一种模拟粘土矿物吸附硼过程同位素分馏的方法及其应用

摘要

本发明属于土壤养分流失防治领域，具体涉及一种模拟粘土矿物吸附硼过程同位素分馏的方法及其应用。所述方法具体为：(1)将粘土矿物填装进柱体中；(2)将含硼的溶液注入填充有粘土矿物的柱体中；(3)承接流出液，用于硼含量和硼的同位素组成测定。该方法以土壤中具体的粘土矿物作为硼吸附的研究对象，能够获得真实反映某一种粘土矿物对于硼的吸附性数据，同时能够有针对性地获知硼在该粘土矿物中的同位素分馏情况，排除土壤中其他物质对于硼吸附过程和同位素检测过程的影响，从而能够更加准确的指导人们更有针对性地进行土壤中硼养分流失情况的分析和预防，同时也能够指导硼肥的有效施加。

说明书

技术领域

本发明属于土壤养分流失防治领域，具体涉及一种模拟粘土矿物吸附硼过程同位素分馏的方法及其应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

所有微量元素中,中国缺硼最普遍。植物吸收的硼主要来自土壤,土壤的含硼量对植物至关重要。土壤含硼量多少与成土母质、土壤类型及气候条件等有密切的关系。土壤中的硼可简单分为全量硼和有效硼。土壤全量硼是指土壤中所存在的硼的总和,包括植物可利用的硼和不能利用的硼两部分。土壤有效硼是指植物可从土壤中吸收利用的硼。因此,土壤缺硼与否完全取决于土壤有效硼含量。

根据全国第二次土壤普查数据,全国耕种土壤缺硼面积多达0.33亿hm2。贵州、四川、湖北、湖南、安徽、江苏、江西、云南、河南、陕西、广东、福建、广西、吉林、河北、山东、山西等耕地缺硼比例均大于60％。作为油菜、棉花、花生、果树、蔬菜等高需硼经济作物的主要生产地,缺硼严重地限制各地农业生产的发展,缺硼已成为妨害作物产量及品质提高的主要限制因子。

土壤中硼易溶解于土壤水，而不易被土壤吸附，因此极易被淋溶，土壤中的硼易随水土流失的迁移，不仅降低土壤中含硼量，同时引起土壤质量退化，这是土壤缺硼的一个重要原因。硼养分随土壤水的流失是一个非常复杂的物理化学过程，土壤中硼的迁移受粘土矿物、碳酸盐、金属氧化物和有机质等影响，硼淋溶流失的量决定于土壤质地、pH值、有机质、气候的控制，同时也控制着硼的同位素分馏。现有技术中，同位素携带的源地信息和过程指示的“指纹特征”，成为一种研究土壤中硼化学行为的有效手段，但发明人发现，以土壤为研究对象时，成分复杂的土壤基质导致对土壤中硼的化学行为的探究只能获得一种综合性数据，缺少特定因素细致分析，难以获得准确结果。因此，鉴于上述研究背景，有必要通过实验模拟手段，提供一种研究土壤中特定因素下吸附硼过程的同位素分馏的方法。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供一种模拟粘土矿物吸附硼过程同位素分馏的方法及其应用，该方法以土壤中具体的粘土矿物作为硼吸附的研究对象，能够获得真实反映某一种粘土矿物对于硼的吸附性数据，同时能够有针对性地获知硼在该粘土矿物中的同位素分馏情况，排除土壤中其他物质对于硼吸附过程和同位素检测过程的影响，从而能够更加准确的指导人们更有针对性地进行土壤中硼养分流失情况的分析和预防，同时也能够指导硼肥的有效施加。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种模拟粘土矿物吸附硼过程同位素分馏的方法，具体为：

(1)将粘土矿物填装进柱体中；

(2)将含硼的溶液注入填充有粘土矿物的柱体中；

(3)承接流出液，用于硼含量和硼的同位素组成测定。

本发明第二方面提供一种上述模拟粘土矿物吸附硼过程同位素分馏的方法在环保领域中的应用；

所述应用包括但不限于：

(1)土壤中硼含量的评估；

(2)施硼肥过程的调控；

(3)土壤养分流失的防控。

本发明的一个或多个实施方式至少具有以下有益效果：

(1)该方法以土壤中具体的粘土矿物作为硼吸附的研究对象，该方法能够模拟粘土矿物吸附硼过程中的同位素分馏过程，获知硼在该粘土矿物中的同位素分馏情况，排除土壤中其他物质对于硼吸附过程和同位素检测过程的影响，从而能够更加准确的指导人们更有针对性地进行土壤中硼养分流失情况的分析和预防，同时也能够指导硼肥的有效施加。

(2)该方法步骤简单，无需大型仪器，整个过程受环境影响小，易于实施。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明所提供的模拟粘土矿物吸附硼过程同位素分馏的方法中应用的淋滤装置示意图；

图2为粘土矿物吸附过程中硼含量及同位素组成的变化。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中，一般以土壤为硼吸附的研究对象，成分复杂的土壤基质导致对土壤中硼的化学行为的探究只能获得一种综合性数据，缺少特定因素的准确结果。为了解决如上的技术问题，本发明第一方面提出了一种模拟粘土矿物吸附硼过程同位素分馏的方法，其特征在于：具体为：

(1)将粘土矿物填装进柱体中；

(2)将含硼的溶液注入填充有粘土矿物的柱体中；

(3)承接流出液，用于硼含量和硼的同位素组成测定。

其中，本发明以粘土矿物作为硼吸附过程的研究对象，能够获得真实反映某一种粘土矿物对于硼的吸附性数据，同时排除土壤中其他物质的影响；不同的硼同位素(主要为

所述粘土矿物包括高岭石、蒙脱石、蛭石、埃洛石、伊利石等，可以根据需求采用上述方法对任意一种粘土矿物进行硼吸附情况的模拟，当然针对不同的粘土矿物，所得到的结果是存在差异的，这主要是粘土矿物本身的性质所导致的。

在本发明的一种或多种实施方式中，所述粘土矿物优选为蛭石，该方法以蛭石为柱体内填充材料时，同位素分馏效果差异更清晰；作为优选的，所述蛭石的粒径为100目以上。

由于该方法最终所得到的的流出液要进行含硼量和硼同位素组成的精确测定，需要尽可能避免体系内杂质的引入，因此，本发明对所述粘土矿物先经过预处理后再填充至柱体中；优选的，所述预处理方式为：采用0.1mol/L HNO

在本发明的一种或多种实施方式中，柱体的高度为5-10cm，柱体过高会大大降低整个模拟过程的效率，而柱体过低则会导致硼吸附不完全，无法构建精确的模拟过程。

在本发明的一种或多种实施方式中，所述柱体的底部设置有出水口，用于导出流出液。

作为优选的实施方式，所述柱体的上部与底部均有滤料层，上部滤料层的作用是将含硼溶液中的杂质滤除，避免进入体系内影响模拟结果；底部滤料层的作用是将随着含硼溶液流动方向运动的粘土矿物过滤，避免粘土矿物颗粒从出水口中流出，堵塞出水口或者造成粘土矿物的流失。

进一步的，所述滤料层为石英砂层，高度为1-2cm；

进一步的，所述柱体材质为PPR或PTFE。

在本发明的一种或多种实施方式中，采用恒流泵将含硼的溶液注入到填充有粘土矿物的柱体中，并通过恒流泵控制出水速度；恒流泵能够控制含硼溶液以恒定的流速进行淋洗，实现硼的稳定吸附。

进一步的，所述恒流泵控制的出水速度为5-10mL/min，速度过低或过高均不利于硼的吸附，速度过低达不到有效吸附性，速度过高会导致含硼溶液与粘土矿物的接触不够充分，造成吸附效果不理想。

进一步的，所用的含硼溶液浓度为0.5-2mg/L。

在本发明的一种或多种实施方式中，流出液的硼含量采用ICP-MS或ICP-OES测定，硼同位素组成采用MC-ICP-MS或TIMS测定。

本发明第二方面提供一种上述模拟粘土矿物吸附硼过程同位素分馏的方法在环保领域中的应用；

其中，所述应用包括：

(1)土壤中硼含量的评估；

(2)施硼肥的调控；

(3)土壤养分流失的防控。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。

实施例1

(1)将100目蛭石矿物先用0.1mol/L高纯HNO

(2)开启恒流泵，注入含硼溶液排出矿物柱体中的空气，然后控制恒流泵出水速度为5mL/min，开始计时，收集流出液2mL；

(3)采用ICP-OES或ICP-MS测定流出液中硼的含量，采用MC-ICP-MS或TIMS测定流出液中硼同位素组成。

(4)按照流出时间顺序，绘制硼含量和硼同位素组成随流出时间的变化曲线，查看在吸附过程中硼的同位素分馏状况，如图2所示。

从图2可以看出：

随着淋洗时间的延长，洗出液中硼的含量逐渐增加，但当淋洗时间达到120min时，基本达到稳定状态，洗出液中硼的含量不再发生变化。同时，同位素峰度值有初始态也达到动态平衡，证明发生了硼的同位素分馏过程。

实施例2

(1)将100目高岭石先用0.1mol/L高纯HNO

(2)开启恒流泵，注入含硼溶液排出矿物柱体中的空气，然后控制恒流泵出水速度为5mL/min，开始计时，收集流出液2mL；

(3)采用ICP-OES或ICP-MS测定流出液中硼的含量，采用MC-ICP-MS或TIMS测定流出液中硼同位素组成。

(4)按照流出时间顺序，绘制硼含量和硼同位素组成随流出时间的变化曲线，查看在吸附过程中硼的同位素分馏状况。

实施例3

(1)将100目蒙脱石先用0.1mol/L高纯HNO

(2)开启恒流泵，注入含硼溶液排出矿物柱体中的空气，然后控制恒流泵出水速度为5mL/min，开始计时，收集流出液4mL；

(3)采用ICP-OES或ICP-MS测定流出液中硼的含量，采用MC-ICP-MS或TIMS测定流出液中硼同位素组成。

(4)按照流出时间顺序，绘制硼含量和硼同位素组成随流出时间的变化曲线，查看在吸附过程中硼的同位素分馏状况。

实施例4

(1)将100目埃洛石先用0.1mol/L高纯HNO

(2)开启恒流泵，注入含硼溶液排出矿物柱体中的空气，然后控制恒流泵出水速度为5mL/min，开始计时，收集流出液4mL；

(3)采用ICP-OES或ICP-MS测定流出液中硼的含量，采用MC-ICP-MS或TIMS测定流出液中硼同位素组成。

(4)按照流出时间顺序，绘制硼含量和硼同位素组成随流出时间的变化曲线，查看在吸附过程中硼的同位素分馏状况。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。