硝酸铀酰溶液中硝酸浓度的自动测定

郑 楠，孙 亮

(核工业理化工程研究院，天津 300180)

硝酸铀酰溶液中硝酸浓度的自动测定

郑 楠，孙 亮

(核工业理化工程研究院，天津 300180)

设计一种硝酸铀酰中硝酸浓度的自动测量方法，对测量值与实际值不符的现象进行系数拟合，并使用LabVIEW软件编写系统程序和计算程序，实现了硝酸浓度的自动取样、稀释、测量和远程控制功能，测量标准误差为5%以内。

硝酸铀酰；硝酸浓度；自动控制

乏燃料处理中，需要对硝酸铀酰溶液进行净化处理，处理过程中，硝酸浓度对处理工艺效率影响很大，因此需要准确测定溶液中的硝酸浓度，以获得最优的工艺效率。目前测定溶液酸度的方法为络合滴定法，该方法测量准确，但需要人工取样和测量，耗时长，且滴定后的溶液不能再作为料液使用，存在铀损失；丁安庆等人[1-4]分别通过惠斯通电桥法和电导率仪测量溶液的电导率，建立了溶液密度、电导率、铀浓度、酸度网络曲线，在一定铀浓度范围内，硝酸浓度为2.0～4.0 mol/L时，可以通过pH计测量数据，查询网络图，得出溶液酸浓度；郑永章[5]设计了在线酸度检测装置，可用于溶液酸度的在线分析。但丁安庆设计的方法不能实现硝酸浓度的自动在线测定，且其在一定的铀浓度范围内测定硝酸的浓度，测量范围较窄。郑永章的方法是针对溶液中硝酸浓度较低时设计的，不能用于高浓度硝酸的测定。本文根据乏燃料处理液铀浓度不定，且杂质较多，处理过程中不能存在铀损失的特点，设计一种可在线检测乏燃料处理液中硝酸浓度的方法，并编写自动控制和计算程序，实现硝酸浓度分析的远程控制。

1 实验原理

1.1 络合滴定法

采用饱和草酸铵溶液络合硝酸铀酰中的铀离子，用稀硝酸调节溶液pH值=5.6，然后加入1 mL硝酸铀酰溶液，用标准氢氧化钠溶液滴定至pH值=5.6，记录氢氧化钠标液体积，根据公式(1)计算溶液中硝酸浓度。

(1)

式中：

c1—硝酸铀酰中硝酸浓度，mol/L；

c2—标准氢氧化钠溶液浓度，mol/L；

V1—加入的硝酸铀酰溶液体积，mL；

V2—滴定使用的标准氢氧化钠溶液体积，mL。

业内采用此法测量硝酸铀酰中酸浓度，因此，认为该方法分析的酸度值为溶液的实际酸度，并将设计的方法测量值与此法测定值进行对比，来判定设计方法的优劣。

1.2 设计思路

强酸稀溶液中，H+浓度即可代表其在溶液中的浓度，因此，可以通过pH计测量强酸稀溶液的pH值，再根据式(2)中pH值与溶液酸度的关系，计算溶液中的酸浓度：

cH+=10-pH

(2)

式中：

cH+—稀溶液中H+浓度，mol/L。

乏燃料处理液的硝酸浓度很高，不能直接采用此法测量，但按照此原理，可以对乏燃料处理液进行微量取样，并进行稀释，再经过程序计算获得其中的硝酸浓度，之后将测量后的测量液通过管道返回至处理罐中，这样不仅不会造成铀损失，而且测量溶液体积相对处理液的体积很小，不会影响处理液的酸浓度。

2 实验部分

2.1 实验主要仪器

1)pH计：雷磁PHSJ-3F；

2)蠕动泵：保定兰格，Bt100-2J/YZ1515X；

3)2位3通电磁隔离阀，北昂流体系统(上海)有限公司。

2.2 实验装置示意图

按照设计思路，设计的测量装置示意图如图1所示。

图1 实验装置示意图

2.3 自动测量过程的实现

测量过程分为取样、样品稀释和自动测量，图1显示了这些功能的实现方法：

取样：通过设置蠕动泵反转、转速，设置取样时间，则料液通过料罐，流经回料阀、取样泵、取样阀，通过取样管进入取样杯中，完成取样。

样品稀释：设置稀释泵正转、转速，则水罐中的蒸馏水流经稀释泵、稀释阀，通过稀释管进入取样杯中，完成样品稀释，同时在搅拌器作用下，混匀稀释样品。

自动测量：推下稀释杯上面的pH计测量溶液的pH值，然后根据稀释倍数与pH值之间的关系，通过软件自动计算获得溶液的酸浓度值。

2.4 基于LabVIEW程序实现自动测量过程

LabVIEW是虚拟仪器领域中进行图形化编程开发的软件，其自带VISA子模块，可以实现串口编程，完成控制机与仪器之间的连接与控制功能[6]。本实验购买的蠕动泵具有外控功能，可以通过RS-485接口，根据通讯规约控制泵的启停、方向和速度，其LabVIEW控制图如图2所示。

图2 LabVIEW编写的蠕动远程泵控制图

2位3通电磁阀可以通过24V继电器控制其电流通断，从而控制液体流向；pH计具有USB接口，可以与电脑串行口相连，实现数据的采集。根据这些功能，使用LabVIEW编写程序，可以直接在电脑界面上控制程序，从而实现系统的远程控制，且根据溶液中酸度计算关系和稀释倍数的关系，实现在线计算并输出硝酸溶液浓度的功能，计算程序如图3所示。

图3 LabVIEW编写的硝酸浓度计算程序

3 结果与讨论

3.1 溶液酸度的计算

按照稀释液的pH测量值和稀释倍数，计算溶液的酸度：

cH+=10-pH×L

(3)

cH+—稀溶液中H+浓度，mol/L；

L：稀释倍数。

实际测量过程中，发现实验测定计算值与络合滴定法测定值不一致，且当稀释倍数越小时，不一致的程度越大。这是因为实验所用的pH电极为玻璃电极，在其测量范围0～14内，其膜电位并非都遵守Nernst方程，当pH值<1.5时，其本为直线的测量会出现向上弯的现象，即产生“酸误”现象，且误差值大小与酸的浓度及电极的浸入时间有关[7-8]。

3.2 pH值与溶液酸度之间的计算拟合

针对3.1中所述问题，分析测量数据，发现测量数据与实际值之间存在一定的系数关系，给定两者之间的系数，并对系数和样品稀释后的酸度之间的系数进行拟合，拟合关系如图4所示。

图4 样品稀释后酸度与系数的拟合图

从图4可以看出，拟合度大于0.99。说明拟合系数的方式是可行的，之后通过系数与测量值计算，获得溶液中硝酸浓度。

3.3 测量系统的标准偏差

为了验证系数拟合后，测量系统的准确度，采用不同浓度的测量液，利用测量程序，分别稀释50倍，通过拟合后的计算程序计算测量液的酸浓度，结果如表1所示。

表1 硝酸浓度在线测量结果

从表1可以看出，测量的标准偏差在5%以内，说明，拟合效果良好，可以满足实验要求。

4 结论

(1)本设计实现了硝酸铀酰溶液中硝酸浓度的取样、样品稀释、测量、自动计算等功能；

(2)编写了自动控制系统程序，实现了硝酸铀酰中硝酸浓度分析的远程控制；

(3)采用给定系数、数据拟合的方式解决了设计中测量值和实际值不符的现象，测量的标准偏差在5%以内，可以满足实验要求。

[1] 丁安庆，徐惠民，罗星亮.密度-电导法联合测定硝酸铀酰-硝酸溶液中的铀和酸[J].原子能科学与技术,1981,15(2):148.

[2] 徐惠民,万明光.硝酸铀酰溶液中铀和酸的联合测定[J]. 原子能科学与技术,1981,15(4):456.

[3] 邵少雄，刘权卫,范德军,等.密度-电导-温度法测量铀酸体系中的铀和硝酸[J].核科学与放射化学,2015,37(3):160-165.

[4] Marchand P.Determination of uranyl nitrate and nitric acid based on in-line density and conductivity measurements[J].Anal Chim Acta,1970,57:230-232.

[5] 郑永章.溶液酸度在线检测装置的研制[J].分析试验室,1997,16(4):74-76.

[6] 梁国伟，陈方泉，林祖伟.基于LabVIEW的串口数据采集的实现和应用[J].现代机械，2009(5):57-58.

[7] 周湄生.pH测量中的电极问题[J].中国计量，2000(2):47.

[8] 李忠宽.pH测量中误差的来源与消除[J].发酵科技通讯,2000,10(4):31-33.

(本文文献格式：郑 楠，孙 亮.硝酸铀酰溶液中硝酸浓度的自动测定[J].山东化工,2017,46(11):101-103.)

Automatic Measurement of Nitric Acid Concentration in Uranyl Nitrate Solution

ZhengNan,SunLiang

(Research Institute of Physical and Chemical Engineering of Nuclear Industry)

This article designs a method to auto measure nitric acid concentration of uranyl nitrate solution. The coefficients are calculated because the measurements and the actual value are not fitted,then,system program and calculating program are written by LabVIEW software.The functions of automatic sampling,diluting sample,measurement and remote control are realized,and the standard error is less than 5%.

uranyl nitrate;concentration of nitric acid;remote control

2017-04-06

郑 楠(1985—)，本科，工程师，主要从事分析化学及其设备的研制。

O655.25

A

1008-021X(2017)11-0101-03