Резюме

Въведение

Методите, базирани на загубата на кристална вода от гипс, не разчитат на определяне на SO4 и по този начин оценяват съдържанието на гипс без намеса от други сулфатни минерали, съдържащи се в почвената проба. Термогравиметричните методи на гипса разчитат на измерването на съдържанието на кристална вода в гипса. Обикновено се използва стойността 20,91% (w/w); тъй като не цялата вода се възстановява при температурите на нагряване, използвани в лабораториите. Концепцията за фактор за възстановяване (19,42%) (Burns et al. 2002) е полезна, когато се описват аналитичните методи, базирани на загубата на кристална вода. (Nelson et al. 1978) осъзнава ограниченията на метода в почви с ниско съдържание на гипс, което минимизира полезността на мярката за таксономични цели, като се има предвид, че прагът за гипсовия хоризонт, посочен от Soil Survey Staff (2010), е 5% гипс съдържание. Elprince и Turjoman (1983) осъзнават, че методът със силикагел изглежда прост, но бавен в процеса. Когато пробата се нагрее до 105 ° C, част от кристалната вода на гипса (CaSO4 · 2H2O) се губи и се получава басанит (CaSO4 · 0.5H2O). С повишаване на температурите целият гипс се трансформира в анхидрит (CaSO4).

Всички тези методи имат своите ограничения и предимства, но повечето са свързани с големи грешки (Porta 1998). Al-Awajy и сътр. (1994) критикува всички тези методи и препоръчва нито един от тях да не бъде най-добрият. Тъй че традиционните методи за определяне на гипс, които са продължителни, трудоемки и недостатъчно точни, изглеждат все по-неподходящи за много потребители и нямат пазар за мениджъри на земя и политици (Omran 2008). Необходим е надежден и екологичен метод за бързо откриване и анализ на почвения гипс. Нарастващото търсене за разработване на по-навременни и рентабилни методи за количествено определяне на гипса в почвата с надеждна точност, ни води до изследователски въпрос: Можем ли да разработим по-ускорена, проста и точна мярка, която да замени остарелите техники за определяне на почвен гипс и подходящ за почви със съдържание на гипс до 5%?

Термични промени на гипса

Материали и методи

Почвени проби и експериментални материали

Сто и двадесет (120) проби от почвата, които са събрани от най-често срещаните големи групи на различни места в Египет (фиг. 1), са изсушени на въздух и са преминали през 2 мм сито. Реконституираните проби от гипсова почва са направени от негипсови пясъчни и глинести почви, а също така естествено чист гипс (от El-Ballah, Ismailia, Египет) и лабораторен реагент от калциев сулфат (CAS 7778-18-9). Нативният и добавен гипс в пробите се определя по два метода ацетон и силикагел и се сравнява с предложения метод.

сухи

120 проби от почвата, събрани от различни места в Египет

Метод на утаяване с ацетон. Този метод е мокър химичен метод. Включва екстракция на почвената проба с количество вода, достатъчно за разтваряне на целия наличен гипс и след това утаяване с ацетон. Утайката се разтваря напълно в дестилирана вода и гипсът се получава чрез измерване на електрическата проводимост на разтвора (US Salinity Laboratory Staff 1954).

Метод със силикагел. 8,0 g от всяка почвена проба се поставят в алуминиев съд и се сушат над силикагел в ексикатор за 48 h и след това се нагряват при 105 ° C в продължение на 24 h. Разликите между теглото на пробите, изсушени със силикагел и изсушени в пещ, дават разумен начин за определяне на съдържанието на гипс в почвата. Кристалната вода на гипса и съдържанието на гипс в почвените проби се изчислява съгласно уравнението на Nelson et al. (1978).

Предложеният ускорен метод. При този метод всяка проба от почвата се поставя в съд с Pyrex и се суши над 70 ° С във фурна за 45 минути. и след това се загрява при 150 ° С в продължение на 15 минути. Разликите между двете тегла дадоха практически начин за определяне на гипса в почвите.

Бърз и евтин метод за определяне на гипс

Low-разходи гипсм детеrминатион използвайки gypсума симУлационният (OMRAN GypSim) модел е разработен и внедрен. При този метод загубата на вода след нагряване при 70 ° C в продължение на 45 минути. и след нагряване с различни температурни градуси (в диапазона от 60–150 ° C) бяха сравнени. Резултатите показват, че нагряването при температура 70 ° C в продължение на 45 минути. равно на силикагел за 48 h и нагряване при температура 105 ° C за 24 h равно на нагряване при температура 135–150 ° C за 15 min. Така че, за бърз и прост метод, отоплението при температура 70 и 150 ° C е просто, по-бързо и точно.

Процедурата за предложения метод за оценка на почвения гипс, както следва:

10–20 g 2 mm изсушена на въздух почва се прехвърля в съд Pyrex и се претегля с точност до 0,001 g. Съдът се поставя във фурна при 70 ° С за 45 минути.

След това съдът, съдържащ пробата, се поставя във фурна при 150 ° C за 15 минути (времето зависи от обема на фурната и броя на пробите, поставени във фурната, фурната трябва да има вентилация).

След изваждането от фурната и преди претеглянето пробата се охлажда напълно в ексикатор. Процентът на гипса в пробата се изчислява по следното уравнение:

където W70 = тегло на пробата, изсушена при 70 ° C плюс съд Pyrex, W150 = тегло на пробата, изсушена при 150 ° C плюс съд Pyrex, Wd = тегло на чинията Pyrex, а 19,66 е коефициентът на възстановяване на гипса между 70 и 150 ° С.

Гипсът се превръща бавно във полухидрат във въздуха при около 70 ° C и по-бързо над 90 ° C и при по-висока температура произвежда анхидрит (Reda 1995). Разлагащият се дехидрат на калциев сулфат варира от 87 до 133 ° C в сравнение със 100 ° C за разлагане на вода и произвежда разтворим анхидрит, а не неразтворим анхидрит или полухидрат (Elprince et al. 1982). Чрез поддържане на пробите при 70 ° C в продължение на 45 минути и по-късно при 135–150 ° C в продължение на 15 минути, изведохме оценка на процента на загуба на тегло на кристалната вода за този температурен интервал, посочен като теглото на суха проба при 70 ° C. Процентът на възстановяване за този температурен интервал е 19,66.

Проверка на пригодността на предложения метод OMRAN GypSim

Официалната оценка на точността включва проверка на място на предложения модел е извършена в съответствие с процедурите на Congalton and Green (1999). От статистическа гледна точка броят на пробите, които трябва да бъдат валидирани, трябва да е достатъчен за измерване на променливостта, свързана с тестваната променлива. Бяха предложени няколко подхода за тестване доколко предложеният модел отговаря на данните. Повечето подходи разчитат на идеята за сравняване на наблюдаван брой индивиди с очаквания брой, ако монтираният модел е валиден. Тези наблюдавани и очаквани числа се комбинират, за да образуват хи-квадрат статистика, наречена доброта на напасване. Моделът е използван за прогнозиране на гипсови стойности въз основа на свойствата на почвата. След това бяха разработени регресии между предсказаните стойности и действителния гипс (измерен в лабораторията), за да се оцени точността на модела.

Проведено е междулабораторното проучване за измерване на точността (възпроизводимостта и повторяемостта) на предложения метод. Повторяемостта е мярка, която повтаря някакъв брой във всяка лаборатория от един и същ оператор и оборудване, което трябва да доведе до най-малките вариации между показанията. Възпроизводимостта е мярка за извършване на метода за изпитване в много различни лаборатории върху един и същ материал. Тъй като сега имаме различни оператори, различно оборудване и различни условия на околната среда, трябва да очакваме по-голяма вариативност в резултатите от различните лаборатории. Повторяемостта и вариацията на възпроизводимостта се изчисляват най-добре като стандартно отклонение.

Резултати и дискусия

Преобразуване на естествен и реактивен гипс

Таблица 1 показва резултатите, получени за загуба на вода, свързана с трансформация на гипс от възстановени гипсови проби след сушене при 105 ° C в продължение на 24 часа. Определените стойности за процента на кристалната вода, загубени при сушене с естествен и реактивен гипс, изглежда са затворени, което показва, че превръщането на гипса в басанит и анхидрит има много малки вариации в състава. Процентът на хигроскопична вода за негипсови пясъчни и глинести почви е съответно 0,27 и 8,74%. Процентът на хигроскопичната вода за естествения чист гипс и CaSO4 · 2H2O реагентите е съответно 4.24 и 3.64%. От резултатите се вижда, че трансформацията на гипс в басанит и анхидрит показва много малки вариации в състава на гипса. Разликата е главно в химичния му състав в резултат на дехидратацията му при нагряване. Кристалната вода от естествен гипс и използвания реагент представлява съответно 19,39 и 20,12% от общото тегло. Това означава, че гипсът се разлага при нагряване до басанит и накрая до анхидрит, като загубата е средно 19,76% от общото му тегло.

Определяне на съдържанието на гипс в почвени проби

За да се провери валидността на уравнението 1, резултатите от силикагел, ацетон и предложения метод бяха сравнени (Таблица 2) за 120 проби. Регресионното уравнение (уравнение 2) показва, че изчислените стойности са силно корелирани и надценяват съдържанието на гипс в сравнение с метода на ацетон, докато подценяването в сравнение с метода със силикагел. С това затворено споразумение предлагаме това уравнение да се използва с добра точност за прогнозиране на съдържанието на гипс в почвите.

където Y = съдържание на гипс, X1 = кристална вода, X2 = хигроскопична вода, X3 = съдържание на глина.

Оценка на точността на предложения метод

Установено е, че съдържанието на гипс (фиг. 2а), изчислено по предложения метод, е силно корелирано (r 2 = 0,99) с тези, определени от гравиметрията на утаения BaSO4. За тестване на точността на уравнението 2, съдържанието на гипс се изчислява за почвите (фиг. 2б) и за изкуствения гипс (фиг. 2в, г). Уравнението на регресията показва, че изчислените стойности надценяват гипса в сравнение с добавения гипс и предложения метод OMRAN GypSim.

Съдържание на гипс, определено от утаен BaSO4 като свързано със съдържанието на гипс от предложения метод и точност на предложения метод в сравнение с други методи

Таблица 3 показва средния процент на добавен гипс, извлечен от трите метода, показва, че възпроизводимостта на предложения метод е най-висока, които варират между 0,01 и 0,49 (средно 0,10), последвани от силикагел, който е в диапазона между 0,25 и 0,74 (средно 0,35), след това ацетоновият метод, който варира между 0,37 и 0,86 (средно 0,47). Този прост, но ефективен метод определя съдържанието на гипс с точност до 1%, докато други методи надценяват съдържанието на гипс с цели 10%.

Моделиране на предложения метод

Статистическият анализ, базиран на Таблица 2, показва положителна и силно корелация между хигроскопичното съдържание на вода и глина. Уравнението за прогнозиране може да бъде написано по следния начин:

където Y = общо съдържание на влага, Y1 и Y2 = хигроскопична вода на почвата и гипса, съответно, Y3 = кристална вода на гипс.

където Y1 = хигроскопична вода на почвата, X1 = съдържание на глина.

където Y2 = хигроскопична вода от гипс, X2 = съдържание на гипс.

Също така има положителна и високо значима връзка между съдържанието на гипс и кристалната вода. Стъпаловидното уравнение, което управлява тази връзка, може да бъде обобщено като:

От горните уравнения съдържанието на гипс може да бъде получено, както следва:

където Y = общо съдържание на влага, X1 = съдържание на глина, X2 = съдържание на гипс

И така, уравнение 8 може да се коригира с приблизително 3,6% (отклоняват стойностите от стандарта), както следва:

Модел за симулация на гипс (OMRAN GypSim) е разработен и внедрен за определяне на гипс. OMRAN GypSim е инструмент, написан на езика Java и се използва за изчисляване на съдържанието на гипс в сухи почви. Java е един от най-популярните използвани езици за програмиране. За работата на модела е проектиран лесен за използване графичен потребителски интерфейс (GUI). GUI позволява на потребителите да взаимодействат с компютърния хардуер по удобен за потребителя начин. В менюто OMRAN GypSim (фиг. 3) потребителят избира методите за определяне и параметрите, т.е. хигроскопична и кристална вода, влага в почвата и съдържание на глина. Екранна снимка на модела на приложението за изчисляване и показване на съдържанието на гипс е показана на фиг. 3.

Меню на приложението OMRAN GypSim за изчисляване на съдържанието на гипс в сухи почви

Предимства и предимства на предложения метод OMRAN GypSim

Ще има много дебати сред почвените учени относно най-добрите или предпочитани методи за определяне на съдържанието на гипс. Изследователите трябва да имат предвид следните фактори, когато разглеждат най-добрите методи:

Разходи и простота. Разходите за труд спрямо разходите за капиталово оборудване са едно от основните съображения при избора на методи. Предложеният метод има много ниска цена.

Налична апаратура. Най-мощната и ценна диагноза може да се направи с доста проста апаратура. Методът OMRAN GypSim има много ниски инфраструктурни разходи.

Изискванията за точност и точност обикновено са по-ниски при другите методи, отколкото при предложения метод. Точността струва пари и предложения метод, като се използват само претегляне и нагряване, което е по-бързо, като същевременно осигурява достатъчна точност и точност за целите на диагностиката и наблюдението. Методът OMRAN GypSim определя съдържанието на гипс с точност до 1%, докато други методи надценяват съдържанието на гипс с цели 10%.

Приспособима към различни видове почви. За определени типове почви са разработени много методи и данните за калибриране може да не са толкова подходящи за други типове почви. По-специално, предложеният метод е разработен и изследван за различни типове почви (напр. Пясък, глина, почва и т.н.) и голямо разнообразие от условия (например соленост, варовита почва, алкалност).

Здрав и идеален за приложения, които изискват резултати от скоростта и решение. Съдържанието на гипс в 120 почвени проби може да се определи за 60 минути работа.

За автоматизация на изчислението на гипса е проектиран лесен за използване графичен потребителски интерфейс.

Заключения

Препратки

Al-Awajy MH, Heakel MS, Reda M, Modaihsh AS, Choudhary MI (1994) Надеждност на определянето на гипса в почвите чрез три съществуващи прости метода. Арабски залив J Sci Res 12 (2): 273–284

Artieda O, Herrero J, Drohan PJ (2006) Прецизиране на метода на диференциална загуба на вода за определяне на гипс в почви. Soil Sci Soc Am J 70: 1932–1935. doi: 10.2136/sssaj2006.0043N

Burns DT, Danzer K, Townshend A (2002) Използване на термините „възстановяване“ и „привидно възстановяване“ в аналитични процедури. Pure Appl Chem 74: 2201–2205

Congalton R, Green K (1999) Оценка на точността на дистанционно наблюдаваните данни: принципи и практики. Издател Луис, Бока Ратон

Elprince AM, Turjoman AM (1983) Метод на инфрачервена дехидратация за определяне на съдържанието на гипс в почвите. Soil Sci Soc Am J 47: 1089–1091

Elprince AM, Al-Shammary MA, Magboul AM (1982) Кинетика на термичната дехидратация на гипсови почви. Почва Sci Aoc Am J 46: 530–535

FAO (1990) Управление на гипсови почви. Бюлетин за почвите 62. Организация за прехрана и земеделие на ООН, Рим

Farag FM (1999) Термична трансформация на гипса и определянето му в почвите. J Agric Sci Mansoura Univ 24 (9): 5201–5215

Herrero J, Artieda O, Weindorf DC (2016) Определяне на почвен гипс. Методи Почва Анален 1. doi: 10.2136/methods-почвата.2016.0037

Khan SU, Webster GR (1968) Определяне на гипса в солонетични почви чрез рентгенова техника. Аналитик 93: 400–402. doi: 10.1039/AN9689300400

Lebron I, Herrero J, Robinson DA (2009) Определяне на съдържанието на гипс в сухи почви, използващи промяната на фазата на гипс-басанит. Soil Sci Soc Am J 73: 403–411

León J, Seeger M, Badía D, Peters P, Echeverría MT (2014) Ефекти на термичен шок и пръски върху изгорени гипсови почви от басейна на Ебро (NE Испания). Твърда Земя 5: 131–140

Mahabadi NY, Givi J (2008) Сравнение на различни методи за определяне на гипс в избрани почви от Исфахан. J Water Soil Sci 11: 565–576

Nelson RE, Klameth LC, Nettleton WD (1978) Определяне съдържанието на гипс в почвата и изразяване на свойствата на гипсовите почви. Soil Sci Soc Am J 42: 659–661

Omran ESE (2008) Мъртво и заровено ли е науката за почвата? Бъдещ образ в света на 10 милиарда души. КАТРИНА 3 (2): 59–68

Omran ESE (2012) Модел на невронна мрежа за картографиране и прогнозиране на неконвенционални почви на регионално ниво. Appl Remote Sens J 2 (2): 35–44

Porta J (1998) Методологии за анализ и характеризиране на гипса в почвите: преглед. Геодерма 87:31. doi: 10.1016/S0016-7061 (98) 00067-6

Reda M (1995) Образуване на дупки в някои гипсови почви на Египет. J Agric Sci Mansoura Univ 20 (2): 915–922

Skarie RL, Arndt JL, Richardson JL (1987) Определяне на сулфат и гипс в солени почви. Soil Sci Soc Am J 51: 901–905

Персонал за проучване на почвата (2010) Ключове към почвената таксономия, 11-то изд. SSDA NRCS Правителствена печатница на САЩ, Вашингтон, окръг Колумбия

Служители на лабораторията за соленост на САЩ (1954 г.) Диагностика и подобряване на солените и алкални почви. USDA Наръчник 60, Правителствена печатница на САЩ, Вашингтон, САЩ

Visconti F, De Paz JM, Rubio JL (2010) Продукти на разтворимост на калцит и гипс във водни наситени соли, засегнати почвени проби при 25 ° C и най-малко до 14 dS m − 1. Eur J Soil Sci 61: 255. doi: 10.1111/j.1365-2389.2009.01214.x

Weindorf DC, Bakr N, Zhu Y (2014) Напредък в преносимата рентгенова флуоресценция (PXRF) за екологични, педологични и агрономични приложения. Adv Agron 128: 1–45. doi: 10.1016/B978-0-12-802139-2.00001-9

Благодарности

Авторът иска да благодари на проф. Д-р М. Реда и г-жа С. М. Реда за безценното съдействие при корекцията на ръкописа.

Информация за автора

Принадлежности

Отдел за почви и води, Земеделски факултет, Университет Суецки канал, Исмаилия, 41522, Египет

Ел-Сайед Е. Омран

Можете също да търсите този автор в PubMed Google Scholar