硝酸鈾酰溶液中硝酸濃度的自動(dòng)測(cè)定

鄭 楠，孫 亮

(核工業(yè)理化工程研究院，天津 300180)

硝酸鈾酰溶液中硝酸濃度的自動(dòng)測(cè)定

鄭 楠，孫 亮

(核工業(yè)理化工程研究院，天津 300180)

設(shè)計(jì)一種硝酸鈾酰中硝酸濃度的自動(dòng)測(cè)量方法，對(duì)測(cè)量值與實(shí)際值不符的現(xiàn)象進(jìn)行系數(shù)擬合，并使用LabVIEW軟件編寫系統(tǒng)程序和計(jì)算程序，實(shí)現(xiàn)了硝酸濃度的自動(dòng)取樣、稀釋、測(cè)量和遠(yuǎn)程控制功能，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)誤差為5%以內(nèi)。

硝酸鈾酰；硝酸濃度；自動(dòng)控制

乏燃料處理中，需要對(duì)硝酸鈾酰溶液進(jìn)行凈化處理，處理過(guò)程中，硝酸濃度對(duì)處理工藝效率影響很大，因此需要準(zhǔn)確測(cè)定溶液中的硝酸濃度，以獲得最優(yōu)的工藝效率。目前測(cè)定溶液酸度的方法為絡(luò)合滴定法，該方法測(cè)量準(zhǔn)確，但需要人工取樣和測(cè)量，耗時(shí)長(zhǎng)，且滴定后的溶液不能再作為料液使用，存在鈾損失；丁安慶等人[1-4]分別通過(guò)惠斯通電橋法和電導(dǎo)率儀測(cè)量溶液的電導(dǎo)率，建立了溶液密度、電導(dǎo)率、鈾濃度、酸度網(wǎng)絡(luò)曲線，在一定鈾濃度范圍內(nèi)，硝酸濃度為2.0～4.0 mol/L時(shí)，可以通過(guò)pH計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)，查詢網(wǎng)絡(luò)圖，得出溶液酸濃度；鄭永章[5]設(shè)計(jì)了在線酸度檢測(cè)裝置，可用于溶液酸度的在線分析。但丁安慶設(shè)計(jì)的方法不能實(shí)現(xiàn)硝酸濃度的自動(dòng)在線測(cè)定，且其在一定的鈾濃度范圍內(nèi)測(cè)定硝酸的濃度，測(cè)量范圍較窄。鄭永章的方法是針對(duì)溶液中硝酸濃度較低時(shí)設(shè)計(jì)的，不能用于高濃度硝酸的測(cè)定。本文根據(jù)乏燃料處理液鈾濃度不定，且雜質(zhì)較多，處理過(guò)程中不能存在鈾損失的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種可在線檢測(cè)乏燃料處理液中硝酸濃度的方法，并編寫自動(dòng)控制和計(jì)算程序，實(shí)現(xiàn)硝酸濃度分析的遠(yuǎn)程控制。

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 絡(luò)合滴定法

采用飽和草酸銨溶液絡(luò)合硝酸鈾酰中的鈾離子，用稀硝酸調(diào)節(jié)溶液pH值=5.6，然后加入1 mL硝酸鈾酰溶液，用標(biāo)準(zhǔn)氫氧化鈉溶液滴定至pH值=5.6，記錄氫氧化鈉標(biāo)液體積，根據(jù)公式(1)計(jì)算溶液中硝酸濃度。

(1)

式中：

c1—硝酸鈾酰中硝酸濃度，mol/L；

c2—標(biāo)準(zhǔn)氫氧化鈉溶液濃度，mol/L；

V1—加入的硝酸鈾酰溶液體積，mL；

V2—滴定使用的標(biāo)準(zhǔn)氫氧化鈉溶液體積，mL。

業(yè)內(nèi)采用此法測(cè)量硝酸鈾酰中酸濃度，因此，認(rèn)為該方法分析的酸度值為溶液的實(shí)際酸度，并將設(shè)計(jì)的方法測(cè)量值與此法測(cè)定值進(jìn)行對(duì)比，來(lái)判定設(shè)計(jì)方法的優(yōu)劣。

1.2 設(shè)計(jì)思路

強(qiáng)酸稀溶液中，H+濃度即可代表其在溶液中的濃度，因此，可以通過(guò)pH計(jì)測(cè)量強(qiáng)酸稀溶液的pH值，再根據(jù)式(2)中pH值與溶液酸度的關(guān)系，計(jì)算溶液中的酸濃度：

cH+=10-pH

(2)

式中：

cH+—稀溶液中H+濃度，mol/L。

乏燃料處理液的硝酸濃度很高，不能直接采用此法測(cè)量，但按照此原理，可以對(duì)乏燃料處理液進(jìn)行微量取樣，并進(jìn)行稀釋，再經(jīng)過(guò)程序計(jì)算獲得其中的硝酸濃度，之后將測(cè)量后的測(cè)量液通過(guò)管道返回至處理罐中，這樣不僅不會(huì)造成鈾損失，而且測(cè)量溶液體積相對(duì)處理液的體積很小，不會(huì)影響處理液的酸濃度。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)主要儀器

1)pH計(jì)：雷磁PHSJ-3F；

2)蠕動(dòng)泵：保定蘭格，Bt100-2J/YZ1515X；

3)2位3通電磁隔離閥，北昂流體系統(tǒng)(上海)有限公司。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

按照設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)的測(cè)量裝置示意圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2.3 自動(dòng)測(cè)量過(guò)程的實(shí)現(xiàn)

測(cè)量過(guò)程分為取樣、樣品稀釋和自動(dòng)測(cè)量，圖1顯示了這些功能的實(shí)現(xiàn)方法：

取樣：通過(guò)設(shè)置蠕動(dòng)泵反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速，設(shè)置取樣時(shí)間，則料液通過(guò)料罐，流經(jīng)回料閥、取樣泵、取樣閥，通過(guò)取樣管進(jìn)入取樣杯中，完成取樣。

樣品稀釋：設(shè)置稀釋泵正轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速，則水罐中的蒸餾水流經(jīng)稀釋泵、稀釋閥，通過(guò)稀釋管進(jìn)入取樣杯中，完成樣品稀釋，同時(shí)在攪拌器作用下，混勻稀釋樣品。

自動(dòng)測(cè)量：推下稀釋杯上面的pH計(jì)測(cè)量溶液的pH值，然后根據(jù)稀釋倍數(shù)與pH值之間的關(guān)系，通過(guò)軟件自動(dòng)計(jì)算獲得溶液的酸濃度值。

2.4 基于LabVIEW程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)測(cè)量過(guò)程

LabVIEW是虛擬儀器領(lǐng)域中進(jìn)行圖形化編程開(kāi)發(fā)的軟件，其自帶VISA子模塊，可以實(shí)現(xiàn)串口編程，完成控制機(jī)與儀器之間的連接與控制功能[6]。本實(shí)驗(yàn)購(gòu)買的蠕動(dòng)泵具有外控功能，可以通過(guò)RS-485接口，根據(jù)通訊規(guī)約控制泵的啟停、方向和速度，其LabVIEW控制圖如圖2所示。

圖2 LabVIEW編寫的蠕動(dòng)遠(yuǎn)程泵控制圖

2位3通電磁閥可以通過(guò)24V繼電器控制其電流通斷，從而控制液體流向；pH計(jì)具有USB接口，可以與電腦串行口相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。根據(jù)這些功能，使用LabVIEW編寫程序，可以直接在電腦界面上控制程序，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，且根據(jù)溶液中酸度計(jì)算關(guān)系和稀釋倍數(shù)的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)在線計(jì)算并輸出硝酸溶液濃度的功能，計(jì)算程序如圖3所示。

圖3 LabVIEW編寫的硝酸濃度計(jì)算程序

3 結(jié)果與討論

3.1 溶液酸度的計(jì)算

按照稀釋液的pH測(cè)量值和稀釋倍數(shù)，計(jì)算溶液的酸度：

cH+=10-pH×L

(3)

cH+—稀溶液中H+濃度，mol/L；

L：稀釋倍數(shù)。

實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)測(cè)定計(jì)算值與絡(luò)合滴定法測(cè)定值不一致，且當(dāng)稀釋倍數(shù)越小時(shí)，不一致的程度越大。這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)所用的pH電極為玻璃電極，在其測(cè)量范圍0～14內(nèi)，其膜電位并非都遵守Nernst方程，當(dāng)pH值<1.5時(shí)，其本為直線的測(cè)量會(huì)出現(xiàn)向上彎的現(xiàn)象，即產(chǎn)生“酸誤”現(xiàn)象，且誤差值大小與酸的濃度及電極的浸入時(shí)間有關(guān)[7-8]。

3.2 pH值與溶液酸度之間的計(jì)算擬合

針對(duì)3.1中所述問(wèn)題，分析測(cè)量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)與實(shí)際值之間存在一定的系數(shù)關(guān)系，給定兩者之間的系數(shù)，并對(duì)系數(shù)和樣品稀釋后的酸度之間的系數(shù)進(jìn)行擬合，擬合關(guān)系如圖4所示。

圖4 樣品稀釋后酸度與系數(shù)的擬合圖

從圖4可以看出，擬合度大于0.99。說(shuō)明擬合系數(shù)的方式是可行的，之后通過(guò)系數(shù)與測(cè)量值計(jì)算，獲得溶液中硝酸濃度。

3.3 測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差

為了驗(yàn)證系數(shù)擬合后，測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度，采用不同濃度的測(cè)量液，利用測(cè)量程序，分別稀釋50倍，通過(guò)擬合后的計(jì)算程序計(jì)算測(cè)量液的酸濃度，結(jié)果如表1所示。

表1 硝酸濃度在線測(cè)量結(jié)果

從表1可以看出，測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差在5%以內(nèi)，說(shuō)明，擬合效果良好，可以滿足實(shí)驗(yàn)要求。

4 結(jié)論

(1)本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了硝酸鈾酰溶液中硝酸濃度的取樣、樣品稀釋、測(cè)量、自動(dòng)計(jì)算等功能；

(2)編寫了自動(dòng)控制系統(tǒng)程序，實(shí)現(xiàn)了硝酸鈾酰中硝酸濃度分析的遠(yuǎn)程控制；

(3)采用給定系數(shù)、數(shù)據(jù)擬合的方式解決了設(shè)計(jì)中測(cè)量值和實(shí)際值不符的現(xiàn)象，測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差在5%以內(nèi)，可以滿足實(shí)驗(yàn)要求。

[1] 丁安慶，徐惠民，羅星亮.密度-電導(dǎo)法聯(lián)合測(cè)定硝酸鈾酰-硝酸溶液中的鈾和酸[J].原子能科學(xué)與技術(shù),1981,15(2):148.

[2] 徐惠民,萬(wàn)明光.硝酸鈾酰溶液中鈾和酸的聯(lián)合測(cè)定[J]. 原子能科學(xué)與技術(shù),1981,15(4):456.

[3] 邵少雄，劉權(quán)衛(wèi),范德軍,等.密度-電導(dǎo)-溫度法測(cè)量鈾酸體系中的鈾和硝酸[J].核科學(xué)與放射化學(xué),2015,37(3):160-165.

[4] Marchand P.Determination of uranyl nitrate and nitric acid based on in-line density and conductivity measurements[J].Anal Chim Acta,1970,57:230-232.

[5] 鄭永章.溶液酸度在線檢測(cè)裝置的研制[J].分析試驗(yàn)室,1997,16(4):74-76.

[6] 梁國(guó)偉，陳方泉，林祖?zhèn)?基于LabVIEW的串口數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用[J].現(xiàn)代機(jī)械，2009(5):57-58.

[7] 周湄生.pH測(cè)量中的電極問(wèn)題[J].中國(guó)計(jì)量，2000(2):47.

[8] 李忠寬.pH測(cè)量中誤差的來(lái)源與消除[J].發(fā)酵科技通訊,2000,10(4):31-33.

(本文文獻(xiàn)格式：鄭 楠，孫 亮.硝酸鈾酰溶液中硝酸濃度的自動(dòng)測(cè)定[J].山東化工,2017,46(11):101-103.)

Automatic Measurement of Nitric Acid Concentration in Uranyl Nitrate Solution

ZhengNan,SunLiang

(Research Institute of Physical and Chemical Engineering of Nuclear Industry)

This article designs a method to auto measure nitric acid concentration of uranyl nitrate solution. The coefficients are calculated because the measurements and the actual value are not fitted,then,system program and calculating program are written by LabVIEW software.The functions of automatic sampling,diluting sample,measurement and remote control are realized,and the standard error is less than 5%.

uranyl nitrate;concentration of nitric acid;remote control

2017-04-06

鄭 楠(1985—)，本科，工程師，主要從事分析化學(xué)及其設(shè)備的研制。

O655.25

A

1008-021X(2017)11-0101-03