线y=10.514x-14.286,R2=0.9923和燃烧氧化-非分散红外吸收标准曲线y=11.629x+5.238 1,R2=0.999 2。经计算，两种方法的标准曲线相关系数R值都接近于1，线性结果良好。
3.3 燃烧氧化-缓释-非分散红外吸收法准确度分析
表1 两种土壤中TOC测定方法的精密度对比分析
3.3.1 相对误差
相对误差分析的校准物利用二水合草酸、蔗糖和邻苯二甲酸氢钾三种有机碳含量校准样进行测定，理论有机碳含量值如表2所示，燃烧催化氧化-缓释-非分散红外测定三种校准样的相对误差均小于2%，表明检测值与理论值一致性较高。
表2 燃烧氧化-缓释-非分散红外吸收法三种校准样的准确度分析结果
3.3.2 加标回收
将有机碳含量校准样和标准土壤样品按不同质量比混合组成加标回收样品组（样品组A、样品组B、样品组C），结果从表3可以看出，本方法平均回收率是97.21%～103.45%之间，说明该方法准确度很高，但应用于不同的土壤样品检测中是否具有稳定性还需进一步检测。
表3 燃烧氧化-缓释-非分散红外吸收法检测加标回收样品分析结果
3.4 燃烧氧化-缓释-非分散红外吸收法稳定性分析
稳定性是指在规定的时间间隔和环境条件下，标准样品的特性量值保持在规定范围内的性质[7]。但本方法在实际操作中确定还需要确定3个变量（称样量、样品粒径、滴定磷酸量）是否会对检测方法结果产生影响。因此，将对燃烧氧化-缓释-非分散红外吸收法稳定性进行评估。根据Box-Behnken设计原则，并结合单因素实验结果，选择三个对稳定性影响较大的3个因素：称样量（0.1 g,0.2 g,0.3 g），粒径（0.1～0.3 mm,0.3～0.5 mm,0.5～0.7 mm）和磷酸量（2.0 mL,2.5 mL,3.0 mL），各取3个水平分别记为水平-1、0、1，利用分析软件进行分析，得到方法的最适条件，结果如表4所示。
利用Design expert数据分析软件将实验数据进行多元拟合，设定3个因素称样量、粒径、磷酸量分别为A、B、C，得到二次多项回归方程为Y=1.94+0.02*A-0.015*B+0.013*C-0.013*AB+0.018*AC+0.027*BC-0.14*A2-0.046*B2-0.041*C2，测定数值模型及回归系数的回归分析结果如表5所示。该回归模型拟合程度较好，R2=0.977 7，调节后的R2=0.949 1，表明94.91%的数据可用该模型解释，说明方程可靠性较高。F值的大小是评价各变量对响应值影响程度的重要指标，F值越大，表明有关模型分量对响应影响贡献度越高[8]。以上结果表明，取样量对测定值具有显著影响，粒径、磷酸量对测定值影响不显著，取样量对方法产生影响这可能与土壤来源不同有关，研究表明，农业土壤表土层称样量为0.25～0.3克，自然土壤表土层称样量为0.15～0.2 g，底土层称样量应增加些，保证每份分析样品中有机碳的含量控制在8毫克以内[7]。如样品有机质含量超过15%，若这时候称样量太少，就可能难以获得可信度高的的检测结果。
表4 响应曲面优化检测值实验设计与结果
根据回归方程，考察响应面曲面图及等高线图的形状，分析称样量、粒径和磷酸量对检测值的影响。响应面曲面图和等高线可以很好的反应自变量之间的相互作用。通过观察响应曲面图的坡度陡峭程度，确定两者对响应值的影响程度，响应面曲面图越陡峭说明两者的交互作用越明显。称样量（A）、粒径（B）、磷酸量（C）对检测值的影响如图1-图3所示[9]。
称样量和粒径的交互作用对检测值的影响如图1所示，AB交互曲面中，随着粒径的增加，检测值变化趋势不显著，检测值的变化坡度随称样量的增加呈先增加后降低的趋势，且检测值随称样量增加的变化坡度大于粒径，说明取样量对检测值的影响大于粒径，仅考虑二者交互作用的条件下，当称样量为0.15～0.25 g水平左右、粒径在0.3～0.5 mm水平范围内时，检测值达到最大值，曲面图与表5方差分析的结果也是相符合的。
称样量和磷酸量的交互作用对检测值的影响如图2所示，AC交互曲面中，检测值的变化坡度随称样量的增加呈先增加后降低的趋势，检测值随磷酸量的增加变化趋势不显著，且检测值随称样量的增加的变化坡度大于磷酸量，说明取样量对检测值的影响大于磷酸量，仅考虑二者交互作用的条件下，当称样量为0.15～0.25 g、磷酸量为2.2～2.8 mL水平范围内，检测值达到最大值，曲面图与表5方差分析的结果也是相符合的。
表5 测定数值模型回归分析
注：P<0.01为极显著，用**表示，P<0.05为显著，用表示，P>0.05为不显著，用ns表示.
图1 AB对检测值的响应曲面图和等高线图
图2 AC对检测值的响应曲面图和等高线图
图3 BC对检测值的响应曲面图和等高线图
粒径和磷酸量的交互作用对检测值的影响如图3所示，BC交互曲面中，当粒径较低时，检测值的变化坡度随磷酸量的增加呈变化趋势不显著，当粒径较高时，数值先增加后减缓的趋势与磷酸量呈相关性。当磷酸量较低时，检测值的变化坡度随粒径的增加呈缓慢降低的趋势，当磷酸量较高时，随粒径的增加，检测值的变化趋势不显著，由此说明粒径和磷酸量存在显著的交互作用，仅考虑二者交互作用的条件下，在粒径为0.3～0.5 mm、磷酸量为2.2～2.8 mL水平范围内，其检测值取得最大值，曲面图与表5方差分析的结果也是相符合的。
根据回归方程模型，以检测值最大值为优化目标，得到预测的最优条件为：称样量为0.208 g、粒径为0.3～0.5 mm、磷酸量为2.562 mL，根据实验实际条件，将条件修正为称样量为0.21 g、粒径为0.3～0.5 mm、磷酸量为2.56 mL，在此最优条件下经3次平行试验，得到其检测值为1.95±0.052，与标准样品A预测值为1.94相差在5%范围内，证实了预测值和实验值之间的良好相关性。
3.5 燃烧氧化-缓释-非分散红外吸收法检出限和检测下限
方法检出限是一种普遍方法，被用于测量根据指定分析仪方法测定出的置信度为99%的物质的最低浓度[10]。该程序要求有一个完整、具体且经过明确定义的分析方法，实验将根据《环境监测分析方法标准制修订技术导则》（HJ 168-2010）确定检出限的方法，计算检出限，实验结果见表5[5]。
3.6 燃烧氧化-缓释-非分散红外吸收法检测三种实际土壤样品分析结果
对TOC含量不同的6个有代表性的实际土壤样品进行测定，测定结果见表6，标准偏差范围为0.024%～0.033%，相对标准偏差为0.6%～0.9%。
4 结论
本文将常规的燃烧氧化-非分散红外吸收方法进行了优化，在检测流程中添加了缓释步骤来测定不同土壤中TOC含量，将土壤样品中有机碳燃烧产生的CO2，用NaOH溶液吸收稀释再通过滴定稀磷酸溶液将CO2缓慢释放进入总有机碳分析仪中非色散红外检测器测定含量。本方法燃烧氧化-缓释-非分散红外吸收法测定土壤样品中TOC的精密度、准确度等均符合测定要求。本方法最佳的实验条件为称样量为0.21 g、粒径为0.3～0.5 mm、磷酸量为2.56 mL，检出限为0.006%。3种标准样品的测定结果均在理论值范围内，相对标准偏差为0.91%～0.99%。实际样品6次平行测定的标准偏差为0.024%～0.033%，相对标准偏差为0.6%～0.9%。燃烧氧化-缓释-非分散红外吸收法具有操作过程简单，加入缓释步骤优化后的测定方法能有效减少误差，具有抗干扰、准确度高等的特点，燃烧氧化-缓释-非分散红外吸收法在土壤样品TOC测定中值得推广应用。
表6 燃烧氧化-缓释-非分散红外吸收法检出限结果分析
表7 燃烧氧化-缓释-非分散红外吸收法检测实际土壤样品分析结果
-
下一篇： 提高水中总有机碳测定结果的准确度
