溫度滴定法測定鋁材表面處理廢水中總酸度和鋁離子濃度

陶玲，孫煥，李濤，龔雁

摘要：鋁材表面通常會采取一些化學方法如酸處理已達到提高其防護性、功能性，擴大應用范圍和延長使用壽命的目的。鋁材表面處理后所產生的廢水中就含有較高濃度的酸和鋁離子，對二者含量進行有效監控，無論是在生產監控方面還是環境保護方面都具有很大意義。本文應用溫度滴定這種新的滴定方法對水溶液中的H⁺和Al³⁺進行的定量檢測，建立了分析方法，并將該方法應用到了鋁廠實際廢水的檢測當中。結果表明，此方法具有較高的準確度和靈敏度，平行性好，而且方便、快捷。

關鍵詞：溫度滴定；鋁；酸處理；反應焓

純鋁質地較軟，耐磨性較差并且容易受到腐蝕，因此通常會對其表面進行處理以達到提高防護性和功能性，擴大應用范圍，延長使用壽命的目的^[1-3]。目前，常用的鋁材表面處理方法有電化學方法，化學方法和熱噴涂方法等^[4,5]，而這些方法無一例外的都需要使用大量混酸溶液作為介質。因此，鋁材表面處理所產生廢水中的主要物質為H⁺和Al³⁺。對二者含量進行準確測定是制定廢水處理標準和處理方案的先決條件^[7,8]；另一方面，對酸液中Al³⁺濃度的監控也是控制表面處理工藝，評估表面處理效果的有效途徑之一。所以，選擇有效、便捷的測定方法具有重要意義。

現有的針對酸性鋁溶液的測定方法是平行取樣、分別滴定的方法。在該方法條件下，一份樣品直接用堿滴定，對應總酸和鋁離子共同消耗滴定劑的體積；另一份樣品用NaF掩蔽Al³⁺后用堿滴定，對應總酸消耗滴定劑的體積，兩者之差即可算出Al³⁺濃度。然而在實際操作中，該方法存在著種種問題。首先，該方法以指示劑變色來作為終點判別依據，主觀性較大，其結果的準確性與平行性收到較大影響；同時，該方法采用平行取樣的方式，在取樣過程中產生的誤差又會進一步對方法的準確性和平行性帶來影響；zui后，該方法操作繁瑣，難于自動化也對其實際應用帶來較大影響。

本文采用一種新的滴定方法——溫度滴定法對酸性含鋁溶液中的H⁺和Al³⁺的含量進行了定量分析，并應用建立起來的分析方法對鋁廠廢水中的H⁺和Al³⁺的含量進行的測定。溫度滴定是一種有別于傳統電位滴定的一種全新的滴定方法。它利用反應焓來揭示化學反應過程。對于任何自由能變化不能被反應焓抵消的反應，焓變的變化量的大小明顯要大于自由能的變化量的大小。因此基于溫度變化的滴定曲線將比由自由能變化所得到的曲線，能顯示更大的曲線偏轉^[9]。在實際滴定操作中，滴定劑以已知的固定速率加入到滴定杯中并與待測物質發生反應。反應放出（或吸收）的熱量將導致整個反應體系發生溫度變化，這種溫度變化通過置入滴定杯中的高靈敏溫度探頭經行測定。儀器將得到的溫度-體積（滴定劑）曲線進行二階求導，并通過zui終得到的二階導數-體積（滴定劑）曲線上的出峰位置來進行滴定終點的識別。正是由于溫度滴定本質上與傳統滴定的差異，使得溫度滴定方法在進行物質測定特別是復雜體系物質測定的時候，具有更高的準確度與靈敏度；再者由于溫度探頭的分辨率可以達到10^-5K^[9]，這樣的分辨率較肉眼觀察指示劑變色的方法大大減小了誤差和主觀性因素的影響，從而提高測定的準確度和重現性。

本文的實驗結果顯示，在溫度滴定的實驗平臺上，通過一次取樣即可在同一滴定杯中分別測定酸性含鋁溶液中的H⁺和Al³⁺，該方法具有較高的準確性、分辨率及穩定性；同時新方法是操作更加便捷，可實現全自動操作。該方法為鋁材酸蝕廢水重要指標——H⁺和Al³⁺的測定開辟一條新途徑

1. 實驗部分

1.1  實驗原理

首先是氫氧化鈉和酸的反應，達到終點時只有少量的Al³⁺和氫氧化鈉反應，溶液還是澄清均一的體系；再加入離子緩沖劑后，使體系維持pH值在4-6之間，并且在有過量的鉀離子存在的條件下，Al³⁺含量可以被氟離子定量的滴定測定。反應產物為NaK₂AlF₆，如下方程所示。

1.2  儀器

Metrohm溫度滴定儀 (帶6.9011.040耐氟溫度探頭，瑞士萬通公司)，Dosino 加液驅動器，Elga 超純水儀（英國Elga公司）。

1.3  試劑

硫酸（mos級，北京化學試劑研究所）、鹽酸（mos級，北京化學試劑研究所）、結晶氯化鋁（AlCl₃^. 6H₂O分析純，北京化學試劑公司）、鄰苯二甲酸氫鉀（基準級，北京化工廠），NaF（分析純，國藥集團化學試劑有限公司），NaOH（分析純，國藥集團化學試劑有限公司），無水乙酸鈉（分析純，國藥集團化學試劑有限公司），氯化鉀（優級純，國藥集團化學試劑有限公司），冰醋酸（分析純，天津市光復科技發展有限公司），鋁屑（國藥集團化學試劑北京有限公司），酸處理廢水（某公司送樣）。

1.3.1 配制2mol/L的NaOH和1mol/L NaF，標定后待用。

1.3.2 配制離子緩沖液

將164g無水醋酸鈉和75g氯化鉀溶于700ml純水中，再加入115ml冰醋酸，用純水定容到1L。

1.3.3 配制標準0.04mol/L的Al³⁺溶液

首先配置0.4M的標準鋁離子溶液：準備純度為99.99%的鋁屑，表面要去油污，洗凈并干燥。將100gNaOH用500ml純水溶解后加入1L容量瓶，稱取10.8g（0.4mol）的鋁屑到其中，待鋁粉*反應后用純水定容。

用移液管吸取上述溶液50ml到500ml容量品，加入1ml濃HCl得到Al(OH)₃沉淀，再繼續滴加入濃HCl直至沉淀*溶解，冷卻后用純水定容即是0.04mol/L的Al³⁺溶液。

1.3.4 自配標準樣品SH-1，SM-1，SH-2，SM-2和SAl-1

• 1:  取4.165ml 濃HCl 和 8.335ml 濃H₂SO₄，用純水定容到50ml。
  • 1： 稱取5.22g的 AlCl₃^. 6H₂O，用25ml純水溶解；再取4.165ml濃 HCl 和 8.335ml 濃H₂SO₄，用純水定容到50ml。
• 2:  取3.125ml 濃HCl 和 6.25ml 濃H₂SO₄，用純水定容到50ml。
  1. :  稱取5.22g的 AlCl₃^. 6H₂O，用25ml純水溶解；再取3.125ml濃 HCl 和 6.25ml濃H₂SO₄，用純水定容到50ml。

SAl-1:  稱取5.22g的 AlCl₃^. 6H₂O，用純水定容到50ml。

1.   實驗方法
   1. 滴定劑NaOH和NaF的標定

將鄰苯二甲酸氫鉀在105℃下烘2小時，放在干燥器中冷卻備用。稱取1.2g，1.6g，2g，2.4g和2.8g，加入約25ml蒸餾水，依次用2mol/L NaOH滴定，記錄下終點體積。以稱樣量為橫坐標，消耗NaOH的體積為縱坐標，作一條標準曲線。NaOH的濃度為這條曲線斜率的倒數（反應方程式中OH^-的系數為1）。

分別取鋁標準溶液（0.04M）5、8、10、15、20ml，加入10ml離子緩沖液后用一定量的純水定容至30ml。得到的各溶液分別用1mol/L NaF滴定至終點出現。以加入Al³⁺的摩爾數為橫坐標，消耗NaF體積值為縱坐標，作一條標準曲線。NaF的濃度為這條曲線斜率倒數的6倍（反應方程式中F^-的系數為6）。

1. 樣品的滴定分析

首先將不同體積的樣品溶液加入滴定杯中，并用去離子水定容至40ml。加液完成后用標定后的NaOH溶液滴定，得到滴定終點后立即停止。此時滴定終點指示的NaOH溶液消耗量用于計算溶液中的H⁺。隨后，在同一滴定杯中加入10ml離子緩沖液，攪拌均與，用標定后的NaF溶液滴定，得到滴定終點后停止。此時滴定終點指示的NaF溶液消耗量用于計算溶液中的Al³⁺。

本文涉及的個樣品中，SH-1和SH-2號樣品只需做*步，SAl-1號樣只需做第二步，SM -1、SM-2號及實際樣品則需先做*步再做第二步。

1.5  公式

    滴定度計算公式

總酸度：C=(V_NaOH-blank)*C_NaOH/V_sample

    Al³⁺濃度：C=(V_NaF-blank)*C_NaF/V_sample

其中，V_NaOH和V_NaF分別指到達滴定終點時消耗滴定劑的體積；blank指不同方法對應的空白值；C_NaOH和C_NaF分別指標定后滴定劑的濃度；V_sample代表進樣量。

2  結果與討論

溫度滴定軟件采用功能強、以過濾系數為變量的數字平滑算法函數，可使等當點漂移zui小化。對于嚴謹的優化，應該考慮過濾系數對等當點的影響^[7]。選擇合適的過濾系數使等當點體積穩定。不同的方法都要考慮過濾系數的影響。

2.1  過濾系數的確定

對于NaOH標定試驗，我們考查了過濾系數為20、30、40、50、60、70、80、90、100和110時消耗滴定劑終點的體積，表2顯示選擇過濾系數為50。標定NaF試驗過濾系數的選擇與上述相似，zui后選擇的過濾系數也是50。

表2 過濾系數的優化

Table 2 Optimization of filter factor

2.2  空白值的確定

與傳統滴定不同，溫度滴定所需要的溫度信息其傳送和處理都存在一定的時間延遲，由于滴定過程為恒速滴定過程，因此這樣的時間延遲，可以表示為一定體積的滴定劑，即溫度滴定方法的空白值。方法空白的測量是用不同濃度的被測物在先前優化好的條件下進行滴定，將被測物濃度與滴定劑消耗的等當點作圖。方法的空白值，即為用所測的滴定數據作線性回歸的y軸截距。改變方法的參數就要求重新作方法的空白值。因此本文中標定NaOH和用NaOH滴定總酸度均需做標準曲線；而標定NaF所作的標曲可以直接應用于之后的Al³⁺測定。

確定過濾系數后，按照上述試驗方法中的步驟，可以得到NaOH標定的標準曲線和NaF滴定Al³⁺的標準曲線。

圖1 NaOH標定標準曲線

Fig. 1 Standard curve for NaOH

從圖1中可以計算出，C_NaOH=1/0.518=1.93mol/L，空白值即y軸截距0.0192ml。

圖2  NaF標定的標準曲線

Fig. 2 Standard curve for NaF

由于1mol Al³⁺和6mol F^-反應，所以C_NaF=6/5.2094=1.15mol/L，空白值為y軸截距0.0457ml。

2.3  模擬樣品測試結果

實驗結果表明SH-1，SH-2，SAl-1號樣品的濃度分別為C_SH-1=7.23M（RSD=0.35），C_SH-2=5.5M（RSD=0.19），C_SAl-1=0.48M(RSD=0.52)；SM-1和SM-2號結果如表3所示。

表3 標樣SM-1和SM-2樣品中總酸度和Al³⁺濃度的平均值和相對標準偏差

Table 3 Measurement results of different samples

從結果可以看出，對于兩個自配的標樣SM-1和SM-2，總酸度和Al³⁺濃度測定結果和理論值符合，靈敏度高，重現性好，RSD均在1%以內。

2.3 精密度測試

對于標準樣品2，測總酸度時連續滴定15次， 測Al³⁺時連續滴定5次，結果如表4，該方法精密度很好，RSD均在1%以內。

表4 精密度實驗

Table 4　Analytical results of sample SM-1

2.4 加標回收

    對自配的標準樣品2進行了加標回收的實驗，表5顯示，回收率均在95%-105%之間，RSD均在4%以內。

表5 標樣SM-1中H⁺和Al³⁺添加實驗回收率和相對標準偏差

Table 5 Recovery test for H⁺ and Al³⁺

2.5 實際樣品測試結果

zui后，本文將該方法應用到針對某鋁廠電解槽廢水的實際檢測當中。實驗結果表明，該樣品的H⁺濃度為7.37M，RSD=0.67%；Al³⁺濃度為0.512M，RSD=0.46%。該結果與樣品提供單位的測定結果符合。這樣的結果進一步證明了，基于溫度滴定的新方法可以在實際樣品測定中起到較好的效果。

3  結論

本實驗采用溫度滴定的方法，對鋁材表面處理廢水中的總酸度和Al³⁺濃度進行了定量分析。結果表明，此方法有較高的準確度和靈敏度，且平行性好。在整個測量中，兩個滴定項目可在同一滴定杯中完成。與以往方法相比，該方法消除了取樣過程和滴定過程中所產生的誤差；同時在與公司生產的815自動進樣聯合使用后，可大大提高工作效率，特別適合樣品量較大的用戶。

參考文獻

[1] 吳　敏, 孫　勇. 鋁及其合金表面處理的研究現狀[J]. 表面技術(Surface Technology), 2003, 32 (3): 13-15.

[2]Zhou W Q, Shan D, Han E H, et al. Structure and formation mechanism of phosphate conversion coating on diecast AZ91D magnesium alloy [J]. Corrosion Science, 2008, 50 (2): 329-337.

[3] Watkims K G, Liu Z , Memahon M , et al . Influence of the over lapped area on t he corrosion behaviour of laser treated aluminum alloy[J] . Materials Science and Engineering, 1998, A252 : 292-300.

[4]張高會, 黃國青, 徐鵬, 等. 鋁及鋁合金表面處理研究進展[J]. 中國計量學院學報(Journal of China Jiliang University), 2010, 21(2): 174-178.

[5] 黃娜莎, 倪益華, 楊將新, 等. 鋁合金表面改性技術的研究與進展[J]. 輕工機械(Light Industry Machinery), 2010, 28(4): 4-11.

[6]劉宏, 向寓華, 劉碧雄. 鋁型材表面處理廢水治理的工藝條件探索[J]. 電鍍與涂飾(Electroplating and Finishing), 2008, 27(9): 34-36.

[7]唐海峰, 唐基祿, 李迅. 鋁合金表面處理的廢水治理[J]. 電鍍與精飾(Plating & Finishing), 2005, 27(2): 46-48.

[8] 朱祖芳. 建筑鋁型材的表面處理技術現狀及發展趨勢[J]. 電鍍與涂飾(Electroplating and Finishing), 2005, 24 (4): 14-17.

[9] 瑞士萬通. 產品樣本—859溫度滴定儀[J]. 瑞士萬通內部文獻.

Determination of TAN and Aluminium in waste water of Surface treatment by Thermometric Titration

Abstract: In this paper, a new method based on thermometric titration was developed for H⁺ and Al³⁺determination. Under the new method, the concentration of H⁺ and Al³⁺ could be determined in same vessel after one sampling. The recovery and relative standard deviation (RSD) were 99.79% to 104.06% and 0.39% to 0.88% respectively. The new method was accurate, reproducible and simple. Our result also proved that this method could be used in the determination of H⁺ and Al³⁺ in waste water come form aluminum industry

Key words: Thermometric titration; Aluminum; Acid treatment; Enthalpy