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(chǎn)物進(jìn)行了表征，獲得了很好的結(jié)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(zhì)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(jìn)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(xué)生的綠色環(huán)保意識，對于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)具有十分重要的意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

X-射線粉末衍射儀（日本理學(xué)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(shí)驗(yàn)儀器總廠）；AE200型分析天平（METTLER公司）；各種試驗(yàn)用玻璃儀器、抽濾裝置等。

所有化學(xué)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(xué)名十二水合硫酸鋁鉀，是含有結(jié)晶水的硫酸鉀和硫酸鋁的復(fù)鹽，水溶液有澀味。化學(xué)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(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)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(jié)合成一類在水中溶解度較小的同晶的復(fù)鹽，此復(fù)鹽稱為明礬［KAl（SO4）2·12H2O］，當(dāng)冷卻溶液時，明礬則以大塊晶體結(jié)晶出來。制備中的化學(xué)反應(yīng)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(yīng)激烈，防止濺出，應(yīng)在通風(fēng)櫥內(nèi)進(jìn)行），至不再有氣泡產(chǎn)生，反應(yīng)完畢后加水至80mL，趁熱用布氏漏斗抽濾。

將濾液轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)率。

1.2.2 H2SO4法 鋁屑可以直接與硫酸反應(yīng)，但反應(yīng)速度不是很快，因此，在實(shí)際反應(yīng)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(yīng)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(yīng)過程中應(yīng)適當(dāng)補(bǔ)充水分，直至反應(yīng)完全。

趁熱減壓過濾，濾液轉(zhuǎn)移至燒杯中，殘渣經(jīng)烘干后稱重，計算出已反應(yīng)的鋁屑質(zhì)量，并根據(jù)反應(yīng)方程式計算出Al2（SO4）3的理論產(chǎn)量，據(jù)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(chǎn)率。

表1 明礬制備Tab.1 Preparation of alums

2 結(jié)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(jié)晶較好。

2.2 結(jié)晶水含量測定

明礬結(jié)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(yīng)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(jīng)重結(jié)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(jìn)行，根據(jù)TG曲線出現(xiàn)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(nèi)，失重率為45.50%（理論失重值45.53%），相當(dāng)于失去12個水分子，第二步分解在 680～810℃溫度范圍內(nèi)，失重百分率為25.50%（理論失重值為25.31%），相當(dāng)于失去1.5個SO3分子，生成最后產(chǎn)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(yīng)失重率的實(shí)驗(yàn)值與計算值相當(dāng)吻合。根據(jù)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(nèi)，在280℃下干燥2h，然后置于干燥器中冷至室溫，稱量。重復(fù)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(fù)干燥、冷卻、稱量等操作，直到恒重。根據(jù)稱量結(jié)果，計算結(jié)晶水含量（每克試樣中所含結(jié)晶水的摩爾數(shù)n1）。

結(jié)晶水的測定結(jié)果見表2。

表2 結(jié)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(zhǔn)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(jìn)微波爐于500W的輸出功率（中高火）下進(jìn)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(zhì)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(jìn)行減壓過濾。上層清液濾完后，將沉淀轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(nèi)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(chǎn)生水霧，將坩堝放入微波爐進(jìn)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(jié)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(jìn)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(yīng)速度緩慢且在酸性介質(zhì)中對常用的指示劑二甲酚橙有封閉作用等特點(diǎn)，在用配位滴定法對其進(jìn)行測定時常采用返滴定法，對于試樣成分復(fù)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(yīng)比較緩慢，需加入過量的EDTA，并加熱煮沸才能反應(yīng)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(diào)節(jié)pH值為5～6，以二甲酚橙指示劑，用鋅鹽標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)。本文采用返滴定法和置換法兩種方式進(jìn)行對比測定明礬中的Al3+含量。

2.4.1 0.01mol·L-1Zn2+標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制 準(zhǔn)確稱取0.21～0.22g基準(zhǔn)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(nèi)壁，定量轉(zhuǎn)移Zn2+溶液于250mL容量瓶中，用水稀釋至刻度，搖勻，計算鋅標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度。

2.4.2 0.01mol·L-1EDTA溶液的配制與標(biāo)定 稱取1.0g EDTA于100mL燒杯中，加水80mL，溫?zé)岵嚢枋蛊渫耆芙?，冷卻后轉(zhuǎn)入試劑瓶中，稀釋至250mL。

用移液管吸取25.00mLZn2+標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)穩(wěn)定的紫紅色，再加5mL六亞甲基四胺。用EDTA滴定，當(dāng)溶液由紫紅色恰好轉(zhuǎn)變?yōu)辄S色時即為終點(diǎn)。平行滴定3次，計算EDTA的準(zhǔn)確濃度。

2.4.3 鋁含量的測定 準(zhǔn)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(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)溶液30mL，加2D二甲酚橙，此時溶液呈黃色，滴加6mol·L-1氨水調(diào)至溶液恰好出現(xiàn)紅色，再滴加3mol·L-1HCl溶液，使溶液呈現(xiàn)黃色。加熱煮沸3min，放冷后加入六亞甲基四胺20mL，此時溶液應(yīng)呈黃色（pH值為5～6），如不呈黃色，用3mol·L-1HCl來調(diào)節(jié)，使其變黃，用0.01mol·L-1鋅標(biāo)準(zhǔn)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(bǔ)加2D二甲酚橙指示劑，此時溶液應(yīng)呈現(xiàn)黃色（pH值為5～6）。若溶液呈現(xiàn)紅色，應(yīng)滴加3mol·L-1HCl溶液使其變?yōu)辄S色。再用0.01mol·L-1鋅標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至溶液由黃色變?yōu)樽霞t色，即為終點(diǎn)。根據(jù)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(xué)式確定Tab.5 Definition of alums chemical formula

3 結(jié)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(jié)果。

（2）結(jié)晶水測定中，差減法的測定結(jié)果與熱重分析非常吻合，明礬脫水的溫度應(yīng)控制在260～280℃，最適宜恒溫時間為2h，否則脫水不完全，達(dá)不到理論失重率。但烘箱測定結(jié)晶水耗時較長，若能夠使用大功率的微波爐進(jìn)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(jié)果吻合很好，在控制條件的前提下，結(jié)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。

［1］王紅云,鐘四姣.硫酸鋁鉀制備實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)研究［J］.化工設(shè)計通訊,2009,35（2）：56-57.

［2］馬毓晨.回收鋁制備明礬晶體的實(shí)驗(yàn)探究［J］.中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊,2010,（6）.

［3］宋婧,曾令可,稅安澤,等.鉀明礬蓄熱性能的研究與改善［J］.人工晶體學(xué)報,2007,36（2）：358-362.

［4］張建軍,魏海玉,任志強(qiáng).硫酸鋁鉀熱分解反應(yīng)動力學(xué)模型［J］.無機(jī)化學(xué)學(xué)報,2001,17（2）：279-284.

［5］宋粵華,孫玉芬,曾忠民,等.明礬脫水工藝條件研究［J］.鹽湖研究［J］.2000,8（3）：27-30.

［6］冉廣芬,馬海州.硫酸根分析技術(shù)及應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.鹽湖研究,2009,17（4）：58-62.

［7］宋金如,劉淑娟,朱霞萍.測定水中硫酸根方法的概述［J］.華東地質(zhì)學(xué)院學(xué)報,2002,25（2）：154-158.

［8］孔德明,李一峻.返滴定法測定未知物中鋁含量的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)［J］.實(shí)驗(yàn)室科學(xué),2009,（5）：79-80.

［9］陽小宇,姜玉梅.EDTA置換滴定法和返滴定法測定礦石中鋁含量［J］.遼寧化工,2009，38（6）：424-425.

［10］師玉榮.鋁鹽中鋁含量的測定中出現(xiàn)的問題及解決方法［J］.廣東化工,2006,33（9）.

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。