用自行設計的自動分析系統(tǒng)測定高含量SO3——對硫酸鋇濁度測定法的改進

蘇 武，李永生，王辛龍

(四川大學 化學工程學院，成都610065)

濕法磷酸(WPA)工藝[1]是磷化工原料生產的主要方式之一，其相關產品磷飼料、磷肥和有機磷化物對國民生產至關重要，特種功能磷化工產品(例如傳感元件材料和人工生物材料)在尖端科學和國防工業(yè)等方面也具有廣泛的應用。為了控制磷酸產品的純度和質量，必須對WPA 工藝過程中共存的高含量雜質三氧化硫(SO3)進行實時監(jiān)測和含量控制，這是相關工業(yè)生產過程中的難題之一。

目前，常用的測定SO3的方法主要為重量法[2]，但不足之處是分析速率太慢;也有報道采用比色法[3]、氧化還原法[4]和熒光光譜法[5-6]測定SO3的含量，但上述方法只能應用于低含量SO3的測定，大大限制了其應用;光電比濁滴定法[7]測定SO3時的缺點是測定速率慢;玫瑰紅酸鋇法[8]只能對SO3實現(xiàn)半定量分析;熱敏滴定法[9]測定SO3過程中的放熱反應對測定結果產生干擾;離子色譜法[10]對WPA 工藝中共存的磷酸根(PO43－)對SO3的測定產生較大干擾。另外，由于流動注射分析(FIA)[11-13]具有操作簡便、分析速率快、精密度高和試劑以及試樣耗量少等優(yōu)點，也常與濁度法[14-15]、比色法[16-17]聯(lián)用測定低含量SO3，但這均不能滿足測定WPA 工藝中高含量SO3的要求，需預先將樣品稀釋200多倍才能使用，這會導致測定結果產生很大的稀釋誤差。

本工作針對WPA 的生產要求，不采用簡單的手工稀釋，而利用自動分析流路和反應體系實現(xiàn)自動降低分析靈敏度的目的，最后成功開發(fā)了一種新的高濃度SO3自動分析方法及系統(tǒng)。

1 試驗部分

1.1 儀器與試劑

FIA-3110型流動注射裝置;AB204-N 型電子分析天平;UV-1800PC 型紫外-可見分光光度計;TP3001型溫度計;CM-230 型純水儀;HI1290 型p H 計;K30型恒溫器;G400 型聚焦光束反射比檢測器(FBRM)。

SO3標準儲備溶液:50 g·L－1，稱取38.63 g Na2SO4·2H2O，用0.01 mol·L－1鹽酸溶液溶解后轉移至500 m L容量瓶中，用0.01 mol·L－1鹽酸溶液定容至刻度，混合搖勻(按WPA 規(guī)定，用SO3代表SO42－，1 g·L－1SO3＝1.2 g·L－1SO42－)。

第一混合試劑:稱取30 g聚乙二醇-4000(PEG-4000)，45.2 g BaCl2·2 H2O，用500 m L 0.01 mol·L－1鹽酸溶液溶解，再加入20.0 m L 乙醇，最后用0.01 mol·L－1鹽酸溶液將其稀釋至1.0 L。

第二混合試劑:稱取70.5 g乙二胺四乙酸二鈉(Na2EDTA)，加入60 m L NH3·H2O，用水將其稀釋至1.0 L。

所用試劑均為分析純，試驗用水為超純水。

1.2 試驗方法

針對WPA 工藝中高含量的SO3，試驗設計了如圖1的自動分析系統(tǒng)。它由蠕動泵、多功能閥、流通式光度檢測器和計算機組成。該系統(tǒng)設置酸化盤管是為了將標準溶液或實際樣品酸化至同一酸度，消除WPA 工藝樣品中共存的高含量PO43－、F－對SO3測定的干擾、達到初步稀釋及降低靈敏度的目的。

圖1 高含量SO3 的自動分析系統(tǒng)Fig.1 Automatic analyzer system for determination of high content SO3

測定時，多功能閥先自動轉至“采樣”位置，蠕動泵將SO3樣品推入酸化盤管中進行連續(xù)酸化和稀釋，再推入定量環(huán)內進行采樣。當“采樣”過程結束后，該閥切換至“注入”位置，定量環(huán)中的“試樣塞”注入反應系統(tǒng)，形成的BaSO4懸濁液在PEG-4000/乙醇/Na2EDTA/NH3·N2O 體系的綜合作用下均勻分散后，在680.0 nm 處由流通式光度檢測器記錄其吸光度。利用此系統(tǒng)，試驗實現(xiàn)了WPA 工藝生產過程中高含量SO3雜質的自動分析。

1.3 測定原理

在酸性條件下，SO3樣品與BaCl2反應生成BaSO4懸濁液，并被PEG-4000包裹。PEG-4000增強BaSO4親水性，能吸附在BaSO4表面產生空間位阻，避免BaSO4顆粒發(fā)生團聚。第一混合試劑中的乙醇與PEG-4000發(fā)生協(xié)同作用，并與BaSO4上的水分子之間形成氫鍵，進一步降低粒子間相互作用，使生成的BaSO4減少，降低測定靈敏度，提高分析系統(tǒng)穩(wěn)定性。隨后，在第二反應盤管(RC2)內，形成的BaSO4與第二混合試劑中的Na2EDTA 發(fā)生絡合反應，同時再被Na2EDTA 包裹[18]，進一步降低測定靈敏度，具體流程見圖2(a)。最后，綜合反應產物被載流推入流通式光度檢測器檢測。根據(jù)形成的BaSO4懸濁液的吸光度與SO3含量的線性關系來測定SO3的含量。

BaSO4懸濁液光譜掃描曲線見圖2(b)?？梢钥闯觯珺aSO4顆粒吸光度值在不同波長下有一些差異，但總體上呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在可見光區(qū)域沒有最大吸收峰。由于在長波長下，BaSO4的透光率受顆粒形貌及分布的影響較小，試驗參照國家標準GB/T 13200－1991，選定BaSO4的檢測波長為680.0 nm。

圖2 高含量SO3 測定原理和BaSO4 懸濁液光譜掃描曲線Fig.2 Determination principle of high content SO3 and spectral scanning curve of BaSO4 suspention

2 結果與討論

試驗要達到測定高含量SO3的要求，必須在不采用百倍預稀釋并保證測定結果準確性前提下，實現(xiàn)自動降低分析靈敏度的目的。因此，除了在酸化盤管中達到初步稀釋及降低靈敏度的目的，又進行了以下反應變量優(yōu)化。

2.1 Na2 EDTA 及NH3·H2 O 對SO3 測定的影響

在自動分析系統(tǒng)中加入Na2EDTA 及NH3·H2O 的目的是降低測定靈敏度。試驗以30 g·L－1的SO3標準溶液為樣品，重復測定11次，計算標準偏差，根據(jù)結果的標準偏差，試驗考察了Na2EDTA、NH3·H2O 的質量分數(shù)對BaSO4懸濁液吸光度的影響，以及形成的BaSO4顆粒數(shù)與粒徑之間的相關性，結果見圖3和圖4。

圖3 Na2 EDTA 和NH 3·H 2 O 的質量分數(shù)對自動測定SO3 系統(tǒng)的重現(xiàn)性、響應值Fig.3 Effects of mass fraction of Na2 EDTA and NH 3·H 2 O on the responsing，reproducibility of automatic analyzing SO3 system

圖4 BaSO4 的顆粒數(shù)與粒徑之間的相關性Fig.4 The correlation between the number and size of BaSO4

由圖3(a)可知:隨著Na2EDTA 質量分數(shù)的增加，BaSO4懸濁液的吸光度逐漸降低;誤差棒結果表明系統(tǒng)的標準偏差在Na2EDTA 的質量分數(shù)為6%時最小，即此時系統(tǒng)的測定偏差最小，試驗選擇Na2EDTA 的質量分數(shù)為6%。

由圖3(b)可知:NH3·H2O 的質量分數(shù)對BaSO4懸濁液吸光度的影響不大，但可有效地降低系統(tǒng)測定SO3的標準偏差;當NH3·H2O 的質量分數(shù)為6%時，系統(tǒng)的標準偏差較小，試驗選擇NH3·H2O 的質量分數(shù)為6%。

另外，不改變其他系統(tǒng)及化學條件，只將流通式光度檢測器換為流通式FBRM 檢測器，評價了NH3·H2O/Na2EDTA 溶液對形成的BaSO4顆粒數(shù)及粒徑的影響。由圖4 可知:相較于水，NH3·H2O/Na2EDTA 溶液的加入減少了形成的BaSO4顆粒數(shù)，這也驗證了NH3·H2O/EDTA 溶液能降低分析靈敏度。

2.2 混合試劑對SO3 測定的影響

2.2.1 BaCl2溶液的質量分數(shù)

BaCl2試劑的加入目的是形成BaSO4，因此，固定上述各種變量，試驗繼續(xù)考察了BaCl2的質量分數(shù)對SO3測定結果的影響，結果見圖5(a)。

由圖5(a)可知:BaSO4懸濁液的吸光度隨著BaCl2溶液質量分數(shù)的增大而升高;當BaCl2溶液的質量分數(shù)大于6%時，BaSO4懸濁液的吸光度趨于穩(wěn)定。試驗發(fā)現(xiàn)當BaCl2溶液的質量分數(shù)為3%時，標準曲線線性較差，由于要降低系統(tǒng)的分析靈敏度，所以選擇BaCl2溶液的質量分數(shù)為4%。

2.2.2 PEG-4000溶液的質量分數(shù)

在自動流路中加入PEG-4000溶液，使其吸附在反應產物BaSO4表面，增強BaSO4親水性，產生空間位阻[19]，提高了分析系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時還降低了分析靈敏度。試驗進一步考察了PEG-4000溶液的質量分數(shù)對SO3測定結果的影響，結果見圖5(b)。

由圖5(b)可知:隨著PEG-4000溶液質量分數(shù)的增大，BaSO4懸濁液的吸光度呈現(xiàn)先降低后穩(wěn)定的趨勢;當PEG-4000 溶液質量分數(shù)大于3%時，BaSO4懸濁液的吸光度趨于穩(wěn)定。試驗選擇PEG-4000溶液的質量分數(shù)為3%。

2.2.3 乙醇溶液的體積分數(shù)

加入乙醇溶液可降低BaSO4顆粒間的相互作用，也能進一步提高分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性，試驗考察了乙醇溶液的體積分數(shù)對SO3測定結果的影響，結果見圖5(c)。

圖5 BaCl2 溶液、PEG-4000溶液及乙醇溶液對SO3 測定結果的影響Fig.5 Effects of BaCl2，PEG-4000 and ethanol on the determination of SO3

由圖5(c)可知:BaSO4懸濁液的吸光度隨著乙醇溶液的體積分數(shù)的增大而降低;當加入的乙醇溶液的體積分數(shù)過大時，F(xiàn)IA 系統(tǒng)中會產生氣泡對測定結果產生干擾，并影響測定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。試驗選擇乙醇溶液的體積分數(shù)為2%。

2.3 反應盤管的長度對SO3 測定的影響

在自動流路中，RC1內反應形成的BaSO4先被PEG-4000/乙醇/水包裹后，然后進入RC2內被Na2EDTA 絡合，還有兩條流路匯合的稀釋，這些均受到反應盤管長度的影響，試驗對RC1和RC2長度進行了評價。結果表明:RC1和RC2長度增加至100 cm 后，響應值的降低程度不再變化。綜合考慮分析速率及分析時間，試驗選擇RC1和RC2長度均為100 cm。

2.4 反應溫度對SO3 測定的影響

試驗考察了反應溫度為10～35 ℃時對SO3測定結果的影響。結果表明:隨著反應溫度的升高，BaSO4懸濁液的吸光度略有增加，但增幅較小。說明反應溫度為10～35 ℃時，反應溫度對SO3的測定結果基本無影響。試驗選擇分析系統(tǒng)的反應溫度為15～25 ℃。

2.5 雜質干擾

WPA 工 藝 中 高 含 量 的PO43－及F－可 能 對SO3的測定產生干擾。試驗在上述優(yōu)化的條件下(3%的PEG-4000溶液;4%的BaCl2溶液;2%的乙醇溶液;6%的Na2EDTA 溶液;6%的NH3·H2O溶液;100 cm 的RC1;100 cm 的RC2)，以40 g·L－1的SO3標準溶液為研究對象，并在其中按1∶1的比例添加不同濃度的PO43－(含量用P2O5表示)、F－(含量用HF表示)溶液，按照試驗方法測試其吸光度。試驗所測WPA 工藝中樣品中的SO3含量高于HF的1倍，低于P2O5的1/6，故在最高濃度比例下進行干擾添加試驗。結果表明:共存的PO43－、F－會對SO3的測定產生干擾，這可能是由于各溶液酸度不一致所導致的。試驗進一步通過改變混合試劑的酸度考察了PO43－、F－對SO3的測定干擾情況。結果發(fā)現(xiàn)，當?shù)谝换旌显噭?、SO3標準溶液、系統(tǒng)載流的酸度都控制在p H 為2 時，PO43－、F－對SO3的測定結果基本無影響。

2.6 標準曲線、檢出限和測定下限

按照試驗方法對5，10，20，30，40 g·L－1的SO3標準溶液系列進行測定，以SO3的質量濃度為橫坐標，與其對應的BSO4懸濁液吸光度為縱坐標繪制標準曲線。結果表明:SO3的質量濃度在5～40 g·L－1內與其對應的吸光度之間呈線性關系，線性回歸方程為y＝0.020 2x＋0.003 2，相關系數(shù)為0.999 1。

以3倍信噪比和10倍信噪比計算方法的檢出限(3S/N)和測定下限(10S/N)，結果分別為0.15，0.50 g·L－1。

2.7 精密度試驗

按照試驗方法對10，40 g·L－1的SO3標準溶液平行測定11 次，計算測定值的相對標準偏差(RSD)。結果表明:測定值的RSD 分別為0.89%，0.59%，說明方法具有良好的精密度。

2.8 回收試驗

對5個實際樣品添加5，10，20，30，40 g·L－1的SO3標準溶液，按照試驗方法對其平行測定3次，計算SO3的加標回收率。結果表明:SO3的加標回收率為95.0%～106%，在分析化學允許范圍內。

2.9 實際樣品的測定

從承德、德陽和成都等多個磷化工公司購買樣品1～5，按照試驗方法對其進行測定。為了評價本方法測定結果的準確性，同時試驗也采用國家標準GB/T 6730.16－2016中推薦的重量法對樣品進行測定，2種方法的測定結果比對見表1。

表1 2種不同方法的比對結果(n＝3)Tab.1 Comparison results of two different methods(n＝3)

由表1 可知:2 種方法的相對偏差均小于2.0%，測定結果基本一致，說明本方法的測定結果準確、可靠。

基于PEG-4000 溶液/乙醇溶液/NH3·H2O溶液/Na2EDTA 溶液/BaSO4綜合反應體系，在流動注射的物理混合及化學反應不平衡的動態(tài)條件下，達到了自動測定高含量SO3的目的;將控制系統(tǒng)酸度在p H 為2時消除了共存的高含量PO43－、F－對SO3定量的干擾;最終成功用于WPA 工藝樣品中高含量SO3的直接監(jiān)測。本方法的優(yōu)點是準確度高、重現(xiàn)性好，線性范圍較寬，分析速率快，樣品無需前處理，測定結果與國家標準方法基本一致;本自動分析系統(tǒng)解決了磷化工生產中磷酸產品質量控制的難題，為直接測定高含量SO3不純物提供了另一個新思路。