Egyszerű modell a száraz gipsz gyors gipszmeghatározásához

Absztrakt

Bevezetés

A gipsz kristályvíz-veszteségén alapuló módszerek nem támaszkodnak az SO4-meghatározásra, és így becsülik meg a gipsztartalmat a talajmintában található egyéb szulfát-ásványok interferenciája nélkül. A gipsz termogravimetriai módszerei a gipsz kristályvíztartalmának mértékére támaszkodnak. Általában a 20,91% (w/w) értéket alkalmazzuk; mivel azonban a laboratóriumokban alkalmazott hevítési hőmérsékleten nem minden víz nyerhető vissza. A visszanyerési tényező (19,42%) fogalma (Burns et al. 2002) hasznos a kristályvíz veszteségen alapuló analitikai módszerek leírásakor. (Nelson és mtsai 1978) rájöttek a módszer korlátainak az alacsony gipsztartalmú talajokra, ami minimalizálja az intézkedés taxonómiai célú hasznosságát, tekintve, hogy a Soil Survey Staff (2010) által a cigány horizontra vonatkozó küszöbérték 5% gipsz tartalom. Elprince és Turjoman (1983) rájött, hogy a szilikagél-módszer egyszerűnek, de lassúnak tűnik az eljárás során. Ha a mintát 105 ° C-ra melegítjük, a gipsz kristályvízének (CaSO4 · 2H2O) egy része elvész, és basszanit (CaSO4 · 0,5H2O) keletkezik. A hőmérséklet emelkedésével az összes gipsz anhidritté (CaSO4) alakul át.

Mindezeknek a módszereknek megvannak a maga korlátai és előnyei, de a legtöbbhez nagy hibák társulnak (Porta 1998). Al-Awajy és mtsai. (1994) kritizálta ezeket a módszereket, és egyiket sem javasolta a legjobbnak. Tehát a hagyományos gipszmeghatározási módszerek, amelyek hosszadalmasak, munkaigényesek és nem elég pontosak, sok felhasználó számára egyre lényegtelenebbnek tűnnek, és nincs piacuk a földkezelők és a politikai döntéshozók számára (Omran 2008). Megbízható és környezetbarát módszerre van szükség a talajgipsz gyors felderítéséhez és elemzéséhez. A talajban lévő gipsz megbízható pontossággal történő mennyiségi meghatározásának időszerűbb és költséghatékonyabb módszerek kifejlesztése iránti növekvő igény kutatási kérdéshez vezet minket: Ki tudunk-e dolgozni egy gyorsabb, egyszerűbb és pontosabb mérést az elavult technikák helyettesítésére talajgipsz meghatározásához, és olyan talajokhoz alkalmas, amelyek gipsztartalma alig 5%?

A gipsz hőváltozásai

Anyagok és metódusok

Talajminták és kísérleti anyagok

Százhúsz (120) talajmintát gyűjtöttek a legelterjedtebb nagy csoportoktól Egyiptom különböző helyszínein (1. ábra), majd levegőn szárítottak és 2 mm-es szitán átengedték. A rekonstituált gipsz talajmintákat nem cigány homokos és agyagos talajokból, valamint természetesen tiszta gipszből (El-Ballah, Ismailia, Egyiptom) és kalcium-szulfát laboratóriumi reagensből (CAS 7778-18-9) készítettük. A mintákban lévő natív és hozzáadott gipszet két módszerrel határoztuk meg: aceton és szilikagél, majd összehasonlítottuk a javasolt módszerrel.

120 talajminta gyűlt össze Egyiptom különböző helyszíneiről

Aceton kicsapási módszer. Ez a módszer nedves kémiai módszer. Ez magában foglalja a talajminta kivonását olyan mennyiségű vízzel, amely elegendő az összes jelenlévő gipsz feloldásához, majd acetonnal kicsapja. A csapadék teljesen feloldódik desztillált vízben, és gipszet kapunk az oldat elektromos vezetőképességének mérésével (US Salinity Laboratory Staff 1954).

Szilikagél módszer. Minden talajmintából 8,0 g-ot egy alumínium edénybe tettünk, és szilikagélen szárítottunk exszikkátorban 48 órán át, majd 24 órán át 105 ° C-on melegítettük. A szilikagélen szárított és a kemencében szárított mintatömeg közötti különbségek ésszerű módszert adtak a talaj gipsztartalmának meghatározására. A gipsz kristályvizét és a talajminták gipsztartalmát Nelson és mtsai. (1978).

A javasolt gyorsított módszer. Ebben a módszerben mindegyik talajmintát Pyrex-csészébe helyeztük, és 70 ° C-on szárítottuk kemencében 45 percig. majd 15 percig 150 ° C-on melegítjük. A két tömeg közötti különbségek gyakorlati módot adtak a talajban lévő gipsz meghatározására.

Gyors és olcsó gipszmeghatározási módszer

Low-költség gypsum determination felhasználásával csalóösszeg simulációs (OMRAN GypSim) modellt fejlesztették ki és hajtották végre. Ennél a módszernél a vízveszteség 45 percig 70 ° C-on történő melegítés után. és különböző hőmérsékleti fokokkal (60–150 ° C tartományban) történő melegítés után hasonlítottuk össze. Az eredmények azt mutatják, hogy 70 ° C hőmérsékleten 45 percig melegítjük. egyenlő a szilikagéllel 48 órán át, és a hőmérsékletet 105 ° C hőmérsékleten 24 órán keresztül melegítjük, megegyezik a 135-150 ° C hőmérsékleten történő melegítéssel 15 percig. Tehát egy gyors és egyszerű módszer esetén a 70 és 150 ° C hőmérsékleten történő melegítés egyszerű, gyorsabb és pontosabb.

A talajgipsz becslésének javasolt módszerére vonatkozó eljárás az alábbiak szerint:

10–20 g 2 mm-es, levegőn szárított talajt egy Pyrex-csészébe vittünk, és 0,001 g pontossággal lemértük. Az edényt 45 percig 70 ° C-os kemencébe helyeztük.

Ezután a mintát tartalmazó edényt 15 percre 150 ° C-os kemencébe helyeztük (az idő a sütő térfogatától és a kemencébe helyezett minták számától függ, a sütőnek szellőzéssel kell rendelkeznie).

Miután kivette a sütőből és lemérés előtt, a mintát exszikkátorban teljesen lehűtötték. A mintában lévő gipsz százalékot a következő egyenlettel számoltuk:

ahol W70 = a 70 ° C-on szárított minta és a Pyrex-csésze súlya, W150 = a 150 ° C-on szárított minta és a Pyrex-csésze súlya, Wd = a Pyrex-csésze súlya, és 19,66 a 70 és 70 közötti gipsz visszanyerési tényezője 150 ° C.

A gipsz lassan átalakul, és körülbelül 70 ° C-on levegőben hemihidrál, 90 ° C felett és magasabb hőmérsékleten anhidritet képez (Reda 1995). A bomlási kalcium-szulfát-reagens dehidrát 87 és 133 ° C között változik, összehasonlítva a víz bomlásának 100 ° C-ával, és oldhatatlan anhidritet eredményez, nem pedig az oldhatatlan anhidritet vagy hemihidrátot (Elprince és mtsai. 1982). Ha a mintákat 45 percig 70 ° C-on, majd később 15 percig 135-150 ° C-on tartjuk, becsültük a kristályvíz tömegveszteségének százalékos értékét erre a hőmérsékleti intervallumra, amelyet a száraz minta 70 ° C-on. A hőmérséklet-intervallum visszanyerési százaléka 19,66 volt.

A javasolt OMRAN GypSim módszer illeszkedésének ellenőrzése

A hivatalos pontossági értékelés magában foglalja a javasolt modell helyszíni ellenőrzését, amelyet Congalton és Green (1999) eljárása alapján hajtottak végre. Statisztikai szempontból az validálandó minták számának megfelelőnek kell lennie a vizsgált változóval kapcsolatos változékonyság méréséhez. Számos megközelítést javasoltak annak tesztelésére, hogy a javasolt modell mennyire illeszkedik az adatokhoz. A legtöbb megközelítés azon az elképzelésen alapszik, hogy a megfigyelt egyedeket összehasonlítsák a várt számmal, ha az illesztett modell érvényes lenne. Ezeket a megfigyelt és várható számokat egyesítve egy Chi négyzet statisztikát kapunk, amelyet az illesztés jóságának nevezünk. A modellt a talaj tulajdonságai alapján a gipszértékek előrejelzésére használták. Ezután regressziókat alakítottak ki az előre jelzett értékek és a laboratóriumban mért tényleges gipsz között a modell pontosságának értékelése érdekében.

Az interlaboratóriumi vizsgálatot a javasolt módszer pontosságának (reprodukálhatóságának és megismételhetőségének) mérésére végeztük. Az ismételhetőség olyan mérés, amely minden laboratóriumban megismétel néhány számot ugyanazzal a kezelővel és berendezéssel, amelynek a legjobb legkisebb eltérést kell eredményeznie az olvasmányok között. A reprodukálhatóság azt jelenti, hogy a vizsgálati módszert számos különböző laboratóriumban ugyanazon az anyagon hajtják végre. Mivel ma már különböző kezelőink, más felszerelésünk és eltérő környezeti körülményeink vannak, arra kell számítanunk, hogy a különböző laboratóriumok eredményei nagyobb mértékben változnak. Az ismételhetőség és a megismételhetőség variációja leginkább szórásként számolható.

Eredmények és vita

Természetes és reagens gipsz transzformáció

Az 1. táblázat a rekonstruált gipszminták gipsz-átalakításával összefüggő vízveszteségre vonatkozó eredményeket mutatja, ha 24 órán át 105 ° C-on szárítjuk. A természetes és reagens gipsz alkalmazásával történő szárításkor elvesztett kristályvíz százalék százalékos értékei zártnak tűnnek, ami azt jelzi, hogy a gipsz basszanittá alakul át, és az anhidrit nagyon keveset variál a készítményben. A higroszkópos víz százalékos aránya a nem cigány homokos és az agyagos talajon 0,27, illetve 8,74% volt. A higroszkópos víz százalékos aránya a tiszta tiszta gipsz és CaSO4 · 2H2O reagensek esetében 4,24, illetve 3,64% volt. Az eredményekből kitűnik, hogy a gipsz basszanittá és anhidritté történő átalakulása a gipsz összetételében nagyon kevés eltérést mutat. A különbség főleg kémiai összetételében van, a hevítés során történő kiszáradása következtében. A természetes gipszből és az alkalmazott reagensből álló kristályvíz az össztömeg 19,39, illetve 20,12% -át teszi ki. Ez azt jelenti, hogy a gipsz bassanittá és végül anhidritté bomlik, a veszteség átlagosan a teljes tömeg 19,76% -a.

Gipsztartalom meghatározása talajmintákban

Az egyenlet érvényességének tesztelésére. Az 1. ábrán a szilikagél, az aceton és a javasolt módszer eredményeit hasonlítottuk össze (2. táblázat) 120 minta esetében. A regressziós egyenlet (2. egyenlet) azt mutatta, hogy a számított értékek erősen korrelálnak egymással, és a gipsztartalom túlbecsülése az aceton módszerrel szemben, míg a szilikagél módszerrel való alulbecslés. Ezzel a zárt megállapodással azt javasoljuk, hogy ez az egyenlet jó pontossággal alkalmazható a talaj gipsztartalmának előrejelzésére.

ahol Y = gipsztartalom, X1 = kristályvíz, X2 = higroszkópos víz, X3 = agyagtartalom.

A javasolt módszer pontosságának értékelése

A javasolt módszerrel számított gipsztartalom (2a. Ábra) erősen korrelált (r 2 = 0,99) a kicsapódott BaSO4 gravimetriájával meghatározott értékekkel. Az egyenlet pontosságának teszteléséhez A 2. ábrán gipsztartalmat számolunk a talajokra (2b. Ábra) és a műgipszre (2c. Ábra, d). A regressziós egyenlet azt mutatja, hogy a számított értékek túlbecsülik a gipszet a hozzáadott gipszhez és a javasolt OMRAN GypSim módszerhez képest.

A kicsapott BaSO4-ből meghatározott gipsztartalom a javasolt módszer gipsztartalmához és a javasolt módszer pontosságához képest más módszerekkel

A 3. táblázat a hozzáadott gipsz átlagos százalékos arányát mutatja be a három módszerrel. Ez azt mutatja, hogy a javasolt módszer reprodukálhatósága a legmagasabb, 0,01 és 0,49 között (0,10 átlag), majd a szilikagél 0,25 és 0,74 között mozog. (átlagosan 0,35), majd az aceton módszer, amely 0,37 és 0,86 között van (átlag 0,47). Ez az egyszerű, mégis hatékony módszer a gipsztartalmat 1% -ra határozta meg, míg más módszerek a gipsztartalmat akár 10% -kal is túlbecsülték.

A javasolt módszer modellezése

A 2. táblázat alapján végzett statisztikai elemzés pozitív és erős összefüggést mutat a higroszkópos víz- és agyagtartalom között. A predikciós egyenlet a következőképpen írható fel:

ahol Y = a teljes nedvességtartalom, Y1 és Y2 = a talaj és a gipsz higroszkópos vize, Y3 = a gipsz kristályvize.

ahol Y1 = a talaj higroszkópos vize, X1 = agyagtartalom.

ahol Y2 = higroszkópos gipszvíz, X2 = gipsztartalom.

Emellett pozitív és nagy szignifikáns összefüggés van a gipsztartalom és a kristályvíz között. Az összefüggést szabályozó lépésenkénti egyenlet a következőképpen foglalható össze:

A fenti egyenletekből a gipsztartalom a következőképpen származtatható:

ahol Y = teljes nedvességtartalom, X1 = agyagtartalom, X2 = gipsztartalom

Tehát, egyenlő A 8 körülbelül 3,6% -kal korrigálható (eltérhet az értékektől a standardtól) az alábbiak szerint:

Gipsz szimulációs (OMRAN GypSim) modellt fejlesztettek ki és valósítottak meg a gipsz meghatározásához. Az OMRAN GypSim egy Java nyelven írt eszköz, amelyet száraz talajokban lévő gipsztartalom kiszámítására használnak. A Java az egyik legnépszerűbb programozási nyelv. A modell futtatásához egy könnyen használható grafikus felhasználói felületet (GUI) terveztek. A grafikus felhasználói felület lehetővé teszi a felhasználók számára, hogy felhasználóbarát módon lépjenek kapcsolatba a számítógép hardverével. Az OMRAN GypSim menüben (3. ábra) a felhasználó kiválasztja a meghatározási módszereket és a paramétereket, azaz a higroszkópos és kristályvizet, a talajnedvességet és az agyagtartalmat. Az alkalmazási modell képernyőképe a gipsztartalom kiszámításához és megjelenítéséhez a 3. ábrán látható.

OMRAN GypSim alkalmazás menü száraz talajok gipsztartalmának kiszámításához

A javasolt OMRAN GypSim módszer előnyei és előnyei

A talajkutatók között sok vita lesz a gipsztartalom meghatározásának legjobb vagy legkedveltebb módszereiről. A legjobb módszerek mérlegelésekor a kutatóknak a következő tényezőket kell szem előtt tartaniuk:

Költség és egyszerűség. A munkaerőköltség és a beruházási felszerelés költsége az egyik fő szempont a módszerek kiválasztásakor. A javasolt módszer nagyon alacsony költségekkel jár.

Rendelkezésre álló műszerek. A legerősebb és legértékesebb diagnózis meglehetősen egyszerű berendezéssel végezhető el. Az OMRAN GypSim módszer nagyon alacsony infrastrukturális költségekkel jár.

A pontosságra és a pontosságra vonatkozó követelmények más módszerekben általában alacsonyabbak, mint a javasolt módszerben. A pontosság pénzbe kerül, és a javasolt módszer csak a mérést és a fűtést alkalmazza, amely gyorsabb, ugyanakkor diagnosztikai és ellenőrzési célokból is elegendő pontosságot és pontosságot biztosít. Az OMRAN GypSim módszer a gipsztartalmat 1% -ra határozta meg, míg más módszerek a gipsztartalmat 10% -kal túlbecsülték.

Különböző talajtípusokhoz alkalmazkodik. Számos módszert fejlesztettek ki bizonyos talajtípusokra, és a kalibrálási adatok nem feltétlenül relevánsak más talajtípusok esetében. A javasolt módszer különféle talajtípusok (pl. Homok, agyag, talaj stb.) És sokféle körülmény (pl. Sótartalom, meszes talaj, lúgosság) szempontjából került kidolgozásra és vizsgálatra.

Robusztus és ideális olyan alkalmazásokhoz, amelyek gyors eredményt és döntést igényelnek. 120 talajminta gipsztartalma 60 perc alatt meghatározható.

A gipszszámítás automatizálásához egy könnyen használható grafikus felhasználói felületet terveztek.

Következtetések

Hivatkozások

Al-Awajy MH, Heakel MS, Reda M, Modaihsh AS, Choudhary MI (1994) A talajban lévő gipszmeghatározás megbízhatósága három létező egyszerű módszerrel. Arab-öböl J Sci Res 12 (2): 273–284

Artieda O, Herrero J, Drohan PJ (2006) A talajban lévő gipszmeghatározás differenciális vízveszteség-módszerének finomítása. Soil Sci Soc Am J 70: 1932–1935. doi: 10.2136/sssaj2006.0043N

Burns DT, Danzer K, Townshend A (2002) A „helyreállítás” és a „látszólagos helyreállítás” kifejezések használata az analitikai eljárásokban. Pure Appl Chem 74: 2201–2205

Congalton R, Green K (1999) A távérzékelt adatok pontosságának értékelése: alapelvek és gyakorlatok. Lewis Kiadó, Boca Raton

Elprince AM, Turjoman AM (1983) Infravörös dehidratációs módszer a talajok gipsztartalmának meghatározására. Soil Sci Soc Am J 47: 1089–1091

Elprince AM, Al-Shammary MA, Magboul AM (1982) A cigány talajok termikus dehidrációjának kinetikája. Soil Sci Aoc Am J 46: 530–535

FAO (1990) A cigány talajok kezelése. Talajok közlése 62. Az ENSZ Élelmezési és Mezőgazdasági Szervezete, Róma

Farag FM (1999) A gipsz termikus átalakulása és talajmeghatározása. J Agric Sci Mansoura Univ 24 (9): 5201–5215

Herrero J, Artieda O, Weindorf DC (2016) Talajgipsz meghatározása. Módszerek Talajanal 1. doi: 10.2136/metodika-talaj.2016.0037

Khan SU, Webster GR (1968) A gipsz meghatározása szolonetzik talajokban röntgen technikával. Elemző 93: 400–402. doi: 10.1039/AN9689300400

Lebron I, Herrero J, Robinson DA (2009) A szárazföldi talajok gipsztartalmának meghatározása a gipsz-basanit fázisváltozás kihasználásával. Soil Sci Soc Am J 73, 403–411

León J, Seeger M, Badía D, Peters P, Echeverría MT (2014) Termikus sokk és fröcskölő hatások az égett cigány talajokra az Ebro-medencéből (Észak-Spanyolország). Szilárd Föld 5: 131–140

Mahabadi NY, Givi J (2008) A gipszmeghatározás különféle módszereinek összehasonlítása iszfaháni kiválasztott talajokban. J Water Soil Sci 11: 565–576

Nelson RE, Klameth LC, Nettleton WD (1978) A talaj gipsztartalmának meghatározása és a gipszes talajok tulajdonságainak kifejezése. Soil Sci Soc Am J 42: 659–661

Omran ESE (2008) Halott és eltemetett a talajtan? 10 milliárd ember jövőképe a világban. CATRINA 3 (2): 59–68

Omran ESE (2012) Neuron hálózati modell a nem konvencionális talajok feltérképezéséhez és előrejelzéséhez regionális szinten. Appl Remote Remote Sens J 2 (2): 35–44

Porta J (1998) A talajban lévő gipsz elemzésének és jellemzésének módszertanai: áttekintés. Geoderma 87:31. doi: 10.1016/S0016-7061 (98) 00067-6

Reda M (1995) Sinkholes kialakulása Egyiptom néhány cigány talaján. J Agric Sci Mansoura Univ 20 (2): 915–922

Skarie RL, Arndt JL, Richardson JL (1987) Szulfát és gipsz meghatározása szikes talajokban. Soil Sci Soc Am J 51: 901–905

Soil Survey Staff (2010) A talaj taxonómiájának kulcsai, 11. ed. SSDA NRCS amerikai kormányzati nyomtatási iroda, Washington, DC

Az Egyesült Államok sótartalmának laboratóriumi munkatársai (1954) Sós és lúgos talajok diagnosztizálása és fejlesztése USDA Handbook 60, amerikai kormánynyomtatási hivatal, Washington, D C

Visconti F, De Paz JM, Rubio JL (2010) Vízzel telített só kalcit- és gipszoldhatósági termékei 25 ° C-on és legalább 14 dS m-1-ig befolyásolták a talajmintákat. Eur J Soil Sci 61: 255. doi: 10.1111/j.1365-2389.2009.01214.x

Weindorf DC, Bakr N, Zhu Y (2014) A hordozható röntgenfluoreszcencia (PXRF) előrehaladásai környezeti, pedológiai és agronómiai alkalmazásokhoz. Adv Agron 128: 1–45. doi: 10.1016/B978-0-12-802139-2.00001-9

Köszönetnyilvánítás

A szerző köszönetet mond Dr. M. Redának és S. M. Reda kisasszonynak a felbecsülhetetlen segítségért a kézirat lektorálásában.

Szerzői információk

Hovatartozások

Talaj- és Vízügyi Tanszék, Mezőgazdasági Kar, Suez-csatorna Egyetem, Ismailia, 41522, Egyiptom

El-Sayed E. Omran

A PubMed Google Scholar alkalmazásban is kereshet erre a szerzőre