分光光度法测定废砂浆中铁含量

2014-04-01彭倩苗红艳丁玉强

应用化工 2014年12期

彭倩，苗红艳，丁玉强

(江南大学化学与材料工程学院，江苏无锡 214122)

在光伏产业和半导体制造业中，单晶硅和多晶硅棒切割过程中会产生大量的废砂浆，主要含有聚乙二醇、碳化硅微粉、单质硅粉、铁及不锈钢粉等［1-4］。若直接排放，不仅会对环境造成污染，而且会造成资源浪费。因此，对硅切割废砂浆进行回收利用，具有较高的环保与经济价值。

目前对废砂浆的回收利用的研究仅限于聚乙二醇、硅及碳化硅。基于砂浆中的铁含量较为可观，可以通过酸洗，将生成的亚铁溶液应用于工业用水的净化处理中，从而达到废砂浆中铁屑的再利用，因而有必要对废砂浆中的铁含量进行测定。传统的废砂浆成分分析法为重量法，工艺较繁琐，且准确性低。

本文利用二价铁离子与邻二氮菲生成稳定络合物，在可见光区有特征吸收的性质［5-10］，建立了一种精确测定废砂浆中铁含量的方法，方法简捷、对废砂浆中不锈钢粉末中重金属铬的抗干扰性强，准确度及精密度高，适合于废砂浆中铁含量的定量分析。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

六水合硫酸亚铁铵、浓盐酸、邻啡罗啉、盐酸羟胺、无水醋酸钠、冰醋酸、二苯碳酰二肼、重铬酸钾、丙酮、磷酸、浓硫酸、过硫酸铵均为分析纯;废砂浆。

TU-1901 型双光束紫外-可见分光光度计;FA2004 型电子天平;JJ-1 型增力电动搅拌器;HHS2 型数显恒温水浴锅。

1.2 铁含量测定

1.2.1 测定原理在一定酸度条件下，Fe2+与邻菲罗啉可以生成稳定的橙红色的络合物，络合物在510 nm 附近有特征吸收峰。Fe2+浓度与吸光度符合朗伯比尔定律，适用于微量铁测定。反应方程式如下:

1.2.2 测定方法取50 mL 容量瓶，加入浓度10 mg/L硫酸亚铵标准溶液4 mL，再加入10%盐酸羟胺溶液1 mL、10 mg/L 的邻啡罗啉显色液2.5 mL、和pH 值5.0 醋酸钠-醋酸缓冲溶液5 mL，用蒸馏水定容并摇匀，静置10 min 后，测定511 nm处的紫外吸光度。

1.3 样品分析

称取1.000 0 g 废砂浆于50 mL 烧杯中，加入20 mL 去离子水，在持续搅拌下，加入一定量浓硫酸，于一定温度下搅拌反应一定时间，过滤，再用去离子水洗涤3 ～4 次，将酸浸液与洗涤液转移入250 mL 容量瓶中，用去离子水定容，摇匀后，静置1 h，取样测定吸光度。

2 结果与讨论

2.1 测定条件的探究

2.1.1 最大吸收波长取铁离子浓度为10 mg/L的硫酸亚铁铵标准溶液4 mL 于50 mL 容量瓶中，加入10%盐酸羟胺溶液1 mL、10 mg/L 邻菲罗啉显色液2.5 mL 和pH 为5.0 醋酸钠-醋酸缓冲溶液5 mL，用蒸馏水稀释并摇匀，放置10 min 后，以试剂溶液为空白在400 ～600 nm 处的紫外吸光度，见图1。

图1 标准溶液的吸收曲线Fig.1 Absorptiom curve of the standard solution

由图1 可知，在511 nm 处吸光度最大。因此选择511 nm 为测定铁离子浓度的最大吸收波长。2.1.2 显色剂用量取6 个50 mL 容量瓶，分别加入4 mL 10 mg/L 硫酸亚铁铵标准溶液，1 mL 10%盐酸羟胺溶液，摇匀。分别加入10 mg/L 邻菲罗啉显色液1.0，1.5，2，2.5，3.0，3.5 和pH 为5.0 的醋酸钠-醋酸缓冲溶液5 mL，用蒸馏水定容并摇匀，放置10 min，以试剂溶液为空白，测定511 nm 处的吸光度，结果见表1。

表1 显色剂用量对吸光度的影响Table 1 Effect of the dosage of chromogenic agent on the absorbance

由表1 可知，在显色剂用量1.5 ～3.0 mL 内，吸光度较稳定，且达到一个较为合理的数值，如果添加量大于3.0 mL，吸光度并不会大幅度增加，反而会出现波动，同时过多的显色剂也会增加后处理的困难，造成资源浪费。因此，选择显色剂用量为2.5 mL 为宜。

2.1.3 酸度取6 个50 mL 容量瓶，分别加入4 mL 10 mg/L 硫酸亚铁铵标准溶液，1 mL 10%盐酸羟胺溶液，2.5 mL 10 mg/L 邻菲罗啉显色液，再分别加入pH 值为2.0，3.0，4.0，5.0，6.0，7.0 的醋酸钠-醋酸缓冲溶液5 mL，用蒸馏水稀释并摇匀，放置10 min，以试剂溶液为空白，在511 nm 处的吸光度见表2。

表2 酸度对吸光度的影响Table 2 Effect of dosage of pH value on the absorbance

由表2 可知，在pH 4 ～6 范围内，吸光度较稳定，酸度过高，显色反应速度较慢;酸度过低，Fe2+易发生水解，影响显色。因此，选择pH 为5.0 的醋酸钠-醋酸缓冲溶液，调节体系的pH 值。

2.1.4 显色时间取6 个50 mL 容量瓶，分别加入4 mL 10 mg/L 硫酸亚铁铵标准溶液，1 mL 10%盐酸羟胺溶液，2.5 mL 10 mg/L 邻菲罗啉显色液和5 mL pH 为5.0 的醋酸钠-醋酸缓冲溶液，用蒸馏水稀释并摇匀，分别放置5，10，15，30，60，120 min，以试剂溶液为空白，测定各溶液在511 nm 处的吸光度，结果见表3。

表3 显色时间对吸光度的影响Table 3 Effect of chromogenic time on the absorbance

由表3 可知，此显色反应较快，且稳定时间较长。根据实验需要，选取显色时间为10 min。

2.2 标准曲线的制定

测定浓度分别为0.2，0.4，0.8，1.2，1.6，2.0 mg/L 的硫酸亚铁铵标准溶液在511 nm 处的吸光度。结果表明，铁离子浓度在0 ～2 mg/L 范围内符合比尔定律。以铁离子浓度(mg/L)为横坐标X，以吸光度A 为纵坐标Y 作图，线性回归，得曲线方程Y=0.194 45X+0.022，R2=0.999 6。

图2 铁含量测定标准曲线Fig.2 Standard curve of iron concentration

2.3 废砂浆中铁含量测定

2.3.1 酸浸处理条件优化利用正交实验考察硫酸浓度、酸浸时间、酸浸温度对铁离子浸出率的影响，结果见表4。

表4 正交实验结果Table 4 Orthogonal experiments results

由表4 可知，影响铁离子浸出率的因素为:酸浸时间＞酸浸温度＞硫酸浓度。最优酸浸条件为A2B2C3，即:硫酸浓度0.03 mol/L，酸浸时间1.0 h，酸浸温度50 ℃。

2.3.2 测定结果将废砂浆的酸浸洗涤液稀释10 倍，取样测定铁离子含量，平行操作6 次。测定的平均值为10.45 mg/L，即废砂浆中铁占废砂浆总重的2.61%。测定的相对标准偏差为2.24%，说明分光光度法用于废砂浆中铁含量测定精密度较好。

2.3.3 抗干扰性分析硅片切割产生的废砂浆中包含一定量的不锈钢粉，而不锈钢粉末中又含有少量的重金属铬，实验考察了铬对分光光度法测定铁含量的影响。

取6 个 50 mL 容量瓶，各加入铁含量10.45 mg/L 的硫酸亚铁铵溶液4 mL，分别加入铬含量为1 mg/L 的重铬酸钾溶液0，2，4，6，8，10 mL，即m(Cr)∶m(Fe)=0 ～0.24，测定不同铬含量、相同铁离子含量的吸光度，结果见表5。

表5 铬对铁含量测定影响Table 5 Effect of Cr on determination of iron content

由表5 可知，在m(铬)∶m(铁)=0 ～0.24 范围内，铬对分光光度法测定铁含量影响均较小。实验测得废砂浆酸浸洗涤液中重金属铬的含量仅为4.37 mg/L(废砂浆中铬测定参照国标法GB/T 7467—1987 测定)，约占铁含量的4.17%。因此，分光光度法测定废砂浆中的铁含量，对废砂浆中的不锈钢粉末中少量的金属铬的抗干扰性较强。

2.3.4 准确度分析取6 个100 mL 容量瓶，各加入酸浸处理后的废砂浆滤液5 mL，分别加入含铁量为100 mg/L 的硫酸亚铁铵标准溶液2，4，6，8，10，12 mL，用去离子水定容并摇匀，取样测定溶液的铁离子浓度，结果见表6。