分光光度法測定廢砂漿中鐵含量

2014-04-01 01:03:52彭倩苗紅艷丁玉強

應用化工 2014年12期

彭倩，苗紅艷，丁玉強

(江南大學化學與材料工程學院，江蘇無錫 214122)

在光伏產業和半導體制造業中，單晶硅和多晶硅棒切割過程中會產生大量的廢砂漿，主要含有聚乙二醇、碳化硅微粉、單質硅粉、鐵及不銹鋼粉等［1-4］。若直接排放，不僅會對環境造成污染，而且會造成資源浪費。因此，對硅切割廢砂漿進行回收利用，具有較高的環保與經濟價值。

目前對廢砂漿的回收利用的研究僅限于聚乙二醇、硅及碳化硅。基于砂漿中的鐵含量較為可觀，可以通過酸洗，將生成的亞鐵溶液應用于工業用水的凈化處理中，從而達到廢砂漿中鐵屑的再利用，因而有必要對廢砂漿中的鐵含量進行測定。傳統的廢砂漿成分分析法為重量法，工藝較繁瑣，且準確性低。

本文利用二價鐵離子與鄰二氮菲生成穩定絡合物，在可見光區有特征吸收的性質［5-10］，建立了一種精確測定廢砂漿中鐵含量的方法，方法簡捷、對廢砂漿中不銹鋼粉末中重金屬鉻的抗干擾性強，準確度及精密度高，適合于廢砂漿中鐵含量的定量分析。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

六水合硫酸亞鐵銨、濃鹽酸、鄰啡羅啉、鹽酸羥胺、無水醋酸鈉、冰醋酸、二苯碳酰二肼、重鉻酸鉀、丙酮、磷酸、濃硫酸、過硫酸銨均為分析純;廢砂漿。

TU-1901 型雙光束紫外-可見分光光度計;FA2004 型電子天平;JJ-1 型增力電動攪拌器;HHS2 型數顯恒溫水浴鍋。

1.2 鐵含量測定

1.2.1 測定原理在一定酸度條件下，Fe2+與鄰菲羅啉可以生成穩定的橙紅色的絡合物，絡合物在510 nm 附近有特征吸收峰。Fe2+濃度與吸光度符合朗伯比爾定律，適用于微量鐵測定。反應方程式如下:

1.2.2 測定方法取50 mL 容量瓶，加入濃度10 mg/L硫酸亞銨標準溶液4 mL，再加入10%鹽酸羥胺溶液1 mL、10 mg/L 的鄰啡羅啉顯色液2.5 mL、和pH 值5.0 醋酸鈉-醋酸緩沖溶液5 mL，用蒸餾水定容并搖勻，靜置10 min 后，測定511 nm處的紫外吸光度。

1.3 樣品分析

稱取1.000 0 g 廢砂漿于50 mL 燒杯中，加入20 mL 去離子水，在持續攪拌下，加入一定量濃硫酸，于一定溫度下攪拌反應一定時間，過濾，再用去離子水洗滌3 ～4 次，將酸浸液與洗滌液轉移入250 mL 容量瓶中，用去離子水定容，搖勻后，靜置1 h，取樣測定吸光度。

2 結果與討論

2.1 測定條件的探究

2.1.1 最大吸收波長取鐵離子濃度為10 mg/L的硫酸亞鐵銨標準溶液4 mL 于50 mL 容量瓶中，加入10%鹽酸羥胺溶液1 mL、10 mg/L 鄰菲羅啉顯色液2.5 mL 和pH 為5.0 醋酸鈉-醋酸緩沖溶液5 mL，用蒸餾水稀釋并搖勻，放置10 min 后，以試劑溶液為空白在400 ～600 nm 處的紫外吸光度，見圖1。

圖1 標準溶液的吸收曲線Fig.1 Absorptiom curve of the standard solution

由圖1 可知，在511 nm 處吸光度最大。因此選擇511 nm 為測定鐵離子濃度的最大吸收波長。2.1.2 顯色劑用量取6 個50 mL 容量瓶，分別加入4 mL 10 mg/L 硫酸亞鐵銨標準溶液，1 mL 10%鹽酸羥胺溶液，搖勻。分別加入10 mg/L 鄰菲羅啉顯色液1.0，1.5，2，2.5，3.0，3.5 和pH 為5.0 的醋酸鈉-醋酸緩沖溶液5 mL，用蒸餾水定容并搖勻，放置10 min，以試劑溶液為空白，測定511 nm 處的吸光度，結果見表1。

表1 顯色劑用量對吸光度的影響Table 1 Effect of the dosage of chromogenic agent on the absorbance

由表1 可知，在顯色劑用量1.5 ～3.0 mL 內，吸光度較穩定，且達到一個較為合理的數值，如果添加量大于3.0 mL，吸光度并不會大幅度增加，反而會出現波動，同時過多的顯色劑也會增加后處理的困難，造成資源浪費。因此，選擇顯色劑用量為2.5 mL 為宜。

2.1.3 酸度取6 個50 mL 容量瓶，分別加入4 mL 10 mg/L 硫酸亞鐵銨標準溶液，1 mL 10%鹽酸羥胺溶液，2.5 mL 10 mg/L 鄰菲羅啉顯色液，再分別加入pH 值為2.0，3.0，4.0，5.0，6.0，7.0 的醋酸鈉-醋酸緩沖溶液5 mL，用蒸餾水稀釋并搖勻，放置10 min，以試劑溶液為空白，在511 nm 處的吸光度見表2。

表2 酸度對吸光度的影響Table 2 Effect of dosage of pH value on the absorbance

由表2 可知，在pH 4 ～6 范圍內，吸光度較穩定，酸度過高，顯色反應速度較慢;酸度過低，Fe2+易發生水解，影響顯色。因此，選擇pH 為5.0 的醋酸鈉-醋酸緩沖溶液，調節體系的pH 值。

2.1.4 顯色時間取6 個50 mL 容量瓶，分別加入4 mL 10 mg/L 硫酸亞鐵銨標準溶液，1 mL 10%鹽酸羥胺溶液，2.5 mL 10 mg/L 鄰菲羅啉顯色液和5 mL pH 為5.0 的醋酸鈉-醋酸緩沖溶液，用蒸餾水稀釋并搖勻，分別放置5，10，15，30，60，120 min，以試劑溶液為空白，測定各溶液在511 nm 處的吸光度，結果見表3。

表3 顯色時間對吸光度的影響Table 3 Effect of chromogenic time on the absorbance

由表3 可知，此顯色反應較快，且穩定時間較長。根據實驗需要，選取顯色時間為10 min。

2.2 標準曲線的制定

測定濃度分別為0.2，0.4，0.8，1.2，1.6，2.0 mg/L 的硫酸亞鐵銨標準溶液在511 nm 處的吸光度。結果表明，鐵離子濃度在0 ～2 mg/L 范圍內符合比爾定律。以鐵離子濃度(mg/L)為橫坐標X，以吸光度A 為縱坐標Y 作圖，線性回歸，得曲線方程Y=0.194 45X+0.022，R2=0.999 6。

圖2 鐵含量測定標準曲線Fig.2 Standard curve of iron concentration

2.3 廢砂漿中鐵含量測定

2.3.1 酸浸處理條件優化利用正交實驗考察硫酸濃度、酸浸時間、酸浸溫度對鐵離子浸出率的影響，結果見表4。

表4 正交實驗結果Table 4 Orthogonal experiments results

由表4 可知，影響鐵離子浸出率的因素為:酸浸時間＞酸浸溫度＞硫酸濃度。最優酸浸條件為A2B2C3，即:硫酸濃度0.03 mol/L，酸浸時間1.0 h，酸浸溫度50 ℃。

2.3.2 測定結果將廢砂漿的酸浸洗滌液稀釋10 倍，取樣測定鐵離子含量，平行操作6 次。測定的平均值為10.45 mg/L，即廢砂漿中鐵占廢砂漿總重的2.61%。測定的相對標準偏差為2.24%，說明分光光度法用于廢砂漿中鐵含量測定精密度較好。

2.3.3 抗干擾性分析硅片切割產生的廢砂漿中包含一定量的不銹鋼粉，而不銹鋼粉末中又含有少量的重金屬鉻，實驗考察了鉻對分光光度法測定鐵含量的影響。

取6 個 50 mL 容量瓶，各加入鐵含量10.45 mg/L 的硫酸亞鐵銨溶液4 mL，分別加入鉻含量為1 mg/L 的重鉻酸鉀溶液0，2，4，6，8，10 mL，即m(Cr)∶m(Fe)=0 ～0.24，測定不同鉻含量、相同鐵離子含量的吸光度，結果見表5。

表5 鉻對鐵含量測定影響Table 5 Effect of Cr on determination of iron content

由表5 可知，在m(鉻)∶m(鐵)=0 ～0.24 范圍內，鉻對分光光度法測定鐵含量影響均較小。實驗測得廢砂漿酸浸洗滌液中重金屬鉻的含量僅為4.37 mg/L(廢砂漿中鉻測定參照國標法GB/T 7467—1987 測定)，約占鐵含量的4.17%。因此，分光光度法測定廢砂漿中的鐵含量，對廢砂漿中的不銹鋼粉末中少量的金屬鉻的抗干擾性較強。

2.3.4 準確度分析取6 個100 mL 容量瓶，各加入酸浸處理后的廢砂漿濾液5 mL，分別加入含鐵量為100 mg/L 的硫酸亞鐵銨標準溶液2，4，6，8，10，12 mL，用去離子水定容并搖勻，取樣測定溶液的鐵離子濃度，結果見表6。