CN114088904B - 基于缓冲容量定积分的工业循环冷却水碱度快速测定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于缓冲容量定积分的工业循环冷却水碱度快速测定方法，该方法将酸性缓冲溶液与待测水样混合后，对酸性缓冲溶液在pH从x0升至x变化范围内做定积分计算，所述的总碱度TB用以下定积分表示：
Description
技术领域
本发明属于化学分析技术领域，具体涉及一种基于缓冲容量定积分的工业循环冷却水碱度快速测定方法。
背景技术
工业循环冷却水为确保水系统阻垢、缓蚀、杀菌三项效能的平衡，多数运行在pH 8～9.5的范围，且需保持一定的碱度。pH并非碱度，仅是碱度的表相之一。例如，若用氢氧化钠(NaOH)这种一元强碱使中性水达到pH 9.5，仅需很小的量或碱度；而用碳酸氢根-碳酸根(HCO3 --CO3 2-)这样的弱酸及其共轭碱使中性水达到同样的pH，则需较高的量或碱度。另外，等比例增加HCO3 -和CO3 2-时，可以保持水的pH不变，但碱度却持续升高。因此pH和碱度是相关但不相同的概念。
碱度的准确定义是：使单位体积水的pH降低至酸碱指示剂变色时所需要的一元强酸的物质的量，当单位体积规定为1L时，碱度的单位为mmol/L。碱度测定一般用酚酞或甲基橙作指标剂，所以有酚酞碱度和甲基橙碱度之分。使单位体积水的pH降至酚酞变色点时所需一元强酸的物质的量为水的酚酞碱度；使单位体积水的pH降至甲基橙变色时所需一元强酸的物质的量为水的甲基橙碱度，又称总碱度(Alkalinity,Tatal Basicity,TB)。因为酚酞变色点与工业循环冷却水的pH较接近，所以实际工作中一般仅测定总碱度。
工业循环冷却水碱度的测定方法分为手工法和自动法。其中，手工测定方法是以酚酞或甲基橙为指示剂，用盐酸(HCl)标准溶液进行滴定的酸碱滴定法，难以直接移植到在线快速检测仪器上。自动法也是用HCl标准溶液进行滴定，但滴定终点通过pH电极来指示，滴定至pH 8.3时获得酚酞碱度，滴定至pH 4.0时获得甲基橙碱度。但由于pH电极的响应滞后严重，盐酸标准溶液滴入后须等待较长时间(约1min)，待pH示值稳定后才能确定是否继续滴入。因此对于未知样品，需要数十次甚至数百次的逐滴尝试和等待，总耗时太长，该法几乎没有实用价值。
发明内容
本发明为克服上述不足，提供了一种快速、准确和便于实现的工业循环冷却水碱度测定方法，该方法是“基于碱度积分计算的工业循环冷却水碱度快速测定方法”，可以将逐滴尝试和测定的“滴定”操作，转化为一次混合加一次测定的快速模式，具有非常重要的理论意义和实用价值。
本发明的目的是通过以下方式实现的：
一种工业循环冷却水碱度快速测定方法，该方法是将酸性缓冲溶液与待测水样混合后，对酸性缓冲溶液在pH从x0升至x变化范围内做定积分计算，所述的总碱度TB用以下定积分表示：
其中，使单位体积水样的pH降至4.0所需一元强酸的物质的量即为总碱度。
使酸性缓冲溶液改变1个pH单位所需一元强酸或一元强碱的量为其缓冲容量，计算如下：
其中β为缓冲容量；b为一元强碱的物质的量；a为一元强酸的物质的量。
优选所述的酸性缓冲溶液为一元强酸HA及其共轭碱A-组成的弱酸性缓冲溶液。
优选酸性缓冲溶液与待测水样体积相等。
本发明采用的技术原理如下：
使单位体积水样的pH降至4.0所需一元强酸的物质的量即为总碱度。若某酸性缓冲溶液也能使单位体积水样的pH降至4.0，则其在该过程中所提供的酸(H+)的量与一元强酸所提供的相等。由于水样的碱度未知，因此将焦点转移到如何获得酸性缓冲溶液在该过程中所提供的酸的量上来。
根据缓冲溶液缓冲容量的定义：使缓冲溶液改变1个pH单位所需一元强酸或一元强碱的量为其缓冲容量。
其中β为缓冲容量；b为一元强碱的物质的量；a为一元强酸的物质的量。
根据缓冲容量的物理意义，对酸性缓冲溶液在某pH变化范围(如pH从x0升至x)内做定积分计算，可得其在该pH变化过程中获得或释放出的相当于一元强酸或一元强碱的总量。
因此总碱度TB可用以下定积分表示。
以一元强酸HA及其共轭碱A-组成的弱酸性缓冲溶液HA-A-为例，其缓冲容量β为
其中c＝[HA]+[A-]，为缓冲溶液的总浓度；Ka为HA的离解常数。因其为弱酸性，[H+]>>[OH-]，因此可忽略后者。
当与水样混合后，其pH从x0升到x，该过程中，缓冲溶液消耗的一元强酸的量(碱度)为
因为
所以
则
因此，缓冲溶液与水样混合后，若pH从x0升至x，则相当于向其中加入了由上式计算所得的TB量的一元强碱，即为水样的碱度。
所以配制pH为x0的缓冲溶液，与待测碱度的工业循环冷却水样等体积混合后，只需测定混合液的pH(x)，即可直接获得其碱度的大小。该法将传统滴定时的多次加液和多次pH测量，改进为只需一次加液和一次pH测量即可获得测定结果，可以大幅提高获得酸碱溶液浓度的进程。
与现有技术比较，本发明的有益效果：
1、本发明方法将“滴定”分析操作中的多次逐滴加入、多次观察或测量改为一次加入和一次测量。
2、用本发明方法获得酸碱溶液的浓度，速度快、效率高。
3、用本发明方法可以实现工业循环冷却水碱度的快速测定，且易于实施。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明进行进一步解释说明：
实施例1
缓冲溶液由总浓度c＝40.00mmol/L的一氯乙酸-一氯乙酸钠组成(pKa＝2.86)，pH为3.00。1.00mL缓冲溶液与1.00mL工业循环冷却水样混合后，测得pH为4.00。按本发明方法计算得
用传统滴定法测定该实际水样碱度的结果为15.19mmol/L。快速测定法的相对误差为-1.3％。
实施例2
缓冲溶液由总浓度c＝20.00mmol/L的一氯乙酸-一氯乙酸钠组成(pKa＝2.86)，pH为3.00。1.00mL缓冲溶液与1.00mL工业循环冷却水样混合后，测得pH为4.00。按本发明方法计算得
用本发明方法平行测定三次，测得pH分别为4.00、4.02和4.00，所得碱度分别为7.95mmol/L、8.01mmol/L和7.95mmol/L，平均7.97mmol/L，相对标准偏差0.43％。共耗时3分10秒，平均每样耗时1分3秒。
用传统滴定法平行测定三次，结果分别为7.88mmol/L、7.89mmol/L和7.93mmol/L，平均7.90mmol/L，相对标准偏差0.33％。共耗时22分，平均每样耗时7分钟20秒。
本发明方法与传统滴定法相比，相对误差为0.84％，远小于工业循环冷却水碱度快速测定中实际可接受的误差(±10％)，且速度提高了7倍。
Claims (3)
1.一种工业循环冷却水碱度快速测定方法，其特征在于将酸性缓冲溶液与待测水样混合后，对酸性缓冲溶液在pH从x 0升至x变化范围内做定积分计算，总碱度TB用以下定积分表示：
，
其中，使单位体积水样的pH降至4.0所需一元强酸的物质的量即为所述总碱度；使酸性缓冲溶液改变1个pH单位所需一元强酸或一元强碱的量为其缓冲容量，计算如下：
，
其中，β为缓冲容量；b为一元强碱的物质的量；a为一元强酸的物质的量。
2.根据权利要求1所述的工业循环冷却水碱度快速测定方法，其特征在于所述的酸性缓冲溶液为一元强酸HA及其共轭碱A-组成的弱酸性缓冲溶液。
3.根据权利要求1所述的工业循环冷却水碱度快速测定方法，其特征在于所述的酸性缓冲溶液与待测水样体积相等。
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Non-Patent Citations (4)
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|---|
| 全面认识酸碱缓冲溶液的缓冲能力 ——由高校通用教材中一道例题引发的思考;岳宣峰 等;《大学化学》;第36卷(第9期);第2-4页 * |
| 对酸碱积分缓冲容量的探讨;周明达 等;继续教育;第35-37页 * |
| 工业循环冷却水总碱度测定影响因素及控制;徐慧莉;;全面腐蚀控制(第07期);全文 * |
| 论工业循环冷却水碱度的测定方法;王东兵;刘晓娜;张海燕;秦玉华;;广西轻工业(第03期);全文 * |
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