CN1082185C - 电池用氢氧化镍中硫酸根的分离及测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用电位滴定法测定电池用氢氧化镍中硫酸根的方法。本法首先用活性氧化铝交换柱将基体元素镍、钴、锌等与硫酸根进行分离，再以铅离子电化学传感器为指示电极，饱和甘汞电极为参比电极，进行电位滴定。本法分离速度快，分析的周期短，不用调节PH值，易于操作，准确度高，检测下限低。

Description

电池用氢氧化镍中硫酸根的分离及测定方法

本发明涉及用电化学法测定材料中的阴离子，更具体地说是用电位滴定法测定电池用氢氧化镍中的硫酸根。

氢氧化镍作为镍氢(Ni/MH)电池、高容量镍镉(Cd/Ni)电池的正极活性材料，被称为高新能源材料，其电性能的优劣直接影响到电池的性能。

以硫酸镍为原料，采用化学湿法工艺制备氢氧化镍，硫酸根是最容易引入的杂质，而硫酸根又是正极活性材料的有害杂质，它能引起电池的自放电，腐蚀电池材料及设备等，氢氧化镍中硫酸根的存在直接影响电池的综合性能。所以测定电池用氢氧化镍中的硫酸根成了必须要解决的技术课题。但是，氢氧化镍中硫酸根的测定方法尚未见于文献中。

硫酸根的测定方法有硫酸钡比浊法、重量法、电位滴定法、光度法等各种方法。硫酸钡的比浊法灵敏度低、准确度差。而重量法准确度高，但流程长，劳动强度大，又不适于硫酸根含量较低的样品。光度法存在有试剂不易得到的缺点，也仅适用于微量硫酸根的测定，更不适于硫酸根含量较高的样品。

中国专利文献CN1051425A报导了一种监控低浓度硫酸根和其他离子的方法。在一般的酸性溶液中，插入对硫酸根离子具有选择作用的材料制成的电极，加入一预定量的非离子溶剂，该溶剂在操作温度下可溶于水，形成该溶液和该溶剂的混合液。由于该溶剂可降低前述电极材料的溶解速率，从而防止了该溶液中硫酸盐浓度被电极上溶解的硫酸盐所掩盖的现象，将该混合液置于对应电极之下，测出与前述电极间的电位差，即可确定前述溶液中微量的硫酸盐的量。所说的非离子溶剂为乙醇、丙酮、乙醛等溶剂。该法适用于微量硫酸根的测定。但是，由于基体元素镍、钴、锌等离子的干扰，该法不能直接用于电池用氢氧化镍中硫酸根的测定。

电位滴定法是一种快速准确的测定硫酸根的方法。同样，由于镍氢电池或高容量镍镉电池所用的氢氧化镍材料中，除了主体氢氧化镍之外，还有氢氧化钴、氢氧化锌等掺杂物，镍元素约占55～60％，掺杂元素约占1～6％。上述的主体元素镍及钴、锌等元素干扰硫酸根的电位滴定，基体元素对电位滴定终点突跃的影响见于表1中。

             表1  基体元素对硫酸根测定的影响SO₄ ^2-   M^2+*   SO₄ ^2-/M²⁺    终点突跃ΔE/ΔV(mg)      (mg)       W/W           (mv/ml)

        0                        550

        0.18     1∶3            270

        0.3      1∶5            2300.06        0.6      1∶10           190

        0.9      1∶15           130

        1.2      1∶20         没有终点

        0                        840

        2        1∶10           2800.2         4        1∶20           210

        8        1∶40         没有终点

*M²⁺代表镍、钴、锌等基体元素。

由表1中可以看出，M²⁺对测定有干扰，在测定之前必须将镍、钴、锌等基体元素与硫酸根分离。

本发明的目的就在于研究出一种电池用氢氧化镍中硫酸根的分离及其测定的方法。

研究表明活性氧化铝在溶液中具有无机阴离子交换剂的性质，它对某些阴离子，特别是对硫酸根离子具有较高的选择性吸附。本发明试用活性氧化铝来吸附硫酸根使其与基体元素分离。

本发明的一种电池用氢氧化镍中硫酸根的分离及测定的方法，有分离和测定二个步骤，所说的分离是将制备好的，其镍离子的浓度为0.1～29.6mg/l，酸度为1～5mol/l无机酸的氢氧化镍的镍离子水溶液，通过制备好的装有活性氧化铝(Al₂O₃)的交换柱，使硫酸根阴离子吸附在活性氧化铝上，用水淋洗至中性，用0.1～2mol/l的碱性水溶液将吸附在活性氧化铝上的硫酸根阴离子洗脱至容器中，使基体元素镍及钴、锌与硫酸根阴离子分离；将硫酸根阴离子的洗脱液低温蒸至近干，冷却，加水溶解，定容，混匀；将硫酸根阴离子样品溶液，定量转移于烧杯中，加入适宜量的甲醇、乙醇、异丙醇、二氧杂环己烷其中的一种水溶性溶剂，以铅离子电化学传感器为指示电极，饱和甘汞电极为参比电极，在搅拌下，以铅标准溶液进行电位滴定，制作V-mv曲线，求出滴定终点，按公式 ${S0}_4^{2-}\%=\frac{T\·V}{W}\×100$ 计算出硫酸根的含量。

首先将待测定的作为镍氢(Ni/MH)电池、高容量镍镉(Cd/Ni)电池的正极活性材料的氢氧化镍样品，置于烧杯中，加入1～5mol/l的无机酸，加热至样品完全溶解，形成氢氧化镍的镍离子水溶液，冷却，调整氢氧化镍的镍离子水溶液的酸度，使其酸度为1～5mol/l无机酸，镍离子的浓度为0.1～29.6mg/ml，又以其酸度为1-4mol/l无机酸，镍离子浓度为10～25mg/ml为佳，又以其酸度为2～3mol/l无机酸为更佳。溶解样品和调整氢氧化镍的镍离子水溶液酸度所用的无机酸为盐酸、硝酸、高氯酸其中的一种，尤其以高氯酸、硝酸为佳。

活性氧化铝交换柱的制备，首先将平均粒度为100-160μm的氧化铝用水浸泡、洗净后，装入交换柱中，例如10ml的酸式滴定管中，用1-5mol/l的HClO₄(高氯酸)淋洗，又以2～3mol/l的高氯酸淋洗为好；用水淋洗至中性，再用0.1～2mol/l的氨水进行淋洗，又以1～1.2mol/l的氨水淋洗为好。最后用水进行淋洗至中性，使氧化铝活化，用3～5mol/l高氯酸处理转型，又以3-4mol/l的高氯酸处理转型为好。高氯酸转型后备用，上述所用的水及下述所用的水为蒸馏水、离子交换水其中的一种水。所用的交换柱中氧化铝(Al₂O₃)层的体积为0.6～1.0ml，交换柱中氧化铝的用量大约为0.5～1.0克，又以0.5-0.8克为宜。柱容量大于10mg硫酸根。交换柱的内径(直径)与氧化铝层高比为1∶4～10。

将制备好的电池用氢氧化镍的镍离子水溶液以1.5～6ml/min的流速，通过制备好的活性氧化铝交换柱，又以2～4ml/min的流速通过制备好的活性氧化铝柱为好。当电池用氢氧化镍的镍离子溶液完全通过氧化铝交换柱后，使硫酸根阴离子吸附于柱上，用水淋洗活性氧化铝交换柱，至流出的水溶液呈中性。

为了将吸附在活性氧化铝上的硫酸根阴离子洗脱下来，必须选择适宜的硫酸根的洗脱液。由于活性氧化铝吸附OH^-的能力最强，所以吸附于活性氧化铝上的阴离子，尤其是硫酸根阴离子能被碱性水溶液定量洗脱下来。所说的洗脱液碱性水溶液为0.1-2mol/l的氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾、氨水其中的一种碱性水溶液，作为硫酸根洗脱液的一种碱性水溶液(浓度0.1～2mol/l)通过用水洗至中性的氧化铝交换柱的流速为1.5～6ml/min，又以0.8～1.2mol/l的氨水溶液作为硫酸根的洗脱液为佳，0.8～1.2mol/l的氨水通过用水洗涤至中性的氧化铝交换柱的流速以2-3ml/min为宜。用氨水洗脱液洗脱硫酸根阴离子所用的氨水洗脱液的体积在10～30ml之间，视硫酸根的量而定。若硫酸根的量小，可小于10ml；若硫酸根的量大，则可大于30ml，这是本领域所属的普通技术人员所熟知的。

将收集到容器(例如烧杯中)的氨水洗脱液或其他碱性洗脱液，在电炉上低温蒸至近干，所说的低温为90-140℃，冷却，用水移入容量瓶中(例如50ml的容量瓶中)，定容，混合均匀。

由于基体元素镍、钴、锌等对硫酸根的电位滴定有干扰，用上述的活性氧化铝交换柱分离消除。氧化铝是一种无机阴离子交换剂，它能强烈地吸附二价或二价以上的阴离子，特别对硫酸根有很高的选择性，镍、钴、锌等阳离子不被吸附，就是与硫酸根生成络阴离子的阳离子也不被吸附。样品氢氧化镍中的硫酸根定量吸附在活性氧化铝上而与基体分离。一克氢氧化镍样品经过分离后，残余的镍量小于10μg，而不干扰硫酸根的电位滴定的测定。Cr₂O₇ ^2-∶SO₄ ^2-＝＜2～3/1时，重铬酸根离子对硫酸根离子测定没有干扰，但本样品中不存在重铬酸根离子。

由于在水溶液中，硫酸铅的溶解度较大，Ksp为1.7×10^-8(25℃)，当硫酸根的浓度小于10^-3mol/l时，硫酸铅沉淀很难产生。而本方法使用铅离子电化学传感器指示的滴定终点，要求硫酸铅沉淀必须完全，低介电常数的溶剂如甲醇、乙醇、异丙醇、二氧杂环己烷等可以降低硫酸铅的溶解度。所以在定量移入烧杯中的样品溶液中加入甲醇、乙醇、异丙醇、二氧杂环己烷其中的一种水溶性溶剂，所加入的甲醇、乙醇、异丙醇、二氧杂环己烷其中的一种水溶性溶剂的量为测定时溶液总体积的40～90％，体积百分数，又以所加入的量为测定时溶液总体积的60～80％，体积百分数为佳。二氧杂环己烷属于相对不稳定试剂，而且它的分解物可对铅电极产生不利影响。甲醇虽然比较便宜，但毒性大。异丙醇价格较高，所以以加入乙醇为佳。所加入的乙醇的量以占测定时溶液总体积的60-80％，体积百分数，为好。所用乙醇为市售分析纯乙醇。

每种离子选择电极各有其适宜的PH范围。本法中铅离子电化学传感器的适宜的PH为4～8，又以PH5～6为佳。本方法在处理样品时，当基体元素被分离后将样品溶液蒸至近干后，用水稀释至所需体积，此时溶液的酸度约为PH6，不需要再进行酸度调节。

定量移取定容混合均匀的样品溶液于烧杯中后，加入适宜量的甲醇、乙醇、异丙醇、二氧杂环己烷其中的一种水溶性溶剂后，以铅离子电化学传感器为指示电极，饱和甘汞电极为参比电极，在磁力搅拌下，以铅标准溶液进行电位滴定，制作V-mv曲线，求出滴定终点。

按下式计算硫酸根的百分含量： ${S0}_4^{2-}\%=\frac{T\·V}{W}\×100$ 式中：T铅标准溶液对硫酸根的滴定度(mg/ml)。

V滴定至终点时所消耗铅标准溶液的体积(ml)。

W取样量(g)。

用本方法对实际样品进行了回收率和倍比实验，结果列于表2和表3中。

                  表2  回收率试验结果样品编号       1     2     3     4     5     6      7回收率(％)    94.7  90.3  98.5  98.5  94.5  102.3  92.5

                  表3  倍比试验结果样品编号     称样量    测得SO₄ ^2-的量   比例

           (g)        (mg)

H          1.0        2.00           1.47

           1.5        2.94

I          1.0        2.00           1.93

           2.0        3.85

J          0.2        2.44           1.94

           0.4        4.73

本发明的方法的检测下限为2×10^-5mol/l。本方法的分离工艺可用于金属镍、镍合金及氢氧化镍提纯工艺除去其中的硫酸根等阴离子。

本发明的电池用氢氧化镍中硫酸根的分离及其测定的方法的优点就在于：

1.由于本发明的分离方法克服了已有技术中Al₂O₃柱太长、分离时间长、流速慢，需要真空泵抽吸，淋洗体积大的缺点，所用的活性氧化铝交换柱小型化，通过柱的溶液流速快，总的洗脱液的体积小，提高了分离速度，分离的时间大大缩短，分析的周期短。

2.本发明的方法中将小型活性氧化铝交换分离样品中的硫酸根离子与电位滴定的测定方法相结合使得测定硫酸根的方法方便可靠，不用调节PH值，易于操作，干扰少，准确度高，其检测下限低。

以下用实施例对本发明的方法作进一步的说明，将有助于对本发明的方法及其优点作进一步的理解，本发明的保护范围不受这些实施例的限定本发明的保护范围由权利要求书来决定。

实施例1

本实施例用铅离子电化学传感器(离子选择性电极)及饱和甘汞电极(中国科学院南京土壤研究所)，PHs-3型酸计(上海第二分析仪器厂)，所用氧化铝为市售，色谱分离用的氧化铝。

称取1.0000克电池用氢氧化镍试样于烧杯中，加入3mol/l的高氯酸溶液10ml，加热至样品完全溶解，冷却，调整电池用氢氧化镍的镍离子溶液的酸度，使其酸度为3mol/l的高氯酸，镍离子的浓度为29.6mg/ml作为样品溶液。

将平均粒度为147μm的氧化铝用水浸泡，洗净后，装入10ml的酸式滴定管中。所用的活性氧化铝交换柱中氧化铝层体积为0.9ml，交换柱内径与氧化铝层的高度比为1∶5.1。先用3mol/l的高氯酸淋洗，用离子交换水淋洗氧化铝交换柱至流出液为中性，再用10ml 1mol/l的氨水(NH₃·H₂O)淋洗，最后用离子交换水进行淋洗至中性，使氧化铝活化，再用10ml3mol/l的高氯酸水溶液淋洗处理转型备用。

将上述制备好的酸度为3mol/l的高氯酸，镍离子浓度为29.6mg/ml的样品水溶液，以2.0ml/min的流速完全通过上述制备好的活性氧化铝交换柱后，用离子交换水淋洗活性氧化铝交换柱，至流出的水溶液呈中性，用10ml的1mol/l的氨水以2.0ml/min流速，将柱上的硫酸根阴离子淋洗至烧杯中，将烧杯置于电炉上，110℃的低温蒸发近干，冷却，用离子交换水移入50ml容量瓶中，定容、混匀，移取此溶液5.0ml于烧杯中，加入15ml乙醇，所加入的乙醇的量为测定时溶液总体积的75％，体积百分数。以铅离子电化学传感器为指示电极，饱和甘汞电极为参比电极，在磁力搅拌下，以对硫酸根的滴定度为0.3937mg/ml的铅标准溶液(用Pb(NO₃)₂配制)，进行电位滴定，制作V-mv曲线，求出滴定终点。

按SO₄ ^2-％＝T·V/W×100计算出硫酸根的百分含量。

在本实施例中平行取七份试样进行分析，结果为：0.192％，0.207％，0.195％，0.184％，0.192％，0.186％，0.202％，它们的平均值为0.19％，相对标准偏差为4.2％。

实施例2

其操作方法及设备基本同实施例1，唯不同的是样品溶液中镍离子的浓度为25.0mg/ml，样品溶液以3.0ml/min的流速通过活性氧化铝交换柱，以1.2mol/l的氨水，以2.5ml/min的流速将硫酸根洗脱，以对硫酸根的滴定度为0.3937mg/ml的铅标准溶液进行电位滴定，制作V-mv曲线，求出滴定终点，计算出硫酸根的百分含量。

在本实施例中平行取七份试样进行分析，结果为：0.484％，0.508％，0.492％，0.520％，0.516％，0.505％，0.511％。它们的平均值为0.51％，相对标准偏差为2.6％。

实施例3

其操作方法及设备基本同实施例1，唯不同的是样品溶液中镍离子的浓度为20.9mg/ml，样品溶液以4.0ml/min的流速通过活性氧化铝交换柱，以1.2mol/l的氨水，以2.6ml/min的流速，将柱上的硫酸根阴离子淋洗至烧杯中，以对硫酸根的滴定度为0.3937mg/ml的铅标准溶液进行电位滴定，制作V-mv曲线，求出滴定终点，计算出硫酸根的百分含量。

在本实施例中平行取七份试样进行分析，结果为：0.790％，0.783％，0.753％，0.768％，0.803％，0.787％，0.768％。它们的平均值为0.78％，相对标准偏差为2.2％。

实施例4

其操作方法及设备基本同实施例1，唯不同的是样品溶液中镍离子的浓度为15.1mg/ml，以0.8mol/l的氨水洗脱硫酸根，以对硫酸根的滴定度为0.3937mg/ml的铅标准溶液进行电位滴定，制作V-mv曲线，求出滴定终点，计算出硫酸根的百分含量。

在本实施例中平行取七份试样进行分析，结果为：1.102％，1.230％，1.060％，1.120％，1.220％，1.180％，1.160％，它们的平均值为1.15％，相对标准偏差为5.4％。

Claims (14)

1.一种电池用氢氧化镍中硫酸根的分离及测定方法，有分离和测定二个步骤，其特征是，

1)分离是将制备好的，其镍离子的浓度为0.1～29.6mg/l，酸度为1～5mol/l无机酸的电池用氢氧化镍的镍离子水溶液，通过制备好的装有活性氧化铝的交换柱，使硫酸根阴离子吸附在活性氧化铝上，用水淋洗至中性，用0.1～2mol/l的碱性水溶液将吸附在活性氧化铝上的硫酸根阴离子洗脱至容器中，使基体元素镍及钴、锌与硫酸根阴离子分离，

2)将硫酸根阴离子的洗脱液低温蒸至近干，冷却，加水溶解，定容，混匀；将硫酸根阴离子样品溶液，定量转移于烧杯中，加入适宜量的甲醇、乙醇、异丙醇、二氧杂环己烷其中的一种水溶性溶剂，以铅离子电化学传感器为指示电极，饱和甘汞电极为参比电极，在搅拌下，以铅标准溶液进行电位滴定，制作V-mv曲线，求出滴定终点，按公式 ${\mathrm{SO}}_4^{2-}\%=\frac{T\·V}{W}\×100$ 计算出硫酸根的含量。

2.根据权利要求1的一种电池用氢氧化镍中硫酸根的分离及测定方法，其特征是，电池用氢氧化镍的镍离子水溶液的酸度为1～4mol/l的无机酸，镍离子的浓度为10-25mg/ml。

3.根据权利要求2的一种电池用氢氧化镍中硫酸根的分离及测定方法，其特征是，电池用氢氧化镍的镍离子水溶液的酸度为2-3mol/l的无机酸。

4.根据权利要求1到3其中之一的一种电池用氢氧化镍中硫酸根的分离及测定方法，其特征是，所说的无机酸为高氯酸、硝酸其中的一种酸。

5.根据权利要求1的一种电池用氢氧化镍中硫酸根的分离及测定方法，其特征是，活性氧化铝交换柱中氧化铝的平均粒度为100-160μm。

6.根据权利要求1的一种电池用氢氧化镍中硫酸根的分离及测定方法，其特征是，交换柱中氧化铝层的体积为0.6～1.0ml。

7.根据权利要求1的一种电池用氢氧化镍中硫酸根的分离及测定方法，其特征是，交换柱的内径与氧化铝的层高比为1∶4～10。

8.根据权利要求1的一种电池用氢氧化镍中硫酸根的分离及测定方法，其特征是，电池用氢氧化镍水溶液以1.5-6ml/min的流速，通过制备好的活性氧化铝交换柱。

9.根据权利要求8的一种电池用氢氧化镍中硫酸根的分离及测定方法，其特征是，电池用氢氧化镍的镍离子水溶液以2-4ml/min的流速，通过制备好的活性氧化铝交换柱。

10.根据权利要求1的一种电池用氢氧化镍中硫酸根的分离及测定方法，其特征是，所说的洗脱液碱性水溶液为0.1～2mol/l的氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾、氨水其中的一种碱性水溶液。

11.根据权利要求10的一种电池用氢氧化镍中硫酸根的分离及测定方法，其特征是，作为硫酸根洗脱液的一种碱性水溶液，浓度为0.1～2mol/l，通过用水洗至中性的氧化铝交换柱的流速为1.5～6.0ml/l。

12.根据权利要求11的一种电池用氢氧化镍中硫酸根的分离及测定方法，其特征是，作为硫酸根洗脱液的一种碱性水溶液为0.8～1.2mol/l的氨水溶液，通过用水洗涤至中性的氧化铝交换柱的流速为2-3ml/min。

13.根据权利要求1的一种电池用氢氧化镍中硫酸根的分离及测定方法，其特征是，所加入的甲醇、乙醇、异丙醇、二氧杂环己烷其中的一种水溶性溶剂的量为测定时溶液总体积的40-90％。

14.根据权利要求13的一种电池用氢氧化镍中硫酸根的分离及测定方法，其特征是，所加入乙醇的量为测定时溶液总体积的60-80％。