土壤全量氮磷钾试样低温自动联合消解仪

贾玉杰　杨光照　王　欣　卢立新　卢明远　孙嘉兴

(1.沈阳金利洁环保科技股份有限公司，沈阳 110003；2.东北认证有限公司，沈阳 110015；3.中国科学院沈阳应用生态研究所，沈阳 110016；4.沈阳市农业科学院，沈阳 110034))

土壤全量氮磷钾试样低温自动联合消解仪

贾玉杰1杨光照1王欣1卢立新2卢明远3孙嘉兴4

(1.沈阳金利洁环保科技股份有限公司，沈阳 110003；2.东北认证有限公司，沈阳 110015；3.中国科学院沈阳应用生态研究所，沈阳 110016；4.沈阳市农业科学院，沈阳 110034))

摘要：采用自主研发的氮素保护剂及离子涂膜技术，研制了土壤全量氮磷钾试样低温自动联合消解仪。在197℃恒温下，可一次完成土壤全量氮磷钾试样自动联合消解。试液可准确检测N、P、K三元素含量，准确、快速、高效、低耗、环保。与目前中外经典法相比：节能>95%，成本降90%左右，省时90%左右，功效提高8～12倍。

关键词：低温自动联合消解仪氮素保护剂离子涂膜聚四氟乙烯密封防胀消解管

1882年，J.Kjedahl等相继提出了土壤全量氮、磷、钾分析方法。百余年来，分析检测技术发展较快，每分钟可检测1～2个试样[1，2]。但上述三元素试样的融熔和消煮的原理、方法并无较大改观[3-6]：耗时甚多、能耗太大、操作复杂，严重影响了分析速度及结果应用。

卢明远研究员在多年土壤分析及检测领域研究基础上[7-9]认为，原有土壤元素检测过程中的消解过程存在耗能高、成本高、操作困难等不利因素，随着科技的进步、新材料的出现，土壤氮磷钾试样消解实验方法及手段也必须更新。

由贾玉杰组建、亲自督导、设计实验过程，并在中科院沈阳生态所、中科院南京土壤所、中科院黑龙江农业现代化所及通辽市土肥站、沈阳市农科院

等单位专家、学者鼎力相助下，在沈阳金利洁环保科技股份有限公司研发实验室，终于完成了“土壤全量氮磷钾试样低温自动联合消解仪”的研发。

在研发过程中，本着科学、严谨、真实、准确的科研态度，实验过程中的数据参数、性能原理等要求得到保证，以卢立新为组长的认证中心为此项任务进行了严格把控，并通过数据分析，给与了积极正确的合理化建议。

该消解方法与样机已通过国内专家鉴定、政府批准(关键词)：“国际领先”；“建议批量生产”。用户使用报告(关键词)：“为中外提供了一种新型分析仪器”“准确快速高效低耗”。

在上述基础上，为了加快试样消解速度，升级仪器性能及功效又深入进行了下述研究与研发。

1土壤全量氮磷钾试样低温自动联合消解方法研究

1.1全新的复合试剂—氮素保护剂及用量

为了加快消解速度降低消解温度，人们普遍认知：加入高氯酸便可。但这必将造成氮素(N)损失(图1)。但是如果在试样消解时，是否可以加入适量氮素保护剂来避免N素损失，研发小组成员经过上千次试验，研究元素之间化学反应式及配比量，最终完成如下配比构成的氮素保护剂。

试样剂量配比：

盐酸HCl(浓度37wt%)5～15mL；醋酸CH3COOH(浓度99.8 wt %)80～120mL；硫酸H2SO4(浓度98wt %)400～500mL；高纯稀有金属(浓度99.9wt%以上)：锂Li 1～3mg、锶Sr 2～4mg、铍Be 3～5mg，氯化钠1～2g。

加入氮素保护剂后效果如图2所示，多年大量检测，分析结果也充分证明了这一效果(表1)。

氮素保护剂为土壤全量氮磷钾试样低温自动联合消解仪核心技术之一，已经获得国家发明专利，专利名称《一种氮素保护剂及其制备方法和应用》专利号ZL2012 10545315.5。

氮素保护剂配比方法，可参考专利文档《一种氮素保护剂及其制备方法和应用》说明书。

图1　HClO4引起N损失

氮素保护剂储存要求：将一定重量高纯稀有金属Li、Sr、Be等溶于乙酸、硫酸及盐酸混合液中，加热等处理后密封。

经多年实验：正常用量0.15～0.25mL/样。

图2　氮素保护剂效果

结果(%)国家标样(常规法)国家标样(氮素保护剂法)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

常规通用法：H2SO4消煮。

注：我们的检测值0.134%，最终被定为国家第一号标准样全N值。

1.2离子涂膜技术

聚四氟乙烯密度2.2～2.3kg/m3,远不及金属，但耐强酸，比较耐高温。实验表明，它对待测物有一定吸附、固定等作用，影响检测结果。为消除其影响，只要在常温下用低浓度N、P、K标准液进行浸泡12小时后，197℃条件下再用土壤样本进行老化处理两次，进行离子涂膜，可有效消除对检测物的影响(表2)。

表2　离子涂膜效果(回收实验)

注：经典法 (N)380℃ H2SO4法玻璃皿

(P)920℃ Na2CO3法Pt皿

(K)720℃ NaOH法Ag皿

1.3聚四氟乙烯密封防胀消解管

密封目的为减少漏气，防胀环是防止消解管口在较高温度下膨胀、反翻，规格见图3。

1.4消解液中H2SO4用量

参照目前中外常规用量(下限)，试样0.3000g加H2SO44mL;,试样消解完全、分析结果准确。

其他试剂规格及用量经多年大量实验证实，均按表3进行，可靠、成熟。

表3　试样消解组分及用量

用量氮素保护剂(mL)H2SO4(mL)HF(mL)HCLO4(mL)室温至197℃的升温速度(min)消解时间(h)砂土0.241.20.3403黄土0.241.20.3403黑土0.241.20.3403有机肥0.241.20.4604

注：试剂规格：

氮素保护剂新试剂 公司提供

H2SO4二级 (d ≈1.84 ，≥98%)

HCLO4二级 (d ≈1.2 ，70 — 72%)

HF二级 (d ≈1.28 ，≥40 %)

2CH·SJ-1501型土壤全量氮磷钾试样低温自动联合消解仪

2.1立式及卧式两种型号仪器

为便于用户选择，目前正式研发出两种型号，相同功能的仪器(立式及卧式)，如图4、图5。

图4　立式消解仪

图5　卧式消解仪

2.2仪器主要功能

(1)自动升温，按设定时间(一般设定为40min)仪器自动由室温升至197℃。

(2)达到197℃自动恒温

(3)197℃±2℃，自动按设定时间(一般设定时间3小时)自动消解试样。

(4)试样消解完成后，自动关机。

(5)如果仪器失控，温度达到200℃，仪器自动警报。

(6)试样消解完成后，可自动吹冷风10min，加速降温。

3实验结果

为了考证土壤全量N.P.K试样、低温自动联合消解方法和仪器，对黑龙江省的黑土，辽宁省草甸土和国家标样分别进行对比试验，其结果令人满意(表4、表5、表6)。

结果表明，低温自动联合消解方法和仪器与目前中外的经典法相比，除结果准确外，它还具有快速、高效、低耗等优点；因消解全过程在密封、低温下自动完成，因此它算数平均值、标准偏差及变异系数等更好。 此外，中科院南京土壤研究所，中科院沈阳应用生态所，中科院黑龙江农业现代化所及沈阳市农业科学院等多个单位亦为我们提供了可行的使用报告，在此一并致谢！

表4　土壤全量氮(N)结果　(%)

注：经典法：380℃ ，H2SO4消煮试样

表5　土壤全量磷(P)结果　(%)

续表5

注：经典法：920℃ ，Na2CO3铂皿熔样

表6　土壤全量钾(K)结果　(%)

注：经典法：720℃ ，NaOH 银皿熔样

4结论

(1)620W、197℃、试样与消解液共热3～4小时，一次性完成试样联合消解。其试液可直接检测N.P.K三元素，结果准确、可靠。

(2)专用试剂：“氮素保护剂”的研发及“离子涂膜技术”的创新为降低试样消解温度、加快消解速度提供了条件。

(3)该方法和仪器已通过国内专家鉴定及沈阳市科委批准。鉴定结论(关键词)：“国际领先”。

(4)此方法和仪器为新机理、新方法、新仪器。准确、快速、高效、低耗并且全自动完成试样联合消解。

(5)与目前通用经典法相比：节能>95%；省时90%左右；成本降90%左右；功效提高8～12倍况且无环境污染。

(6)试样在特制聚四氟乙烯密封消解管中，低温、自动完成消解。检测结果与经典法相比，具有精度更高、变异系数及标准偏差更小，结果更精准等优点。

(7)新试剂氮素保护剂可信，新方法可靠，新仪器可行。

参考文献

[1]方肇伦，等.土壤消煮液中全量氮磷钾流动注射分析.土壤通报，1982，(4)：40.

[2]孙历敬，等.土壤化液中全N流动注射比色分析.土壤通报，1981，(3)：38.

[3]中国科学院南京土壤研究所.土壤理化分析.上海：上海科技出版社，1978：106.

[4]中国科学院南京土壤研究所.土壤农业化学分析方法.北京：中国农业科学出版社，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]卢明远，等.土壤全量N.P.K联合消解方法研究.土壤学报，1992，29(3)：334-340.

[8]卢明远，等.土壤全量N.P.K联合消解方法和仪器.土壤通报，1992，23(6)：36-38.

[9]卢明远，等.Y.L-8960型联合消解仪研制.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

作者简介：贾玉杰 女，1964年出生，硕士，毕业于河北师范大学有机化学专业，正高级职称，沈阳金利洁环保科技股份有限公司任董事长，主管产品研发统筹及实验设计等方面工作。

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

收稿日期：2015-11-20