重結(jié)晶-緩慢冷卻法在提純過硫酸鉀的應用

鄧君杰　陳樹沛

（廣東省江門市新會區(qū)環(huán)境監(jiān)測站廣東江門529100）

重結(jié)晶-緩慢冷卻法在提純過硫酸鉀的應用

鄧君杰陳樹沛

（廣東省江門市新會區(qū)環(huán)境監(jiān)測站廣東江門529100）

在總氮的測定方法堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法中，空白值的高低會影響到實驗結(jié)果的準確度，而過硫酸鉀純度的影響尤為明顯。本文提出用重結(jié)晶-緩慢冷卻法提純過硫酸鉀，分析溫度和攪拌速度速率等因素的影響，根據(jù)實驗結(jié)果該法可滿足總氮測定的質(zhì)量控制要求。

過硫酸鉀；提純；重結(jié)晶；空白值

1　引言

社會的各個領域在不斷發(fā)展，大量廢水不斷排入水體中。大量含氮廢水使水體不斷惡化。目前我國水體出現(xiàn)的水浮蓮大量繁殖就是水體富營養(yǎng)化從而導致水體中浮游生物和藻類大量繁殖而消耗水中的溶解氧，使水體惡化的典型現(xiàn)象。總氮是水體中各種形態(tài)的氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮和各種有機態(tài)氮的總和，是衡量水質(zhì)好壞的重要指標之一。水中總氮含量越高則表明該水體質(zhì)量在下降。

目前總氮的測定方法主要是通過對過硫酸鉀氧化，使有機氮和無機氮化合物轉(zhuǎn)變?yōu)橄跛猁}后，再以偶氮，紫外比色法等進行測定。筆者測定水質(zhì)總氮的方法主要是堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（HJ636-2012），其中過硫酸鉀是關鍵的試劑，其純度關系到空白值的高低。而目前使用國內(nèi)生產(chǎn)的過硫酸鉀測定的空白值往往很高，超過方法規(guī)定范圍（A＜0.03），影響準確度，尤其是影響濃度較低水樣的測定。但HJ636-2012只是簡單的講述堿性過硫酸鉀的配制過程，沒有對過硫酸鉀的提純方法進行說明。選用進口過硫酸鉀能達到監(jiān)測要求，但成本非常高昂。筆者結(jié)合自己的實際工作經(jīng)驗和別人的研究成果，探討了重結(jié)晶-緩慢冷卻法提純過硫酸鉀。

2　提純原理

主要是利用去離子水對過硫酸鉀及其雜質(zhì)在不同溫度下的溶解度不同，使過硫酸鉀從過飽和溶液中析出，而進行的分離。將過硫酸鉀在50℃～60℃去離子水中溶解，將濾液冷卻，使晶體從過飽和溶液里析出，而可溶性雜質(zhì)仍留在溶液里，然后把晶體從母液中分離出來，洗滌晶體，除去吸附在晶體表面的母液。

3　實驗部分

3.1實驗材料與儀器

過硫酸鉀（AR）、去離子水（電阻率≥18.2MΩ.cm）、HH.S21-6型水浴恒溫鍋、JB-2電動攪拌器、UV2700紫外分光光度計等。

3.2實驗步驟

3.2.1把800mL去離子水加入到1L大燒杯中，在50℃～60℃水浴鍋加熱保溫，然后緩緩地把過硫酸鉀加到燒杯中，用玻璃棒不斷攪拌，直至過硫酸鉀不被溶解為止。

3.2.2控制水浴鍋的降溫幅度。在51℃～48℃時，降溫幅度為每10min降溫0.1℃；48℃～39℃為每10min降溫0.2℃；38℃～29℃為每10min降溫0.3℃。29℃降至室溫為每10min降溫0.3℃。在降溫同時使用玻璃棒緩緩攪拌，控制速度50r/min，確保水中釋出晶體能緩慢運動。

3.2.3降至室溫時，再放進4℃冰箱冷卻結(jié)晶，接著把濾液倒掉，保留晶體，然后用冷卻至4℃的去離子水洗滌晶體兩次，再倒掉濾液，再放到55℃的烘箱中烘干，得到一次結(jié)晶提純的過硫酸鉀。收集母液為下次提純使用。

3.2.4配制堿性過硫酸鉀：根據(jù)HJ636-2012要求，用優(yōu)級純氫氧化鈉與未經(jīng)提純和經(jīng)重結(jié)晶的過硫酸鉀配制堿性過硫酸鉀溶液。3.2.5測試過程：使用經(jīng)重結(jié)晶-緩慢冷卻法提的純堿性過硫酸鉀溶液和未經(jīng)提純和經(jīng)重結(jié)晶的過硫酸鉀配的堿性過硫酸鉀溶液作消解氧化劑，分別按HJ636—2012標準制作總氮校準曲線，比較空白樣校正吸光度和校準曲線相關系數(shù)。

4　結(jié)果與探討

4.1結(jié)晶產(chǎn)生的條件與討論

結(jié)晶生成的過程比較復雜，由許多其他因素決定，影響因素也較多。筆者選擇降溫幅度、晶體種類種、、攪拌方式進行了討論。

4.1.1溫度控制

在提純過程中，溫度的控制也十分重要。有文獻中將過硫酸鉀溶解在80℃[1]水溶液中是存在問題的。在60℃以上水溶液中，過硫酸鉀雖快速溶解，但會分解產(chǎn)生硫酸氫鉀和原子態(tài)氧，從而影響監(jiān)測結(jié)果。溫度太低又會造成溶劑飽和度下降，影響最終提純的數(shù)量。所以在筆者選擇使用50℃～60℃的溶解溫度。

4.1.2降溫的影響

（1）降溫大小。筆者發(fā)現(xiàn)溶液在低溫的時候，其他雜質(zhì)很容易進入晶體里，把握好結(jié)晶溫度的控制，能防止雜質(zhì)進入到晶體里面，從而得到更純的成品。筆者采用兩個降溫幅度，一種是在40℃～常溫。這時產(chǎn)生的晶體有大有小，而且顏色暗黃。這區(qū)間結(jié)晶產(chǎn)出的晶體稱為A。而另是種是在30℃～50℃這個溫度產(chǎn)生的晶體大小均勻、成純白色。將這個溫度區(qū)間產(chǎn)生的晶體為B。使用這兩種溫度區(qū)間做出來的總氮空白值表明，使用于B晶體是低于A晶體[2]。

（2）降溫快慢。一些研究理論[2-3]指出]關于降溫快慢對晶體形成的影響。結(jié)晶是一個質(zhì)量與能量的傳遞過程。物質(zhì)在溶解時要吸收熱量、結(jié)晶時要放出結(jié)晶熱。所以，溫度的變化與結(jié)晶的好壞關系密切。如果降溫幅度過大，晶體生長速度快，晶體尚未長大，溶質(zhì)濃度便降至飽和溶解度，此時已形成大量的細小結(jié)晶，晶體質(zhì)量差。根據(jù)多次實驗數(shù)據(jù)分析，降溫幅度為51℃～47℃時，為0.5℃/h；47℃～38℃為1℃/h時，產(chǎn)生的晶體顆粒適中、大小均勻。

4.1.3攪拌的作用

溶質(zhì)在不斷的均勻攪拌下會在晶體表面形成一個滯流層，從溶液中轉(zhuǎn)移到晶體的表面。增加攪拌能加快晶體形成，并加速母液溫度平衡。但不同的晶體會有不同的攪拌方式，選用正確的攪拌方式能使容器周圍的結(jié)晶顆粒和中間的大小形狀均勻，從而避免了堆垛層錯[4]的出現(xiàn)。

4.2結(jié)果驗證

表1　使用未經(jīng)提純過硫酸鉀標準曲線吸光度

表2　使用經(jīng)重結(jié)晶-緩慢冷卻法提純的過硫酸鉀標準曲線吸光度

由表1可看到，未進行提純前，波長在220nm處有兩個吸光度值超過1；波長275nm處的吸光度值在0.1以上，吸光度值均較高，這說明在堿性過硫酸鉀溶液中含有較多，這些雜質(zhì)的存在會影響到分析結(jié)果特別是濃度低的水樣測定結(jié)果[4]。

而從表2可以看到，在經(jīng)過重結(jié)晶-緩慢冷卻法提純后，空白值有明顯的降低，空白值均小于0.030，基本符合要求。在波長220nm處的吸光度值沒有超過1，波長275nm處的吸光度值在0.1下。

從上述分析結(jié)果可以看出，將過硫酸鉀進行重結(jié)晶提純，能有效地把過硫酸鉀的雜質(zhì)的有機物去除，降低空白值的吸光度，使其在規(guī)定范圍內(nèi)。雖然重結(jié)晶-緩慢冷卻法對試劑的消耗率頗高，有接近40%的消耗率，但相對于進口過硫酸鉀的高昂價格，采用重結(jié)晶-緩慢冷卻法的過硫酸鉀，后者性價比還是不錯的。

4.3注意事項

4.3.1在提純的過程中要控制溫度在50℃左右，過硫酸鉀在低溫下是很難溶解的。但若果溫度超過60℃，則過硫酸鉀會產(chǎn)生分解，影響實驗結(jié)果。

4.3.2配制堿性過硫酸鉀時，因為氫氧化鈉加水溶解時會釋放熱量，如果把過硫酸鉀和氫氧化鈉混在一起同時溶解，氫氧化鈉溶解產(chǎn)生的熱量會使過硫酸鉀溫度過高而分解，影響實驗結(jié)果。

4.3.3堿性過硫酸鉀溶液究竟能放置多久，對此眾說紛紜，筆者實踐認為在7d內(nèi)使用能較好地滿足實驗要求，宜現(xiàn)用現(xiàn)配。

5　結(jié)語

通過以上實驗數(shù)據(jù)可以看出將過硫酸鉀進行重結(jié)晶提純，能有效地把過硫酸鉀的雜質(zhì)的有機物去除，降低空白值的吸光度，使其在規(guī)定范圍內(nèi)，使分析結(jié)果高效而且準確。但該方法還存在一些缺點，如消耗率高、溫度較難控制、提純過程費時等缺點。筆者希望在今后的工作當中繼續(xù)完善該方法，并得到進一步的推廣和使用。

[1]邱燕，錢宇紅.過硫酸鉀重結(jié)晶降低總氮空白值的方法討論[J].環(huán)境研究與監(jiān)測,2007(1):26-27.

[2]R.A.勞迪斯.單晶生長[M].劉光照,譯.北京:中國科學出版社, 1979:78，92-130,304-371.

[3]蔣晶晶,張芙蕖.降低總氮空白吸光值的因素探[J].環(huán)境科學與管理,2008，33(2):121-123.

[4]R.C.埃文思.結(jié)晶化學導論[M].胡玉才,譯.北京:中國教育出版社,1981.

[5]董紀珍,宋瑩,李建坡,等.測定總氮時影響空白吸光值的因素[J].光譜實驗室,2006,23(4):791-796.

鄧君杰（1981—），男，廣東江門人，本科學歷，環(huán)境保護助理工程師，主要研究方向：重結(jié)晶-緩慢冷卻法。