煤的燃燒熱和氯離子含量測定

劉春麗，王文，趙雪英，羅海南

(棗莊學院 化學與化工與材料科學學院，山東 棗莊 277160)

0 引言

化學是一門以實驗為基礎的學科，實驗內(nèi)容的設計對于提高學生的學習興趣，培養(yǎng)學生分析解決問題的能力，激發(fā)學生的創(chuàng)新精神至關重要.燃燒熱的測定是《物理化學實驗》課程中的一個重要實驗，教科書上一般都是測蔗糖或萘等有機物的燃燒熱.我們結合學校所在地棗莊市大力發(fā)展煤化工這一地方特色，在實驗內(nèi)容的設計上，讓學生嘗試測定不同煤樣的燃燒熱，比較單位質(zhì)量不同煤樣燃燒熱的大小.氯是煤中常見的有害元素之一，通過對煤樣燃燒后的產(chǎn)物分析，測定煤樣中氯離子的含量，把兩個實驗有機的結合起來，從而對煤的品質(zhì)作出一定的評價.

1 實驗

1.1 試劑

煤樣2份(無煙煤、煙煤)，苯甲酸(AR，天津市光復精細化工研究所)，KCl(AR，國藥集團化學試劑有限公司)，KNO3(AR，國藥集團化學試劑有限公司)，所用水為二蒸餾次水.

1.2 儀器及測量

1.2.1 燃燒熱的測定

燃燒熱在氧彈式量熱計(南京桑力電子設備廠)上測量.準確稱量使用ADVENTURER AR124CN型電子天平，稱量誤差為±0.1 mg.

實驗中首先通過已知燃燒熱的標準物質(zhì)苯甲酸測定水當量，將樣品壓片，裝入氧彈中(氧彈中提前裝入10 mL二次水)，將氧彈放入內(nèi)筒內(nèi)，用量筒取2500mL蒸餾水倒入內(nèi)筒中，水面蓋過氧彈.把點火電極插頭插在氧彈的兩電極上，將溫差測量儀探頭插入水中，開動攪拌馬達，具體的操作方法見文獻[1].打開燃燒熱測定軟件，待溫度讀數(shù)穩(wěn)定后，點擊開始繪圖，當雷諾曲線穩(wěn)定后，開啟“點火”按鈕，若溫度明顯升高時，說明點火成功，此時再松開點火按鈕.當雷諾曲線上溫度顯示基本不變時，停止繪圖.對雷諾曲線進行校正，并把燃燒掉的燃燒絲的長度輸入，計算水當量.對于不同樣品，只要每次的水量相同，水當量就為定值.然后用測定水當量相同的方法測定每份煤樣的燃燒熱，考慮到煤樣與純物質(zhì)不同，沒有固定的分子質(zhì)量，因此根據(jù)氧彈計中的溫度變化和水當量的值計算煤樣的燃燒熱.

1.2.2 氯離子含量的測定

氯離子含量采用氯離子選擇性電極法進行測量.氯離子選擇性電極(PCL-1Q9型，上海羅素科技有限公司)，參比電極為飽和甘汞電極(217型，上海羅素科技有限公司)，電動勢用PHS-2F型精密PH計(上海虹益儀器儀表有限公司)進行測量，待測樣品用JB-2型恒溫磁力攪拌器(上海雷磁新涇儀器有限公司)攪拌.

搖動上述氧彈，把燃燒可能產(chǎn)生的氯化氫氣體充分溶解，然后加入20 mL 0.1 mol·L-1KNO3溶液，浸泡燃燒后的殘渣，取上層清液作為待測溶液.用0.1 mol·L-1KNO3溶液稀釋0.1mol·L-1KCl標準溶液，得到系列KCl-KNO3溶液.待氯離子選擇性電極活化完成后，參照文獻[2]測定工作曲線，并測定待測溶液的電動勢，從工作曲線上得到煤樣中氯離子的含量.

2 結果與討論

實驗在絕熱容器中進行，燃燒放出的熱量被水吸收，從而使水的溫度發(fā)生變化，通過測定溫度的變化得到燃燒熱，見(1)式.

QV=-KΔT

(1)

(1)式中的K通過測定水當量求出.水當量即樣品燃燒放熱使量熱計每升高1K所需的熱量.實驗測得的水當量的平均值為：13616.3J·g-1，燃燒熱的值見表1.

表1 煤的燃燒熱

從表1可以看出，無煙煤的燃燒熱明顯比煙煤高.

煤中氯含量的測定方法很多，可采用中子活化法，X- ray 熒光法，掃描電鏡，電位滴定和X衍射直接對固相進行測定[3].GB/T3558-1996《煤中氯的測定方法》中采用艾氏卡分解-伏爾哈特沉淀滴定法和高溫燃燒-水解電位滴定法測煤中Cl-含量.本文采用的氯離子選擇性電極法是實驗室中常用的測定氯離子含量的一種方法，當氯離子濃度在10-1～10-5mol·L范圍內(nèi)，電池電動勢與氯離子活度的對數(shù)成線性關系：

(2)

只要固定離子強度，測出不同cCl-值時的電動勢E，做lncCl--E工作曲線，從圖中可求出待測溶液的Cl-濃度.不同濃度KCl標準溶液的電動勢見表2，工作曲線見圖1，工作曲線方程為：lnc=-0.0427E-0.6716，R2=0.995.

表2 293K KCl標準溶液的濃度及電動勢

圖1 lncCl--E工作曲線

測定每份煤樣殘渣溶液的電勢，從工作曲線上得到煤樣中氯離子的濃度，從而計算煤中氯離子的含量，結果見表3.

表3 煤中氯離子含量

從表3可見，兩種煤樣的氯離子含量都較低，煙煤的氯離子含量略高.

本文通過對傳統(tǒng)的燃燒熱測定實驗內(nèi)容進行改進，對燃燒后的產(chǎn)物進行進一步分析，設計形成一個綜合實驗.通過煤的燃燒熱和氯離子含量的測定，對煤質(zhì)做一個近似的評定，讓學生體會到實驗與應用相聯(lián)系，同時測定結果，可為礦區(qū)或企業(yè)制定煤炭加工利用規(guī)劃、煤質(zhì)管理等提供依據(jù).

[1]張洪林,杜敏,魏西蓮. 物理化學實驗[M].青島:中國海洋大學出版社,2009:27-30.

[2]山東大學等校合編. 物理化學實驗[M].濟南:山東大學出版社,1999:144-146.

[3]陳欣娟. 煤中氯的測定及賦存形態(tài)探討[J]. 陜西煤炭, 2003,(1):35-36.