CN106645559A - 碳化硼中游离碳含量测定装置及测定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于分析化学领域。用重铬酸钠‑浓硫酸‑碘酸钾体系做氧化剂，已标定的氢氧化钠溶液收集反应生的成二氧化碳，钡盐作为碳酸根掩蔽剂，酸碱滴定方法得到样品中游离碳的含量。本发明涉及的碳化硼中游离碳含量测定装置，由氧化装置、气体吸收装置和滴定装置组成，其特征在于：所述气体吸收装置为一组串联的吸收瓶(1)组和一个沉淀瓶(2)，吸收瓶组进气端与氧化装置(3)相连，排气端与沉淀瓶(2)相连；吸收瓶内为已标定的氢氧化钠溶液(4)，沉淀瓶中为氯化钡和氢氧化钠混合溶液(5)。该装置，结构简单使用方便，气路密闭性好，可靠性好。测定方法，终点易于观察，可操作性强，结果重复性好，准确度高；适用于碳化硼中游离碳检测。

Description

碳化硼中游离碳含量测定装置及测定方法
所属技术领域
本发明属于分析化学领域，涉及游离碳的氧化处理、气体收集和检测技术。
背景技术
碳化硼粉体在磨料、高硬度陶瓷方面应用十分广泛，目前，碳化硼粉体多采用高温烧结成块、气流或球磨粉碎，然后逐级进行分离制得。碳化硼粉末在细化加工过程中，粉末中游离碳含量随粉碎时间增加而提高，影响粉体的质量。
碳化硼中的碳元素以游离碳和化合碳两种方式存在。只要测定游离碳和总碳的含量，就可以知道化合碳的含量，从而判断产品的质量。总碳的测定可以用经典的燃烧气体吸收法和红外碳硫分析仪法来测定。
目前碳化硼中游离碳的测定有GB/T 7993-2012和ASTM C 791两种方法。
GB/T 7993-2012方法原理为试样在热的重铬酸钾-浓硫酸中，在热的氧气流的存在下，游离碳被氧化成二氧化碳，随着载气(高纯氧气)通过钠石灰固体吸收剂吸收，钠石灰装在并联的U型玻璃吸收管内，通过称量吸收管的增重得到二氧化碳的量，进而计算得到游离碳的含量。由于玻璃吸收管和钠石灰自重较大，生成的二氧化碳含量较小导致称量误差大，重复性差；拆卸U型管，容易导致气体泄漏损失，造成结果准确度不高。ASTM C791方法原理为试样经热的重铬酸钠-浓硫酸-碘酸钾氧化生成二氧化碳，二氧化碳用载气(氮气)带走，被碱性高氯酸钡溶液吸收，用微库仑检测系统检测溶液中微电流变化，计算二氧化碳生成量，进而计算游离碳的含量。该法要用到微库仑检测系统，设备专属性强，对于一些不具备条件的实验室，该法具有一定的局限性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种准确度高、重复性好、可操作性强的碳化硼中游离碳检测装置和方法。
设计一种能够把二氧化碳无损失吸收的方法，用经典的强酸和强碱化学滴定法检测二氧化碳的含量，提高测试结果的准确度。
本发明的目的是这样实现的，参照ASTM C791的样品处理方法，用重铬酸钠-浓硫酸-碘酸钾体系做氧化剂，用高纯氮气做载气，已标定的氢氧化钠溶液收集反应生的成二氧化碳生成碳酸钠，通过多级吸收实现二氧化碳的完全收集，末级吸收瓶用于验证二氧化碳是否完全收集。用钡盐作为碳酸根的掩蔽剂，剩余氢氧化钠吸收剂用酸碱滴定方法确定，差减法计算二氧化碳的生成量，进而得到样品中游离碳的含量。
本发明涉及的碳化硼中游离碳含量测定装置，由氧化装置、气体吸收装置和滴定装置组成，其特征在于：所述气体吸收装置为一组串联的吸收瓶1组和一个沉淀瓶2，吸收瓶组进气端与氧化装置3相连，排气端与沉淀瓶2相连；吸收瓶内为已标定的氢氧化钠溶液4，沉淀瓶中为氯化钡和氢氧化钠混合溶液5。
本发明涉及的碳化硼中游离碳含量测定装置，由氧化装置、气体吸收装置和滴定装置组成，其特征在于：所述吸收瓶组由2-5个洗气瓶串联而成。
本发明涉及的碳化硼中游离碳含量测定装置，由氧化装置、气体吸收装置和滴定装置组成，其特征在于：吸收瓶中液面不低于吸收瓶高度的1/3。
本发明涉及的碳化硼中游离碳含量测定方法，包括氧化反应、二氧化碳收集和测试与计算，其特征在于：
二氧化碳收集：用已标定的氢氧化钠溶液收集生成的二氧化碳；
测试与计算：用过量的氯化钡掩蔽碳酸根，用盐酸标准溶液滴定剩余的氢氧化钠，以消耗盐酸标准溶液的体积，按(1)式计算得到碳化硼中游离碳含量；
式中：C1——吸收瓶中氢氧化钠的摩尔浓度，mol/L；
V1——吸收瓶中氢氧化钠的体积之和，mL；
C2——滴定用盐酸的摩尔浓度，mol/L；
V2——滴定用去盐酸的体积，mL；
m——碳化硼粉体的质量，g。
本发明涉及的碳化硼中游离碳含量测定方法，包括氧化反应、二氧化碳收集和测试与计算，其特征在于：用3滴酚酞-百里香酚酞指示酸碱滴定终点，以溶液由亮紫色刚变为无色为滴定终点。
本发明涉及游离碳的测定方法，包括氧化反应、二氧化碳收集、碳酸根掩蔽，酸碱滴定与计算过程，其特征在于：氧化反应条件为100～120℃，90～150min。
本发明涉及的碳化硼中游离碳含量测定方法，包括氧化反应、二氧化碳收集和测试与计算，其特征在于：反应用水全部为除过二氧化碳的超纯水，把超纯水煮沸15min，冷却后使用。
本发明涉及碳化硼中游离碳的装置，结构简单使用方便，气路密闭性好，可靠性好。本发明涉及的碳化硼中游离碳的测定方法，终点易于观察，可操作性强，结果重复性好，准确度高；适用于碳化硼中游离碳检测。
附图说明
图1本发明涉及的碳化硼中游离碳含量测定置构成示意图
其中：1—吸收瓶，2—沉淀瓶，3—反应瓶，4—氢氧化钠溶液，5—氢氧化钠和氯化钡混合溶液，6—高纯氮气，7—载气净化瓶
具体实施方式
下面结合实施例对本发明涉及的测试方法进行详细描述，但不作为对本发明的限制。
实施例一
以三级吸收实验装置为例说明本发明涉及的技术方案，实验装置如附图1所示，四个100ml的洗气瓶依次顺序连接，末端洗气瓶为沉淀瓶，其余三个为吸收瓶，洗气瓶进气端与反应瓶连接，排气端与沉淀瓶连接；反应瓶前面的7号洗气瓶为载气净化瓶，内装40％氢氧化钾溶液，用于吸收载气中可能存在的微量二氧化碳气体；载气源、载气净化瓶7、反应瓶、吸收组和沉淀瓶依次连接为气路封闭体系，沉淀瓶排气端放空，得到本发明涉及的实验装置。检测时，根据对样品游离碳含量的预估，在洗气瓶中加入过量的碱溶液以保证完全吸收生成的二氧化碳。
以5g游离碳含量在0.5％左右的碳化硼标准物质为预检测样品。向反应瓶中加入按ASTM C791方法配制的重铬酸钠-浓硫酸-碘酸钾混合溶液50mL，油浴温度设定100℃，打开载气瓶，调节气体出口流量，使吸收瓶底部每秒2～4个气泡；分别向三级吸收瓶中准确加入5ml氢氧化钠标准溶液和40mL除过二氧化碳的水；向沉淀瓶中加入5mL 0.5M氢氧化钠和40mL水及5mL 0.5M的氯化钡溶液；
精确称量碳化硼标准物质粉末5.1235g投入反应瓶中，迅速密闭反应瓶，开启磁力搅拌，在100℃氧化反应150min，反应过程生成的二氧化碳随载气依次通过三个吸收瓶和沉淀瓶，沉淀瓶未生成沉淀。
汇集三个吸收瓶中的溶液于500mL三角瓶中；用除过二氧化碳的高纯水少量多次洗涤吸收瓶，洗液并入锥形瓶中，得到待测溶液；
向锥形瓶中的待测溶液加入过量氯化钡溶液，充分振摇、生成白色碳酸钡沉淀，放置片刻后，加入3滴酚酞-百里香酚酞指示剂，用0.5M盐酸标准滴定溶液滴定至溶液由亮紫色变为无色，此时消耗盐酸标准滴定溶液6.66mL；
各数据代入公式(1)得到
碳化硼标准物质中游离碳的标称值为：0.51％±0.12％，本方法测试误差为0.02％，在标准物质的标称值不确定度范围内。
实施例二
以二级吸收实验装置为例说明本发明涉及的技术方案，实验装置参照附图1搭建，吸收瓶由三个100ml的洗气瓶依次顺序连接，末端洗气瓶为沉淀瓶，其余两个为吸收瓶，洗气瓶进气端与反应瓶连接，排气端与沉淀瓶连接；反应瓶前面的7号洗气瓶为载气净化瓶，内装40％氢氧化钾溶液，用于吸收载气中可能存在的微量二氧化碳气体；载气源、载气净化瓶7、反应瓶、吸收组和沉淀瓶依次连接为气路封闭体系，沉淀瓶排气端放空，得到本发明涉及的实验装置。检测时，根据对样品游离碳含量的预估，在洗气瓶中加入过量的碱溶液以保证完全吸收生成的二氧化碳。
以5g游离碳含量在0.5％左右的碳化硼标准物质为预检测样品。向反应瓶中加入按ASTM C791方法配制的重铬酸钠-浓硫酸-碘酸钾混合溶液50mL，油浴温度设定90℃，打开载气瓶，调节气体出口流量，使吸收瓶底部每秒2～4个气泡；分别向两级吸收瓶中准确加入10ml氢氧化钠标准溶液和60mL除过二氧化碳的水；向沉淀瓶中加入5mL 0.5M氢氧化钠和50mL水及5mL 0.5M的氯化钡溶液；
精确称量碳化硼标准物质粉末5.0965g投入反应瓶中，迅速密闭反应瓶，开启磁力搅拌，在90℃条件下氧化反应150min，反应过程生成的二氧化碳随载气依次通过两个吸收瓶和沉淀瓶，沉淀瓶未生成沉淀。
汇集两个吸收瓶中的溶液于500mL三角瓶中；用除过二氧化碳的高纯水少量多次洗涤吸收瓶，洗液并入锥形瓶中，得到待测溶液；
向锥形瓶中的待测溶液加入过量氯化钡溶液，充分振摇、生成白色碳酸钡沉淀，放置片刻后，向锥形瓶中加入3滴酚酞-百里香酚酞指示剂，用0.5M盐酸标准滴定溶液滴定至溶液由亮紫色变为无色，此时消耗盐酸标准滴定溶液11.20mL。
各数据代入公式(1)得到
碳化硼标准物质中游离碳的标称值为：0.51％±0.12％，本方法测试误差为0.01％，在标准物质的标称值不确定度范围内。
实施例三
以五级吸收实验装置为例说明本发明涉及的技术方案，实验装置参照附图1搭建，吸收瓶由六个100ml的洗气瓶依次顺序连接，末端洗气瓶为沉淀瓶，其余五个为吸收瓶，洗气瓶进气端与反应瓶连接，排气端与沉淀瓶连接；反应瓶前面的6号洗气瓶为载气净化瓶，内装氢氧化钾溶液，用于吸收载气中可能存在的微量二氧化碳气体；载气源、载气净化瓶6、反应瓶、吸收组和沉淀瓶依次连接为气路封闭体系，沉淀瓶排气端放空，得到本发明涉及的实验装置。检测时，根据对样品游离碳含量的预估，在洗气瓶中加入过量的碱溶液以保证完全吸收生成的二氧化碳。
以5g游离碳含量在0.5％左右的碳化硼标准物质为预检测样品。向反应瓶中加入按ASTM C791方法配制的重铬酸钠-浓硫酸-碘酸钾混合溶液50mL，油浴温度设定120℃，打开载气瓶，调节气体出口流量，使吸收瓶底部每秒2～4个气泡；分别向五级吸收瓶中准确加入4ml氢氧化钠标准溶液和35mL除过二氧化碳的水；向沉淀瓶中加入5mL 0.5M氢氧化钠和50mL水及5mL 0.5M的氯化钡溶液；
精确称量碳化硼标准物质粉末5.1864g投入反应瓶中，迅速密闭反应瓶，开启磁力搅拌，在120℃条件下氧化反应90min，反应过程生成的二氧化碳随载气依次通过五个吸收瓶和沉淀瓶，沉淀瓶未生成沉淀。
汇集五个吸收瓶中的溶液于500mL三角瓶中；用除过二氧化碳的高纯水少量多次洗涤吸收瓶，洗液并入锥形瓶中，得到待测溶液；
向锥形瓶中的待测溶液加入过量氯化钡溶液，充分振摇、生成白色碳酸钡沉淀，放置片刻后，向锥形瓶中加入3滴酚酞-百里香酚酞指示剂，用0.5M盐酸标准滴定溶液滴定至溶液由亮紫色变为无色，此时消耗盐酸标准滴定溶液11.30mL。
各数据代入公式(1)得到
碳化硼标准物质中游离碳的标称值为：0.51％±0.12％，本方法测试误差为0.02％，在标准物质的标称值不确定度范围内。

Claims (7)

1.一种碳化硼中游离碳含量测定装置，由氧化装置、气体吸收装置和滴定装置组成，其特征在于：所述气体吸收装置为一组串联的吸收瓶(1)组和一个沉淀瓶(2)，吸收瓶组进气端与氧化装置(3)相连，排气端与沉淀瓶(2)相连；吸收瓶内为已标定的氢氧化钠溶液(4)，沉淀瓶中为氯化钡和氢氧化钠混合溶液(5)。
2.根据权利要求1所述的碳化硼中游离碳含量测定装置，其特征在于：所述吸收瓶组由2-5个洗气瓶串联而成。
3.根据权利要求1所述的碳化硼中游离碳含量测定装置，其特征在于：吸收瓶中液面不低于吸收瓶高度的1/3。
4.根据权利要求2所述的碳化硼中游离碳含量测定装置，其特征在于：吸收瓶中液面不低于吸收瓶高度的1/3。
5.根据权利要求1～4任意一项所述的碳化硼中游离碳含量测定方法，包括氧化反应、二氧化碳收集和测试与计算，其特征在于：
二氧化碳收集：用已标定的氢氧化钠溶液收集生成的二氧化碳；
测试与计算：用过量的氯化钡掩蔽碳酸根，用盐酸标准溶液滴定剩余的氢氧化钠，以消耗盐酸标准溶液的体积，按(1)式计算得到碳化硼中游离碳含量；
w ( C f r e e ) % = ( C 1 V 1 - C 2 V 2 ) × 12 2000 m × 100 ... ( 1 )
式中：C1——吸收瓶中氢氧化钠的摩尔浓度，mol/L；
V1——吸收瓶中氢氧化钠的体积之和，mL；
C2——滴定用盐酸的摩尔浓度，mol/L；
V2——滴定用去盐酸的体积，mL；
m——碳化硼粉体的质量，g。
6.根据权利要求5所述的碳化硼中游离碳含量测定方法，其特征在于：用3滴酚酞-百里香酚酞指示酸碱滴定终点，以溶液由亮紫色刚变为无色为滴定终点。
7.根据权利要求5所述的游离碳的测定方法，其特征在于：氧化反应条件为100～120℃，90～150min。
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