低溫下磷酸的密度和黏度的測定及其關聯

王為國，陳 璐，張嵐欣，王存文*

(1.國家磷資源開發利用工程技術研究中心，湖北 武漢 430074；2.武漢工程大學化工與制藥學院,綠色化工過程教育部重點實驗室,湖北 武漢 430074)

0 引 言

磷酸是一種非常重要的化工產品，它的用途十分廣泛，是制取各種磷化工產品和高濃度磷肥不可或缺的化工原料，在無機化工中占有舉足輕重的地位，有和“三酸”齊名之勢.根據純度的不同，主要分為工業級、食品級和電子級磷酸.電子級磷酸廣泛運用于大規模集成電路等微電子工業，因其獨特的性能與作用被人們稱做“磷酸行業皇冠上的明珠”，價格昂貴[2].以工業級、食品級磷酸為原料,采用結晶法(包括冷卻結晶法[3-4]與熔融結晶法[5-6])制備電子級磷酸是具有良好的工業化前景.結晶法是通過降溫，增大溶液的過飽和度，使溶質從溶液中析出的一種提純操作.結晶過程與原料的密度與粘度等性相關,文獻[1]給出了20 ℃磷酸水溶液的密度與25 ℃磷酸水溶液的粘度,但更低溫度下磷酸的密度和黏度未見文獻報道.因此,本研究測定了低溫下,不同濃度的磷酸的密度與粘度并將其關聯成經驗公式,為采用結晶法制備電子級磷酸過程的理論研究與工業化設計提供參考基礎物性數據.

1 試驗部分

1．1 試驗儀器和試劑

電子天平(精度為0．1 mg)；電子秒表(精度為0．01 s)；烏式黏度計；超級恒溫水浴(溫場控制精度為0．1 K)；PZ-B-5型液體比重天平(精密度:0.001 g/cm3).

高純磷酸:高純磷酸采用分析純磷酸經多重結晶后的產品,高純磷酸中各組分含量見下表1.

表1 高純磷酸中各組分含量

二次蒸餾水：由純水(電導率小于10)經二次蒸餾的高純水，電導率小于0.2 μs·cm-1.

1．2 溶液的配制

用容量瓶稱重法配制一定質量分數磷酸,在配制過程中首先稱取所需量的高濃磷酸，在不接觸容量瓶的情況下，用注射器直接注入達到規定質量分數所需的二次蒸餾水的質量，搖勻.再用標準NaOH溶液對配制的溶液濃度進行檢驗.

1．3 密度的測定

將裝有一定量磷酸的量筒置入低溫恒溫池中，待量筒內磷酸達到規定的溫度時，再用PZ-B-5型液體比重天平測量其密度.

1．4 黏度的測定

將裝有一定量磷酸的烏式黏度計置入低溫恒溫池(溫場精度為0．1 K)中，待量烏式黏度計內磷酸溫度與低溫恒溫池內酒精溫度相等時，測量磷酸流過黏度計毛細管的時間，每個數據點至少進行三次重復試驗.液體的黏度由下式進行計算：

(1)

式(1)中μ、μ0、ρ、ρ0和τ、τ0.分別表示待測液與標準液的黏度(mPa·s)、密度(g·cm-3)和液體流過黏度計毛細管的時間(s).

2 結果及討論

2.1 磷酸的密度測量與關聯

2.1.1 PZ-B-5型液體比重天平的可靠性驗證 為了驗證試驗方法和PZ-B-5型液體比重天平的可靠性，測定了磷酸在20 ℃和常壓下的密度，與文獻值[1]的數值進行了比較，其結果見表2.由表2可知，磷酸的密度測量值與文獻值符合的較好，說明所用儀器和測定方法可靠.

表2 20 ℃時磷酸的密度測量值與文獻值比較

2．2.2 磷酸的密度測量與關聯 磷酸在不同濃度和不同溫度下的密度測量結果列于表3.

表3 磷酸密度的測量值

由表3中的數據將磷酸密度[ρ/(g·cm-3)]與溫度(t/℃)、質量分數(w)關聯得：

(2)

采用此式計算實驗范圍內磷酸的密度，與實驗值相比，最大正相對偏差0.21%，最大負相對偏差-0.23%，平均相對離差0.068%.圖1為磷酸密度測量值與計算值的比較,由圖1可見,式(2)很好表達了磷酸的密度與溫度和質量分數之間關系.

圖1 磷酸密度測量值與計算值比較

2．2 磷酸黏度測量與關聯

2.2.1 烏式黏度計的可靠性驗證 為了驗證試驗方法和烏式黏度計可靠性，測定了磷酸在25 ℃和常壓下的黏度，與文獻值[1]的數值進行了比較，其結果見表4.由表4可知，磷酸黏度的測量值與文獻值符合的較好，說明所用儀器和測定方法可靠.

表4 25 ℃時磷酸水溶液的黏度測量值與文獻值比較

2．2.2 磷酸黏度測量與關聯 磷酸水溶液在不同濃度和不同溫度下的黏度測量結果列于表5.

表5 磷酸黏度的測量值

由表5中的數據將磷酸的黏度[μ/(mPa·s)]與溫度(t/℃)、質量分數(w)關聯得：

μ=10 297(w3-2.020 1w2+1.375w-0.311 4)

(3)

采用此式計算實驗范圍內磷酸的黏度，與實驗值相比，最大正相對偏差3.0%，最大負相對偏差-5.0%，平均相對離差1.83%.圖3為磷酸水溶液的密度測量值與計算值比較,由圖2可見,式(3)很好表達了磷酸的黏度與溫度和質量分數之間關系.

圖2 磷酸黏度測量值與計算值的比較

3 結 語

a.測定了在248.15～298.15 K下,質量分數為0.70～0.85時磷酸的密度和黏度.

b.將磷酸密度測量值與溫度、質量分數關聯得到式(2)，用此式計算磷酸的密度，與測量值相比，最大正相對偏差0.21%，最大負相對偏差-0.23%，平均相對離差0.068%.

c.將磷酸黏度測量值與溫度、質量分數關聯得到式(3)，用此式計算磷酸的黏度，與測量值相比，最大正相對偏差3.0%，最大負相對偏差-5.0%，平均相對離差1.83%.

參考文獻：

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