Метод газовой хроматографии при изучении газового режима почв
В последнее время для определения состава и концентрации газовых смесей широко применяется метод газо-адсорбционной хроматографии. Принцип метода состоит в том, что смесь газов, проходя через колонку с определенным адсорбентом, в результате адсорбции разделяется на составные компоненты. Эти компоненты газом-носителем подаются в детектор, который последовательно регистрирует содержание каждого компонента.
Было установлено, что метод газо-адсорбционной хроматографии можно применять в полевых и лабораторных исследованиях. Он дает возможность одновременно определять в воздухе несколько компонентов (CO2, O2, N2, CH4, N2O и др.) и улавливать изменения в содержании CO2 и O2 как по профилю почвы и срокам определений, так и по вариантам.
В России выпускается несколько типов газовых хроматографов, которые с теми или иными изменениями можно применять для почвенных исследований.
Для определения состава почвенного воздуха на выбранных участках на заданную глубину устанавливают латунные или медные трубки по общепринятой методике. Интенсивность выделения CO2 из почвы определяют методом обогащения. Для этого на поверхность почвы ставят колпак-изолятор и из него через определенное время отбирают пробы воздуха для определения концентрации CO2. Пробы почвенного воздуха или воздуха из колпаков-изоляторов отбирают в газовые пипетки Зегера, заполненные насыщенным раствором NaCl или CaCl2. Пипетки доставляют в лабораторию, где установлен хроматограф.
Для определения состава почвенного и надпочвенного воздуха применяют две хроматографические колонки, в которых воздух разделяется на составные компоненты. В колонке 1 диаметром 3 мм и длиной 30 см из воздуха выделяется CO2 и N2O. Колонка 1 наполняется активированным углем (марка CKT или АГ-3) или силикагелем, предварительно просушенным при 150° С в течение 5 час. Разделение N2 и O2 проводят на колонке 2 диаметром 6 мм и длиной 120 см, наполненной молекулярными ситами CaX, прокаленными в течение 5 час. при 375—400°. Обе колонки после наполнения адсорбентами продуваются газом-носителем в течение 5 час. при 150° С.
Чтобы при одновременном разделении N2, O2, CO2 и N2O не менять колонки, в хроматографе установлен специальный четырехходовой кран, который позволяет переключать ток газа-носителя через колонку 1 или через 1 и 2. Для предохранения попадания паров воды в разделительные колонки перед дозатором устанавливают стеклянную трубку, наполненную хлористым кальцием или пемзой, смоченной концентрированной H2SO4. Пробы воздуха из газовых пипеток вводят в прибор через дозатор объемом 3—5 см3 или медицинским шприцем через мембрану. При этом необходимо точно учитывать объем вводимой пробы воздуха.
Разделение газов проводится при температуре 30° С, силе тока 130 ма и скорости газа-носителя 50 мл/мин. Для определения концентрации всех компонентов воздуха необходимо пропускать через прибор две пробы воздуха: одну через колонку 1, вторую через колонки 1 и 2. При разделении газов на колонке 1 через 30 сек. появляется общий пик O2 и N2, через 4 мин.— пик CO2, через 6 мин. 30 сек.— пик N2O. При прохождении пробы воздуха одновременно через колонки 1 и 2 пик кислорода выходит через 1 мин. 30 сек., пик азота — через 2 мин. 2 сек.
Для расчета концентрации газовых компонентов в пробах воздуха прибор калибруют по известным концентрациям O2, N2, CO2, N2O и других газов (в зависимости от того, какие газы требуется определять) и строят калибровочные графики. Проще расчет производить по сумме площадей пиков всех исследуемых компонентов.
Ход определения на хроматографе. При отборе пробы воздуха пипетку Зегера соединяют с аспиратором, наполненным насыщенным раствором NaCl или CaCl2, и с осушительной трубкой. Воздух из пипетки Зегера пропускают через осушительную трубку и дозатор, а затем в месте соединения осушительной трубки с дозатором отбирают медицинским шприцем/ пробу воздуха. Для определения CO2 и N2O кран-переключатель колонок ставят так, чтобы ток газа-носителя шел через колонку 1, а когда установится нулевая линия самописца, через мембрану хроматографа вводится проба воздуха в 10 мл. Самописец прибора регистрирует сложный пик O2 и N2 и пики CO2 и N2O. Чтобы каждый раз не переключать кран и не устанавливать нулевую линию самописца, сначала пропускают все пробы для определения CO2 и N2O, а затем пробы для определения N2 и O2 или наоборот. Анализ проводят в один и тот же день. Для определения N2 и O2 проба воздуха составляет 1 мл. Разделение CO2 и N2O проводят при первой чувствительности, O2 и N2 — при восьмой и шестнадцатой.
Подсчет результатов ведут следующим образом: подсчитывают площади пиков (S) каждого газа. Для этого измеряют высоту пика (h) и его ширину (d) на середине высоты. Площадь пика умножают на чувствительность регистратора (г), при которой производили разделение газа, и поправочный коэффициент (К) и делят на взятый объем пробы (V).
Коэффициенты имеют следующие значения (газ-носитель — гелий): для (N2, CO2 и N2O — 2,02, для O2 — 2,13.
Содержание компонента в объемных процентах рассчитывают по формуле
где S1, S2, S3 — площади пиков каждого компонента. Интенсивность выделения CO2 рассчитывают по формуле
где D — интенсивность выделения CO2 из почвы, кг/га в час; а — содержанке CO2 в воздухе изолятора после экспозиции, об. %; 6 — исходное содержание CO2 в воздухе изолятора, об. %; V — объем изолятора, л; S — площадь изолятора, м2; t — экспозиция, час.; 10000 — коэффициент пересчета на 1 га; 1000 — коэффициент пересчета на 1 кг; 1,97 — вес 1 л CO2.
При лабораторных исследованиях часто необходимо бывает определять интенсивность продуцирования CO2 почвой. Для этих целей также можно применять метод газо-адсорбционной хроматографии. Определение проводят следующим образом.
В широкогорлую колбу емкостью 1,2—1,5 л подвешивают капроновый мешочек с почвой. Колбу плотно закрывают каучуковой пробкой, в которую вставлены две стеклянные трубки. Одна из них доходит до дна колбы, а вторая короткая, наружные концы трубок герметически закрыты. Одновременно ставят колбу без почвы и так же плотно ее закрывают (контроль на исходное содержание CO2 в воздухе колбы). Через определенное время (24—48 час.) из колбы отсасывается проба воздуха шприцем или в газовую пипетку, для чего пипетку, наполненную насыщенным раствором NaCl, присоединяют к короткой трубке, вставленной в колбу. Длинную трубку соединяют с аспиратором. При отборе пробы открывают краны газовой пипетки, жидкость из пипетки вытекает и в нее поступает воздух из колбы, а в колбу поступает раствор из аспиратора. Отбор пробы воздуха можно производить непосредственно шприцем. Дальнейшее определение содержания CO2 на хроматографе проводят, как описано выше.
Интенсивность продуцирования CO2 рассчитывается по формуле
где D — интенсивность продуцирования CO2, мг на 100 г почвы в час; а и b — конечное и исходное содержание CO2 в воздухе колбы, об. %; V — объем колбы, л; n — навеска почвы, г; t — экспозиция, час.
При микроконцентрациях газов в воздухе (например, закиси азота) производится предварительное концентрирование газа в колонке с адсорбентом с последующей десорбцией его в хроматографе.
Н.И. Борисова и В.Н. Родионов предложили следующую методику определения микроконцентраций N2O в почвенном воздухе (меньше 10в-3 объемного процента). 1—5 л воздуха, предварительно очищенного аскаритом от CO2, пропускается со скоростью 30—50 мл/мин через охлажденную до -73° С смесью сухого льда с этанолом U-образную трубку диаметром 5 мм и длиной 0,5 л, наполненную силикагелем (КСМ № 5). Концентрирование газа может производиться непосредственно в поле. Затем обогатительную колонку присоединяют к хроматографу, нагревают в электро-воздушной бане до температуры +60° С и через нее пропускают в течение 1,5 мин. гелий, который переносит десорбированные газы в хроматографическую колонку.
