CC BY
32Ученые записки Таврического национального университета им. В. И. Вернадского Серия «Биология, химия». Том 24 (63). 2011. № 1. С. 214-219.
УДК 535.343.3:546.823
СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТИТАНА(111) ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СЕРНОКИСЛЫХ РАСТВОРАХ
Федоренко А.М., Крымова В.В., Федоренко А.А., Говоров Е.И., Асанова З.Д.
Таврический национальный университет им. ВИ.Вернадского, Симферополь, Украина E-mail: fedoram3 7@gmail.com
Разработана экспресс-методика селективного контроля концентрации ионов Ti3+ спектрофотометрическим методом. Изготовлен и опробован оптический прибор-анализатор, с помощью которого можно осуществлять определение концентрации Ti3+ в сернокислых растворах в анаэробных условиях. Найдена функциональная зависимость показаний оптического прибора-анализатора от концентрации ионов Ti3+.
Ключевые слова: определение титана(Ш), оптический прибор-анализатор. ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время технология производства пигментного диоксида титана сульфатным способом является распространенной во многих странах мира. Установлено, что в процессе производства диоксида титана необходимо контролировать концентрацию титана(Ш) как блокиратора ионов железа(Ш). На предприятиях для определения концентрации ионов Ti3+ широко применяется титриметрический метод с использованием железоаммонийных квасцов и роданида аммония [1]. Использование этого метода не является эффективным из-за затрат большого количества времени и окисления Ti3+ в присутствии кислорода воздуха. Потеря точности количественного определения Ti3+ происходит вследствие контакта с воздухом при взятии аликвоты и титровании растворов. Все эти факторы приводят к получению неточной информации со значительной задержкой во времени.
Целью данного исследования является разработка более эффективного метода непрерывного аналитического контроля концентрации Ti3+ в ходе производства диоксида титана.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Объектами исследования были растворы Ti2(SO4)3, которые готовили из технологического раствора № 1, полученного с ЗАО «КРЫМСКИЙ ТИТАН» (первая линия), с концентрацией Ti3+ = 4 г/дм3 и концентрацией TiOSO4 = 210 г/дм3. Для приготовления растворов использовали 30% раствор H2SO4 с плотностью 1,22 г/дм3. Все операции проводили в инертной атмосфере СО2, полученного из аппарата Киппа, для исключения процесса окисления Ti3+ в Ti4+ [2].
Контрольные растворы титана(Ш) готовили следующим образом. С помощью ареометра измерили плотность технологического раствора Т12^04)3 № 1 р=1,582 г/дм3.
Рассчитывали объемы технологического раствора № 1 и 30% раствора Н^04, необходимые для приготовления 100 граммов контрольного раствора с массовой долей исходного раствора № 1 100 %, 90 %, 80 %, 70 %, 60 % и 50 %.
V (раствора №1) = Н = 100(г)"(%) (1) ; р 1,582 (г/л) • 100%
V(H2S04) = = = ^ •Д(%) (2)
р 1,22 г/л • 100%
Массовая доля Т13+ в этих растворах рассчитали по формуле:
Vр раШ( мл) • 0,004 г мл а(П 3+ ) = р-^ ^-. 100% = Ур- рМ1 • 0,004 (3),
где 0,004 - содержание Т13+ в технологическом растворе № 1, выраженное в граммах на миллилитр.
Таблица 1
Расчет объемов для приготовления растворов сульфата титана(Ш)
№ колбы w р-ра №1 % w р-ра Н2804% w Т13+ % V р-ра № 1, мл V р-ра Н^04 с w=30%, мл
1 100 0 0,2528 63,2 0
2 90 10 0,2275 56,9 8,2
3 80 20 0,2023 50,6 16,4
4 70 30 0,1770 44,3 24,6
5 60 40 0,1517 37,9 32,8
6 50 50 0,1262 31,6 41,0
Объемы измеряли с помощью бюретки на 100 мл, заполненной СО2. Хранение растворов осуществляли в склянках с притертыми пробками. Приготовленные растворы анализировали с помощью оптического прибора-анализатора, сконструированного в лаборатории технической электрохимии. На Рисунке 1 представлена схема прибора-анализатора.
Рис. 1. Схема оптического прибора-анализатора для анаэробного метода анализа растворов:
1 - проточная кювета, 2 - подвод раствора, 3 - линза-конденсор, 4 - корпус для светодиода, 5 - светодиод, 6 - корпус для фотодиода, 7 - фотодиод, 8 -интерференционный светофильтр, 9 -падающий поток света, 10 - прошедший поток света, 11 - регистрирующее устройство (цифровой вольтметр).
Работа оптического анализатора основана на использовании электромагнитного излучения с узким диапазоном длин волн (420-490 нм), приходящимся на максимум поглощения сульфатных комплексов титана(Ш). Исследования проводились в интервале концентраций ионов ТЩП) 2-4 г/дм3 в атмосфере диоксида углерода.
В Табл. 2 представлены результаты показаний напряжения (В) на регистрирующем вольтметре в зависимости от концентрации Т13+ в растворе.
Таблица 2
Зависимость показаний анализатора от концентрации титана(Ш) в растворе
№ колбы Концентрация Т13+, г/дм3 Напряжение на вольтметре, В
1 4,0 0,18
2 3,6 0,41
3 3,2 0,98
4 2,8 2,45
5 2,4 6,29
6 2,0 11,84
Концентрацию ионов Т3+ в г/дм3 вычисляли по формуле:
т = арастеораМ1(%) ' 4(г/дм ) т 100%
(4)
На основании данных таблицы 2 с помощью программы 01^тРго 7.5 получен калибровочный график зависимости напряжения (В) от концентрации ионов Т13+ (рис. 2).
Из графика видно, что увеличение концентрации титана(Ш) сопровождается уменьшением показаний прибора-анализатора от 11,84 до 0,18 В.
Рис. 2. Калибровочный график зависимости величины напряжения от концентрации сульфата титана(Ш) в сернокислых растворах.
Функциональная зависимость напряжения от концентрации ионов Т13+ описывается следующим полиномом:
Б = 98,86 - 75,58х + 19,37х2 - 1,66х3,
где: Б - напряжение анализатора (В) х - концентрация ионов Т13+, г/дм3.
РЕЗУЛЬТАТЫ И обсуждение
Известно, что окислительно-восстановительные потенциалы ионов титана и железа существенно отличаются.
Ре3+ + е" = Бе2+ Е = 0,771 В
Т14+ + е"= Т13+ Е = - 0,04 В
В этом случае разность окислительно-восстановительных потенциалов системы составляет:
Еох - ЕКеа = 0,771 - (- 0,04) = 0,811 В
Это дает право говорить о принципиальной возможности протекания следующего процесса:
Ре3+ + Тх3+ = Бе2+ + Тх4+ Экспериментально установлено, что области поглощения ионов Бе, Бе, ТГ, Т13+ в растворах серной кислоты в области электронных спектров не перекрываются и имеют явно выраженные максимумы [3]. Для сульфата железа(Ш) при концентрации 1,2-10"4 моль/дм3 максимум поглощения находится в области 310 нм. В 1,0 М растворе серной кислоты оптическая плотность достигает значения 0,3. При повышении концентрации серной кислоты максимум поглощения заметно смещается в длинноволновую область. Сульфатные комплексы железа(II) в технологических растворах поглощают в области 930 нм. Сами же сульфатные комплексы титана(ГУ) имеют интенсивную полосу поглощения в дальней ультрафиолетовой области с 1 = 224 нм. Максимум поглощения для сульфатных комплексов титана(Ш) находится в области 460-520 нм.
Таким образом, использование электромагнитного излучения с узким диапазоном длин волн, приходящимся на максимум поглощения сульфатных комплексов титана(Ш), позволяет качественно и количественно определять присутствие ионов Т13+ в производственном процессе в течение 10-20 секунд без контакта с воздухом.
ВЫВОДЫ
1. На основании экспериментальных исследований выявлена возможность применения оптического метода для контроля концентрации ионов Т13+ в ходе промышленного производства диоксида титана сульфатным способом.
2. Разработан и изготовлен оптический прибор-анализатор, с помощью которого возможно осуществлять определение концентрации Т13+ в сернокислых растворах.
3. В результате испытаний прибора-анализатора установлено, что лежащая в основе методика, позволяет быстро и селективно определять содержание Т13+ в сернокислых растворах.
4. Найдена функциональная зависимость показаний оптического прибора-анализатора от концентрации титана(Ш), которая описывается полиномом
Б = 98,86 - 75,58х + 19,37х2 - 1,66х3
Список литературы
1. Производство двуокиси титана пигментной сульфатным способом / [Скомороха В.Н., Зареченный В.Г., Воробьева В.П., Вакал С.В.]. - Сумы АТЗТ «Арсенал-Пресс». 2002. - 204 с.
2. Золотов Ю.А. Основы аналитической химии / Золотов Ю.А. - М.: Высшая школа, 2000. - 351 с.
3. Спектрофотометрическое определение титана(Ш) и (IV), железа(Ш) и (II) в сернокислотных растворах // А.М. Федоренко, Э.А. Курмачев, Ю.И. Цибрий [и др.] // Ученые записки Таврического национального университета им. В.И. Вернадского. Серия «Биология, химия». -2006. - Т. 19, № 2. - С. 134-138.
Федоренко O.М Визначення спектрофотометрil титану(Ш) в технолопчних арчанокислих розчинах / O.М. Федоренко, В. В Кримова, АЮ Федоренко, E.I Говоров, З.Д. Асанова // Вчет записки Тавршського нацюнального унiверситету iм. В.1. Вернадського. Сeрiя „Бюлопя, хiмiя". - 2011. - Т. 24 (63), № 1. - С. 214-219.
Розроблено експрес-методику селективного контролю концентрацл юшв Т13+ спектрофотометричним методом. Виготовлений i випробуваний оптичний прилад-аналiзатор, за допомогою якого можна здiйснювати визначення концентрацп Т13+ у сiрчанокислих розчинах безконтактним способом. Знайденi функцiональна залежнiсть показань оптичного аналiзатора вiд концентрацп Т13+. Ключовi слова: визначення титану(Ш), оптичний прилад-аналiзатор.
Fedorenko A.M. Determination of spectrophotometry of titan(DI) is in technological sulphuric acid solutions / A.M. Fedorenko, V.V. Krimova AA Fedorenko., E.I. Govorov, Z.D. Asanova // Scientific Notes of Taurida V.Vernadsky National University. - Series: Biology, chemistry. - 2011. - Vol. 24 (63), No. 1. - P. 214-219.
Express-methodology of selective control of concentration of ions Ti3+ is worked out by a spectrophotometry method. An optical device-analyzer by means of which it is possible to carry out determination of concentration of Ti3+ in sulphuric acid solutions by a noncontact method is made and tested. Found functional dependence of testimonies of optical analyzer from the concentration of Ti3+. Keywords: titan(III) determination, optical device-analyzer.
Поступила в редакцию 21.02.2011 г.
