本發(fā)明屬于水處理領(lǐng)域，尤其是用鐵粉作為修復(fù)劑的水處理技術(shù)，具體地涉及一種測(cè)定納米級(jí)及微米級(jí)鐵粉中零價(jià)鐵含量的裝置及其用法。

背景技術(shù)：

隨著化學(xué)工業(yè)的迅猛發(fā)展，抗生素、藻毒素、染料等污染物排入環(huán)境中，多數(shù)物質(zhì)及其代謝產(chǎn)物都具有致癌、致畸和致突變的危害，已對(duì)環(huán)境和人類健康構(gòu)成極大的威脅，成為人們重點(diǎn)關(guān)注的問題之一。近年來，鐵粉作為水環(huán)境修復(fù)新型環(huán)保材料的研究得到了人們的關(guān)注。尤其是納米零價(jià)鐵，由于其顆粒小、比表面積大，反應(yīng)活性高，能有效去除水或土壤中的重金屬、氯代烴等污染物，已經(jīng)成為環(huán)境科學(xué)研究的前沿?zé)狳c(diǎn)之一。另外，零價(jià)鐵粉在航空、機(jī)械制造等領(lǐng)域也有著廣泛用途。

合成納米鐵（NZVI）的傳統(tǒng)方法主要是化學(xué)法，化學(xué)合成法對(duì)于發(fā)展NZVI用于環(huán)境修復(fù)起著積極作用，然而化學(xué)法常使用一些有毒的化學(xué)物質(zhì)如還原劑(硼氫化鈉)、有機(jī)溶劑和不可生物降解的分散劑、穩(wěn)定劑,存在成本高和二次污染等問題。在被污染環(huán)境的修復(fù)中，開發(fā)環(huán)境友好、成本低廉的鐵粉合成技術(shù)是其在環(huán)境修復(fù)中面臨的關(guān)鍵問題。目前，綠色合成技術(shù)備受關(guān)注，目前有許多科學(xué)家利用綠茶、高粱麩皮、桉樹葉等合成納米級(jí)鐵粉，這是由于這些物質(zhì)中的有機(jī)酸和多酚可將Fe²⁺還原為納米級(jí)的Fe單質(zhì)，這些成分還可以作為鐵粉的分散劑和掩蔽劑阻止其團(tuán)聚和氧化，保障了其高的反應(yīng)活性。與傳統(tǒng)的化學(xué)合成方法相比，綠色合成過程避免使用有毒化學(xué)物質(zhì)、降低能量消耗，具有經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境友好等特點(diǎn)。

由于無論何種方法制作的鐵粉，如果保存不善，均會(huì)在空氣中迅速氧化而失去利用價(jià)值。因此，快速測(cè)定鐵粉中零價(jià)鐵的含量就成為一項(xiàng)十分重要的工作；對(duì)于鐵粉中零價(jià)鐵含量的測(cè)定，有必要尋找一種簡(jiǎn)便可行、測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠的方法，為鐵粉在各種領(lǐng)域的應(yīng)用提供保障。

通常用的化學(xué)檢測(cè)方法如原子吸收光譜、離子色譜等（分析Fe²⁺或Fe³⁺的量，由鐵粉表面氧化層中氧化態(tài)Fe和核心部分的Fe⁰共同貢獻(xiàn)）都難以分析出鐵粉在一定老化時(shí)間或反應(yīng)時(shí)間后有效零價(jià)鐵含量。

現(xiàn)有零價(jià)鐵定量分析方法有銅離子氧化及氫氣還原法。銅離子氧化法是根據(jù)Cu²⁺的消耗量測(cè)量鐵粉中零價(jià)鐵的含量，Cu²⁺與Fe⁰的反應(yīng)產(chǎn)物包括Cu與Cu₂O，但在計(jì)算時(shí)Cu₂O的含量常被忽略，這種方法所測(cè)零價(jià)鐵含量往往偏高。

氫氣還原法是利用H₂與鐵粉中鐵氧化物發(fā)生還原反應(yīng)，從而測(cè)定反應(yīng)產(chǎn)物H₂O的生成量，計(jì)算氧化鐵的含量，進(jìn)而利用差減法推定零價(jià)鐵的含量。而鐵粉中氧化物的形態(tài)有多種，且各形態(tài)之間沒有固定比例關(guān)系，根據(jù)測(cè)定氧含量不可能準(zhǔn)確地計(jì)算零價(jià)鐵的含量，故此氫氣還原法測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性也較差。

專利（申請(qǐng)?zhí)枮?01410243365.7）用Fe³⁺溶液中投加鐵粉，反應(yīng)一定時(shí)間后，向溶液中加入螯合劑或絡(luò)合劑，最后計(jì)算Fe³⁺測(cè)試溶液中溶解態(tài)鐵元素的增量。該方法中螯合劑或絡(luò)合劑為乙二胺四乙酸鹽、磺基水楊酸鹽或硫氰酸鹽中的一種以上，整個(gè)反應(yīng)過程中，溶解氧濃度控制在小于1mg/L，整個(gè)測(cè)試過程需要2-24h。該方法步驟復(fù)雜，操作繁瑣，造成了試劑的大量浪費(fèi)，需要在限氧條件下測(cè)試，測(cè)試條件苛刻，反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，造成測(cè)試結(jié)果誤差大。

專利（申請(qǐng)?zhí)枮?01510176411.0）通過分析偶氮染料溶液與納米零價(jià)鐵顆粒反應(yīng)前、后的光譜特性變化以確定納米零價(jià)鐵顆粒中Fe⁰的含量。該方法包括七個(gè)步驟，所用試劑多，同樣存在步驟繁瑣，操作復(fù)雜，試劑浪費(fèi)的缺點(diǎn)。

現(xiàn)有文獻(xiàn)也報(bào)道了通過向納米零價(jià)鐵溶液中滴加酸液充分反應(yīng)并收集生成的H₂，最后測(cè)量其體積的方法來檢測(cè)有效Fe⁰的含量，但此方法存在如氫氣不好收集等很多操作性難題，很容易產(chǎn)生較大的檢測(cè)誤差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)問題，提供了一種制作成本低、操作簡(jiǎn)單、可以隨時(shí)隨地準(zhǔn)確測(cè)定納米級(jí)及微米級(jí)鐵粉中零價(jià)鐵含量的裝置及其使用方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：測(cè)定納米級(jí)及微米級(jí)鐵粉中零價(jià)鐵含量的裝置，主要包括U型管和倒Y型管；所述U型管的左側(cè)管帶有刻度線，所述U型管的右側(cè)管口借助橡膠管和標(biāo)準(zhǔn)塞與倒Y型管的進(jìn)樣口相連，所述U型管內(nèi)裝有水平面在0刻度線及以上的液體。

進(jìn)一步地，所述U型管的右側(cè)管設(shè)有倒U型支管，所述倒U型支管的末端為第一寶塔嘴，所述標(biāo)準(zhǔn)塞設(shè)有第二寶塔嘴；所述倒Y型管的進(jìn)樣口與標(biāo)準(zhǔn)塞的塞口端相連，所述橡膠管分別與第一寶塔嘴和第二寶塔嘴相連。

進(jìn)一步地，所述第一寶塔嘴與第二寶塔嘴之間的距離小于0.5cm。

進(jìn)一步地，所述倒Y型管的進(jìn)樣口為磨口，型號(hào)為19/26口。

進(jìn)一步地，所述U型管、倒Y型管和標(biāo)準(zhǔn)塞的材質(zhì)均為高硼硅玻璃、厚度均為2mm。

進(jìn)一步地，所述U型管內(nèi)的液體為水。

進(jìn)一步地，所述U型管的內(nèi)徑為1cm~3cm、高度為20~30cm，倒U型支管的第一寶塔嘴和標(biāo)準(zhǔn)塞的第二寶塔嘴的直徑均小于1cm。

如權(quán)利要求1所述測(cè)定納米級(jí)及微米級(jí)鐵粉中零價(jià)鐵含量裝置的使用方法，包括以下步驟：

a、將U型管垂直固定，并將U型管的第一寶塔嘴端用橡膠管與標(biāo)準(zhǔn)塞的第二寶塔嘴緊密連接；往U型管中加入水，使其U型管的左側(cè)管的水平面位于0 ml及以上位置；

b、稱取質(zhì)量為M g的鐵粉，將其和過量的稀鹽酸分別加入倒Y型管的兩支管內(nèi)，用標(biāo)準(zhǔn)塞將倒Y型管封好，記錄此時(shí)U型管左側(cè)水平面的刻度為V_初ml；

c、用電子氣壓計(jì)記錄此時(shí)的大氣壓P1 kpa，氣溫T ℃；

d、將倒Y型管緩緩傾斜，使其支管內(nèi)的稀鹽酸慢慢流入裝有鐵粉的支管內(nèi)，待其與鐵粉反應(yīng)完全后記錄此時(shí)U型管左側(cè)水平面的刻度為V_末 ml；

e、如下面公式，即可獲得鐵粉中零價(jià)鐵的含量Y：

。

進(jìn)一步地，所述稀鹽酸由37%的濃鹽酸與水按體積比1:1～1:4配制而成。

本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)原理為：本發(fā)明裝置通過倒Y型管兩支管內(nèi)的鐵粉和稀鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，由于裝置密封，從而產(chǎn)生的氫氣推動(dòng)U型管右側(cè)管水液面下降，左側(cè)管水液面上升，液面變化的體積即為產(chǎn)生氫氣的體積V₁，記錄當(dāng)時(shí)的大氣壓P₁和氣溫T₁。

根據(jù)以下公式計(jì)算產(chǎn)生的氫氣摩爾數(shù)，

其中：n為氫氣摩爾數(shù)；P₁為測(cè)量的大氣壓；V₁為獲得的氫氣體積；T_N為273.15K，P_N為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（101325帕）；V_N為22.4升；T₁為測(cè)量的溫度（攝氏度+273.15K）。

根據(jù)鐵與稀鹽酸的反應(yīng)方程式Fe+2HCl=FeCl₂+H₂↑得知Fe的摩爾數(shù)與H₂的摩爾數(shù)n相等，從而得知Fe的質(zhì)量，根據(jù)加入倒Y型管內(nèi)的鐵粉的總質(zhì)量進(jìn)而計(jì)算得出零價(jià)鐵的含量。

本發(fā)明獲得的有益效果為：a、本發(fā)明裝置測(cè)試精度較高，誤差范圍在5%以內(nèi)；b、本裝置方便攜帶，不受溫度、含氧量等外界因素的影響，可以在野外場(chǎng)地進(jìn)行使用；c、本裝置使用的過程中所使用的藥劑簡(jiǎn)單，只需要濃鹽酸和水即可完成測(cè)試，環(huán)境污染很小；d、本裝置采用成本低廉的玻璃管燒制，并使用乳膠管相連接，具有成本低、制作材料和工藝環(huán)保無污染的特點(diǎn)；e、本方法操作簡(jiǎn)單，使用方便，很容易掌握。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是包覆型NZVI的質(zhì)量與產(chǎn)生H₂的體積的關(guān)系曲線圖。

其中，1代表U型管、2代表倒Y型管、3代表橡膠管、4代表標(biāo)準(zhǔn)塞、5代表第一寶塔嘴、6代表第二寶塔嘴、7代表倒U型支管。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

實(shí)施例1

a.購(gòu)買包覆型的NZVI，備用。用50ml量筒量取50ml去離子水倒入100ml燒杯中，再量取50ml濃鹽酸倒入去離子水中，用玻璃棒攪拌均勻，配置濃鹽酸與水的體積比為1:1的稀鹽酸，備用；

b.將U型管1用鐵架臺(tái)垂直固定，在U型管1內(nèi)注入自來水使其液面與0刻度線齊平，用橡膠管3將第一寶塔嘴5和第二標(biāo)寶塔嘴6連接；

c.稱取購(gòu)買的包覆型NZVI 11.38mg，用鑰匙將稱取的NZVI加入倒Y型管2的一個(gè)支管內(nèi)，用滴管吸取過量的稀鹽酸加入倒Y型管2的另一個(gè)支管內(nèi)，將標(biāo)準(zhǔn)塞4蓋在倒Y型管2的進(jìn)樣口上，記錄此時(shí)的液面位置為0.6ml；

d.輕輕地將倒Y型管2傾斜使其支管內(nèi)的稀鹽酸緩慢流入NZVI的支管內(nèi)與包覆型NZVI反應(yīng)，待反應(yīng)完全后記錄此時(shí)的液面位置為3.6ml，于反應(yīng)前比液面上升了3.0ml，即產(chǎn)生的氫氣體積為3.0ml；

e.用電子氣壓計(jì)測(cè)量此時(shí)的大氣壓為99.06Kpa，氣溫為27.9℃；

f.根據(jù)公式計(jì)算氫氣的摩爾數(shù)為0.12mM，根據(jù)反應(yīng)方程式Fe+2HCl=FeCl₂+H₂↑推算純納米鐵的摩爾數(shù)為0.12mM，即為6.72mg，由此計(jì)算所測(cè)包覆型NZVI中零價(jià)鐵含量為6.72/11.38*100%=59.05%。

實(shí)施例2

a.購(gòu)買包覆型的NZVI，備用；用50ml量筒量取50ml去離子水倒入100ml燒杯中，再量取50ml濃鹽酸倒入去離子水中，用玻璃棒攪拌均勻，配置濃鹽酸與水的體積比為1:1的稀鹽酸，備用；

b.將U型管1用鐵架臺(tái)垂直固定，在U型管1內(nèi)注入自來水使其液面與0刻度線齊平，用橡膠管3將第一寶塔嘴5和第二寶塔嘴6連接。

c.稱取購(gòu)買的包覆型NZVI 22.36mg，用鑰匙將稱取的NZVI加入倒Y型管的一個(gè)支管內(nèi)，用滴管吸取過量的稀鹽酸加入倒Y型管2的另一支管內(nèi)，將標(biāo)準(zhǔn)塞4蓋在倒Y型管2的進(jìn)樣口上，記錄此時(shí)的U型管1內(nèi)液面位置為0.6ml；

d.輕輕地將倒Y型管2傾斜使其支管內(nèi)的稀鹽酸緩慢流入另一支管內(nèi)與包覆型NZVI反應(yīng)，待反應(yīng)完全后記錄此時(shí)的液面位置為6.6ml，于反應(yīng)前比液面上升了6ml，即產(chǎn)生的氫氣體積為6ml；

e.用電子氣壓計(jì)測(cè)量此時(shí)的大氣壓為99.05Kpa，氣溫為26.9℃；

f.根據(jù)公式計(jì)算氫氣的摩爾數(shù)為0.24mM，根據(jù)反應(yīng)方程式Fe+2HCl=FeCl₂+H₂↑推算純納米鐵的摩爾數(shù)為0.24mM，即為13.44mg，由此計(jì)算所測(cè)包覆型NZVI中零價(jià)鐵含量為13.44/22.36*100%=60.11%。

實(shí)施例3

a. 購(gòu)買包覆型的NZVI，備用。用50ml量筒量取50ml去離子水倒入100ml燒杯中，再量取50ml濃鹽酸倒入去離子水中，用玻璃棒攪拌均勻，配置濃鹽酸與水的體積比為1:2的稀鹽酸，備用；

b.將U型管1用鐵架臺(tái)垂直固定，在U型管1內(nèi)注入自來水使其液面與0刻度線齊平，用橡膠管3將第一寶塔嘴5和第二寶塔嘴6連接；

c.稱取購(gòu)買的包覆型NZVI 33.63mg，用鑰匙將稱取的NZVI加入倒Y型管2的一個(gè)支管內(nèi)，用滴管吸取過量的稀鹽酸加入倒Y型管2的另一個(gè)支管內(nèi)，將標(biāo)準(zhǔn)塞蓋在倒Y型管2進(jìn)樣口上，記錄此時(shí)的液面位置為0.6ml；

d.輕輕地將倒Y型管2傾斜使其支管內(nèi)的稀鹽酸緩慢流入另一支管內(nèi)與包覆型NZVI反應(yīng)，待反應(yīng)完全后記錄此時(shí)的液面位置為9.9ml，于反應(yīng)前比液面上升了9.3ml，即產(chǎn)生的氫氣體積為9.3ml；

e.用電子氣壓計(jì)測(cè)量此時(shí)的大氣壓為99.01Kpa，氣溫為26.8℃；

f.根據(jù)公式計(jì)算氫氣的摩爾數(shù)為0.37mM，根據(jù)反應(yīng)方程式Fe+2HCl=FeCl₂+H₂↑推算純納米鐵的摩爾數(shù)為0.37mM，即為20.72mg，由此計(jì)算所測(cè)包覆型NZVI中零價(jià)鐵含量為20.72/33.63*100%=61.61%。

實(shí)施例4

a. 購(gòu)買包覆型的NZVI，備用。用50ml量筒量取50ml去離子水倒入100ml燒杯中，再量取50ml濃鹽酸倒入去離子水中，用玻璃棒攪拌均勻，配置濃鹽酸與水的體積比為1:2的稀鹽酸，備用；

b.將U型管1用鐵架臺(tái)垂直固定，在U型管1內(nèi)注入自來水使其液面與0刻度線齊平，用橡膠管3將第一寶塔嘴5和第二寶塔嘴6連接；

c.稱取購(gòu)買的包覆型NZVI 44.72mg，用鑰匙將稱取的NZVI加入倒Y型管2一個(gè)支管內(nèi)，用滴管吸取過量的稀鹽酸加入倒Y型管2的另一個(gè)支管內(nèi)，將標(biāo)準(zhǔn)塞4蓋在倒Y型管2進(jìn)樣口上，記錄此時(shí)的液面位置為0.6ml；

d.輕輕地將倒Y型管2傾斜使其支管內(nèi)的稀鹽酸緩慢流入另一支管內(nèi)與包覆型NZVI反應(yīng)，待反應(yīng)完全后記錄此時(shí)的液面位置為12.6ml，于反應(yīng)前比液面上升了12ml，即產(chǎn)生的氫氣體積為12ml；

e.用電子氣壓計(jì)測(cè)量此時(shí)的大氣壓為99.04Kpa，氣溫為26.7℃；

f.根據(jù)公式計(jì)算得氫氣的摩爾數(shù)為0.48mM，根據(jù)反應(yīng)方程式Fe+2HCl=FeCl₂+H₂↑推算純納米鐵的摩爾數(shù)為0.48mM，即為26.88mg，由此計(jì)算所測(cè)包覆型NZVI的納米鐵中零價(jià)鐵含量為26.88/44.72*100%=60.11%。

實(shí)施例5

a.購(gòu)買包覆型的NZVI，備用。用50ml量筒量取50ml去離子水倒入100ml燒杯中，再量取50ml濃鹽酸倒入去離子水中，用玻璃棒攪拌均勻，配置濃鹽酸與水的體積比為1:4的稀鹽酸，備用；

b.將U型管1用鐵架臺(tái)垂直固定，在U型管1內(nèi)注入自來水使其液面與0刻度線齊平，用橡膠管3將第一寶塔嘴5和第二寶塔嘴6連接；

c.稱取購(gòu)買的包覆型NZVI 56.02mg，用鑰匙將稱取的NZVI加入倒Y型管的一個(gè)支管內(nèi)，用滴管吸取過量的稀鹽酸加入倒Y型管2的另一個(gè)支管內(nèi)，將標(biāo)準(zhǔn)塞4蓋在倒Y型管2的進(jìn)樣口上，記錄此時(shí)的U型管1液面位置為0.6ml；

d.輕輕地將倒Y型管2傾斜使其支管內(nèi)的稀鹽酸緩慢流入另一支管內(nèi)與包覆型NZVI反應(yīng)，待反應(yīng)完全后記錄此時(shí)的液面位置為15.6ml，于反應(yīng)前比液面上升了15ml，即產(chǎn)生的氫氣體積為15ml；

e.用電子氣壓計(jì)測(cè)量此時(shí)的大氣壓為99.02Kpa，氣溫為26.7℃；

f.根據(jù)公式計(jì)算得氫氣的摩爾數(shù)為0.6mM，根據(jù)反應(yīng)方程式Fe+2HCl=FeCl₂+H₂↑推算純納米鐵的摩爾數(shù)為0.6mM，即為33.6mg，由此計(jì)算所測(cè)包覆型NZVI中零價(jià)鐵含量為33.6/56.02*100%=59.98%。

根據(jù)以上五個(gè)實(shí)施案例，以加入的包覆型NZVI的質(zhì)量為X軸，產(chǎn)生H₂的體積為Y軸作關(guān)系曲線，如圖2所示，由圖2中可見兩者的線性相關(guān)性非常好，R²=0.9992。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。