一种污泥堆肥中阳离子交换容量的测定方法及系统与流程

本发明涉及离子测定技术领域，具体涉及一种污泥堆肥中阳离子交换容量的测定方法及系统。

背景技术：

阳离子交换性能主要由矿物粘粒和有机质表面所携带的阳离子数量决定，反映了堆肥产品的保肥能力与养分的生物有效性，及其对本身pH值变化及外界酸碱的缓冲作用。阳离子交换容量高，说明具有较强的养分保持和酸碱缓冲性能。相反，若CEC较低，则NH₄⁺等营养元素容易被淋洗，需要补充氮素以维持植物健康生长。同时，阳离子交换容量还可以反映堆肥有机质的降解程度，是评价堆肥腐熟度、稳定性的重要参数。一般认为，当CEC>60cmol/kg，堆肥充分腐熟。

污泥堆肥过程有机质不断降解，堆肥的理化性质也在不断的变化，使得污泥堆肥阳离子交换容量不断变化。阳离子交换量的测定受多种因素的影响，如交换剂的性质、盐溶液浓度、pH、淋洗方法及被测物质矿物种类与数量、有机质含量等。目前测定阳离子交换量的方法主要有中性乙酸铵淋洗法、乙酸钙法和乙酸钠法。中性乙酸铵淋洗法也是我国土壤和农化实验室所采用的常规分析方法，适于酸性和中性土壤。由于此方法中采取的浸提液pH值和离子强度太高，对于酸性和微酸性的土壤，测定的结果与实际情况偏高很多。乙酸钙法主要适用于石灰性土壤样品的分析，我国农业部于2006年将乙酸钙法作为分析石灰性土壤样品的阳离子交换量的标准方法。但这三种测定方法的前处理操作过程复杂，测定步骤多，耗时较长，同时存在置换不完全的缺点。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种污泥堆肥中阳离子交换容量的测定方法及系统，以解决传统测定方法存在的置换不完全的缺点，使得测定结果准确度提高。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种污泥堆肥中阳离子交换容量的测定方法，包括如下步骤：

S1.将污泥堆肥风干后粉碎，过筛得到污泥堆肥样品，并测定污泥堆肥样品含水率；

S2.称取预设质量的过筛后的污泥堆肥样品置于第一预设容量的离心管中，加入第一预设量的氯化钡溶液，搅拌均匀；

S3.将所述离心管成对放在托盘天平的两盘上，用氯化钡溶液将两边质量调平，放入离心机中，以第一预定转速离心直至下层污泥堆肥样品完全沉淀为止，放弃离心管中的上层清液；再用氯化钡溶液处理若干次，使钡离子饱和；

S4.向下层污泥堆肥样品中加入第二预设量的去离子水，充分搅拌后，用天平将离心管成对调平，放入离心机中，以第二预定转速离心至下层污泥堆肥样品完全沉淀为止，放弃离心管中的上层清液；重复步骤S4数次，直至无氯离子存在；

S5.向下层污泥堆肥样品中加入第三预设量的硫酸标准溶液，用振荡机以预定振荡速率振荡预设时间后，将离心管中的溶液全部过滤至第二预设容量的锥形瓶中，用去离子水洗所述离心管若干次直至无硫酸根离子产生；

S6.向所述锥形瓶中加入若干滴酚酞指示剂，用氢氧化钠标准溶液滴定至预定颜色指标；

根据标定的数据并按以下公式计算污泥堆肥阳离子交换容量：

$CEC(cmol/kg)=\frac{50C_1-CV}{m\×(100-\mathrm{\ω})\%}\×100$

式中，CEC：阳离子交换容量，cmol/kg；C₁：硫酸标准溶液浓度，mol/L；C：氢氧化钠标准溶液浓度，mol/L；V：滴定消耗的氢氧化钠标准溶液体积，mL；m：污泥堆肥样品称取质量，g；ω：污泥堆肥样品含水率，％；100：mol换算成cmol倍数。

优选地，污泥堆肥样品含水率的测定采用烘箱105℃烘至恒重。

优选地，称取污泥堆肥样品的质量精确至0.0001g。

优选地，所述氯化钡溶液的浓度为0.5mol/L。

优选地，所述硫酸标准溶液的浓度为0.1mol/L，需要标定。

优选地，所述氢氧化钠标准溶液的浓度为0.1mol/L，需要标定。

优选地，采用100目筛过筛得到污泥堆肥样品。

优选地，所述预设质量为1g；第一预设容量为50mL；所述第一预设量为30mL；所述第一预定转速为4000r/min；所述第二预设量为40mL；所述第二预定转速为4000r/min；第三预设量为25.00mL；所述第二预设容量为150mL；所述预设时间为15min。

优选地，向所述锥形瓶中加入1～2滴酚酞指示剂

第二方面，本发明还提供了一种污泥堆肥中阳离子交换容量的测定系统，包括：

含水量测定模块，用于将污泥堆肥风干后粉碎，过筛得到污泥堆肥样品，并测定污泥堆肥样品含水率；

称重模块，用于称取预设质量的过筛后的污泥堆肥样品置于第一预设容量的离心管中，加入第一预设量的氯化钡溶液，搅拌均匀；

钡离子饱和处理模块，用于将所述离心管成对放在托盘天平的两盘上，用氯化钡溶液将两边质量调平，放入离心机中，以第一预定转速离心直至下层污泥堆肥样品完全沉淀为止，放弃离心管中的上层清液；再用氯化钡溶液处理若干次，使钡离子饱和；

氯离子去除模块，用于向钡离子饱和处理模块处理得到的下层污泥堆肥样品中加入第二预设量的去离子水，充分搅拌后，用天平将离心管成对调平，放入离心机中，以第二预定转速离心至下层污泥堆肥样品完全沉淀为止，放弃离心管中的上层清液；重复数次，直至无氯离子存在；

硫酸根离子去除模块，用于向氯离子去除模块处理得到的下层污泥堆肥样品中加入第三预设量的硫酸标准溶液，用振荡机以预定振荡速率振荡预设时间后，将离心管中的溶液全部过滤至第二预设容量的锥形瓶中，用去离子水洗所述离心管若干次直至无硫酸根离子产生；

氢氧化钠标定及计算模块，用于向所述锥形瓶中加入若干滴酚酞指示剂，用氢氧化钠标准溶液滴定至预设颜色指标，根据标定的数据并按以下公式计算污泥堆肥阳离子交换容量：

$CEC(cmol/kg)=\frac{50C_1-CV}{m\×(100-\mathrm{\ω})\%}\×100$

式中，CEC：阳离子交换容量，cmol/kg；C₁：硫酸标准溶液浓度，mol/L；C：氢氧化钠标准溶液浓度，mol/L；V：滴定消耗的氢氧化钠标准溶液体积，mL；m：污泥堆肥样品称取质量，g；ω：污泥堆肥样品含水率，％；100：mol换算成cmol倍数。

由上述技术方案可知，本发明提供的污泥堆肥中阳离子交换容量的测定方法克服了传统测定方法存在的置换不完全的缺点，使得测定结果准确度提高。此外，本发明实施例提供的污泥堆肥中阳离子交换容量的测定方法在整个测定过程中对仪器设备要求低，不需要蒸馏处理，并且所需试剂种类少，成本低，整个处理过程简便快捷。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一提供的污泥堆肥中阳离子交换容量的测定方法的流程图；

图2是本发明实施例二提供的污泥堆肥中阳离子交换容量的测定系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例一提供了一种污泥堆肥中阳离子交换容量的测定方法，图1示出了本发明实施例一提供的污泥堆肥中阳离子交换容量的测定方法的流程图。参见图1，所述方法包括如下步骤：

步骤101：将污泥堆肥风干后粉碎，过筛得到污泥堆肥样品，并测定污泥堆肥样品含水率。

步骤102：称取预设质量的过筛后的污泥堆肥样品置于第一预设容量的离心管中，加入第一预设量的氯化钡溶液，搅拌均匀。

步骤103：将所述离心管成对放在托盘天平的两盘上，用氯化钡溶液将两边质量调平，放入离心机中，以第一预定转速离心直至下层污泥堆肥样品完全沉淀为止，放弃离心管中的上层清液；再用氯化钡溶液处理若干次，使钡离子饱和。

步骤104：向下层污泥堆肥样品中加入第二预设量的去离子水，充分搅拌后，用天平将离心管成对调平，放入离心机中，以第二预定转速离心至下层污泥堆肥样品完全沉淀为止，放弃离心管中的上层清液；重复步骤S4数次，直至无氯离子存在。

步骤105：向下层污泥堆肥样品中加入第三预设量的硫酸标准溶液，用振荡机以预定振荡速率振荡预设时间后，将离心管中的溶液全部过滤至第二预设容量的锥形瓶中，用去离子水洗所述离心管若干次直至无硫酸根离子产生。

步骤106：向所述锥形瓶中加入若干滴酚酞指示剂，用氢氧化钠标准溶液滴定至预定颜色指标，然后根据标定的数据并按以下公式计算污泥堆肥阳离子交换容量：

$CEC(cmol/kg)=\frac{50C_1-CV}{m\×(100-\mathrm{\ω})\%}\×100$

式中，CEC：阳离子交换容量，cmol/kg；C₁：硫酸标准溶液浓度，mol/L；C：氢氧化钠标准溶液浓度，mol/L；V：滴定消耗的氢氧化钠标准溶液体积，mL；m：污泥堆肥样品称取质量，g；ω：污泥堆肥样品含水率，％；100：mol换算成cmol倍数。

本发明实施例提供的测定方法克服了传统测定方法存在的置换不完全的缺点，使得测定结果准确度提高。此外，本发明实施例提供的方法在整个测定过程中对仪器设备要求低，不需要蒸馏处理，并且所需试剂种类少，成本低，整个处理过程简便快捷。

优选地，污泥堆肥样品含水率的测定采用烘箱105℃烘至恒重。

优选地，称取污泥堆肥样品的质量精确至0.0001g。

优选地，所述氯化钡溶液的浓度为0.5mol/L。

优选地，所述硫酸标准溶液的浓度为0.1mol/L，需要标定。

优选地，所述氢氧化钠标准溶液的浓度为0.1mol/L，需要标定。

优选地，采用100目筛过筛得到污泥堆肥样品。

优选地，所述预设质量为1g；第一预设容量为50mL；所述第一预设量为30mL；所述第一预定转速为4000r/min；所述第二预设量为40mL；所述第二预定转速为4000r/min；第三预设量为25.00mL；所述第二预设容量为150mL；所述预设时间为15min。

优选地，向所述锥形瓶中加入1～2滴酚酞指示剂。

下面通过一个具体的实例对上述测定方法进行具体解释说明，该实例包括如下过程：

(1)将污泥堆肥在阴凉通风处风干，经粉样机破碎及球磨仪粉碎之后，过100目筛，测定其含水率，备用；

(2)称取通过100目筛孔的风干污泥样品1g左右置于50mL离心管中，并沿离心管壁加入30mL浓度为0.5mol/L的氯化钡溶液，用玻璃棒搅拌均匀，再用少量0.5mol/L氯化钡溶液将玻璃棒冲洗干净，至离心管中溶液总体积为35mL；

(3)将离心管成对放在托盘天平的两盘上，用0.5mol/L氯化钡溶液将两边质量调平，平衡好的离心管成对的放入离心机中，以4000r/min的转速离心5min，至下层污泥堆肥样品紧实为止，弃其上清液；再用氯化钡溶液处理3～5次，使钡离子饱和；

(4)向下层泥浆中加入40mL去离子水，充分搅拌后，以便洗去污泥堆肥表面多余的氯化钡溶液；用天平将离心管成对调平，放入离心机中，以4000r/min的转速离心5min，至下层污泥堆肥样品紧实为止，弃去上清液；重复数次，直至无氯离子存在；

(5)洗净多余的钡离子后，向下层泥浆中加入25.00mL的硫酸溶液，用振荡机以160r/min振荡速率振荡15min后，将离心管中的溶液全部过滤至150mL锥形瓶中，用去离子水洗离心管及滤纸3～5次，直至无硫酸根离子产生；

(6)向锥形瓶中加入1～2滴酚酞指示剂，用标准氢氧化钠溶液滴定，至溶液呈淡粉色。

其中各原料以及试剂的准备如下：

氯化钡溶液：0.5mol/L，称取120g氯化钡(BaCl2 2H2O)溶于去离子水中，加去离子水溶解后，转移至1L的容量瓶中，定容摇匀。

酚酞指示剂：称取0.1g酚酞溶于100mL90％的乙醇溶液中。

标准氢氧化钠溶液：0.1mol/L，称取2g氢氧化钠溶解于500mL煮沸后冷却的去离子水中，其浓度需要测定。

氢氧化钠溶液标定方法：各称取两份0.5000g邻苯二甲酸氢钾(预先在烘箱中105℃烘干)于150mL锥形瓶中，加100mL煮沸后冷却的去离子水溶解，再加2～3滴酚酞指示剂，用配好的氢氧化钠溶液滴定至淡红色。同时用煮沸后冷却的去离子水做空白试验，并从滴定邻苯二甲酸氢钾的氢氧化钠溶液的体积重扣除空白值。

氢氧化钠标准溶液的浓度按下式计算：

$C(mol/L)=\frac{m}{(V_1-V_0)\×204.23\×{10}^{-3}}$

式中，

C：氢氧化钠标准溶液的浓度，mol/L；

V₁：滴定邻苯二甲酸氢钾消耗的氢氧化钠的体积，mL；

V₀：滴定空白去离子水消耗的氢氧化钠的体积，mL；

m：邻苯二甲酸氢钾的质量，g；

204.23：邻苯二甲酸氢钾的摩尔质量，g/mol；

10^-3：mL换算成L的换算系数。

硫酸溶液：0.1mol/L，取5.36mL浓硫酸至1000mL容量瓶中，用去离子水定容，再用标准氢氧化钠溶液标定浓度。

硫酸溶液标定方法：取10.00ml上述硫酸溶液，加20ml煮沸去离子水及2～3滴酚酞指示剂，用刚标好的氢氧化钠标准溶液立即滴定，滴定至淡红色，同时用煮沸后冷却的去离子水做空白试验。

硫酸溶液的浓度按下式计算：

$C_1(mol/L)=\frac{C(V_{NaOH}-V_0)}{2\×10.00}$

式中，

C₁：硫酸标准溶液的浓度，mol/L；

C：上述标定的氢氧化钠标准溶液的浓度，mol/L；

V_NaOH：滴定空白蒸馏水消耗的氢氧化钠的体积，mL；

V₀：滴定空白去离子水消耗的氢氧化钠的体积，mL；

10.00：移取硫酸的体积，g/mol。

根据标定的数据进行测定，并按下式计算污泥堆肥阳离子交换容量：

$CEC(cmol/kg)=\frac{50C_1-CV}{m\×(100-\mathrm{\ω})\%}\×100$

式中，

CEC：阳离子交换容量，cmol/kg；

C₁：硫酸标准溶液浓度，mol/L；

C：氢氧化钠标准溶液浓度，mol/L；

V：滴定消耗的氢氧化钠标准溶液体积，mL；

m：污泥堆肥称取质量，g；

ω：污泥堆肥含水率，％；

100：mol换算成cmol倍数。

对10个样品进行五份平行测试，取其算数平均值，保留三位有效数字，同时，对其均值、标准差、变异系数、标准误进行计算，结果如表1所示。

表1堆肥样品阳离子交换容量样本统计量表

由上表可以看出，污泥堆肥阳离子交换容量在34.4～118cmol/kg之间，标准差在0.60～1.64cmol/kg之间，标准误在0.54～1.47cmol/kg之间，变异系数在0.94％～2.75％之间。整体来说，变异系数<3％，数据重复性较好较集中，特别是数值越大，重复性越好。说明该测试方法较为稳定。

本发明实施例二提供了一种污泥堆肥中阳离子交换容量的测定系统，参见图2，该系统包括：含水量测定模块21、称重模块22、钡离子饱和处理模块23、氯离子去除模块24、硫酸根离子去除模块25和氢氧化钠标定及计算模块26；

含水量测定模块21，用于将污泥堆肥风干后粉碎，过筛得到污泥堆肥样品，并测定污泥堆肥样品含水率；

称重模块22，用于称取预设质量的过筛后的污泥堆肥样品置于第一预设容量的离心管中，加入第一预设量的氯化钡溶液，搅拌均匀；

钡离子饱和处理模块23，用于将所述离心管成对放在托盘天平的两盘上，用氯化钡溶液将两边质量调平，放入离心机中，以第一预定转速离心直至下层污泥堆肥样品完全沉淀为止，放弃离心管中的上层清液；再用氯化钡溶液处理若干次，使钡离子饱和；

氯离子去除模块24，用于向钡离子饱和处理模块处理得到的下层污泥堆肥样品中加入第二预设量的去离子水，充分搅拌后，用天平将离心管成对调平，放入离心机中，以第二预定转速离心至下层污泥堆肥样品完全沉淀为止，放弃离心管中的上层清液；重复数次，直至无氯离子存在；

硫酸根离子去除模块25，用于向氯离子去除模块处理得到的下层污泥堆肥样品中加入第三预设量的硫酸标准溶液，用振荡机以预定振荡速率振荡预设时间后，将离心管中的溶液全部过滤至第二预设容量的锥形瓶中，用去离子水洗所述离心管若干次直至无硫酸根离子产生；

氢氧化钠标定及计算模块26，用于向所述锥形瓶中加入若干滴酚酞指示剂，用氢氧化钠标准溶液滴定至预设颜色指标，根据标定的数据并按以下公式计算污泥堆肥阳离子交换容量：

$CEC(cmol/kg)=\frac{50C_1-CV}{m\&times;(100-\mathrm{\&omega;})\%}\&times;100$

式中，CEC：阳离子交换容量，cmol/kg；C₁：硫酸标准溶液浓度，mol/L；C：氢氧化钠标准溶液浓度，mol/L；V：滴定消耗的氢氧化钠标准溶液体积，mL；m：污泥堆肥样品称取质量，g；ω：污泥堆肥样品含水率，％；100：mol换算成cmol倍数

本发明实施例提供的系统可以用于执行上述实施例所述的方法，其技术原理和技术效果类似，此处不再详述。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。