铁矿石中全铁含量测定实验的改进*

阴军英，党艳秋，曹允洁

(滨州学院化学化工学院，山东　滨州　256600)



铁矿石中全铁含量测定实验的改进*

阴军英，党艳秋，曹允洁

(滨州学院化学化工学院，山东滨州256600)

采用铝片还原-高锰酸钾滴定法进行全铁含量的测定，不仅避免了汞和铬对人体的伤害，减少了实验对环境的污染，而且实验证明，本法测全铁含量取得了较好的实验结果。本文通过单因素实验和正交试验确定了该法的最佳条件：混酸用量为25 mL，盐酸用量为6.5 mL，提出在滴定前还需加入硫酸锰溶液，且其最佳用量为40 mL，从而提高了实验测定结果，完善了该方法测铁的全过程。

铁矿石；铝片；高锰酸钾

铁在自然界中都是以化合物状态存在，尤其是以氧化铁的状态存在的量特别多。在贸易和工业上，用作商品的铁矿石，其重要性仅次于原油而居于第二位。在贸易中，由于双方均以全铁含量为计价基础，因此，准确而快速的测定铁矿石中全铁含量具有重大意义。

目前，分析铁矿石中全铁含量的主要方法有重铬酸钾容量法、EDTA络合滴定法、分光光度法和原子吸收光谱法。分光光度法和原子吸收光谱法只适用于低含量铁的测定[1]，在此不作赘述。对于高含量的铁矿石中全铁量的测定，国内外主要采用经典的重铬酸钾容量法，但因其使用了氯化汞对周围环境造成污染，伤害人体健康，限制了其使用。对于无汞法的探索与研究目前已取得不少成就，主要有氯化亚锡-三氯化钛-重铬酸钾滴定法、EDTA络合滴定法、硫酸铈容量法[2-3]、甲基橙指示氯化亚锡-重铬酸钾滴定法。

SnCl2-TiCl3-K2Cr2O7无汞滴定法在原理上易于理解，但具体操作条件不好掌握，易造成系统偏差。为此，张洪波、吕子健、田鹏[4]等人对本法中具体实验条件进行了较为详细的分析和研究，优化了该法测铁的实验步骤。但是在此方法中，用重铬酸钾返滴过剩三氯化钛时，钨兰消褪没有突跃，因而三氯化钛被氧化完全的终点难以辨别，加之钨兰消逝后Fe2+亦被迅速氧化为Fe3+使得分析结果偏低[5]，实验重现性差。

刘步明等[6]在前人工作的基础上对甲基橙指示SnCl2-K2Cr2O7无汞滴定法做了反复试验，确定了该法试剂用量的最佳条件，同时改进了实验操作步骤，但此方法仍然无法消除铬对人体的伤害和对环境的污染。

王瑞斌等[7]对N-苯甲酰羟胺-EDTA无汞滴定法进行了深入的研究，指出了在实验中所需注意的事项，然而，本法虽不使用有毒的HgCl2和K2Cr2O7能保护环境，防止污染，但由于络合滴定干扰离子多，终点不敏锐，故未被广泛采用。铝片还原-硫酸铈无汞滴定法[8]测定铁矿石中全铁量此法虽然准确、快速，但硫酸铈试剂较贵，且不易购买，限制了此法的推广。

本文选择采用铝片还原-高锰酸钾标准溶液进行铁矿石中全铁含量的测定，并通过试验确定本法测全铁含量的具体实验测定条件和最佳的试剂用量。完善一种操作上简单、反应快速，且实验成本低的全铁测定方案。

1　实　验

1.1实验仪器和试剂

仪器：耐酸滤过漏斗；KDM型连续可调控温电热板；HH-601恒温水浴锅；真空干燥箱；T203电子天平；滴定管；移液管。

试剂：铁矿石、铝片盐酸(AR)、硫酸(AR)、磷酸(AR)、高锰酸钾(AR)、草酸钠(AR)、硫酸锰(AR)、重铬酸钾(AR)、氯化亚锡(AR)、三氯化钛(AR)、二苯胺磺酸钠(AR)、钨酸钠(AR)。

1.2实验方法

1.2.1全铁含量的测定

(1) 准确称取0.1000 g左右氧化铁试样4份，分别放入250 mL锥形瓶中，加少许水润湿；

(2) 加入20～30 mL硫磷混酸，置于电热板上加热，至清亮(加热中边摇边加热，使试样溶解均匀)；

(3) 取下，用少许水冲洗瓶壁后趁热加入0.3 g铝片、30 mL水、5 mL盐酸；

(4) 置于电热板上低温加热，将铝片溶解完全，待试样由亮黄色变为无色，表明还原反应结束；

(5) 取下，再补加0.1 g铝片，溶解并冒大气泡时，取下在流水下冷却至室温；

(6) 加入80 mL水、20～40 mL的硫酸锰溶液；

(7) 立即用高锰酸钾标准溶液滴定，至呈稳定紫色并放置30 s不褪色为终点；

(8) 计算全铁含量。

同时做一空白试验。

1.2.2全铁含量的计算

计算公式：

(1)

式中：T——滴定系数：表示1 mL高锰酸钾溶液相当的铁量，g/mL

V1——试样滴定消耗高锰酸钾标准溶液的体积，mL

V2——空白样滴定消耗高锰酸钾标准溶液的体积，mL

ms——试样质量，g

1.2.3全铁含量测定实验的研究

(1)对比实验：对比铝片还原-高锰酸钾无汞无铬滴定法测定全铁含量的实验方法与氯化亚锡，三氯化钛还原-重铬酸钾滴定法测定全铁含量的实验方法，考察铝片还原-高锰酸钾无汞无铬滴定法测定全铁含量的实验效果。

(2)单因素实验：研究硫-磷混酸用量对溶样时间和滴定结果的影响、研究盐酸用量对还原时间和滴定结果的影响、研究滴定过程中硫酸锰用量对滴定结果的影响，每个影响因素重复五次。

(3)正交实验：综合考虑各因素的交互影响，优化出最佳试剂用量，对实验结果进行直观分析极差分析，确定各影响因素的主次顺序，重复三次。

(4)验证实验：验证正交实验优化出的最佳试剂用量，重复做三次实验，确定最佳值。

2　结果与讨论

2.1单因素实验

2.1.1硫磷混酸用量对溶样时间、滴定结果的影响

准确称取试样0.1000 g于锥形瓶中，以少许水润湿后分别加入硫-磷混酸10 mL、20 mL、25 mL、30 mL、35 mL、40 mL、50 mL，置于电热板上加热进行溶样，按照前文所述实验步骤，用铝片还原-高锰酸钾滴定法测定全铁含量。

图1　硫磷混酸用量对溶样时间、滴定结果的影响曲线

由图1可见，当混酸用量为25 mL时，溶样时间和还原反应所需时间时间明显缩短，特别是还原反应所需时间的变化十分显著。同时，滴定结果也有所提高。原因在于硫-磷混酸溶样，不仅可以减缓盐酸溶样中空气对二价铁的氧化[16]，而且，磷酸能与滴定过程中生成的三价铁生成[Fe(HPO4)2]-无色配位络离子，避免三价铁的黄色对滴定终点紫色的掩盖，使滴定过程变色明显，终点及时出现。因此，用铝片还原-高锰酸钾滴定法测定全铁含量的实验中，对于0.1 g左右试样，硫磷混酸的最佳用量为25 mL。

2.1.2盐酸用量对还原反应所需时间和滴定结果的影响

准确称取试样0.1000 g于锥形瓶中，加入硫磷混酸25 mL置于电热板上加热溶样，至清亮表明溶样完毕。取下，用少许水冲洗瓶壁后，趁热加入0.3 g铝片、30 mL水，再分别加入1 mL、3 mL、5 mL、5.5 mL、6.0 mL、6.5 mL、7 mL、7.5 mL盐酸，按照前文所述实验步骤用铝片还原-高锰酸钾滴定法测定全铁含量。结果如图2所示。

图2　盐酸用量对还原反应所需时间和滴定结果的影响曲线

由图2可见，当盐酸用量为6.5 mL时，不仅还原反应所需时间最少，而且滴定结果也明显提高。这是因为：还原时保证足够的盐酸存在，可以使三价铁全部还原为二价铁，并阻止二价铁再被氧化，但是盐酸浓度过大会使滴定终点提前到达，使结果偏低，所以在实验中应适当控制盐酸用量，铝片还原-高锰酸钾滴定法测定全铁含量的实验中，对于0.1 g左右试样，盐酸的最佳用量为6.5 mL。

2.1.3硫酸锰用量对滴定结果的影响

准确称取试样0.1000 g于锥形瓶中，加入硫-磷混酸25 mL置于电热板上加热溶样，至清亮表明溶样完毕。取下，用少许水冲洗瓶壁后，趁热加入0.3 g铝片、30 mL水，6.5 mL盐酸，置于电热板上低温加热(勿沸)将铝片溶解完全和黄色消失，取下，补加0.1 g铝片溶解并冒大气泡时取下，在流水下冲洗冷却，加入80 mL水，再分别入20%硫酸锰溶液10 mL、20 mL、30 mL、35 mL、40 mL、45 mL、50 mL、55 mL，按照前文所述实验步骤用铝片还原-高锰酸钾滴定法测定全铁含量。结果如图3所示。

图3　硫酸锰溶液用量对滴定结果的影响曲线

2.2正交实验

通过单因素实验得出了各个单因素的最适条件。但是，在整个实验中各因素之间是相互影响的，因此，将混酸用量(A)、盐酸用量(B)、硫酸锰用量(C)、3个可能有交互影响的因素进行了3因素3水平L9(33)的正交实验。因素与水平设计见表1，实验结果见表2。

表1　正交实验的因素与水平设计表

表2　L9(33)正交实验结果表

续表2

3207.04068.824256.04568.585256.54070.086257.03569.087306.04068.958306.53568.819307.04567.50K1205.69206.49206.85206.3433K2207.74206.8207.85207.4633K3205.26205.4203.99204.8833k168.563368.830068.950068.7811k269.246768.933369.283369.1544k368.420068.466767.996768.2947极差R0.82670.46661.2866

通过对正交实验结果的直观分析可得，在本方法测定全铁含量的实验中，硫酸锰用量对滴定结果影响较大，混酸次之，盐酸的影响效果最小。对于该实验，所需试剂的最优组合为A2B2C2，即：硫磷混酸为25 mL、盐酸用量为6.5 mL、硫酸锰溶液用量为40 mL。

3　结　论

本文通过做单因素试验、正交试验最终确定了铝片还原-高锰酸钾无汞无铬滴定法测定铁矿石中全铁含量所需试剂的最佳使用量以及各因素的影响大小。对于0.1 g铁矿石试样，所需试剂最佳使用量为硫磷混酸(各为3 mol/L)为25 mL、盐酸(6 mol/L)用量为6.5 mL、硫酸锰溶液(0.2 mol/L)用量为40 mL。其中硫酸锰用量对滴定结果影响较大，混酸次之，盐酸的影响效果最小。

[1]Yoshiro Matsumoto, Nobukatsu Fujino, Saburo Nasu. Influence of Combined Water and Fe(Ⅱ) on Determination of Total Iron in Iron ores by X-ray[J]. Fluorescence Analysis. ISIJ International, 1989, 29(11): 973-979.

[2]董亦斌,束嘉秀,王素萍. 硫酸铈滴定法测定铁矿中铁[J]. 冶金分析, 2003, 23(3): 57-58.

[3]尹晓芳. 甲基橙指示还原终点铈量法测定铁矿石中全铁含量[J]. 现代技术陶瓷, 2002，23(3): 44-46.

[4]张洪波,田鹏,吕子健,等. 反应条件SnCl2-TiCl3-K2Cr2O7法的影响[J]. 沈阳师范大学学报:自然科学版, 2010, 28(1): 76-78.

[5]武汉大学主编, 分析化学实验.2版[M].北京:高教出版社, 1985:313-318.

[6]刘步明,王瑞祥. 氯化亚锡-甲基橙测铁实验的讨论[J]. 榆林高考学报, 1996(01): 41-42.

[7]王瑞斌, 刘步明, 王高祥. N-苯甲酰羟胺-EDTA滴定法快速测定铁矿石中全铁[J]. 科学技术与工程, 2007(2): 236-238.

[8]附永际. 铝片还原-硫酸铈无汞滴定法测定铁矿石中全铁的改进[A].中国有色金属工业安全生产职业健康学术交流会论文集[C]. 2011.

Improvement of Determination of Total Iron Content in Iron Ore*

YIN Jun-ying, DANG Yan-qiu, CAO Yun-jie

(College of Chemistry and Chemical Engineering, Binzhou University，Shandong Binzhou 256600, China)

The aluminum reduction-potassium permanganate titration method was used for the determination of total iron content, which avoided the mercury and chromium in the harm to human body, and reduced the experimental pollution to the environment. The experiments showed that this measure total iron content had achieved good results. Through the single factor experiment and orthogonal test, the best condition of the law was determined as follows: mixed acid dosage was 25 mL, hydrochloric acid dosage was 6.5 mL, the need to join manganese sulfate solution in front of the titration was put forward, and the best dosage was 40 mL, so as to improve the experimental determination results and the whole process of the method to measure iron.

iron ore; aluminum; potassium permanganate

滨州学院教学研究项目(BYJYWZ201202)。

阴军英，讲师,研究方向：金属材料腐蚀与防护。

O65

A

1001-9677(2016)016-0125-03