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硅酸盐水泥综合实验报告

2010级专业综合实验（Ⅱ）实验报告

题目硅酸盐水泥中SiO2、Fe2O3、A12O3、CaO

MgO的含量的测定

专业班级工业分析（01）班

学号1006060139

学生姓名周乔乔

同组学生张霞

学院化工与制药学院

指导教师陈伟、余军霞

完成日期：

2013年3月24日

摘要

硅酸盐水泥的组成非常复杂，根据实际工作的需要，在本实验中，我们将对于其中部分主要成分进行分析，具体到Si、Al、Fe、Ca、Mg这五种粒子的测定，但其均以其氧化物的形式存在，呈碱性。

因此，在实验中我们应将其以酸解的方法将水泥样品予以溶解，进而进行逐一的分析。

对与硅酸盐系统的分析，采取了经典的化学分析方法以及仪器分析方法进行测定。

化学分析方法是基于将元素先进性分组分离，然后进行测定，具体到：

对于SiO2采用酸解、过滤后烘干、灼烧，通过重量分析法测定水泥样品中其含量；对于Al2O3、Fe2O3和MgO，都采取其离子Al3+、Fe3+、Mg2+与乙二胺四乙酸（EDTA）标准溶液形成络合物，采用配位滴定法，进行定性、定量的测定。

仪器分析方法是基于将待测水泥样品进行酸解后备用，通过配制各种元素的一组标样液梯度，通过做出工作曲线的方法，将所配制的待测液浓度与其对照，得出其浓度，进而得出样品中各个元素的含量大小，具体到：

Fe、Ca、Mg这三种元素我们采用原子吸收光谱法进行测定，对于Al我们采用分光光度法进行测定。

仪器分析方法有其独特的优点，迅速、灵敏度高、精确等。

进而得出可靠的结果。

关键字：

硅酸盐；原子吸收；分光光度；酸碱滴定

Abstract

CompositionofPortlandcementisverycomplex,accordingtotheneedsofactualwork,inthisexperiment,wewillinthemaincomponentpartoftheanalysis,specifictothedeterminationofSi,Al,Fe,Ca,Mgthesefivekindsofparticles,butitsareinoxideform,alkaline.Therefore,intheexperimentweshallapproachtoacidhydrolysisofthecementsamplesbedissolved,andthenanalysisonebyone.

Theanalysisandsilicatesystem,adoptthemethodsofchemicalanalysisandinstrumentalanalysismethodofclassicaldetermination.Chemicalanalysismethodisbasedontheadvancedgroupelementsseparation,thendetermined,specificto:

forSiO2byacidsolution,filteringanddrying,calcination,determinationofitscontentincementsamplesbygravimetricmethod;forAl2O3,Fe2O3andMgO,havetakentheionsAl3+,Fe3+,Mg2+andethylenediaminetetraaceticacid（EDTA）theformationofcomplexesofstandardsolution,usingcoordinationtitration,qualitative,quantitativedetermination.Instrumentanalysismethodistotestcementsampleswereacidsolutionafterthebackupbasedonthepreparationofvariouselements,throughasetofstandardsamplesolutionthroughthemethodofgradient,madetheworkcurve,thepreparationofthesamplesolutionconcentrationandcontrol,theconcentration,andthendrawthesize,contentofeachelementinthesample:

Fe,specifictotheCa,Mgthesethreekindsofelementsbyatomicabsorptionspectrometry,forAlweusedspectrophotometricmethodforthedeterminationof.Instrumentanalysismethodhasitsuniqueadvantages,rapid,highsensitivity,accurate.Thenobtainsreliableresults.

Keywords:

silicate;atomicabsorptionspectrophotometry;acid-basetitration;

第1章前言

1.1水泥简介

水泥是由硅酸盐组成的，种类很多，如普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、矾土水泥等。

不同性质的水泥，分解试样的方法也不同。

例如普通硅酸盐水泥、碱性高炉炉渣硅酸益水泥等能为酸分解，其他许多水泥试样需用碱熔分解。

铝酸盐水泥发展趋势的分析和预测铝酸盐水泥广泛用于钢铁、石油、化工、水泥、电力等行业。

用于冶金、石油、化工、电力、建材等行业工业窑炉作高温耐火材料结合剂的铝酸盐水泥。

在国际市场上，由于许多发达国家受资源和环境的限制，该产品也将有广泛的市场。

随着科技的发展，耐火材料的用量会逐步减少，而对耐火材料质量的要求越来越高。

发达国家钢铁行业的吨钢消耗耐火材料已降到10多千克，也就意味着我国耐火材料的质量品级必须提高。

高质量、多品种、施工性能好的耐火材料粘结剂必须适应耐火材料耐久性的需求。

这是耐火材料行业发展的必然趋势。

浇注料是铝酸盐水泥在耐火材料市场中的主要应用领域，同时整体浇注型耐火材料正在逐步替代定型耐火制品。

铝酸盐水泥的良好适应性，促使耐火材料技术由简单的传统喷补料和浇注料，发展到按配方生产施工制作，这样能够显著提高整体浇注型耐火材料的性能和使用寿命，比如低水泥、超低水泥、高致密度、自流、泵送和无定形浇注材料。

所以，铝酸盐水泥的发展不仅是满足量的需要，更重要的是产品性能的提高。

1.2水泥特点及用途

（1）、按照水泥的主要水硬性物质分：

硅酸盐类水泥（主要水硬性物质是硅酸钙）、铝酸盐类水泥（主要水硬性物质是铝酸钙）、硫铝酸盐水泥（主要水硬性物质是硫铝酸钙）等。

因为它们的水硬性物质不同，它们的性质也各异，如铝酸盐类水泥凝结速度快。

早期强度高，耐热性能好而且耐硫酸盐腐蚀；硫铝酸盐水泥硬化后体积会膨胀等。

（2）、按照水泥的用途分为：

通用水泥（用于一般的建筑工程，主要是硅酸盐类的五种水泥）、专用水泥（是指适应于专门用途的水泥，有大坝水泥、油井水泥、砌筑水泥等）、特种水泥（具有比较突出的某种性能的水泥，如膨胀水泥、低热水泥、彩色水泥、白水泥等）。

第2章实验部分

2.1化学分析法

2.1.1原理

水泥主要由硅酸盐组成，按我国规定，分成硅酸盐水泥（纯熟料水泥）、矿渣硅酸盐水泥（矿渣水泥）、火山灰质硅酸盐水泥（火山灰水泥），粉煤灰硅酸盐水泥（煤灰水泥）五种。

水泥熟料是由水泥生料经1400℃以上高温煅烧而成。

硅酸盐水泥由熟料加入适量石膏，其成分均与水泥熟料相似，可按水泥熟料化学分析法进行。

水泥熟料，未掺混合材料的硅酸水泥，碱性矿渣水泥，可采用酸分解法。

不溶性含量较高的水泥熟料、酸性矿渣水泥，火山灰质水泥等酸性氧化物较高的物质，可采用碱熔融法。

本实验采用硅酸盐水泥，一般较易为酸所分解。

（1）SiO2的测定，可分成容量法和重量法。

重量法又因使硅酸盐凝聚所用的物质的不同分为盐酸干涸法、动物胶法、NH4Cl法等。

本实验用NH4Cl法，将试样与7-8倍固体NH4Cl混匀后，再加入HCl分解试样。

经沉淀分离、过滤、洗涤后的SiO2在瓷坩锅中950℃灼烧恒重。

经HF处理后，测定结果与标准法结果误差小于0.1%，生产上SiO2的快速分析常采用氟硅酸钾容量法。

（2）试样用HCl分解后，用氨水沉淀法使Fe（OH）3、Al（OH）3和Ca2+、Mg2+分离。

沉淀用HCl溶解。

调节溶液的pH值为2～2.5，以磺基水杨酸作指示剂。

用EDTA滴定Fe3+；然后加入一定量过量的EDTA，煮沸，待Al3+与EDTA完全络合后，再调节溶液的pH≈4.2，以PAN作指示剂，CuSO4标准溶液滴定过量的EDTA，从而分别测得Fe2O3和Al2O3的含量。

但在样品中如果含有Ti，CuSO4回滴法所测实际上是Al、Ti含量。

若要测定TiO2含量，可加入苦杏仁酸解蔽剂，从TiY中夺出Ti4+，再用标准CuSO4滴定释放的EDTA。

测Fe:

无色→紫红色

紫红色→亮黄色

测Al：

（返滴定法）

过量部分→绿色

黄色→紫红色

（3）滤液中Ca2+、Mg2+按常法在pH=10时用EDTA滴定，测得Ca2+、Mg2+含量；再在pH=12时，用EDTA滴定，测得CaO的含量，用差减法计算MgO的含量。

生产上通常未经上述沉淀分离，加入三乙醇胺、酒石酸钾钠等作掩蔽剂，直接用EDTA进行滴定。

测Ca：

紫红色→纯蓝色

测Mg：

（紫红色）

紫红色→纯蓝色

2.1.2试剂

1、甲基红0.2％：

取60ml乙醇试剂溶于40ml蒸馏水中配置成60％的乙醇溶液再将其与0.2g甲基红混合至100g。

2、磺基水杨酸钠指示剂10％：

10g磺基水杨酸钠溶于100mL水中。

3、PAN指示剂0.3％：

0.3gPAN溶于100mL乙醇中。

4、HAc-NaAc缓冲溶液（pH≈4.2），把32.0g无水NaAc溶于水中，加入50mL冰醋酸，用水稀释至1L。

5、EDTA标准溶液0.025mol/L

配制：

在台秤上称取4gEDTA,加入100mL水溶解后，转移至塑料瓶中，稀释至500Ml,摇匀，待测定。

6、铜标准溶液0.02mol/L准确称取0.3g纯铜，加入3mL6mol/LHCl溶液，滴加2-3mLH2O2,盖上表面皿，微沸溶解，继续加热赶去H2O2,冷却后转入250mL容量瓶中，用水稀释至刻度，摇匀。

7、CuSO4标准溶液0.025mol/L

配制：

称6.24gCuSO4·5H2O溶于水中，加4～5滴1:

1H2SO4，用水稀释至1L。

体积比的测定：

准确移取10.00mL0.025mol/LEDTA，加水稀释至150mL左右，加10mLpH≈4.2的HAc-NaAc缓冲溶液，加热至80～90℃，加入PAN指示剂4~6滴，用CuSO4溶液滴定至红色不变即为终点。

计算1mLCuSO4溶液相当于0.025mol/LEDTA标准溶液的mL数。

8、K-B指示剂，称取0.2g酸性铬兰K，0.4g萘酚绿B于烧杯中，加水溶解后，稀释至100mL。

也可采用如下方法配制，将1g酸性铬兰K，2g萘酚绿B和40gKCl研细混匀，装入小广口瓶中，置于干燥器中备用。

注意试剂质量常有变化，故应根据具体情况确定最适宜的指示剂比例。

9、三乙醇胺（1+2）

10、HCl溶液1:

11、NaOH溶液20％

12、5%酒石酸钾钠（释放剂）：

取2.5g酒石酸钾钠溶于50.0ml水中。

13、NH3-NH4Cl缓冲溶液（pH≈10.0）：

称取17.0gNH4Cl溶于130ml浓氨水中，再定容至250ml。

14、浓硝酸、1∶1氨水、浓盐酸、中速定量滤纸、1%NH4NO3、NH4Cl、定性滤纸、0.05%溴甲酚绿等。

2.1.3分析步骤

1、EDTA溶液的标定

用移液管准确称取10mL铜标准溶液，加入5mLPH=3.5的缓冲溶液和35mL水，加热至80℃后，加入4滴PAN指示剂，趁热用EDTA滴定至由红色变为绿色，即为终点，记下消耗EDTA溶液的体积。

平行测定3次。

计算EDTA的浓度。

2、SiO2的测定：

称取0.4g试样，置于干燥的50mL烧杯中，加入2.5～3g固体NH4Cl，用玻璃棒混匀，滴加浓HCl至试样全部润湿（一般约2mL），并滴定浓HNO32~3滴，搅匀。

小心压碎块状物，盖上表面皿，置于沸水浴上，加热10min，加热水约40mL，搅动，以溶解可溶性盐类，过滤。

用热水洗涤烧杯和滤纸，直到滤液中无Cl-为止（以AgNO3检查），将滤液定容至250ml的容量瓶中，供接下来Fe2O3和Al2O3的测定。

将沉淀连同滤纸放入已恒重的瓷坩锅中，低温炭化并灰化后，于950℃约烧30min。

取下，置于干燥器中冷却至室温，称重。

再灼烧冷至室温，再称重，直至恒温。

计算试样中SiO2的含量。

重复操作两次。

3、Fe2O3、Al2O3、CaO、MgO含量的测定

（1）溶样准确称取约2g水泥试样于250mL烧杯中，加入8gNH4Cl，用一端平头的玻璃棒压碎块状物，仔细搅拌20min。

加入12mL浓HCl溶液，使试样全部润湿，再滴加浓HNO34~8滴，搅匀，盖上表面皿，置于已预热的沙浴上加热20~30min，直至无黑色或灰色的小颗粒为止。

取下烧杯，稍冷后加热水40mL，搅拌使盐类溶解。

冷却后，连同沉淀一起转移到500mL容量瓶中，用水稀释至刻度，摇匀后放置1~2h，使其澄清。

然后用洁净干燥的虹吸管吸取溶液于洁净干燥的400mL烧杯中保存，作为测定Fe，Al，Ca，Mg等元素之用。

（2）Fe2O3和Al2O3含量的测定

准确移取25mL试液于250mL锥形瓶中，加入10滴磺基水杨酸、10mLpH=2的缓冲溶液，将溶液加热至70℃，用EDTA（稀释了十倍）标准溶液缓慢地滴定至由酒红色变为无色（终点时溶液温度应在60℃左右），记下消耗的EDTA体积。

平行滴定3次。

计算Fe2O3含量：

WFe2O3=（CV）EDTA×MFe2O3/2ms

0这里，ms为实际滴定的每份试样质量。

于滴定铁后的溶液中，加入1滴溴甲酚绿，用（1+1）氨水调至黄绿色，然后，加入15.00mL过量的EDTA标准溶液，加热煮沸1min，加入10mLpH=3.5的缓冲溶液，13滴PAN指示剂，用铜标准溶液滴至茶红色即为终点。

记下消耗的铜标准溶液的体积。

平行滴定3份。

计算Al2O3含量：

WAl2O3=[（CV）EDTA-（CV）CuSO4]×MAl2O3/2ms

4、CaO、MgO含量的测定：

准确移取滤液25.00mL，置于50mL锥形瓶中，加蒸馏水稀释至100mL，加4mL三乙醇胺溶液（1:

1）（掩饰Fe3+、Al3+），摇匀后再加10mL10%NaOH溶液，再摇匀，加入少许钙指示剂，此时溶液呈酒红色。

然后用0.02mol/LEDTA标准溶液滴定至溶液呈亮黄色，即为终点，记下消耗的EDTA标准溶液的体积V1.

1CaO含量的测定：

准确移取滤液25.00mL，置于250mL锥形瓶中，加蒸馏水稀释至100mL，加4mL三乙醇胺溶液（1:

1）、4mL10%酒石酸钾溶液，用氨水（1:

1）调pH值约为10，摇匀后，加入10mLpH=10的NH3-NH4Cl缓冲溶液，再摇匀，然后加入4-5滴酸性铬蓝K-萘酚绿B指示剂，用0.02mol/LEDTA标准溶液滴定，溶液由紫红色变为蓝色，即为终点。

记下消耗的EDTA标准溶液的体积V2

②MgO含量的测定：

用差减法计算。

备注：

v可以用尿素代替NH3分离Fe2O3，使用尿素作沉淀剂可形成均匀沉淀Al（OH）3、Fe（OH）3，减少对Ca2+，Mg2+的吸附。

vEDTA滴定Fe3+时，溶液最高许可酸度为pH＝1.5。

pH<1.5络合不完全，结果偏低；pH>3，Al3+有干扰，使结果偏高。

若试样为矾土水泥，含Al2O3量高，则滴定Fe3+时的pH值应控制在1.5～2.0之间，以减少大量Al3+干扰。

v若试样Fe2O3、Al2O3含量不高，可不经分离直接用EDTA滴定Ca2+、Mg2+，即将过滤SiO2后溶液稀释至250mL，取出100mL连续滴定Fe3+、Al3+，取出50mL滴定Ca2+、Mg2+含量，另取出25mL滴定Ca2+。

但滴定Ca2+、Mg2+含量时，需用酒石酸钾和三乙醇胺（或氟化钾+三乙醇胺）联合掩蔽Fe3+、Al3+，滴定Ca2+时，需用三乙醇胺掩蔽Fe3+、Al3+。

v在滴定Fe3+时，近终点应放慢滴定速度，注意操作，仔细观察。

滴定终点随铁的含量不同而不同，特别是含铁量低的样品，终点更难观察。

当滴定至淡紫色时，每加入一滴，应摇动片刻，必要时再加热（滴完溶液温度约60℃），小心滴定至亮黄色。

因为此处滴定不佳，不但影响Fe的测定，还影响Al的测定结果。

v以PAN为指示剂，用CuSO4滴定EDTA时，终点往往不清晰，应该注意操作条件。

滴定温度控制在80~85℃为宜，温度过低，PAN指示剂和Cu-PAN在水中溶解度降低；温度太高，终点不稳定。

为改善终点，还可以加入适量乙醇。

PAN指示剂加入的量也要适当。

2.1.4数据处理

（1）、EDTA标准溶液的标定

表2-1

编号

Cu粉/g

0.3g

VCu/mL

10.00

VY/mL

8.47

8.43

8.46

CY/（mol/L）

0.0236

0.0237

0.0236

AvgCY/（molL）

0.0236

0.0001

0.14%

（2）、SiO2含量测定

表2-2

水泥实验中SiO2含量测定

编号

M水泥样品/g

MNH4Cl/g

M空坩埚/g

MSiO2+坩埚/g

△M/g

0.4250

2.71

33.5033

33.6030

0.0997

计算：

公式2-1

式中：

—坩埚加热灼烧后沉淀的质量，g；

—恒重的坩埚质量，g；

—水泥样品的质量，g。

SiO2%=23.46%

（3）、Fe2O3和Al2O3含量测定

表2-3

水泥实验中Fe2O3含量测定

编号

试样/g

2.0150

V试样/mL

25.00

VY/mL

1.39

1.30

1.28

CFe3+/（mol/L）

0.00131

0.00123

0.00121

AvgCFe3+/（mol/L）

0.00125

di×105

-2

-4

3.2%

表2-4

水泥实验中Al2O3含量测定

编号

试样/g

2.0150

VCu2+/mL

11.80

11.82

11.78

VY/mL

10.00

10.02

9.98

CAl3+/（mol/L）

0.00472

0.00470

0.00474

AvgCAl3+/（mol/L）

0.00472

-0.00002

0.00002

0.28%

计算：

1）、Fe2O3：

WFe2O3=（CV）EDTA×MFe2O3/2ms公式2-2

=[0.00125×0.5×159.7/2×2.0150]×100%

=2.48%

2）、Al2O3

WAl2O3=[（CV）EDTA-（CV）CuSO4]×MAl2O3/2ms公式2-3

=[0.00472×0.5×102.0/2×2.0150]×100%

=5.97%

（4）、CaO和MgO含量的测定：

表2-5

水泥式样中CaO、MgO含量的测定

取分离SiO2后的滤液25.00mL，水泥样品质量M=2.0150g,CEDTA=0.0236mol/L

编号

VEDTA/ml

V1（测Ca）

40.08

40.24

40.32

V2（测Ca、Mg）

42.94

43.12

43.19

W（CaO）

52.67%

52.88%

52.98%

Avg（W（CaO））

52.84%

相对偏差/%

0.32%

0.08%

0.26%

相对平均偏差/%

0.22%

W（MgO）

2.70%

2.72%

2.71%

Avg（W（MgO））

2.71%

相对偏差/%

0.37%

相对平均偏差/%

0.25%

计算：

1）、CaO

CaO%=[cV3MCaO×20/W×1000]×100%公式2-4

式中：

——标准溶液浓度，mol/l；

V3——滴定Ca2+时消耗EDTA标准溶液的体积，ml；

W——水泥样品质量，g；

MCaO——CaO摩尔质量；

80——样液稀释倍数。

2）、MgO

MgO%=[（cV4-cV3）MMgO×20/W×1000]×100%公式2-5

式中：

——标准溶液浓度，mol/l；

V4——滴定Mg2+、Ca2+时消耗EDTA标准溶液的体积，ml；

W——水泥样品质量，g；

MMgO——MgO摩尔质量；

20——样液稀释倍数；其余同上。

得出：

CaO%=52.84%;MgO%=2.71%

综合实验得出：

硅酸盐水泥试样中各种组分含量分析表2-6

组分

SiO2

Fe2O3

Al2O3

CaO

MgO

含量

23.46%

2.48%

5.97%

52.84%

2.71%

2.2仪器分析法

（1）、原子吸收光谱法（测Fe、Ca、Mg）

2.2.1原理

水样中金属离子被原子化后，此基态原子吸收来自同种金属元素空心灯发出的共振线（如铜，324nm；铅，283.3nm等）吸收共振线的量与样品中该元素含量成正比。

在其他条件不变的情况下根据测量被吸收后的谱线强度，与标准系列比较进行定量。

2.2.2试剂

一、标准溶液的配制：

1）铁标准贮备溶液：

准确称取0.0175g氧化铁（优级纯Fe2O3），加入10mL硝酸溶液（1+1），小火加热并滴加浓盐酸助溶，至完全溶解后加纯水定容至50ml容量瓶中，再在其中用吸管吸取1.0ml溶液至50ml容量瓶中，定容。

此时溶液含铁为2.5ug/mL，

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