由廢鋁制備明礬及其組成測定

程相春

（黑龍江省化工研究院，黑龍江 哈爾濱 150078）

（Heilongjiang Provircial Chemical Enginering Institute,Harbin 150078,China）

科研與開發(fā)

由廢鋁制備明礬及其組成測定

程相春

（黑龍江省化工研究院，黑龍江 哈爾濱 150078）

以生活廢鋁易拉罐為原料，采用不同的方法制備明礬，通過XRD、TG、EDTA配位法、重量法等對產物進行了表征，獲得了很好的結果。

易拉罐；明礬；組成測定；重量法；配位法

Preparation and determ ination of potassium alum inum sulfate from waste alum inum CHENG Xiang-chun

（Heilongjiang Provircial Chemical Enginering Institute,Harbin 150078,China）

Abstract:Potassium aluminum sulfate were prepared by different ways used pop can as material,the complexeswere characterized by XRD，TG and EDTA coordination and weightmethod,and the result is satisfying.

Key words:pop can;alum;determination of content;weightmethod;coordinationmethod

鋁是使用量僅次于鋼鐵的第二大金屬材料,由于其具有優(yōu)異的性能而重要性愈來愈大。廢鋁大致可分為以下幾類：生鋁、合金熟鋁、型材鋁、鋁線、生活雜鋁等，日常生活中隨處可見被拋棄的易拉罐、卷煙包裝的鋁箔紙、鋁質牙膏皮等均屬于生活雜鋁。本文利用廢棄的易拉罐，采用酸、堿兩種方法制備出明礬，通過熱重、重量法和配位滴定法對其中的各種成分進行測定，從而確定了該化合物的組成，該研究既有效地利用了廢棄資源、變廢為寶，又培養(yǎng)了學生的綠色環(huán)保意識，對于提高學生的綜合素質具有十分重要的意義。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

X-射線粉末衍射儀（日本理學公司）；熱重分析儀（美國PE公司）；WD900B型微波爐（廣東順德市格蘭仕電器有限公司）；101-2型干燥箱（上海市實驗儀器總廠）；AE200型分析天平（METTLER公司）；各種試驗用玻璃儀器、抽濾裝置等。

所有化學試劑均為分析純。

1.2 明礬的制備

明礬又稱白礬、鉀礬、鉀明礬、酸礬，學名十二水合硫酸鋁鉀，是含有結晶水的硫酸鉀和硫酸鋁的復鹽，水溶液有澀味?；瘜W式KAl(SO4)2·12H2O，式量474.39，具有玻璃光澤的無色正八面體，三方晶系，密度 1.757g·cm-3，在 20℃、1 個標準大氣壓下，溶解度約為5.90g。

明礬用途非常廣泛，通常在工業(yè)上用作印染媒染劑和凈水劑，醫(yī)藥上用作收斂劑，食品工業(yè)中用作膨松劑及色譜分析試劑等。明礬有多種制備方法[1，2]，本文利用廢棄的易拉罐，采用酸、堿兩種方法制備明礬。

1.2.1 KOH法 鋁屑溶于濃氫氧化鉀溶液，生成可溶性的四羥基合鋁（Ⅲ）酸鉀K[Al（OH）4]，加入一定量稀H2SO4溶液，將其轉化為Al（OH）3，再加過量的H2SO4，Al（OH）3溶解生成Al2（SO4）3，Al2（SO4）3能同堿金屬硫酸鹽如K2SO4在水溶液中結合成一類在水中溶解度較小的同晶的復鹽，此復鹽稱為明礬［KAl（SO4）2·12H2O］，當冷卻溶液時，明礬則以大塊晶體結晶出來。制備中的化學反應如下：

稱取4.5g KOH于250mL燒杯中，加入60mL蒸餾水溶解，分批加入2.0g剪碎的易拉罐（反應激烈，防止濺出，應在通風櫥內進行），至不再有氣泡產生，反應完畢后加水至80mL，趁熱用布氏漏斗抽濾。

將濾液轉入250mL燒杯中，加熱至近沸，在不斷攪拌下，滴加6mol·L-1H2SO4溶液至生成的大量白色沉淀完全溶解，溶液澄清，趁熱抽濾。

濾液轉至蒸發(fā)皿中，小火加熱濃縮溶液至45mL，放置充分冷卻至室溫，抽濾，乙醇淋洗，抽干得無色透明晶體，稱重并計算產率。

1.2.2 H2SO4法 鋁屑可以直接與硫酸反應，但反應速度不是很快，因此，在實際反應中加入FeCl3、HgCl2等鹽溶液作為“催化劑”，來提高金屬鋁在稀H2SO4中的溶解能力，主要反應如下：

稱取2.0g鋁屑于250mL燒杯中，加入40mL 4.5mol·L-1H2SO4溶液，滴加 5D作為“催化劑”的0.1mol·L-1FeCl3或HgCl2等溶液，加熱并不斷攪拌，反應過程中應適當補充水分，直至反應完全。

趁熱減壓過濾，濾液轉移至燒杯中，殘渣經烘干后稱重，計算出已反應的鋁屑質量，并根據反應方程式計算出Al2（SO4）3的理論產量，據此稱取所需固體K2SO4，配成飽和溶液混合到Al2（SO4）3溶液中，攪拌均勻，蒸發(fā)濃縮至45mL，自然冷至室溫，抽濾，乙醇淋洗，抽干得無色透明晶體，稱重并計算產率。

表1 明礬制備Tab.1 Preparation of alums

2 結果與討論

2.1 明礬XRD譜圖

圖1 制備的明礬樣品與分析純樣品XRD對比圖Fig.1 Collation map for alums samples and analytical reagent samples

由圖1中可以看出，制備的明礬樣品結晶較好。

2.2 結晶水含量測定

明礬結晶水含量測定采用熱重（TG）和差減法兩種方法對比測定[3-5]。2.2.1 TG法 測試工作在美國PE公司TGA7熱分析儀上完成，反應氣氛為N2，流速為50mL·min-1，升溫速率為 25～300℃為 10℃·min-1；300～900℃為5℃·min-1，溫度范圍 25～900℃，樣品經重結晶，研磨成粉末后使用。明礬的熱分解曲線見圖2。

圖2 明礬TG曲線Fig.2 TG curve of alums

由圖2可以看出，明礬的分解分兩步進行，根據TG曲線出現的平臺及失重百分率，可推斷出第一步分解在30～270℃溫度范圍內，失重率為45.50%（理論失重值45.53%），相當于失去12個水分子，第二步分解在 680～810℃溫度范圍內，失重百分率為25.50%（理論失重值為25.31%），相當于失去1.5個SO3分子，生成最后產物為K2SO4和Al2O3，至此，KAl（SO4）2·12H2O總失重 70.0%（理論值為 70.88%），各分解階段反應失重率的實驗值與計算值相當吻合。根據以上推斷，在此條件下KAl（SO4）2·12H2O的熱分解過程如下：

2.2.2 差減法 將洗凈的稱量瓶放入烘箱內，在280℃下干燥2h，然后置于干燥器中冷至室溫，稱量。重復上述操作至恒重（即兩次稱量相差不超過0.5mg）。

精確稱取明礬試樣0.7～0.8g于已恒重的稱量瓶中，置于烘箱中，在280℃下干燥2h，再在干燥器中冷至室溫，稱量，重復干燥、冷卻、稱量等操作，直到恒重。根據稱量結果，計算結晶水含量（每克試樣中所含結晶水的摩爾數n1）。

結晶水的測定結果見表2。

表2 結晶水含量測定Tab.2 Determination of crystalwater

2.3 SO24-含量測定

2.3.1沉淀的制備稱取4.0gBaCl2·2H2O于250mL燒杯中，加入200mL水和溶液2mL，加熱溶解。

準確稱取明礬試樣0.7～0.8g于250mL燒杯中，加50mL水和2mol·L-1HCl溶液2mL，加熱至近沸溶解，不斷攪拌下滴加熱的鋇鹽溶液，待BaSO4沉淀完全后，蓋上表面皿，放在水浴或沙浴上，保溫40min陳化。

2.3.2 玻璃坩堝的恒重 用水洗凈兩個坩堝，用真空泵抽2min以除掉玻璃砂板微孔中的水分，便于干燥。放進微波爐于500W的輸出功率（中高火）下進行干燥，第一次干燥10min，第二次4min。每次干燥后放入干燥器中冷卻15～20min，然后在分析天平上快速稱量。兩次干燥后稱量所得質量之差若不超過0.4mg，表明已恒重，否則，還要再次干燥4min，冷卻、稱量，直至恒重。

2.3.3 沉淀的過濾和洗滌 BaSO4沉淀冷卻后，用已恒重的玻璃坩堝進行減壓過濾。上層清液濾完后，將沉淀轉移到坩堝中，用沉帚擦“活”粘附在杯壁和攪棒上的沉淀，再用水沖洗燒杯和玻璃棒直至沉淀轉移完全。用稀H2SO（40.5mol·L-1H2SO40.5mL加100mL水配成）洗滌沉淀3～4次，每次約10mL，再用水洗一次，最后用水淋洗沉淀及坩堝內壁4次以上，這時沉淀基本已洗滌干凈（用HNO3酸化的AgNO3檢查）。繼續(xù)抽干2min以上至不再產生水霧，將坩堝放入微波爐進行干燥（第一次10min，第二次4min），冷卻、稱量、直至恒重。計算明礬試樣中S的含量（mol·g-1）。S測定結果見表3。

表3 SO24-含量測定Tab.3 Determination of SO2-4

2.4 鋁含量測定

鋁含量的測定方法較多[8-10]，主要有重量法、容量法、分光光度法、ICP-AES法和原子吸收法等（改進的酸堿滴定法測定鋁合金化銑液中的鋁含量——分光光度法測定硅鋁礦渣中鋁的含量）。測定高濃度鋁含量主要有容量法的配位滴定和酸堿滴定兩種方法。

由于Al3+具有易水解、與EDTA反應速度緩慢且在酸性介質中對常用的指示劑二甲酚橙有封閉作用等特點，在用配位滴定法對其進行測定時常采用返滴定法，對于試樣成分復雜多樣，為了防止其他金屬離子的干擾，傳統(tǒng)的方法是用置換滴定法。Al3+與EDTA配位反應比較緩慢，需加入過量的EDTA，并加熱煮沸才能反應完全；Al3+對二甲酚橙指示劑有封閉作用，酸度不夠時容易水解，在pH值為3～4時Al3+與過量的EDTA在煮沸時配位完全，再調節(jié)pH值為5～6，以二甲酚橙指示劑，用鋅鹽標準溶液返滴定剩余EDTA，加入過量的NH4F加熱煮沸，置換出與Al3+配位的EDTA，再用鋅鹽標準溶液滴定釋放出來的EDTA，至溶液由黃色變?yōu)樽霞t色為終點。本文采用返滴定法和置換法兩種方式進行對比測定明礬中的Al3+含量。

2.4.1 0.01mol·L-1Zn2+標準溶液的配制 準確稱取0.21～0.22g基準ZnO于 100mL燒杯中，加 6mol·L-1HCl溶液5mL，立即蓋上表面皿，待ZnO完全溶解，以少量水沖洗表面皿和燒杯內壁，定量轉移Zn2+溶液于250mL容量瓶中，用水稀釋至刻度，搖勻，計算鋅標準溶液的濃度。

2.4.2 0.01mol·L-1EDTA溶液的配制與標定 稱取1.0g EDTA于100mL燒杯中，加水80mL，溫熱并攪拌使其完全溶解，冷卻后轉入試劑瓶中，稀釋至250mL。

用移液管吸取25.00mLZn2+標準溶液于錐形瓶中，加2D二甲酚橙指示劑，滴加20%六亞甲基四胺至溶液呈現穩(wěn)定的紫紅色，再加5mL六亞甲基四胺。用EDTA滴定，當溶液由紫紅色恰好轉變?yōu)辄S色時即為終點。平行滴定3次，計算EDTA的準確濃度。

2.4.3 鋁含量的測定 準確稱取明礬試樣0.31～0.32g鋁鹽，加6mol·L-1鹽酸5mL，將上述溶液定量轉移至100mL容量瓶中，稀釋至刻度，搖勻。

移取25.00mL鋁鹽溶液于250mL錐形瓶中，定量加入0.01mol·L-1EDTA標準溶液30mL，加2D二甲酚橙，此時溶液呈黃色，滴加6mol·L-1氨水調至溶液恰好出現紅色，再滴加3mol·L-1HCl溶液，使溶液呈現黃色。加熱煮沸3min，放冷后加入六亞甲基四胺20mL，此時溶液應呈黃色（pH值為5～6），如不呈黃色，用3mol·L-1HCl來調節(jié)，使其變黃，用0.01mol·L-1鋅標準溶液滴定至溶液由黃色變?yōu)樽霞t色。

于上述溶液中加入200g·L-1NH4F溶液10mL，加熱至微沸，流水冷卻，再補加2D二甲酚橙指示劑，此時溶液應呈現黃色（pH值為5～6）。若溶液呈現紅色，應滴加3mol·L-1HCl溶液使其變?yōu)辄S色。再用0.01mol·L-1鋅標準溶液滴定至溶液由黃色變?yōu)樽霞t色，即為終點。根據消耗的鋅鹽溶液的體積，計算Al的含量n3（mol·g-1）。

表4 鋁含量測定Tab.4 Determination of aluminium

表5 明礬化學式確定Tab.5 Definition of alums chemical formula

3 結論

（1）以生活廢鋁易拉罐為原料，采用兩種不同的方法制備明礬，均獲得了很好的結果。

（2）結晶水測定中，差減法的測定結果與熱重分析非常吻合，明礬脫水的溫度應控制在260～280℃，最適宜恒溫時間為2h，否則脫水不完全，達不到理論失重率。但烘箱測定結晶水耗時較長，若能夠使用大功率的微波爐進行加熱，則會大大節(jié)省時間，提高效率。

（4）鋁含量測定中返滴定法與置換法結果吻合很好，在控制條件的前提下，結果均符合測定要求。

（5）所測定明礬的組成非常接近理論值：1∶1∶2∶12。

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O614.43

A

1002-1124（2011）02-0014-05

2010-12-20

程相春，女，高級工程師，碩士研究生，從事科研工作。