硝酸鈾酰溶液中硝酸濃度的自動測定

鄭 楠，孫 亮

(核工業理化工程研究院，天津 300180)

硝酸鈾酰溶液中硝酸濃度的自動測定

鄭 楠，孫 亮

(核工業理化工程研究院，天津 300180)

設計一種硝酸鈾酰中硝酸濃度的自動測量方法，對測量值與實際值不符的現象進行系數擬合，并使用LabVIEW軟件編寫系統程序和計算程序，實現了硝酸濃度的自動取樣、稀釋、測量和遠程控制功能，測量標準誤差為5%以內。

硝酸鈾酰；硝酸濃度；自動控制

乏燃料處理中，需要對硝酸鈾酰溶液進行凈化處理，處理過程中，硝酸濃度對處理工藝效率影響很大，因此需要準確測定溶液中的硝酸濃度，以獲得最優的工藝效率。目前測定溶液酸度的方法為絡合滴定法，該方法測量準確，但需要人工取樣和測量，耗時長，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]分別通過惠斯通電橋法和電導率儀測量溶液的電導率，建立了溶液密度、電導率、鈾濃度、酸度網絡曲線，在一定鈾濃度范圍內，硝酸濃度為2.0～4.0 mol/L時，可以通過pH計測量數據，查詢網絡圖，得出溶液酸濃度；鄭永章[5]設計了在線酸度檢測裝置，可用于溶液酸度的在線分析。但丁安慶設計的方法不能實現硝酸濃度的自動在線測定，且其在一定的鈾濃度范圍內測定硝酸的濃度，測量范圍較窄。鄭永章的方法是針對溶液中硝酸濃度較低時設計的，不能用于高濃度硝酸的測定。本文根據乏燃料處理液鈾濃度不定，且雜質較多，處理過程中不能存在鈾損失的特點，設計一種可在線檢測乏燃料處理液中硝酸濃度的方法，并編寫自動控制和計算程序，實現硝酸濃度分析的遠程控制。

1 實驗原理

1.1 絡合滴定法

采用飽和草酸銨溶液絡合硝酸鈾酰中的鈾離子，用稀硝酸調節溶液pH值=5.6，然后加入1 mL硝酸鈾酰溶液，用標準氫氧化鈉溶液滴定至pH值=5.6，記錄氫氧化鈉標液體積，根據公式(1)計算溶液中硝酸濃度。

(1)

式中：

c1—硝酸鈾酰中硝酸濃度，mol/L；

c2—標準氫氧化鈉溶液濃度，mol/L；

V1—加入的硝酸鈾酰溶液體積，mL；

V2—滴定使用的標準氫氧化鈉溶液體積，mL。

業內采用此法測量硝酸鈾酰中酸濃度，因此，認為該方法分析的酸度值為溶液的實際酸度，并將設計的方法測量值與此法測定值進行對比，來判定設計方法的優劣。

1.2 設計思路

強酸稀溶液中，H+濃度即可代表其在溶液中的濃度，因此，可以通過pH計測量強酸稀溶液的pH值，再根據式(2)中pH值與溶液酸度的關系，計算溶液中的酸濃度：

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量，但按照此原理，可以對乏燃料處理液進行微量取樣，并進行稀釋，再經過程序計算獲得其中的硝酸濃度，之后將測量后的測量液通過管道返回至處理罐中，這樣不僅不會造成鈾損失，而且測量溶液體積相對處理液的體積很小，不會影響處理液的酸濃度。

2 實驗部分

2.1 實驗主要儀器

1)pH計：雷磁PHSJ-3F；

2)蠕動泵：保定蘭格，Bt100-2J/YZ1515X；

3)2位3通電磁隔離閥，北昂流體系統(上海)有限公司。

2.2 實驗裝置示意圖

按照設計思路，設計的測量裝置示意圖如圖1所示。

圖1 實驗裝置示意圖

2.3 自動測量過程的實現

測量過程分為取樣、樣品稀釋和自動測量，圖1顯示了這些功能的實現方法：

取樣：通過設置蠕動泵反轉、轉速，設置取樣時間，則料液通過料罐，流經回料閥、取樣泵、取樣閥，通過取樣管進入取樣杯中，完成取樣。

樣品稀釋：設置稀釋泵正轉、轉速，則水罐中的蒸餾水流經稀釋泵、稀釋閥，通過稀釋管進入取樣杯中，完成樣品稀釋，同時在攪拌器作用下，混勻稀釋樣品。

自動測量：推下稀釋杯上面的pH計測量溶液的pH值，然后根據稀釋倍數與pH值之間的關系，通過軟件自動計算獲得溶液的酸濃度值。

2.4 基于LabVIEW程序實現自動測量過程

LabVIEW是虛擬儀器領域中進行圖形化編程開發的軟件，其自帶VISA子模塊，可以實現串口編程，完成控制機與儀器之間的連接與控制功能[6]。本實驗購買的蠕動泵具有外控功能，可以通過RS-485接口，根據通訊規約控制泵的啟停、方向和速度，其LabVIEW控制圖如圖2所示。

圖2 LabVIEW編寫的蠕動遠程泵控制圖

2位3通電磁閥可以通過24V繼電器控制其電流通斷，從而控制液體流向；pH計具有USB接口，可以與電腦串行口相連，實現數據的采集。根據這些功能，使用LabVIEW編寫程序，可以直接在電腦界面上控制程序，從而實現系統的遠程控制，且根據溶液中酸度計算關系和稀釋倍數的關系，實現在線計算并輸出硝酸溶液濃度的功能，計算程序如圖3所示。

圖3 LabVIEW編寫的硝酸濃度計算程序

3 結果與討論

3.1 溶液酸度的計算

按照稀釋液的pH測量值和稀釋倍數，計算溶液的酸度：

cH+=10-pH×L

(3)

cH+—稀溶液中H+濃度，mol/L；

L：稀釋倍數。

實際測量過程中，發現實驗測定計算值與絡合滴定法測定值不一致，且當稀釋倍數越小時，不一致的程度越大。這是因為實驗所用的pH電極為玻璃電極，在其測量范圍0～14內，其膜電位并非都遵守Nernst方程，當pH值<1.5時，其本為直線的測量會出現向上彎的現象，即產生“酸誤”現象，且誤差值大小與酸的濃度及電極的浸入時間有關[7-8]。

3.2 pH值與溶液酸度之間的計算擬合

針對3.1中所述問題，分析測量數據，發現測量數據與實際值之間存在一定的系數關系，給定兩者之間的系數，并對系數和樣品稀釋后的酸度之間的系數進行擬合，擬合關系如圖4所示。

圖4 樣品稀釋后酸度與系數的擬合圖

從圖4可以看出，擬合度大于0.99。說明擬合系數的方式是可行的，之后通過系數與測量值計算，獲得溶液中硝酸濃度。

3.3 測量系統的標準偏差

為了驗證系數擬合后，測量系統的準確度，采用不同濃度的測量液，利用測量程序，分別稀釋50倍，通過擬合后的計算程序計算測量液的酸濃度，結果如表1所示。

表1 硝酸濃度在線測量結果

從表1可以看出，測量的標準偏差在5%以內，說明，擬合效果良好，可以滿足實驗要求。

4 結論

(1)本設計實現了硝酸鈾酰溶液中硝酸濃度的取樣、樣品稀釋、測量、自動計算等功能；

(2)編寫了自動控制系統程序，實現了硝酸鈾酰中硝酸濃度分析的遠程控制；

(3)采用給定系數、數據擬合的方式解決了設計中測量值和實際值不符的現象，測量的標準偏差在5%以內，可以滿足實驗要求。

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

[2] 徐惠民,萬明光.硝酸鈾酰溶液中鈾和酸的聯合測定[J]. 原子能科學與技術,1981,15(4):456.

[3] 邵少雄，劉權衛,范德軍,等.密度-電導-溫度法測量鈾酸體系中的鈾和硝酸[J].核科學與放射化學,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.溶液酸度在線檢測裝置的研制[J].分析試驗室,1997,16(4):74-76.

[6] 梁國偉，陳方泉，林祖偉.基于LabVIEW的串口數據采集的實現和應用[J].現代機械，2009(5):57-58.

[7] 周湄生.pH測量中的電極問題[J].中國計量，2000(2):47.

[8] 李忠寬.pH測量中誤差的來源與消除[J].發酵科技通訊,2000,10(4):31-33.

(本文文獻格式：鄭 楠，孫 亮.硝酸鈾酰溶液中硝酸濃度的自動測定[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，主要從事分析化學及其設備的研制。

O655.25

A

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