化学滴定法测定石灰质材料中和值及国际标准制定的研究*

冷远鹏，储德韧，商照聪，2

(1.上海化工研究院有限公司 上海 200062；2.国家化肥质量监督检验中心〔上海〕 上海 200062)

狭义的石灰是一种以氧化钙为主要成分的气硬性无机胶凝材料，其制作过程是用石灰石、白云石、白垩、贝壳等碳酸钙含量高的材料于900～1 100 ℃下煅烧而成；广义的石灰质材料还包含取自天然经简单煅烧加工后的其他无机材料，如氧化镁、木灰等。石灰质材料是人类最早应用的胶凝材料，在土木工程、医药及农业中都有着广泛的应用[1]。在农业领域，土壤过酸会对土壤肥力和作物生长产生非常明显的影响，当其pH低于6时，磷的吸收将受影响，土壤微生物也将无法生存，更会对植物造成毒害作用[2-5]。呈碱性的石灰质材料因价廉易得、具有多种调节效果而被大量作为土壤调理剂使用。石灰与有机质型原料复配，可以调节土壤酸性、修复土壤，并能有效抑制酸化的反弹；钙等物质施入后能成为土壤间的桥梁，将原本分散、游离的土粒有效连接起来，形成团粒结构，并可促进微生物的繁殖，通过菌丝缠绕、代谢产物胶黏等作用促使团粒结构稳定，增强土壤通透性；补充植物生长所需的中量元素，提高植物抗性，减少病害[2-6]。

石灰质材料在土壤调节剂中最重要的作用是以其碱性来中和原土壤的酸性[6-8]，因此准确衡量其碱度对工业生产及调理剂用量设计至关重要。石灰质材料的碱度一般用中和值来衡量，目前欧洲和美国已颁布石灰质材料中和值的相关测定标准[9-10]，也有文献报道与上述标准方法类似的滴定方法[11]。但是这些方法不同程度存在一些问题：现有滴定方法对于某些常温难溶样品无法准确滴定；指示剂对于某些有颜色的样品无法准确滴定；一些方法单纯以pH=7.0来判断终点，对于含硅酸盐的石灰质材料将由于产生难溶性化合物沉淀而干扰滴定结果。

为解决现有石灰质材料中和值测定方法所存在的问题，有效填补石灰质材料中和值测定相关领域国际标准与规范的缺失，同时建立对石灰质材料中和值的辨识和控制体系，减少对土壤、水源等环境的污染，达到保护环境、保证农作物正常生长和农产品安全、维护消费者健康及土壤调理剂用户的权益和规范全球土壤调理剂市场等目的，法国标准化协会与MEAC集团公司合作，在欧盟标准EN 12945∶2014的基础上进行了深入研究，于2015年向国际标准化组织ISO/TC 134“肥料、土壤调理剂和有益物质”标准化技术委员会申请了相关国际标准项目并获得立项。该国际标准项目研究开发了利用化学滴定法测定石灰质材料中和值的新方法，系利用返滴定法的原理，先用过量的0.50 mol/L盐酸溶液在加热条件下使待测石灰质材料溶解，再用0.25 mol/L的氢氧化钠标准溶液滴定至指定pH，由所消耗的标准滴定溶液的体积计算获得待测石灰质材料的中和值。经ISO/TC 134推荐，由法国标准化协会牵头，会同MEAC集团公司组织了全球8家分析实验室针对有代表性的12种典型石灰质材料样品进行了国际实验室间比对。上海化工研究院有限公司代表我国组织了3家中国企业共同参与了该项国际实验室间比对工作。统计结果表明，该新方法的适用性广且精密度高，从而被推荐为新的国际标准ISO 20978中所采用的标准方法[12]。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

主要仪器：PHS-TP型pH计，精度0.01，上海大普仪器有限公司；Mettler Toledo AL204-1C型分析天平，精度0.1 mg，Mettler Toledo Co., Ltd.；电子万用炉，北京市永光明医疗仪器有限公司；HJ-3型磁力搅拌器，常州国华电器有限公司；250 mL玻璃烧瓶、200 mL量杯，上海玻璃仪器厂；50 mL型酸碱通用型滴定管，海门市台联玻璃仪器有限责任公司。

主要试剂：盐酸标准溶液，0.5 mol/L，上海化学试剂研究所有限公司；氢氧化钠标准溶液，0.25 mol/L，上海化学试剂研究所有限公司；过氧化氢溶液，优级纯，体积分数30%，国药集团化学试剂有限公司；沸石，国药集团化学试剂有限公司；三级水。

1.2 试验方法

由于含硅酸盐的石灰质材料在滴定至pH=7.0时将会产生难溶性化合物沉淀，所以试验方法分为适用于除硅酸盐石灰质材料以外的其他石灰质材料的A方法和适用于所有石灰质材料的B方法。

A方法(适用于除硅酸盐石灰质材料的其他石灰质材料)操作步骤：称取0.5 g或1.0 g(精确至0.001 g)不含硅酸盐的石灰质材料于250 mL烧瓶中，加入50 mL物质的量浓度为0.50 mol/L的盐酸标准溶液，连续摇动混匀后加热至微沸并在沸腾状态下保持5 min，然后冷却至室温，再用物质的量浓度为0.25 mol/L的氢氧化钠标准溶液在稳定搅拌下滴定至pH为7并保持1 min，记录消耗的氢氧化钠标准溶液的体积。

B方法(适用于所有石灰质材料)操作步骤：称取0.5 g(精确至0.001 g)石灰质材料于250 mL烧瓶中，用10 mL水润洗烧瓶内壁；加入35 mL物质的量浓度为0.50 mol/L的盐酸标准溶液，连续摇动混匀；加入沸石加热至微沸10 min使样品溶解；持续搅拌并冷却至室温，然后加水稀释至100 mL；为消除亚铁离子对滴定的干扰，加入5 mL用水稀释了5倍的过氧化氢溶液，然后将全部溶液定量转移至200 mL量杯后定容至200 mL，混匀；干过滤，弃去最初部分滤液，分取100 mL滤液倒入250 mL烧瓶中，用物质的量浓度为0.25 mol/L的氢氧化钠标准溶液在稳定搅拌下滴定至pH为4.8并保持1 min，记录消耗的氢氧化钠标准溶液的体积。

1.3 参试机构及试验样品

本次国际实验室间比对活动经国际标准化组织ISO/TC 134“肥料、土壤调理剂和有益物质”标准化技术委员会推荐，由法国标准化协会牵头，会同MEAC集团公司组织召集了包括法国MEAC集团公司、美国Thornton实验室、上海化工研究院有限公司、四川省危险化学品质量监督检验所、史丹利农业集团股份有限公司等在内的全球8家分析实验室参与。

考虑到尽可能具有代表性，国际实验室间比对阶段使用的石灰质材料包括来自全球的12种样品，即碳酸钙(A)、氧化镁(B)、石灰石(C)、白云石(D)、煅石灰(E)、粉笔(F)、木灰(G)、糖厂石灰(H)、造纸工业碳酸钙(I)、转炉炉渣(J)、石膏(K)以及混合产品(L)。12种样品的中和值在0%～134%之间，大致涵盖了目前工农业所用石灰质材料的中和值范围，使得评价结果具有较广泛的参照价值和实用意义。

1.4 结果计算

当采用A方法时，以CaO表示的中和值按式(1)进行计算；当采用B方法时，以CaO表示的中和值按式(2)进行计算。

式中：Nd——中和值，%；

0.028——将盐酸标准溶液转化为CaO的等价表示系数；

CHCl——盐酸标准溶液物质的量浓度，mol/L；

VHCl——消耗的盐酸标准溶液体积，mL；

CNaOH——氢氧化钠标准溶液物质的量浓度，mol/L；

VNaOH——消耗的氢氧化钠标准溶液体积，mL；

m——样品称样量，g；

f——分取的滤液体积占总体积的比率，取值0.5。

2 试验结果与讨论

2.1 中和值原始数据

8家实验室对12种具有代表性的石灰质材料样品测定的中和值原始数据如表1所示，每个样品测定的平行数为4，其中：A碳酸钙、B氧化镁、C石灰石、D白云石、E煅石灰、F粉笔、G木灰、H糖厂石灰、I造纸工业碳酸钙以及K石膏样品按照A方法进行试验，样品J转炉炉渣和L混合产品按照B方法进行试验。

2.2 比对试验数据统计研究

国际实验室间比对研究依据ISO关于国际标准项目制定相关程序[13]，按照国际标准草案文本ISO/FDIS 20978[12]及据此起草的国际实验室间比对作业指导书进行；比对试验数据依据ISO 5725-2∶1994《测量方法与结果的准确度(正确度与精密度) 第2部分：确定标准测量方法重复性与再现性的基本方法》[14]进行统计分析。鉴于8家实验室对12种石灰质材料测试数据的统计分析数据量非常庞大，且针对中和值测试结果数理统计的步骤类似，以对样品D白云石的中和值测试结果的统计为例，对此过程展开说明。

表1 12种石灰质材料样品中和值测定原始数据

2.2.1 数据一致性和离群性检验

根据ISO 5725-2∶1994[14]，在对采用实验室间比对所得到的测定数据进行平均值和精密度参数计算前，必须对数据的有效性(一致性)进行统计检验，剔除对结果可能造成干扰的离群值，以确保数理统计结果的可靠性。

(1)Mandel检验

首先采用Mandel的实验室间一致性统计量h和实验室内一致性统计量k来检验上述原始数据的一致性：对每个实验室i，计算实验室间的一致性统计量h值和每个实验室内的一致性统计量k值，然后以柱状图的形式表示。根据ISO 5725-2∶1994[14]中所列公式处理样品编号D的白云石样品(中和值参考值为58.8%)数据，得到的Mandelh统计量图和k统计量图分别如图1和图2所示。

图1 8家实验室的白云石Mandel h统计量图

图2 8家实验室的白云石Mandel k统计量图

根据ISO 5725-2∶1994[14]，当实验室数量为8时，显著性水平为1%和5%的Mandelh统计量临界值分别为2.06和1.75，分别代表离群值线和岐离值线。由图1可发现，8家实验室针对白云石中和值测试的Mandel实验室间一致性统计量h值均低于1.75，所以认为依据h统计数据具有较好的一致性。

根据ISO 5725-2∶1994[14]，当实验室数量为8、单次试验的重复数为4(针对表1中的实验室1～6和实验室8)时，显著性水平为1%和5%的Mandelk统计量临界值分别为1.81和1.56，分别代表离群值线和岐离值线；当实验室数量为8、单次试验的重复数为2(针对表1中的实验室7)时，显著性水平为1%和5%的Mandelk统计量临界值分别为2.25和1.88，分别代表离群值线和岐离值线。由图2可知，8家实验室针对白云石中和值测试的Mandel实验室间一致性统计量k值均低于各自重复数下的离群值线，但实验室3的k值为1.65，处于1.56和1.81之间，所以认为实验室3的4次重复测试结果之间出现了较大的变异，需结合后续的数据离群值检验进一步分析。

(2)Cochran检验

实验室间比对数据有效性的一项重要假设是各参与实验室所提交的数据的实验室内方差没有显著差异[15-16]。依据ISO 5725-2∶1994[14]的要求，首先采用针对实验室内一致性的Cochran检验法[17]对各实验室的数据进行分析，结果如表2所示。

表2 白云石中和值测定数据平均值的Cochran检验结果

当实验室数量为8时，显著性水平为1%和5%的Cochran统计量临界值分别为0.521和0.438，分别代表离群值线和岐离值线。由表2可知，包括实验室3在内的各参与实验室所提交数据的实验室内方差没有显著差异。

(3)Grubbs检验

Grubbs检验是针对实验室间数据一致性进行的数理检验[18-19]，对8家实验室白云石中和值的平均值进行计算，其有效数据个数为8个，得到的Grubbs统计量G如表3所示。对于单个离群值的Grubbs检验，如果计算所得Grubbs统计量G大于置信水平5%临界值为岐离值，大于置信水平1%临界值为离群值；对于2个离群值的Grubbs检验，如果计算所得Grubbs统计量G小于置信水平5%临界值为岐离值，小于置信水平1%临界值为离群值。

表3 白云石中和值平均值的Grubbs检验结果

Grubbs统计检验结果表明，8家实验室针对白云石中和值测试的平均值的单个离群值统计量均小于5%的临界线2.126，2个离群值统计量均大于5%的临界线0.110 1，故数据中不存在离群值，即8家实验室针对白云石中和值测试数据均为有效数据，可用于进一步统计各平均值的标准差。

2.2.2 平均值和标准差的计算分析

表4 8家实验室测定白云石中和值的平均值和标准差结果

2.3 中和值数据统计结果汇总

根据8家实验室提交的针对12种典型的石灰质材料中和值的测定数据，按2.2节所描述的数理统计分析方法处理后，得到了12种典型的石灰质材料中和值的平均值及其重复性数据，结果如表5所示。

石膏(K)的理论中和值为0%，在国际标准制定中选取石膏(K)是为了验证是否能得出接近其理论值的结果，最终结果总平均值为0.97%，说明该测定方法在中和值极低的水平下仍保持较高的准确度。

表5 12种典型的石灰质材料中和值的平均值和相对重复性限及相对再现性限

大部分石灰质材料的中和值在40%～60%之间，试验选取的12个样品中有9个样品在此范围内，其中重复性限在1.10%以下的样品有6个；除了造纸工业碳酸钙(I)和煅石灰(E)外，其他样品再现性限均在8.20%以下，说明该测定方法具有较好的精密度。造纸工业碳酸钙(I)重复性良好而再现性较差，经与各实验室沟通后，推测是样品在寄送过程中部分吸潮所导致。煅石灰(E)中和值测定的重复性及再现性不及其他石灰质材料的测定结果，分析表1可知实验室2和实验室8贡献了大部分的重复性偏差，怀疑是这2家实验室的技术水平所导致。对再现性较差这一现象进行分析，ISO/TC 134专家组认为需要在处理和寄送该样品前进行真空包装，以避免寄往不同实验室样品的熟化和吸湿程度不同。

综上所述，国际标准草案文本ISO/FDIS 20978[12]中推荐的化学滴定法对于多种石灰质样品都具有很好的适用性和精密度。

2.4 参与比对实验室的反馈

通过全球8家实验室协作完成的国际实验室间比对活动，ISO/TC 134不仅考察了化学滴定法的普适性及精密度，还在试验过程中得到了一些参与实验室反馈的宝贵意见，对该国际标准方法的进一步规范化有积极意义。

(1)对于中和值较低的石膏(K)等样品，滴定所用的氢氧化钠标准溶液超过了普通滴定管的量程(50 mL)，故试验中途需要再次向滴定管中补充滴定液以完成滴定工作，这无疑增大了操作的系统误差。对于此类样品，建议减少盐酸标准溶液的用量，以满足后续一次滴定达到预定pH的目的。

(2)有些样品在加入盐酸和水后，溶液本身会出现本底颜色，若用酸碱指示剂来指示终点可能导致终点难以判断，所以推荐统一采用pH计来测定pH。

(3)对于某些易吸潮的样品，在储运中和检测前应注意防潮处理，否则有可能导致试验数据的准确性降低。

3 结语

为了确定国际标准草案文本ISO/FDIS 20978[12]中开发的石灰质材料中和值的测定——化学滴定法的适用性以及精密度，ISO/TC 134对12种石灰质样品的中和值开展了国际实验室间比对试验，在试验方案实施过程中共征集到实验室8家，最终8家实验室都提供了有效试验结果。

对试验结果的精密度按ISO 5725-2∶1994[14]进行统计，发现有部分歧离值和离群值，但并没有离群实验室，所产生的歧离值或离群值都是由未严格按照实验方案操作所引起。精密度结果表明，研究开发的石灰质材料中和值的测定——化学滴定法是可行的，各实验室间的测定值有较好的一致性，经统计得到的精密度结果能够用来确定该中和值测定方法的重复性限和再现性限。该方法重复性限和再现性限的获得，对于指导后续使用该方法的国际组织、国家或单位制定质量控制和技术性贸易措施提供了理论支持。

致谢：

本研究项目获得了全国肥料和土壤调理剂标准化技术委员会章明洪教授级高工、杨一教授级高工的大力支持；也获得了ISO/TC 134“肥料、土壤调理剂和有益物质”标准化技术委员会主席William Jr. Hall先生及秘书长Modejh R. Tabari女士、第四工作组前召集人Francois Xavier Gaumont先生、第一工作组召集人刘刚先生及各成员国专家的指导；在国际实验室间比对活动中，来自全球的8家分析实验室积极参与并提交了有效数据，包括我国四川省危险化学品质量监督检验所和史丹利农业集团股份有限公司的成功参与，在此一并表示感谢。