CN105954324A - 一种用于测定铁镍电池电解液碳酸根含量的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测定铁镍电池电解液中碳酸根含量的装置，磁力搅拌器上部的烧杯内盛有待测溶液，电子天平称量盘上的支撑平台上部的烧杯内盛有标准酸液，烧杯底部设有滴管，滴管上设有控制阀门，数码管式pH计的测量电极插入盛有待测溶液的烧杯中，该盛有待测溶液的烧杯内部装有磁力棒，摄像头通过数据线与计算机主机的USB接口相连接，用于采集待测溶液的pH值数据并通过显示器实时显示，电子天平的数据输出接口通过数据线与计算机中的RS232C串口数据采集接口相连接，用于采集标准酸液的重量数据并通过显示器实时显示。本发明结构简单，操作方便，成本低廉，能够较为准确地测定铁镍电池电解液碳酸根的含量。

Description

一种用于测定铁镍电池电解液碳酸根含量的装置

技术领域

本发明属于碳酸根测量装置技术领域，具体涉及一种用于测定铁镍电池电解液中碳酸根含量的装置。

背景技术

随着的社会的发展，电池已经广泛应用到人们生活中，大到航空航天，小到电脑手机。其中铁镍电池更是对新社会发展有重要的作用，铁镍电池又叫爱迪生电池，爱迪生于1902年发明了这一新式蓄电池，这种蓄电池具有超长的使用寿命，而且不会对环境造成污染。

早期的铁镍电池，曾一度用于汽车和坦克等重型装备。但由于比较笨重，被后期出现的铅酸电池、镍镉电池挤出市场。21世纪的今天，随着环保意识的增强，铁镍电池再次被提出，无污染的铁镍电池非常符合当代社会所提出的绿色化学理念。

电解液的存在对铁镍电池性能的提升起到了很大的作用，了解电解液中碳酸盐的含量对电池的影响，更进一步地掌握应该在何时更换电解液，延长电池的使用寿命，是电池研究的重要方向。开口式电池在使用过程中，伴随着电池的充放电过程，电解液中的氢氧化物能够与空气中的二氧化碳反应生成导电较差的碳酸盐，增大电池内阻，影响电池性能，因此需要定期更换电解液。一般情况下，当电池电解液中碳酸盐含量超过50g/L时，需要更换新的电解液，否则会使电池容量不足，严重影响电池寿命，甚至导致电池报废。所以在电池使用过程中及时了解电解液中碳酸盐的含量，及时更换电解液，保证电池工作能力和系统安全是必不可少的工作。

目前强碱体系中碳酸根含量的测定多采用两步滴定法，该方法测定的碳酸根含量会受到第一步测定氢氧根含量的影响。由于指示剂变色范围较大，且受到人为因素的影响需要测定多次方能得到较为准确的数值，这大大影响了整体实验的进程。因此，能够提供一种操作简单，结果准确的测定碳酸根含量的装置显得尤为重要。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供了一种结构简单、使用方便且测量准确的用于测定铁镍电池电解液碳酸根含量的装置。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种用于测定铁镍电池电解液碳酸根含量的装置，其特征在于主要由显示器、计算机主机、摄像头、数码管式pH计、磁力搅拌器、电子天平、支撑平台和烧杯构成，其中磁力搅拌器上部的烧杯内盛有待测溶液，电子天平的称量盘上设有支撑平台，支撑平台上部的烧杯内盛有标准酸液，盛有标准酸液的烧杯底部设有延伸至盛有待测溶液的烧杯上方的滴管，该滴管上设有控制阀门，数码管式pH计的测量电极插入盛有待测溶液的烧杯中，该盛有待测溶液的烧杯内部装有磁力棒，摄像头通过数据线与计算机主机的USB接口相连接，用于采集待测溶液的pH值数据并通过显示器实时显示该pH值数据，电子天平的数据输出接口通过数据线与计算机中的RS232C串口数据采集接口相连接，用于采集标准酸液的重量数据并通过显示器实时显示该重量数据。

本发明采集由摄像头拍摄到的间隔为1s的pH计七段数码管图像，图像采集到后，将图像二值化，再由计算机主机自动定位出数字区域并割出单个数字，进行模板匹配，提取出一组特征数字，最后将特征数字送入识别器进行识别，最后输出待测溶液的pH值结果。

本发明所述的用于测定铁镍电池电解液碳酸根含量的装置的使用方法，其特征在于具体步骤为：(1)取已经标定好的摩尔浓度为0.12mol/L的盐酸溶液置于放置于支撑平台上的烧杯中；(2)称取待测溶液置于放置于磁力搅拌器上的烧杯中，并向盛有待测溶液的烧杯中加入氯化钡溶液以完全沉淀碳酸根，静置10-20min使碳酸根完全沉淀；(3)向盛有待测溶液的烧杯中加入磁力棒并开启搅拌，同时开启滴管上的控制阀门，由计算机主机采集对应的盐酸溶液的重量数据和待测溶液的pH值数据，根据采集的一系列数据绘制纵坐标为待测溶液pH值和横坐标为盐酸溶液质量的曲线，并对曲线进行求导，根据曲线得出滴定过程中的两次突变，导数出现峰值点时即为pH值的突变点，根据第一个pH值突变点和第二个pH值突变点分别确定待测溶液中OH^-消耗盐酸溶液的质量m₁和待测溶液中OH^-和CO₃ ^2-消耗盐酸溶液的总质量m₂，根据如下公式分别计算OH^-和CO₃ ^2-的浓度：

$C_{{\mathrm{OH}}^{-}}=\frac{C_{H^{+}}*V_{{\mathrm{OH}}^{-}}}{V_0}=amol/L,$

$C_{CO{3}^{2-}}=\frac{C_{H^{+}}*V_{CO{3}^{2-}}*M_{CO{3}^{2-}}}{2V_0}=bg/L,$

其中V₀代表待测溶液的体积；代表待测溶液中OH^-消耗盐酸溶液的体积，根据待测溶液中OH^-消耗盐酸溶液的质量m₁及盐酸溶液的摩尔浓度求得；代表待测溶液中CO₃ ^2-消耗盐酸溶液的体积，根据待测溶液中CO₃ ^2-消耗盐酸溶液的质量m₂-m₁及盐酸溶液的摩尔浓度求得。

本发明的数码管式pH计比带显示屏pH计反应灵敏度高，带显示屏pH计读取一个pH值大概需要2-3秒的反应时间，而数码管式pH计读取一个pH值一般不到1秒就能显示出来pH值，所以本实验装置采用了数码管式pH计，用图像识别的方法得到待测溶液的pH值，一定程度上提高了测量装置的灵敏度和精确度。

本发明结构简单，操作方便，成本低廉，能够较为准确地测定铁镍电池电解液碳酸根的含量，整个实验装置测定过程中，操作人员打开滴管上的控制阀门以后可以忙于其它实验，实验完成以后直接处理测定的数据就可以得到实验结果，碳酸根含量只要一组数据就可以准确的得到实验结果，减少了人为影响，也不用多次测量求平均数，缩短了测定时间。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是根据采集的待测溶液pH值数据和盐酸溶液质量数据绘制的曲线及求导曲线。

图中：1、显示器，2、计算机主机，3、摄像头，4、数码管式pH计，5、待测溶液，6、磁力棒，7、标准酸液，8、支撑平台，9、电子天平，10、磁力搅拌器。

具体实施方式

结合附图详细描述本发明的具体内容。一种用于测定铁镍电池电解液碳酸根含量的装置，主要由显示器1、计算机主机2、摄像头3、数码管式pH计4、磁力搅拌器10、电子天平9、支撑平台8和烧杯构成，其中磁力搅拌器10上部的烧杯内盛有待测溶液5，电子天平9的称量盘上设有支撑平台8，支撑平台8上部的烧杯内盛有标准酸液7，盛有标准酸液7的烧杯底部设有延伸至盛有待测溶液5的烧杯上方的滴管，该滴管上设有控制阀门，数码管式pH计4的测量电极插入盛有待测溶液5的烧杯中，该盛有待测溶液5的烧杯内部装有磁力棒6，摄像头3通过数据线与计算机主机2的USB接口相连接，用于采集待测溶液5的pH值数据并通过显示器1实时显示，电子天平9的数据输出接口通过数据线与计算机主机2中的RS232C串口数据采集接口相连接，用于采集标准酸液7的重量数据并通过显示器1实时显示。

实施例1

1、铁镍电池电解液中碳酸根的滴定用到的化学反应方程式如下：

(1)Na₂CO₃+BaCl₂→BaCO₃↓+2NaCl

(2)NaOH+HCl→NaCl+H₂O

(3)BaCO₃+2HCl→BaCl₂+H₂O+CO₂↑

2、操作步骤如下：

(1)取已标定好的摩尔浓度为0.12mol/L的盐酸溶液置于盛放标准酸液的烧杯中；

(2)称量25g BaCl₂并加去离子水溶解定容于100mL容量瓶中得到质量浓度为25％的BaCl₂溶液；

(3)移取待测溶液(铁镍电池电解液)2mL于盛放待测溶液的烧杯中；

(4)移取70mL去离子水倒入盛放待测溶液的烧杯中；

(5)移取质量浓度为25％的BaCl₂溶液2mL加入盛放待测溶液的烧杯中并静置15分钟使碳酸根完全沉淀。

3、将电子天平的示数归零，计算机主机通过计算电子天平减少的量来计算盐酸溶液消耗的质量。旁边是放在磁力搅拌器上装有待测溶液的烧杯，注意保证磁力棒均匀搅拌，速度不能太快，数码管式pH计的测量电极在待测溶液中用于测量待测液体的酸碱值，摄像头对数码管式pH计上的pH值数据进行采集，通过数字识别的原理进行数据处理。打开滴管上的控制阀门让盐酸溶液缓慢的滴入待测溶液中，电子天平和摄像头的采集会得到一系列的数据(见表1)，然后在Origin软件上进行绘图，并进行求导处理(如图1所示)。

表1待测溶液的pH值数据和盐酸溶液的质量数据

质量/g	35.02	…	47.75	…	59.01	…	59.80	…
									pH值	13.54	…	10.06	…	4.03	…	2.83	…

图1中线一代表滴定曲线，线二代表滴定曲线的一阶导数，由图可以看出滴定过程中出现两次突变，由一阶导数曲线可以肯定图像有两次突变点，当一阶导数出现峰值点时即为pH值的突变点，第一个极值点的pH值为10.06，对应盐酸溶液的消耗量为47.75g，第二个极值点的pH值为4.03，对应盐酸溶液总的消耗量为59.01g。故计算待测溶液OH^-、CO₃ ^2-组分的含量应用公式为：

$C_{{\mathrm{OH}}^{-}}=\frac{C_{H^{+}}*V_{{\mathrm{OH}}^{-}}}{V_0}=amol/L$

$C_{CO{3}^{2-}}=\frac{C_{H^{+}}*V_{CO{3}^{2-}}*M_{CO{3}^{2-}}}{2V_0}=bg/L$

其中V₀代表待测溶液的体积为2mL；代表待测溶液中OH^-消耗盐酸溶液的体积，代表待测溶液中CO₃ ^2-消耗盐酸溶液的体积。并由测得的数据代入上述公式得到a＝2.87mol/L、b＝2027g/L。所以该待测溶液中OH^-的含量为2.87mol/L，CO₃ ^2-的含量为20.27g/L。

以上显示和描述了本发明的基本原理，主要特征和优点，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围。

Claims (2)

1.一种用于测定铁镍电池电解液中碳酸根含量的装置，其特征在于主要由显示器、计算机主机、摄像头、数码管式pH计、磁力搅拌器、电子天平、支撑平台和烧杯构成，其中磁力搅拌器上部的烧杯内盛有待测溶液，电子天平的称量盘上设有支撑平台，支撑平台上部的烧杯内盛有标准酸液，盛有标准酸液的烧杯底部设有延伸至盛有待测溶液的烧杯上方的滴管，该滴管上设有控制阀门，数码管式pH计的测量电极插入盛有待测溶液的烧杯中，该盛有待测溶液的烧杯内部装有磁力棒，摄像头通过数据线与计算机主机的USB接口相连接，用于采集待测溶液的pH值数据并通过显示器实时显示该pH值数据，电子天平的数据输出接口通过数据线与计算机中的RS232C串口数据采集接口相连接，用于采集标准酸液的重量数据并通过显示器实时显示该重量数据。

2.一种所述的用于测定铁镍电池电解液中碳酸根含量的装置的使用方法，其特征在于具体步骤为：（1）取已经标定好的摩尔浓度为0.12mol/L的盐酸溶液置于放置于支撑平台上的烧杯中；（2）称取待测溶液置于放置于磁力搅拌器上的烧杯中，并向盛有待测溶液的烧杯中加入氯化钡溶液以完全沉淀碳酸根，静置10-20min使碳酸根完全沉淀；（3）向盛有待测溶液的烧杯中加入磁力棒并开启搅拌，同时开启滴管上的控制阀门，由计算机主机采集对应的盐酸溶液的重量数据和待测溶液的pH值数据，根据采集的一系列数据绘制纵坐标为待测溶液pH值和横坐标为盐酸溶液质量的曲线，并对曲线进行求导，根据曲线得出滴定过程中的两次突变，导数出现峰值点时即为pH值的突变点，根据第一个pH值突变点和第二个pH值突变点分别确定待测溶液中OH^-消耗盐酸溶液的质量m₁和待测溶液中OH^-和CO₃ ^2-消耗盐酸溶液的总质量m₂，根据如下公式分别计算OH^-和CO₃ ^2-的浓度：

，

，

其中代表待测溶液的体积；代表待测溶液中OH^-消耗盐酸溶液的体积，根据待测溶液中OH^-消耗盐酸溶液的质量m₁及盐酸溶液的摩尔浓度求得；代表待测溶液中CO₃ ^2-消耗盐酸溶液的体积，根据待测溶液中 CO₃ ^2-消耗盐酸溶液的质量m₂-m₁及盐酸溶液的摩尔浓度求得。