卡尔·费休库仑滴定法测定高纯乳酸中水分

段嫚雷，王东辉，孟娇然，夏娃，杨柳，石玮，丁敏

（上海市计量测试技术研究院，上海 201203）

卡尔·费休滴定法是经典的水分测量方法，被广泛应用于化工、医疗等行业，该方法具有测量范围较宽、操作简单等特点[1-2]。卡尔·费休滴定法根据其原理不同又分为容量滴定法和库仑滴定法，其中，容量滴定法适用于水分的常量分析，库仑滴定法适用于水分的微量分析[2]。目前，国内外测定高纯有机物中的水分主要采用库仑滴定法[3]。高纯有机物通常含水量较低，测定结果准确度受实验环境、测定方法等影响。特别是具有易吸湿等特性的高纯有机物，对其水分含量的准确测定更加困难。

乳酸是一种天然有机酸，由于其具有调节酸度、抗微生物等功能，被广泛应用于食品、畜牧等行业[4-5]。食品中乳酸含量超标会严重影响口感，畜牧行业饲料中乳酸添加过多则会对家禽肠胃造成伤害。欧盟果蔬饮料协会规定，苹果汁中乳酸最大含量为0.5 g/L。同时，乳酸作为人体能量代谢的中间产物，其含量也是指导危急重症患者治疗的重要指标之一[6]，因此对乳酸含量进行严格控制和准确测定十分重要。目前国内外没有乳酸有证标准物质，各个行业常使用高纯乳酸试剂配制标准溶液对不同基体中的乳酸含量进行方法校准和定量测定[4-7]，因此需要对高纯乳酸试剂的纯度进行准确测定，从而保障不同基体中乳酸含量测定的准确性。

水分含量的测定是有机物纯度测定的关键因素[8]，由于乳酸具有较强的吸湿性，在常规实验条件下难以准确测定高纯乳酸中的微量水分含量，从而影响其纯度测定结果的准确性。目前，国内外也尚未有高纯乳酸中水分含量测定的相关文献报道。笔者考察在湿度可控的手套箱环境下采用卡尔·费休库仑滴定法对高纯乳酸水分测定的影响，建立高纯乳酸水分的准确测定方法，为高纯乳酸纯度测定和相关高纯有机物的水分测定提供参考。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

卡尔·费休库仑法水分测定仪：852 型，瑞士万通公司。

电子天平：CP224S型，感量为0.000 1 g，德国赛多利斯公司。

卡尔·费休试剂：Coulomat AG 型，美国霍尼韦尔公司。

L-乳酸：纯度(质量分数)不小于98%，美国默克公司。

液体水分含量标准物质：水质量分数为0.020 9%，扩展不确定度为0.001 2%(k=2)，标准物质编号为GBW 13514，批号为202202，中国计量科学研究院。

1.2 实验方法

卡尔·费休库仑滴定法的实验原理是卡尔·费休试剂(氢碘酸、二氧化硫、吡啶和甲醇或乙二醇甲醚组成的溶液)与样品中的水定量反应，反应式如下：

在反应中，碘和水以1∶1 的化学计量比进行反应，反应开始，水分测定仪发生电极电解氢碘酸生成碘，与样品中的水发生反应，测定电极产生电压变化，反应持续进行直至样品中的水分反应完全，测定电极电压趋于稳定，反应结束。依据法拉第电解定律，电解产生的碘与电解所用的电量成正比，通过消耗的电量得到产生碘的总量，可计算得到样品中的含水量[9-10]。

高纯乳酸中水分含量测定的过程：

(1)仪器预平衡。在卡尔·费休库仑法水分测定仪的滴定杯中加入卡尔·费休试剂，开启仪器滴定至漂移值低于设定阈值即达到平衡。

(2)空白测定。设置仪器参数为搅拌速度500 r/min，萃取时间60 s，相对停止漂移值为5 μg/min，打开滴定杯进样口，模拟进样，得到空白测定值。

(3)水分测定。用减重法准确称取0.10 g高纯乳酸，加入滴定杯，测得实验结果，扣除空白测定值，即为高纯乳酸中水分含量。

2 结果与讨论

2.1 手套箱环境对仪器漂移及高纯乳酸水分测定结果的影响

2.1.1 手套箱环境对仪器漂移的影响

实验环境的湿度会对卡尔·费休水分测定仪的漂移值产生影响，进而影响样品水分测定准确度，为保证样品水分测定数据准确性，需要仪器漂移值尽可能低且稳定[11-12]。分别在实验室环境[温度为(20±2) ℃，相对湿度为60%]及手套箱环境[温度为(20±2) ℃，绝对湿度低于1×10-3kg/m3]下观察卡尔·费休水分测定仪预平衡后的漂移值，考察手套箱环境对仪器漂移的影响。

实验观察发现在实验室环境下，卡尔·费休水分测定仪的漂移值在(12.0～15.0) μg/min 范围内波动。手套箱内置气体循环干燥系统，箱内整体环境绝对湿度保持在1×10-3kg/m3以下，仪器放置在该环境下达到平衡后，漂移值在(3.0～3.5) μg/min 范围内波动。实验结果表明，在上述手套箱环境下，仪器平衡后的漂移值较低且相对稳定。

2.1.2 手套箱环境对高纯乳酸水分测定结果的影响

将高纯乳酸充分混匀后等量分装到两个洁净的加盖样品瓶中，放入手套箱内，待卡尔·费休库仑法水分测定仪预平衡后，分别对两瓶高纯乳酸样品的水分含量进行测定，记为初始值，然后打开其中一瓶的盖子使乳酸样品暴露在手套箱实验环境下，1 h后再次分别对两瓶乳酸样品的水分含量进行测定，记为最终值，考察实验环境对乳酸水分测定结果的影响。

按照上述实验方法，考察实验环境对乳酸水分测定结果的影响，得到实验数据见表1，乳酸水分含量变化见图1。

图1 手套箱环境下高纯乳酸水分含量变化Fig.1 Change of water content of high purity lactic acid in glove box environment

表1 手套箱环境下高纯乳酸水分测定结果Tab.1 Determination results of water in high purity lactic acid in glove box

由图1 可以看出，两瓶高纯乳酸水分含量初始值一致，在手套箱实验环境下放置1 h后，与不开盖样品相比，开盖的高纯乳酸中水分含量下降较多。实验结果表明，当乳酸敞口放置在手套箱时，手套箱中的干燥实验环境会导致乳酸中原有水分的流失，为最大程度保证测定结果的准确性，在手套箱环境下进行乳酸水分含量测定时应尽量缩短样品开盖时间。

2.2 仪器测定方法参数的优化

卡尔·费休库仑滴定法中影响样品水分含量测定结果的方法参数，通常包括取样量、搅拌速度、萃取时间及相对停止漂移值等[13-15]。

参照1.2 中测定过程，依次考察取样量、搅拌速度、萃取时间及相对停止漂移值对高纯乳酸中水分含量测定结果的影响，确定测定参数设置。

2.2.1 取样质量对高纯乳酸水分含量测定结果的影响

分别准确称取0.05、0.10、0.15 g 高纯乳酸进行水分含量测定，结果见表2。由表2 可知，在不同取样质量情况下，乳酸水分含量测定结果的平均值无明显差异。当取样质量为0.05 g 时，测定结果的相对标准偏差较大。结合仪器特性分析，当取样质量为0.05 g 时，乳酸绝对含水量接近水分测定仪的检出限10 μg，因此实验测定结果重复性较差。当取样量分别为0.10、0.15 g 时，实验测定结果重复性较好，本着经济合理原则取样质量确定为0.10 g。

表2 不同取样质量对应高纯乳酸水分测定结果Tab.2 Determination results of water in high purity lactic acid with different sampling amounts

2.2.2 搅拌速率对高纯乳酸水分含量测定结果的影响

分别设定搅拌速率为500、1 000、1 500 r/min，试验考察三种搅拌速率对高纯乳酸水分含量测定结果的影响，结果见表3。由表3 可知，不同搅拌速率下测定结果的平均值及相对标准偏差基本一致。实验过程中，在1 000、1 500 r/min的搅拌速率下，滴定杯中溶液液面波动较大，液面不稳定，因此搅拌速率确定为500 r/min。

表3 不同搅拌速率对应高纯乳酸水分测定结果Tab.3 Determination results of water in high purity actic acid with different Stirring rate

2.2.3 萃取时间对高纯乳酸水分含量测定结果的影响

在取样质量及搅拌速度不变的情况下，萃取时间太短，则反应进行不完全，不仅会造成乳酸水分含量测定结果偏低，还可能会对后续样品测定结果产生干扰；萃取时间太长，不仅浪费实验时间，测定结果也更容易受环境干扰。实验考察了萃取时间分别为60、120、180 s时对高纯乳酸水分含量的测定结果的影响，结果见表4。由表4可知，当萃取时间为60 s 时测定结果的相对标准偏差最小，萃取时间越长相对标准偏差越大。这可能是由于高纯乳酸样品含水量较低，萃取时间越长，测定值越容易受到环境干扰，因此萃取时间确定为60 s。

表4 不同萃取时间对应高纯乳酸水分测定结果Tab.4 Determination results of water in high purity lactic acid with different extraction time

2.2.4 相对停止漂移值对高纯乳酸水分含量测定结果的影响

分别设置相对停止漂移值为2、3、5 μg/min进行试验，高纯乳酸水分含量测定结果见表5。由表5可见，不同相对停止漂移值，高纯乳酸水分含量测定结果平均值基本一致，相对停止漂移值为5 μg/min 时相对标准偏差最小，因此将高纯乳酸测定方法的相对停止漂移值设置为5 μg/min。

表5 不同相对停止漂移值对应高纯乳酸水分测定结果Tab.5 Determination results of water in high purity lactic acid with different stop drift value

根据以上实验结果，建立了手套箱中卡尔·费休库仑法测定高纯乳酸中水分的实验方法：在绝对湿度低于1×10-3kg/m3的手套箱实验环境下，乳酸取样量为0.10 g，卡尔·费休水分滴定仪参数设置分别为搅拌速度500 r/min，萃取时间60 s，相对停止漂移值为5 μg/min。

2.3 方法精密度

在2.2 的优化后的实验条件下，重复测定10 次高纯乳酸中水分，结果见表6。高纯乳酸中水分10次重复测定的平均值为188 μg/g，相对标准偏差为3.8%(n=10)，实验结果表明，该测定方法具有较好的精密度。

表6 高纯乳酸中水分测定结果Tab.6 Determination results of water in high purity lactic acid

2.4 方法准确度

在2.2 优化后的实验条件下，准确称取GBW 13514水分含量有证标准物质0.10 g，按照优化后的实验方法测定水分含量，重复测定10 次，结果见表7。

表7 水分含量标准物质测定结果Tab.7 Determination results s of water content reference material

水分含量标准物质的水分含量测定平均值为201 μg/g，即0.020 1%，在其参考值(0.020 9±0.001 2)%范围内，实验结果表明，该测定方法具有较好的准确度。

3 结论

研究了手套箱环境下采用卡尔·费休库仑滴定法测定高纯乳酸中水分的方法，优化了实验环境及条件，建立了高准确度测定方法。实验结果表明，实验环境湿度对高纯乳酸中微量水分测定具有显著影响，较高的环境湿度会使卡尔·费休水分仪漂移值变大且不稳定，进而影响高纯乳酸水分测定结果的准确度；实验环境湿度过低则会导致高纯乳酸中原有水分的流失，也不利于水分含量的准确测定。缩短样品开盖时间，可以减少环境湿度对测定结果的影响。实验同时考察了测定方法参数对测定结果的影响，结果表明，取样量、萃取时间对水分测定结果影响较大，搅拌速度和相对停止漂移值对测定结果无显著影响。取样量较低时，样品含水量接近仪器检出限，测定结果重复性差；取样量不变，萃取时间越长，测定结果重复性越差。

建立的卡尔·费休库仑水分测定仪测定高纯乳酸中水分的方法，精密度、准确度较高。利用该方法可以为高纯乳酸中水分的准确定值，为高纯乳酸纯度测定提供支撑，同时也可为相关高纯有机物的水分测定提供参考。