CN109828080A - 一步法定量测定腐植酸分子中羧基和酚羟基的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种一步法定量测定腐植酸分子中羧基和酚羟基的方法，该方法包括腐植酸样品制备及电导率测定等。首先含腐植酸样品经过碱提、酸提、水洗，获得腐植酸纯品；之后腐植酸在氮气保护及磁力搅拌条件下，KOH先与腐植酸分子中酸性相对较强的羧基反应，反应结束后，KOH进一步与酚羟基反应，根据羧基与酚羟基消耗KOH量计算获得羧基与酚羟基的含量。该方法通过一次滴定可同时测定羧基和酚羟基含量，具有快速、简便、准确的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种一步法定量测定腐植酸分子中羧基和酚羟基的方法，属于化学技术领域。
背景技术
腐植酸是从褐煤、风化煤等煤炭中经化学反应提炼而成的高分子混合物。如今腐植酸的研究和应用已渗透到农业、医学及畜牧等众多领域，因此提高腐植酸分析水平以更好地为腐植酸基础研究与生产应用服务意义重大。腐植酸是一类具有芳香结构的有机弱酸，我们已经知道在其芳香环上含有大量酸性基团，其中酚羟基和羧基是腐植酸最主要的功能性基团，是腐植酸发挥功能的基础，使腐植酸具有抗菌消炎、收敛止血等作用，同时酚羟基和羧基在腐植酸改性与应用方面都发挥着重要作用，测定这些功能基团的数量以及存在形态等是对腐植酸进行基础和应用研究必不可少的。目前，测定腐植酸中酸性基团含量的方法主要有：醋酸钙法、电位滴定法、核磁及红外等，现有方法存在测量步骤繁琐，对测试条件要求高，有些方法测量结果误差大、不准确等问题。非水电导滴定法通过在非水环境中对羧基与酚羟基进行酸碱滴定来确定羧基与酚羟基的含量。非水电导滴定法主要用于木质素等原料分子中羧基与酚羟基的检测。腐植酸中羧基与酚羟基虽然与木质素中类似，但是由于含腐植酸样品是腐植酸矿粉或者各类腐植酸盐，其中含有大量的各类离子，不像木质素样品可以直接进行滴定试验。大量离子的存在在非水电导滴定法过程中会大大影响反应体系的电导率，无法准确判断滴定终点，导致滴定失败。本专利技术根据腐植酸样品特点，对样品进行前处理，获得不含各类离子的腐植酸纯品，为后续滴定过程的顺利进行奠定基础。
发明内容
鉴于目前腐植酸中羧基和酚羟基含量的测定方法存在的不足，本发明提供一种一步法定量测定腐植酸分子中羧基和酚羟基的方法；由于腐植酸不溶于水和大部分有机溶剂，传统的测定方法中，大多需要将腐植酸溶于碱，制成溶于水的腐植酸盐，然后再经过一系列的操作对羧基和酚羟基进行定量分析。本发明提供了一种在非水体系中，利用磁力搅拌和氮气保护对腐植酸分子中羧基和酚羟基进行定量分析。为腐植酸分子解析提供一种简便准确的新方法。
具体是利用非水电导滴定有机弱酸的原理，在氮气保护及磁力搅拌条件下，KOH先与腐植酸分子中酸性相对较强的羧基反应，反应结束后，KOH进一步与酚羟基反应，根据羧基与酚羟基消耗KOH量计算获得羧基与酚羟基的含量。此方法可有效缩减对腐植酸分子中羧基和酚羟基定量分析的时间。
发明的目的是这样实现的：一种同时测定腐植酸分子中羧基和酚羟基含量的方法，其特征是它包括如下步骤：
(1)将含腐植酸样品、氢氧化钠及水按重量比(腐植酸样品：氢氧化钠：水)5-10：1：100混合，100-200转/分钟搅拌反应100-150 分钟，反应结束后2000转/分钟离心5分钟去除沉淀，上清液105℃干燥至恒重获得腐植酸钠纯品。
(2)称取10g腐植酸钠样品加入100mL 95％盐酸，充分搅拌；缓慢加水稀释至300mL，100转/分钟搅拌10-15分钟，4200转/分钟离心5分钟，重复水洗过程6-8次，沉淀105℃干燥至恒重。
(3)称取腐植酸(绝干)50-150mg，置于洁净干燥的50mL平底四口瓶中；加入40mL吡啶/丙酮(体积比1：3.5-4.5)溶剂和1mL 蒸馏水，最后加入总体积1％的乙醇；
(4)打开磁力搅拌器，转速为500-800转/分钟；通入氮气，流速为75-125mL/min；
(5)5min后，利用0.04-0.06mol/L KOH-异丙醇溶液对样品进行滴定，同时开启电导率仪，记录电导率变化曲线，直至两个等当点出现。
(6)根据电导率曲线，利用外延法确定等当点M和N，其中M 是羧基等当点，N是酚羟基等当点。因此，羧基含量A和酚羟基含量P可分别用公式(1)、(2)计算：
公式中VM、VN和V0分别是到达等当点时滴定剂的消耗数(mL)； N是滴定剂的当量浓度；m是样品重(mg)；17和45分别是酚羟基和羧基的摩尔质量。
本发明具有如下积极意义：
1、相对于对羧基和酚羟基分别进行滴定的方法，该方法在同一反应体系中，利用相同的滴定液对两种基团进行分别滴定，获得羧基与酚羟基的含量，不仅减少滴定液多次配制的繁琐，而且节省时间，为腐植酸分子解析提供一种简便准确的方法；
2、针对含腐植酸样品中含有大量的各类离子，在非水电导滴定法过程中会大大影响反应体系的电导率，导致无法准确判断滴定终点，导致滴定失败的特点，根据腐植酸样品特点，对样品进行前处理，通过碱提，将样品中腐植酸转化为腐植酸钠，去除样品中的各种金属阳离子；
3、腐植酸钠样品进一步经酸提，将样品中腐植酸类物质全部转化为腐植酸，利用腐植酸不溶于水的特性，再通过水洗将氢离子与氯离子去除，获得不含各类离子的腐植酸纯品，为后续滴定过程的顺利进行奠定基础。
附图说明
图1为本发明非水电导滴定法示意图。
具体实施方式
实施例1
一步法定量测定腐植酸分子中羧基和酚羟基的方法所述羧基和酚羟基含量的测定方法包括如下步骤：
步骤一：将含腐植酸样品、氢氧化钠及水按重量比(腐植酸样品：氢氧化钠：水)5：1：100混合，100转/分钟搅拌反应100分钟，反应结束后2000转/分钟离心5分钟去除沉淀，上清液105℃干燥至恒重获得腐植酸钠纯品。
步骤二：称取10g腐植酸钠样品，加入100mL 95％盐酸，充分搅拌；缓慢加水稀释至300mL，100转/分钟搅拌10分钟，4200转/ 分钟离心5分钟，重复水洗过程6次，沉淀105℃干燥至恒重。
步骤三：称取腐植酸(绝干)150mg，置于洁净干燥的50mL平底四口瓶中；加入40mL吡啶/丙酮(体积比1：3.5)溶剂和1mL蒸馏水，最后加入总体积1％的乙醇；
步骤四：打开磁力搅拌器，转速为500转/分钟；通入氮气，流速为75mL/min；
步骤五：5min后，用0.04mol/L KOH-异丙醇溶液滴定，同时开启电导率仪，记录电导率变化曲线，直至两个等当点出现。
步骤六：根据电导率曲线，利用外延法确定等当点M和N，其中M是羧基等当点，N是酚羟基等当点。因此，羧基含量A和酚羟基含量P可分别用公式(1)、(2)计算：
公式中VM、VN和V0分别是到达等当点时滴定剂的消耗数(mL)； N是滴定剂的当量浓度；m是样品重(mg)；17和45分别是酚羟基和羧基的摩尔质量。
通过计算，样品中腐植酸分子中羧基含量为2.41％(实际值为 2.49％)、酚羟基含量为1.73％(实际值为1.65％)。本专利方法所测羧基与酚羟基含量与样品中实际含量基本相同，说明采用该方法进行测试、计算是可行的。
实施例2
步骤一：将含腐植酸样品、氢氧化钠及水按重量比(腐植酸样品：氢氧化钠：水)8：1：100混合，150转/分钟搅拌反应100分钟，反应结束后2000转/分钟离心5分钟去除沉淀，上清液105℃干燥至恒重获得腐植酸钠纯品。
步骤二：称取10g腐植酸钠样品，加入100mL 95％盐酸，充分搅拌；缓慢加水稀释至300mL，100转/分钟搅拌13分钟，4200转/ 分钟离心5分钟，重复水洗过程7次，沉淀105℃干燥至恒重。
步骤三：称取腐植酸(绝干)100mg，置于洁净干燥的50mL平底四口瓶中；加入40mL吡啶/丙酮(体积比1：4)溶剂和1mL蒸馏水，最后加入总体积1％的乙醇；
步骤四：打开磁力搅拌器，转速为600转/分钟；通入氮气，流速为100mL/min；
步骤五：5min后，用0.05mol/L KOH-异丙醇溶液滴定，同时开启电导率仪，记录电导率变化曲线，直至两个等当点出现。
步骤六：如实施例1。
通过计算，样品中腐植酸分子中羧基含量为2.45％(实际值为 2.49％)、酚羟基含量为1.70％(实际值为1.65％)。本专利方法所测羧基与酚羟基含量与样品中实际含量基本相同，说明采用该方法进行测试、计算是可行的。
实施例3
步骤一：将含腐植酸样品、氢氧化钠及水按重量比(腐植酸样品：氢氧化钠：水)10：1：100混合，200转/分钟搅拌反应120分钟，反应结束后2000转/分钟离心5分钟去除沉淀，上清液105℃干燥至恒重获得腐植酸钠纯品。
步骤二：称取10g腐植酸钠样品，加入100mL 95％盐酸，充分搅拌；缓慢加水稀释至300mL，100转/分钟搅拌15分钟，4200转/ 分钟离心5分钟，重复水洗过程8次，沉淀105℃干燥至恒重。
步骤三：称取腐植酸(绝干)50g，置于洁净干燥的50mL平底四口瓶中；加入40mL吡啶/丙酮(体积比1：4.5)溶剂和1mL蒸馏水，最后加入总体积1％的乙醇；
步骤四：打开磁力搅拌器，转速为800转/分钟；通入氮气，流速为125mL/min；
步骤五：5min后，用0.06mol/L KOH-异丙醇溶液滴定，同时开启电导率仪，记录电导率变化曲线，直至两个等当点出现。
步骤六：如实施例1。
通过计算，样品中腐植酸分子中羧基含量为2.53％(实际值为 2.49％)、酚羟基含量为1.60％(实际值为1.65％)。本专利方法所测羧基与酚羟基含量与样品中实际含量基本相同，说明采用该方法进行测试、计算是可行的。
实施例4
步骤一：将含腐植酸样品、氢氧化钠及水按重量比(腐植酸样品：氢氧化钠：水)4：1：100混合，80转/分钟搅拌反应100分钟，反应结束后2000转/分钟离心5分钟去除沉淀，上清液105℃干燥至恒重获得腐植酸钠纯品。
步骤二：称取10g腐植酸钠样品，加入100mL 95％盐酸，充分搅拌；缓慢加水稀释至300mL，100转/分钟搅拌8分钟，4200转/分钟离心5分钟，重复水洗过程5次，沉淀105℃干燥至恒重。
步骤三：称取腐植酸(绝干)100mg，置于洁净干燥的50mL平底四口瓶中；加入40mL吡啶/丙酮(体积比1：4)溶剂和1mL蒸馏水，最后加入总体积1％的乙醇；
步骤四：打开磁力搅拌器，转速为600转/分钟；通入氮气，流速为100mL/min；
步骤五：5min后，用0.05mol/L KOH-异丙醇溶液滴定，同时开启电导率仪，记录电导率变化曲线，直至两个等当点出现。
步骤六：如实施例1。
实施例4与实施例2相比，滴定步骤完全相同，只有腐植酸样品制备过程不同，包括腐植酸样品与氢氧化钠的比例、反应时间与转速及酸提后水洗次数等几步，尤其是酸提后水洗次数减少，但是最终滴定过程无法得到2个等电点，因此无法计算其中羧基与酚羟基含量。分析原因主要是因为样品中残留的盐酸，导致反应体系中电导率太高，无法找到2个滴定终点。
实施例5
步骤一：将含腐植酸样品、氢氧化钠及水按重量比(腐植酸样品：氢氧化钠：水)12：1：100混合，80转/分钟搅拌反应100分钟，反应结束后2000转/分钟离心5分钟去除沉淀，上清液105℃干燥至恒重获得腐植酸钠纯品。
步骤二：称取10g腐植酸钠样品，加入100mL 95％盐酸，充分搅拌；缓慢加水稀释至300mL，100转/分钟搅拌8分钟，4200转/分钟离心5分钟，重复水洗过程9次，沉淀105℃干燥至恒重。
步骤三：称取腐植酸(绝干)100mg，置于洁净干燥的50mL平底四口瓶中；加入40mL吡啶/丙酮(体积比1：4)溶剂和1mL蒸馏水，最后加入总体积1％的乙醇；
步骤四：打开磁力搅拌器，转速为600转/分钟；通入氮气，流速为100mL/min；
步骤五：5min后，用0.05mol/L KOH-异丙醇溶液滴定，同时开启电导率仪，记录电导率变化曲线，直至两个等当点出现。
步骤六：如实施例1。
实施例5与实施例2相比，滴定步骤完全相同，只有腐植酸样品制备过程不同，包括腐植酸样品与氢氧化钠的比例、反应时间与转速及酸提后水洗次数等几步，尤其是酸提后水洗次数增加。最终腐植酸分子中羧基含量为1.53％(实际值为2.49％)、酚羟基含量为1.15％(实际值为1.65％)。所测羧基与酚羟基含量与样品中实际含量相差较大，羧基和酚羟基的含量均明显低于实际值，主要是因为腐植酸为不同分子量的混合物，水洗次数过多会导致部分小分子腐植酸流失，而小分子腐植酸中的羧基和酚羟基也随之流失，最终导致所测羧基与酚羟基的含量低于实际值。
实施例6
步骤一：将含腐植酸样品、氢氧化钠及水按重量比(腐植酸样品：氢氧化钠：水)8：1：100混合，150转/分钟搅拌反应100分钟，反应结束后2000转/分钟离心5分钟去除沉淀，上清液105℃干燥至恒重获得腐植酸钠纯品。
步骤二：称取10g腐植酸钠样品，加入100mL 95％盐酸，充分搅拌；缓慢加水稀释至300mL，100转/分钟搅拌13分钟，4200转/ 分钟离心5分钟，重复水洗过程7次，沉淀105℃干燥至恒重。
步骤三：称取腐植酸(绝干)100mg，置于洁净干燥的50mL平底四口瓶中；加入40mL吡啶/丙酮(体积比1：3)溶剂和1mL蒸馏水，最后加入总体积1％的乙醇；
步骤四：打开磁力搅拌器，转速为600转/分钟；通入氮气，流速为100mL/min；
步骤五：5min后，用0.03mol/L KOH-异丙醇溶液滴定，同时开启电导率仪，记录电导率变化曲线，直至两个等当点出现。
步骤六：如实施例1。
实施例6与实施例2相比，腐植酸样品制备过程相同，只有滴定步骤中吡啶/丙酮比例及KOH-异丙醇溶液滴定液浓度不同，通过计算，样品中腐植酸分子中羧基含量为1.02％(实际值为2.49％)、酚羟基含量为0.81％(实际值为1.65％)。所测羧基与酚羟基含量与样品中实际含量基差别很大，主要是吡啶/丙酮的配比会影响到腐植酸在滴定体系中的溶解度，而KOH-异丙醇溶液滴定液浓度过低会导致滴定点出现较晚，体系体积明显过大，最终导致羧基与酚羟基含量均比实际值低。
实施例7
步骤一：将含腐植酸样品、氢氧化钠及水按重量比(腐植酸样品：氢氧化钠：水)8：1：100混合，150转/分钟搅拌反应100分钟，反应结束后2000转/分钟离心5分钟去除沉淀，上清液105℃干燥至恒重获得腐植酸钠纯品。
步骤二：称取10g腐植酸钠样品，加入100mL 95％盐酸，充分搅拌；缓慢加水稀释至300mL，100转/分钟搅拌13分钟，4200转/ 分钟离心5分钟，重复水洗过程7次，沉淀105℃干燥至恒重。
步骤三：称取腐植酸(绝干)100mg，置于洁净干燥的50mL平底四口瓶中；加入40mL吡啶/丙酮(体积比1：5)溶剂和1mL蒸馏水，最后加入总体积1％的乙醇；
步骤四：打开磁力搅拌器，转速为600转/分钟；通入氮气，流速为100mL/min；
步骤五：5min后，用0.07mol/L KOH-异丙醇溶液滴定，同时开启电导率仪，记录电导率变化曲线，直至两个等当点出现。
步骤六：如实施例1。
实施例7与实施例2相比，腐植酸样品制备过程相同，只有滴定步骤中吡啶/丙酮比例及KOH-异丙醇溶液滴定液浓度不同，但是最终滴定过程无法得到2个等电点，因此无法计算其中羧基与酚羟基含量。分析原因主要是KOH-异丙醇溶液滴定液浓度过高，在滴定开始可能就已经将分子中羧基与酚羟基中和完全，所以随着滴定液的不断加入，电导率一直上升，再无法出现滴定终点。
Claims (5)
1.一种一步法定量测定腐植酸分子中羧基和酚羟基的方法，其特征是腐植酸在氮气保护及磁力搅拌条件下，KOH先与腐植酸分子中酸性相对较强的羧基反应，反应结束后，KOH进一步与酚羟基反应，根据羧基与酚羟基消耗KOH量计算获得羧基与酚羟基的含量。
2.根据权利要求1所述的一种一步法定量测定腐植酸分子中羧基和酚羟基的方法，其特征是酸碱滴定终点通过电导率测定来确定。
3.根据权利要求1所述的一种一步法定量测定腐植酸分子中羧基和酚羟基的方法，其特征是它包括如下步骤：
(1)将含腐植酸样品、氢氧化钠及水按重量比(腐植酸：氢氧化钠：水)5-10：1：100混合，100转/分钟搅拌反应100-150分钟；反应结束后2000转/分钟离心5分钟去除沉淀，上清液105℃干燥至恒重获得腐植酸钠纯品。
(2)称取10g腐植酸钠样品加入100mL95％盐酸，充分搅拌；缓慢加水稀释至300mL，100转/分钟搅拌10-15分钟，4200转/分钟离心5分钟，重复水洗过程6-8次，将沉淀105℃干燥至恒重获得腐植酸样品。
(3)称取腐植酸样品(绝干)50-150mg，置于洁净干燥的50mL平底四口瓶中；加入40mL吡啶/丙酮(体积比1：3.5-4.5)溶剂和1mL蒸馏水，最后加入总体积1％的乙醇；
(4)打开磁力搅拌器，转速为500-800rpm；通入氮气，流速为75-125mL/min；
(5)5min后，利用0.04-0.06mol/L KOH-异丙醇溶液对样品进行滴定，同时开启电导率仪，记录电导率变化曲线，直至两个等当点出现。
(6)根据电导率曲线，利用外延法确定等当点M和N，其中M是羧基等当点，N是酚羟基等当点。
羧基含量A和酚羟基含量P可分别用公式(1)、(2)计算：
公式中VM、VN和V0分别是到达等当点时滴定剂的消耗数(mL)；N是滴定剂的当量浓度；m是样品重(mg)；17和45分别是酚羟基和羧基的摩尔质量。
4.根据权利要求3所述的一种一步法定量测定腐植酸分子中羧基和酚羟基的方法，其特征在于腐植酸样品的制备过程为：
将含腐植酸样品、氢氧化钠及水按重量比(腐植酸样品：氢氧化钠：水)5-10：1：100混合，100-200转/分钟搅拌反应100-150分钟，反应结束后2000转/分钟离心5分钟去除沉淀，上清液105℃干燥至恒重获得腐植酸钠纯品。
称取10g腐植酸钠样品加入100mL 95％盐酸，充分搅拌；缓慢加水稀释至300mL，100转/分钟搅拌10-15分钟，4200转/分钟离心5分钟，重复水洗过程6-8次，沉淀105℃干燥至恒重。
5.根据权利要求4所述的腐植酸样品的制备，其特征是所述含腐植酸原料包括腐植酸矿粉、腐植酸钠、腐植酸钾、腐植酸铵及其它含有腐植酸成分的物质。
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