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用废铝制备明矾及组分测定 一 实验目的 1 认识铝和氢氧化铝的两性 2 了解资源综合利用的意义 3 巩固无机制备中的常用基本操作 二 实验原理 1 铝是一种两性元素 既与酸反应 也与碱反应 可以利用其特性将废铝重新利 用制成明矾 2 碱溶法原理 2Al 2OH 6H 2O 2Al OH 4 3H 2 Al OH 4 H Al OH 3 H2O Al OH 3 3H Al3 3H 2O Al2 SO4 3 K2SO4 24H2O 2KAl SO4 2 12H2O 3 返滴定法测样品中的铝含量 在 Al 3 的配位滴定中 Al 3 Y4 过量 AlY Y4 剩余 加热溶液使得 Al 3 全部转化为 AlY 再进行返滴定 Zn 2 Y4 剩余 ZnY2 4 双波长分光光度法测定铝含量 1 定义 双波长分光光度法是在单位时间内有两条波长不同的单色光以一定的频率交 替照射同一吸收池的溶液 然后经过检测器和电子控制系统 计算出这两个波长 下吸收度的差值 A 与被测定物质的浓度成正比 这个方法称双波长分光光度 法 2 原理 由朗伯比耳定律可以得到 A Kbc b 为液层厚度 c 为溶液浓度 K 为摩尔吸光系数 所以可以得到 在两个波长 1 和 2 下 A1 K1bc A2 K2bc 即 A K1 K2 bc 所以有双波长分光光度法测出的吸光度之差与待测组分浓度成正比 这就是此 方法定量分析的理论依据 在双波长分光光度法中 通过选择适当波长 1 2 能很好地消除共存组分的干扰或混浊物的影响 可以不加分离地分别测定溶液中 的两种组分 3 双波长分光光度法测定铝含量 光度法测定铝的显色剂较多 其中以铬天青 S 为最佳 铬天青简写为 CAS 是 一种酸性染料 其结构式为 Al3 和铬天青 S 在弱酸性介质中铬天青 S 及溴化十六烷基三甲胺反应形成蓝色 三元络合物 最大吸收波长为 640nm 左右 摩尔吸收系数 4 10 4L mol cm 5 重量法测定 SO4 2 SO4 2 和 Ba2 能定量地生成 BaSO 4沉淀 沉淀经干燥后称量 根据 BaSO4的质量 即可求出 SO4 2 的量 Ba 2 SO 4 2 BaSO 4 Ksp BaSO4 1 1 10 10 三 实验试剂及仪器 1 试剂 废铝 KOH 固体 H2SO4 2mol L K2SO4 铬天青 S 溴化十六烷基三甲 胺 六次甲基四胺 BaCl2 抗坏血酸 EDTA 二钠盐 1 1 的 HNO3 二甲酚橙 Zn 片 2 仪器 烧杯 量筒 电子天平 玻璃棒 抽滤装置 pH 试纸 水浴锅 分光光 度仪 吸量管 移液管 50mL 容量瓶 250mL 容量瓶 铁架台 酸式滴定管 滴管 坩埚 坩埚钳 马弗炉 四 实验步骤 1 明矾的制备 1 称取 2g 废铝 加入盛有 50mL1 5mol L 的 KOH 溶 液的烧杯中 加热使 Al 全部溶解 待无气泡产生后 实验现象及数据记录 1 当废铝加入盛有 KOH 的烧杯中后就立即有大 量气泡生成 待气泡不 对溶液进行抽滤 2 将抽滤得到滴滤液先进行预热 热后便加热边滴 加 9mol L 的 H2SO4溶液至反应过程中产生的沉淀全 部溶解 浓缩溶液至 50mL 左右 过多会增加明矾的 损失 过少会促进水解形成聚铝 将浓缩液转移到 烧杯中 自然冷却 一段时间后会有大量晶体析出 3 对上述溶液进行抽滤 用乙醇淋洗后将食盐状的 晶体粉末放置于空气中晾干 即可制得明矾 称重并 记录数据 4 称取约 1 2g 明矾样品 先在小烧杯中用去离子水 进行溶解 再用玻璃棒转移到 250mL 容量瓶中 加 水定容 摇匀后静置 2 返滴定法测样品中铝含量 1 EDTA 标准溶液及 Zn 2 标准溶液的配置 称取约 4 8gEDTA 二钠盐置于小烧杯中 加入少量 去离子水溶解 再转移到 600ml 的大烧杯中 加水 至 600mL 刻度线 搅拌均匀 静置 称取约 0 15gZn 片置于小烧杯中 加入浓 HCl 至 锌片恰好溶解 用玻璃棒转移到 250mL 容量瓶中 加去离子水定容 摇匀后静置 2 EDTA 的标定 用移液管移取 25 00mLZn 2 标准溶液于锥形瓶中 加入 10mL 蒸馏水 滴加 2d 二甲酚橙作为指示剂 再滴加 20 六亚甲基次胺直至溶液由黄色变为紫红 色 接着再加入 5mL20 六亚甲基次胺 然后用已标 定的 EDTA 溶液滴定待测液 直至溶液由紫红色变为 黄色即为滴定终点 记录数据 平行滴定 3 次 3 返滴定法测铝 用移液管移取 25 00mL 样品溶液于锥形瓶中 加 入 25mLEDTA 标准溶液 1d 二甲酚橙指示剂 摇匀 用浓氨水调至溶液显紫红色 再用 1 1 的 HNO3调至 刚变亮黄 并过量两滴 煮沸 15min 冷却后补加二 甲酚橙 1d 六亚甲基次胺 5mL 再用 1 1 的 HNO3调 再产生后 溶液中仍残 留着许多黑灰色杂质 抽滤后得到无色溶液 再缓慢滴加硫酸的过程 中 溶液中先是有白色 沉淀生成 持续滴加沉 淀消失 加热浓缩后 静 置的溶液里会渐渐有大 量晶体析出 抽滤后得 到透明颗粒状晶体 m Al 2 0285g 设备编号 201647735 m 明矾 5 1748g m 样品 1 2053g 设备编号 201687047 2 2 溶液初为无色加入 二甲酚橙后溶液变成纯 黄色 加缓冲液后溶液 变为紫红色 滴定至终 点溶液变为黄色 m Zn 0 1596g 设备编号 201647735 V1 10 60mL V2 10 52mL V3 10 54mL 3 实验现象同实验步骤 所述 V1 38 62mL V2 38 72mL V3 38 74mL 至刚变亮黄 用锌标准溶液滴定至红紫色即为终点 记录数据 平行滴定三次 3 双波长分光光度法测样品中铝含量 1 1 g mL 的铝标准溶液的配制 用电子天平称取 0 2500g 标准铝粉于小烧杯中 加 入浓HCl至铝片恰好溶解 转移到250mL容量瓶中 定容后摇匀 再用吸量管吸取 5mL 标准液至一空的 250mL 容量瓶中 定容并摇匀 再用吸量管吸取 5mL 稀释过的铝标液至 100mL 容量瓶中 加去离子水定 容 摇匀后静置 即得到 1 g mL 的铝标准溶液 2 最大吸收波长的确定 取 4 00mL1 g mL 的铝标准溶液于 50mL 容量瓶 中 加入 5 0mL 六次甲基四胺缓冲液 1 0mL10g L 抗坏血酸 2 0mL0 2g L 溴化十六烷基三甲胺 2 0mL0 5g L铬天青S溶液 定容并摇匀 放置20min 以蒸馏水作参比 在 560 670nm 之间每隔 10nm 测一次吸光度 A 在最大吸收波长附近梯度缩小为 1nm 做 A 曲线 确定最大吸收波长 max 记为 1 3 另一特定波长的确定 取 1 个 50mL 容量瓶 加入 5 0mL 六次甲基四胺 缓冲液 1 0mL10g L 抗坏血酸 2 0mL0 2g L 溴化十 六烷基三甲胺 2 0mL0 5g L 铬天青 S 溶液 定容并 摇匀 放置 20min 以蒸馏水作参比 在 max 下测定该溶液吸光度 A1 再在其他波长下测定该溶液的吸光度 直至找到另 一个 下测定的吸光度 A2 使得 A1 A2 即确定了 另一特定波长 记为 2 4 标准曲线的绘制 取 6 个 50mL 容量瓶 分别加入 1 0mL 2 0mL 4 0mL 5 0mL 6 0mL 8 0mL1 g mL 的铝标准溶液 再各加入 5 0mL 六次甲基四胺缓冲液 1 0mL10g L 抗坏血酸 2 0mL0 2g L 溴化十六烷基三甲胺 3 4 一系列浓度梯度的 溶液都呈蓝绿色 且随 着浓度的增加 颜色变 深 2 0mL0 5g L铬天青S溶液 定容并摇匀 放置20min 用 1mL 比色皿 以蒸馏水为参比 分别在 1和 2 下测定各溶液的吸光度 以所取铝标液体积 V 为横 坐标 两个波长下吸光度的差值 A 为纵坐标 绘制 标准曲线 5 试样中铝含量的测定 先吸取 1mL 先前配制的明矾溶液 置于 250mL 容 量瓶中 加水定容 摇匀并静置 准确吸取 8mL 稀 释过的明矾样品溶液于 50mL 容量瓶中 再加入 5 0mL六次甲基四胺缓冲液 1 0mL10g L抗坏血酸 2 0mL0 2g L 溴化十六烷基三甲胺 2 0mL0 5g L 铬 天青 S 溶液 定容并摇匀 放置 20min 用 1mL 比色皿 以蒸馏水为参比 分别在 1和 2 下测定各溶液的吸光度 计算出两次测量的吸光度 的差值 A 从标准曲线上查出和计算试液中的铝含 量 4 重量法测样品中 SO4 2 含量 用电子天平准确称取约 1g 明矾样品 加去离子水 溶解 滴加一滴甲基橙指示剂 加 1 1 盐酸调至恰好 变为红色 再过量 2ml 在酒精灯上加热 称取约 1 5gBaCl2 2H2O 加水溶解 缓慢加入明矾溶液中 并不断搅拌 待沉淀完全后 盖上表面皿 放置过夜 进行陈化 待陈化完成后 用常压过滤的方法 以无灰滤纸对 陈化后对溶液进行过滤 过滤完成后 需要对沉淀进 行洗涤 即用洗瓶的水流从滤纸的多重边缘开始 螺 旋形地往下移动 最后到多层部分停止 然后把滤纸 和沉淀静置于表面皿 于空气中干燥 先用电子天平称取 1 个空坩埚的质量 待沉淀和 滤纸完全干燥后 把它们转移到坩埚里 置于煤气灯 上灼烧 待沉淀和滤纸灰化后 将坩埚移入高温炉中 盖上坩埚盖 但留有空隙 在高温下 灼烧 40 50min 取出 冷至室温 称量 然后进行第二次 第三次灼 4 明矾 m1 0 9532g m2 0 9878g m3 1 0045g 空坩埚 m1 39 3698g m2 35 2905g m3 32 7544g 仪器编号 201687047 恒重质量 m1 40 3705g m2 36 3199g m3 33 8111g 仪器编号 201687043 烧 直至坩埚和沉淀恒量为止 一般第二次以后每次 再灼烧 20min 即可 所谓恒量 是指相邻两次灼烧 后的称量差值为 0 2 0 4mg 待恒重后 记录下数据 平行重复 3 次 五 实验数据的处理及分析 1 明矾的制备 理论的产出 废 Al 完全转化为明矾 M 明矾 474g mol m Al 2 0285g n Al 0 07513mol m 理论 35 61g m 明矾 5 1748g 产率 5 1748g 35 61g 100 14 53 样品溶液 m 样品 1 2053g c 样品液 1 2053g 474g mol 250ml 0 01017mol L 2 返滴定法测样品中铝含量 1 EDTA 标准溶液及 Zn 2 标准溶液的配置 m Zn 0 1596g c Zn 2 9 822 10 3mol L 2 EDTA 的标定 1 2 3 c Zn 2 mol L 9 822 10 3 V Zn 2 mL 25 00 滴定管初读数 mL 0 00 0 00 0 00 滴定管末读数 mL 10 60 10 52 10 54 消耗 EDTA 体积 mL 10 60 10 52 10 54 V 平均 mL 10 55 c EDTA mol L 0 02327 EDTA V1 10 60mL V2 10 52mL V3 10 54mL V 平均 V1 V2 V3 3 10 55mL c EDTA 9 822 10 3mol L 25 00mL 10 55mL 0 02327mol L 3 返滴定法测铝 1 2 3 c EDTA mol L 0 02327 V EDTA mL 25 00 滴定管初读数 mL 0 00 0 00 0 00 滴定管末读数 mL 38 62 38 72 38 74 消耗 EDTA 体积 mL 38 62 38 72 38 74 V 平均 mL 38 69 c Al 3 mol L 8 069 10 3 Zn 2 V1 38 62mL V2 38 72mL V3 38 74mL V 平均 V1 V2 V3 3 38 69mL V EDTA 25 00mL V 样品液 25 00mL c Al 3 c EDTA V EDTA c Zn2 V 平均 V 样品液 8 069 10 3mol L Al 含量 8 069 10 3mol L 250mL 27g mol 1 2053g 4 52 理论值 5 7 4 52 3 双波长分光光度法测样品中铝含量 1 最大吸收波长的确定 由测定数据作图 可得 A 曲线 根据图像可以确定铝标液的最大吸收波长 max 642nm 2 另一波长的确定 以蒸馏水作参比 在 max 642nm 下测定不含铝标液的空白对照的吸光度 A1 0 075 再在其他波长下测定该溶液的吸光度 发现在 600nm 下不含铝标液 的空白对照的吸光度 A2 0 075 使得 A1 A2 即确定了另一特定波长 2 600nm 3 标准曲线的绘制 由所测定的数据作图 可得标准曲线 560580600620640660680 0 05 0 10 0 15 0 20 0 25 0 30 0 35 吸光度A 波长 nm 吸光度A 02468 0 0 0 1 0 2 A 浓度 ug ml A Sheet1列B A 的线性拟合 方程 y a b x 绘图 A 权重 不加权 截距 0 00963 0 00859 斜率 0 02947 0 00174 残差平方和 4 0397E 4 Pearson s r 0 99309 R平方 COD 0 98624 调整后R平方 0 9828 由图像可知标准曲线的斜率 k 0 02947 又测得明矾样品的吸光度 所测定的明矾样液 V A k 6 0061mL 铝质量分数 6 0061 250 1 0028 250 10 6 8 1 2053 3 91 理论值 5 70 3 91 分析 我们小组用了两种方法来测定明矾样品中的铝含量 两种方法测得的结果 都比理论值要少 我分析造成这个结果可能的原因是所制得的明矾晶体不是很纯 其中可能混有硫酸钾固体 从而使样品中的铝的相对含量比理论值偏低 但两种 方法本身所测得的数据也有较大的偏差 我认为用双波长法测定的数据可能与真 值偏差更大一些 我想这可能是因为我们配置出来的浓度梯度溶液放置了太久的 时间后才去测定的吸光度 这可能对测定造成了影响 而且我感觉自己在测定时 仪器预热的时间不够长也可能是原因之一 在以后的实验中我会注意这些细节 避免重蹈覆辙 4 重量法测样品中 SO4 2 含量 1 2 3 m 明矾 g 0 9532 0 9878 1 0045 m 空坩埚 g 39 3698 35 2905 32 7544 m 恒重 g 40 3705 36 3199 33 8111 m BaSO4 g 1 0007 1 0294 1 0567 n BaSO4 mol 4 295 10 3 4 418 10 3 4 535 10 3 SO4 2 含量 43 36 42 94 43 34 平均 SO4 2 含量 43 21 理论值 40 5 43 21 分析 这一数据恰恰验证了上面的猜想 由于所制得的明矾晶体不是很纯 其中 混有少部分硫酸钾 所以导致样品中硫酸钾的相对含量升高 即与实验结果相符 实验值比理论值稍大 六 实验中遇到的问题及解决方案总结 1 明矾的制备 1 所遇问题 我们小组在用碱溶法制备明矾晶体的时候遇到了一个问题 就是在明矾晶体结 晶的过程中 晶体一直无法析出 在看其他小组的实验中 一个小组放置了一夜 析出部分晶体 想加热后再结晶 结果再没有析出 另一小组因为溶液过稀 体 积多 无法析出 2 解决方案 为防止溶液过稀 浓缩时间过长的问题 在加入液体的用量上加以控制 加水 不可过多 另外注意加热浓缩 控制温度 3 实验思考 在一些需要晶体析出的实验中 我们要对加入液体的量进行控制 防止溶液的 量过多给以后的蒸发浓缩带来困难 2 双波长分光光度法测定样品中的铝含量 1 所遇问题 在设计实验方案的时候 测定样品中铝含量的方法我选用的是单波长分光光度 法 但后来经过老师的指正 在本实验中需要用双波长分光光度法来测定样品中 的铝含量 但我对具体原因一直迷惑不解 2 原因分析 经查阅资料后 我认识到单波长分光光度法在测定复杂组分中某一组分的含量 的时候存在困难 而在双波长分光光度法中 通过选择适当波长 1 2 能很好 地消除共存组分的干扰或混浊物的影响 可以不加分离地分别测定溶液中的两种 组分 原理如下 假设试液中有共存组分 A B 设 A 为干扰组分 选取曲线 A 上吸 光度相等所对应的波长 1和 2为测定波长 此时测得试液中的 AA为零 因此 待测组分 B 的 AB的测定不会受到 A 存在的影响 即 AB等于混合物 A B 的吸 光度之差 A 试样在 1 A 1 A 1 A A 1 B 试样在 2 A 2 A 2 A A 2 B A A 1 A 2 A 1 A A 1 B A 2 A A 2 B 由于 A 1 A A 2 A A A 1 B A 2 B 可以看出 A 只与 B 的量有线性关系 从而排除 了共存组分 A 的干扰 3 解决方案 弃用原来的单波长分光光度法测定样品中铝含量的方法 改用双波长分光光度 法测定明矾样品中的铝含量 七 污水处理方案 1 人工湿地污水处理技术 1 1 人工湿地的构造 绝大多数自然和人工湿地由五部分组成 1 具有各种透水性的基质 如土壤 砂 砾石 2 适于在饱和水和厌氧基质中生长的植物 如芦苇 3 水体 在基质表面下或上 流动的水 4 无脊椎或脊椎动物 5 好氧或厌氧微生物种群 湿地系统正是在这种有一定长宽比和底面坡度的洼地中由土壤和填料 如砾石 等 混合组成填料床 废水在床体的填料缝隙中流动或在床体表面流动 并在床体 表面种植具有性能好 成活率高 抗水性强 生长周期长 美观及具有经济价值 的水生植物 如芦苇 蒲草等 形成一个独特的动植物生态系统 对废水进行处理 其中湿地植物具有三个间接的重要的作用 1 显著增加微生物的附着 植物的根 茎叶 2 湿地中植物可将大气氧传输至根部 使根在厌氧环境中生长 3 增加或稳定 土壤的透水性 植物通气系统可向地下部分输氧 根和根状茎向基质中输氧 因此可向根际中好 氧和兼氧微生物提供良好环境 植物的数量对土壤导水性有很大影响 芦苇的根 可松动土壤 死后可留下相互连通的孔道和有机物 不管土壤最初的孔隙率如何 大型植物可稳定根际的导水性相当于粗砂 2 5 年 而土壤 砂 砾石基质具有 为植物提供物理支持 为各种复杂离子 化合物提 供反应界面 为微生物提供附着 水体为动植物 微生物提供营养物质 1 2 人工湿地污水处理系统 人工湿地污水处理系统由预处理单元和人工湿地单元组成 通过合理设计可将 BOD5 SS 营养盐 原生动物 金属离子和其它物质处理达到二级和高级处理 水平 预处理主要去除粗颗粒和降低有机负荷 构筑物包括双层沉淀池 化粪池 稳定塘或初沉池 人工湿地单元中的流态采用推流式 阶梯进水式 回流式或综 合式 如图 2 离子交换法污水处理技术 离子交换法的目的是将溶解于水中的无机离子排除 与硬水软化器一样 也是 利用离子交换树脂的原理 在这使用两种树脂 阳离子交换树脂与阴离子交换树 脂 阳离子交换树脂利用氢离子 H 来交换阳离子 而阴离子交换树脂则利用氢 氧根离子 OH 来交换阴离子 氢离子与 氢氧根离子互相结合成中性水 其反应 方程式如下 R SO3H M R SO3M H R3 NOH L R3 NL OH 因此可以把污水依次通过阴阳离子交换树脂 把溶液中的无机阴阳离子置换出 来 树脂分别释放出 H 和 OH 中和成水 从而达到去除污水中的杂质离子的 目的 3 用介孔分子筛来处理污水 用介孔分子筛可以对污水中的有机废物进行处理 介孔分子筛有 2 种方式去 除废