气相色谱法测定有机肥料中的水分

甘合智，张海殷，李福

（广西壮族自治区产品质量检验研究院，南宁 530000）

水分含量是与有机肥料质量密切相关的关键技术参数，不但影响堆肥发酵的速度和品质［1-2］，而且直接参与有机肥料的有机质、重金属含量的计算，是堆肥产物和商品有机肥料的重要质量评价指标［3-5］，因此对有机肥料中水分含量的准确测定及其重要。

烘箱干燥法［6-7］和卡尔 ·费休法［8］是肥料水分含量检测的标准方法，但都存在不足：烘箱干燥法测定结果除水分以外可能还包括其它易挥发性成分［9］，不适用于干燥过程中产生非水分挥发性物质的样品［6］；卡尔·费休法使用的试剂有较强的毒性，测定水分时干扰物质较多［10］，不适用于含有氧化剂、还原剂、碱性氧化物、氢氧化物、碳酸盐、硼酸等物质的样品［11］。目前，国内有机肥料生产原料除了传统的种植业废弃物（农作物秸秆、园艺作物秸秆等）、养植业废弃物（禽畜粪便、废饲料）外，糖蜜酒精废液、滤泥、炉灰等新型生产原料也在有机肥料生产中得到大量使用［12］。这些种类繁多的不同生产原料使得有机肥料各品种间性质差异很大，更是给烘箱干燥法和卡尔·费休法测定有机肥料水分带来更多的不确定性，因此很有必要建立一种快速准确测定有机肥料中水分的新方法。

气相色谱法因具有分析速度快、时间短、准确度高等优点而用于粮食［13］、药品［14-15］、胶黏剂［16］、涂料［17］中水分含量的测定。笔者以N，N-二甲基甲酰胺为溶剂，以甲醇为内标物，采用气相色谱仪（TCD检测器）进行水分含量的测定，该方法测定范围宽，重复性好，准确度高，可用于有机肥料中水分含量的快速准确测定，为有机肥料生产、加工、监管提供技术支撑。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

气相色谱仪：GC9890A型，配备热导（TCD）检测器，上海灵华仪器有限公司。

电子分析天平：ME 204型，感量为0.1 mg，瑞士梅特勒托利多公司。

甲醇：分析纯，广东光华科技股份有限公司。异丙醇：农残级，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

N，N-二甲基甲酰胺：分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

超声波清洗器：KQ-300ES型，昆山市超声仪器有限公司。

低速离心机：TDL-60B型，上海安亭科学仪器厂。

气密小瓶（或色谱顶空瓶）：20 mL。

实验用水为二级水。

1.2 色谱条件

色谱柱：porapad-Q多孔高分子小球不锈钢填充柱（1 m×4 mm，177～250 μm，兰州中科凯迪化工新技术有限公司）；载气：氢气，柱头压力为0.04 MPa；进样口温度：200 ℃；柱温：初始温度100 ℃，保持3 min，然后以20 ℃／min的速率升到180 ℃，保持7 min；热导检测器温度：200 ℃，电流为120 mA ；进样体积：1 μL。

1.3 系列校正标准溶液的配制

使用移液管或移液枪，按以下方法顺序移取水、异丙醇、甲醇、N，N-二甲基甲酰胺到带隔垫帽的气密小瓶（或色谱顶空瓶）中来配制标准样品。

准确称量气密小瓶（或色谱顶空瓶）质量，精确到0.1 mg。打开瓶盖帽，使用移液枪分别将0.01、0.03、0.05、0.07、0.10、0.20、0.40、0.80、1.00 g 水小 心地加入到小瓶中，不要让样品玷污小瓶上瓶帽接触的部分。盖好瓶帽并记录下所加入水的质量，精确到0.1 mg。

在同一气密小瓶（或色谱顶空瓶）中，依次分别加入异丙醇（0.9 g）、甲醇（0.1 g），重复以上加样和称量过程，并分别记录下异丙醇、甲醇的净质量，精确到0.1 mg。

用适量N，N-二甲基甲酰胺将每个标准样品稀释到约15 mL，盖好瓶帽并记录下加入N，N-二甲基甲酰胺的净质量，精确到0.1 mg。摇匀，得到有机肥料中水的校正标准溶液。

同时，另取气密小瓶加入同样量的异丙醇、甲醇、N，N-二甲基甲酰胺，但不加水作为空白溶液。

配制的标准溶液信息见表1，水含量范围为0.00～77.85 mg／g。

表1 有机肥料中水的校正标准溶液

1.4 样品处理

将有机肥料样品缩分并迅速研磨至通过1.0 mm筛，置于洁净干燥瓶中混合均匀。称取混合均匀后的样品1.0～1.5 g于气密小瓶（或色谱顶空瓶）中，盖好瓶帽后称量，精确到0.1 mg。依次分别加入固定质量的异丙醇（0.9 g）、甲醇（0.1 g），重复以上加样和称量过程，并分别记录下异丙醇、甲醇的净质量，精确到0.1 mg。用N，N-二甲基甲酰胺将样品稀释到约15 mL，盖好瓶帽并记录下它的净质量，精确到0.1 mg。

将装有试样的小瓶超声振荡15 min，静置5 min使其沉淀，也可使用低速离心机使其沉淀。吸取样品瓶中的上清液，按1.2色谱条件进样分析。

同时进行空白试验。

2 结果与讨论

2.1 提取溶剂及内标物的选择

甲醇、乙醇、异丙醇、N，N-二甲基甲酰胺的极性大，相对分子质量小，能与水以任意比互溶，是气相色谱法测定水分的常用试剂［12-15］。对甲醇、乙醇、异丙醇、异丁醇、N，N-二甲基甲酰胺等实验室常用的有机溶剂进行分离效果的比较。各物质在1.2色谱条件下的分离效果如图1所示。

图1 提取溶剂及内标物的色谱图

如图1所示，其中甲醇、异丙醇的出峰位置基线平缓，且保留时间与水分相近，所以甲醇和异丙醇都可以作为内标物。实验选择甲醇作为内标物。

N，N-二甲基甲酰胺出峰时间最晚，可以作为提取溶剂，在所有目标峰出完后可以调高色谱柱温加快N，N-二甲基甲酰胺出峰，缩短检验时间。

2.2 气相色谱分离条件的优化

参照文献［15］的仪器条件对色谱分离条件进行优化。使用较高的初始柱温，可以加快各色谱组分的出峰时间，缩短检验分析时间，但是水分和甲醇出现基线重叠，分离效果差，而选用较低的初始柱温，则各色谱组分出现色谱峰的拖尾现象。最终选择1.2色谱条件，使用柱温程序升温可以实现目标物的良好分离。标准溶液的图谱见图2，水的保留时间为0.600 min，甲醇的保留时间为1.444 min，异丙醇的保留时间为5.742 min。

图2 标准溶液的图谱

2.3 线性方程、线性范围

在1.2色谱条件下，测定1.3中配制的系列校正标准溶液。以水含量与内标物含量之比为x轴，对应色谱峰面积之比为y轴，绘制内标法校准曲线，计算得线性方程为y=1.219 5x+0.067 2，相关系数为0.999 6，水含量在0.00～77.85 mg／g范围内呈良好的线性关系。

2.4 试剂水分的影响和消除

在1.2色谱条件下测定空白溶液，其色谱图上出现有水峰，说明在试剂中含有一定量的水。由于试剂中含有水分，会对低含量水分测定结果带来较大的误差。可使用分子筛对试剂进行脱水处理，或采用扣除试剂空白的方法，消除试剂水分的误差影响。本试验采用扣除试剂空白的方法消除试剂水分的影响，按式(1)计算样品中水的质量分数。

式中：w——水的质量分数，%；

m1——从校准曲线上得到的样品中水分的质量，g；

m0——从校准曲线上得到的试剂空白溶液中水分的质量，g；

m——样品质量，g。

2.5 精密度试验

2.5.1 仪器重复性试验

对同一标准溶液重复进样测定7次，记录色谱峰面积比，计算相对标准偏差，结果如表3所示，色谱峰面积比测定结果的相对标准偏差为0.52，说明仪器性能稳定。

表2 仪器重复性试验结果

2.5.2 方法精密度试验

选取3种不同水分含量的有机肥料样品，按本实验方法分别进行测定（n=7），结果见表3。

表3 方法重复性试验结果（n=7）

由表3结果可知，样品测定结果的相对标准偏差为0.79%～3.98%，说明该方法的具有较好的精密度。

2.6 加标回收试验

使用2.5.2中的3个有机肥料样品，按本实验方法进行加标回收试验，结果见表4。由表4可知，水的加标回收率为95.3%～101.3%，说明该方法具有较高的准确度。水分加标样品色谱图见图3。

表4 加标回收试验结果

图3 水分加标样品的图谱

3 结论

本实验以N，N-二甲基甲酰胺为溶剂，以甲醇为内标物，建立了测定有机肥料中水分含量的气相色谱检测方法。该方法精密度良好，分析速度快，结果稳定、准确，弥补了烘箱干燥法和卡尔·费休法的局限性，可用于有机肥料的质量检测。

由于溶剂含有水分，使用本方法测定水分含量较低的样品会引入较大的误差，因此测定前需要对所使用的溶剂进行水分的考察验证，尽量使用水分较低的试剂。此外，在测试低水分含量的样品时，适当增加样品的称量，尽量使待测溶液的浓度位于标准曲线的中间，以提高检测结果的准确性。