一、实验目的
1.认识铝和氢氧化铝的两性。
2.了解资源综合利用的意义。
3.巩固无机制备中的常用基本操作。
二、实验原理
1.铝是一种两性元素，既与酸反应，也与碱反应。可以利用其特性将废铝重新利用制成明矾。
2.碱溶法原理
2Al+2OH-+6H2O=2Al(OH)4-+3H2
Al(OH)4-+H+= Al(OH)3+H2O
Al(OH)3+3H+=Al3++3H2O
Al2(SO4)3+K2SO4+24H2O=2KAl(SO4)2 · 12H2O
3.返滴定法测样品中的铝含量
在Al3+的配位滴定中，
Al3++ Y4- (过量)=AlY-+ Y4- (剩余)
加热溶液使得Al3+全部转化为AlY-，再进行返滴定，
Zn2++ Y4- (剩余)=ZnY2-
4.双波长分光光度法测定铝含量
(1)定义
双波长分光光度法是在单位时间内有两条波长不同的单色光以一定的频率交替照射同一吸收池的溶液，然后经过检测器和电子控制系统，计算出这两个波长下吸收度的差值△A，与被测定物质的浓度成正比，这个方法称双波长分光光度法。
(2)原理
由朗伯比耳定律可以得到 A=Kbc
b为液层厚度 c为溶液浓度 K为摩尔吸光系数
所以可以得到:在两个波长λ1和 λ2下，
A1=K1bc
A2=K2bc
即△A=(K1-K2)bc
所以有双波长分光光度法测出的吸光度之差与待测组分浓度成正比，这就是此方法定量分析的理论依据。在双波长分光光度法中，通过选择适当波长λ1、λ2 ，能很好地消除共存组分的干扰或混浊物的影响，可以不加分离地分别测定溶液中的两种组分。
(3) 双波长分光光度法测定铝含量
光度法测定铝的显色剂较多，其中以铬天青S为最佳。铬天青简写为CAS，是一种酸性染料，其结构式为:
Al3+和铬天青S在弱酸性介质中铬天青S及溴化十六烷基三甲胺反应形成蓝色三元络合物，最大吸收波长为0nm左右，摩尔吸收系数ε=4×104L/mol·cm。
5.重量法测定SO42-
SO42-和Ba2+能定量地生成BaSO4沉淀，沉淀经干燥后称量，根据BaSO4的质量即可求出SO42-的量。
Ba2++ SO42-= BaSO4
Ksp(BaSO4)=1.1×10-10
三、实验试剂及仪器
1.试剂:废铝、KOH固体，H2SO4(2mol/L)、K2SO4、铬天青S、溴化十六烷基三甲胺、六次甲基四胺、BaCl2、抗坏血酸、EDTA二钠盐、1:1的HNO3、二甲酚橙、Zn片。
2.仪器:烧杯、量筒、电子天平、玻璃棒、抽滤装置、pH试纸、水浴锅、分光光度仪、吸量管、移液管、50mL容量瓶、250mL容量瓶、铁架台、酸式滴定管、滴管、坩埚、坩埚钳、马弗炉。
四、实验步骤
1.明矾的制备
(1)称取2g废铝，加入盛有50mL1.5mol/L的KOH溶液的烧杯中，加热使Al全部溶解。待无气泡产生后 实验现象及数据记录 1.当废铝加入盛有KOH 的烧杯中后就立即有大
量气泡生成，待气泡不对溶液进行抽滤。
(2)将抽滤得到滴滤液先进行预热，热后便加热边滴加9mol/L的H2SO4溶液至反应过程中产生的沉淀全部溶解，浓缩溶液至50mL左右(过多会增加明矾的损失，过少会促进水解形成聚铝)。将浓缩液转移到烧杯中，自然冷却，一段时间后会有大量晶体析出。
(3)对上述溶液进行抽滤，用乙醇淋洗后将食盐状的晶体粉末放置于空气中晾干，即可制得明矾，称重并记录数据。
(4)称取约1.2g明矾样品，先在小烧杯中用去离子水进行溶解，再用玻璃棒转移到250mL容量瓶中，加水定容，摇匀后静置。
2.返滴定法测样品中铝含量
(1)EDTA标准溶液及Zn2+标准溶液的配置
称取约4.8gEDTA二钠盐置于小烧杯中，加入少量去离子水溶解，再转移到600ml的大烧杯中，加水至600mL刻度线，搅拌均匀，静置。
称取约0.15gZn片置于小烧杯中，加入浓HCl至锌片恰好溶解，用玻璃棒转移到250mL容量瓶中，加去离子水定容，摇匀后静置。
(2)EDTA的标定
用移液管移取25.00mLZn2+标准溶液于锥形瓶中，加入10mL蒸馏水，滴加2d二甲酚橙作为指示剂，再滴加20%六亚甲基次胺直至溶液由黄色变为紫红色，接着再加入5mL20%六亚甲基次胺，然后用已标定的EDTA溶液滴定待测液，直至溶液由紫红色变为黄色即为滴定终点，记录数据，平行滴定3次。 (3)返滴定法测铝
用移液管移取25.00mL样品溶液于锥形瓶中，加入25mLEDTA标准溶液、1d二甲酚橙指示剂，摇匀，用浓氨水调至溶液显紫红色，再用1:1的HNO3调至刚变亮黄，并过量两滴。煮沸15min，冷却后补加二甲酚橙1d、六亚甲基次胺5mL，再用1:1的HNO3调 再产生后，溶液中仍残留着许多黑灰色杂质，抽滤后得到无色溶液，再缓慢滴加硫酸的过程中，溶液中先是有白色沉淀生成，持续滴加沉淀消失。加热浓缩后，静置的溶液里会渐渐有大量晶体析出，抽滤后得到透明颗粒状晶体。 m(Al)=2.0285g
(设备编号:2017735) m(明矾)=5.1748g
m(样品)=1.2053g
(设备编号:201687047)
2.(2)溶液初为无色加入二甲酚橙后溶液变成纯黄色，加缓冲液后溶液变为紫红色，滴定至终点溶液变为黄色。
m(Zn)=0.1596g
(设备编号:2017735) V1=10.60mL
V2=10.52mL
V3=10.54mL
(3)实验现象同实验步骤所述。
V1=38.62mL
V2=38.72mL
V3=38.74mL至刚变亮黄，用锌标准溶液滴定至红紫色即为终点，记录数据，平行滴定三次。
3.双波长分光光度法测样品中铝含量
(1)1μg/mL的铝标准溶液的配制
用电子天平称取0.2500g标准铝粉于小烧杯中，加入浓HCl至铝片恰好溶解，转移到250mL容量瓶中，定容后摇匀。再用吸量管吸取5mL标准液至一空的250mL容量瓶中，定容并摇匀。再用吸量管吸取5mL 稀释过的铝标液至100mL容量瓶中，加去离子水定容，摇匀后静置。即得到1μg/mL的铝标准溶液。 (2)最大吸收波长的确定
取4.00mL1μg/mL的铝标准溶液于50mL容量瓶中，加入5.0mL六次甲基四胺缓冲液、1.0mL10g/L 抗坏血酸、2.0mL0.2g/L溴化十六烷基三甲胺、2.0mL0.5g/L铬天青S溶液，定容并摇匀，放置20min。以蒸馏水作参比，在560-670nm之间每隔10nm 测一次吸光度A，在最大吸收波长附近梯度缩小为1nm，做A- λ曲线，确定最大吸收波长λmax，记为λ1。
(3)另一特定波长的确定
取1个50mL容量瓶，加入5.0mL六次甲基四胺缓冲液、1.0mL10g/L抗坏血酸、2.0mL0.2g/L溴化十六烷基三甲胺、2.0mL0.5g/L铬天青S溶液，定容并摇匀，放置20min。
以蒸馏水作参比，在λmax下测定该溶液吸光度A1，再在其他波长下测定该溶液的吸光度，直至找到另一个λ下测定的吸光度A2，使得A1= A2，即确定了另一特定波长，记为λ2。
(4)标准曲线的绘制
取6个50mL容量瓶，分别加入1.0mL、2.0mL、4.0mL、5.0mL、6.0mL、8.0mL1μg/mL的铝标准溶液，再各加入5.0mL六次甲基四胺缓冲液、1.0mL10g/L 抗坏血酸、2.0mL0.2g/L溴化十六烷基三甲胺、 3.(4)一系列浓度梯度的溶液都呈蓝绿色，且随着浓度的增加，颜色变深。
2.0mL0.5g/L铬天青S溶液，定容并摇匀，放置20min。用1mL比色皿，以蒸馏水为参比，分别在λ1和λ2下测定各溶液的吸光度。以所取铝标液体积V为横坐标、两个波长下吸光度的差值△A为纵坐标，绘制标准曲线。
(5)试样中铝含量的测定
先吸取1mL先前配制的明矾溶液，置于250mL容量瓶中，加水定容，摇匀并静置。准确吸取8mL稀释过的明矾样品溶液于50mL容量瓶中，再加入5.0mL六次甲基四胺缓冲液、1.0mL10g/L抗坏血酸、2.0mL0.2g/L溴化十六烷基三甲胺、2.0mL0.5g/L铬天青S溶液，定容并摇匀，放置20min。
用1mL比色皿，以蒸馏水为参比，分别在λ1和λ2下测定各溶液的吸光度。计算出两次测量的吸光度的差值△A，从标准曲线上查出和计算试液中的铝含量。
4.重量法测样品中SO42-含量
用电子天平准确称取约1g明矾样品，加去离子水溶解，滴加一滴甲基橙指示剂，加1:1盐酸调至恰好变为红色，再过量2ml，在酒精灯上加热，称取约1.5gBaCl2•2H2O，加水溶解，缓慢加入明矾溶液中，并不断搅拌。待沉淀完全后，盖上表面皿，放置过夜进行陈化。
待陈化完成后，用常压过滤的方法，以无灰滤纸对陈化后对溶液进行过滤。过滤完成后，需要对沉淀进行洗涤，即用洗瓶的水流从滤纸的多重边缘开始，螺旋形地往下移动，最后到多层部分停止。然后把滤纸和沉淀静置于表面皿，于空气中干燥。
先用电子天平称取1个空坩埚的质量，待沉淀和滤纸完全干燥后，把它们转移到坩埚里，置于煤气灯上灼烧。待沉淀和滤纸灰化后，将坩埚移入高温炉中，盖上坩埚盖，但留有空隙。在高温下，灼烧40-50min，取出，冷至室温，称量。然后进行第二次、第三次灼 4.明矾:m1=0.9532g
m2=0.9878g
m3=1.0045g 空坩埚: m1=39.3698g
m2=35.2905g
m3=32.7544g (仪器编号:201687047) 恒重质量:
m1=40.3705g
m2=36.3199g
m3=33.8111g (仪器编号:201687043)烧，直至坩埚和沉淀恒量为止(一般第二次以后每次
再灼烧20min即可)。所谓恒量，是指相邻两次灼烧
后的称量差值为0.2-0.4mg。
待恒重后，记录下数据，平行重复3次。
五、实验数据的处理及分析
1.明矾的制备
理论的产出:废Al完全转化为明矾
M(明矾)=474g/mol
m(Al)=2.0285g
n(Al)=0.07513mol
m(理论)=35.61g
m(明矾)=5.1748g
产率=5.1748g/35.61g×100%=14.53%
样品溶液
m(样品)=1.2053g
c(样品液)= 1.2053g/(474g/mol×250ml)=0.01017mol/L
2.返滴定法测样品中铝含量
(1)EDTA标准溶液及Zn2+标准溶液的配置
m(Zn)=0.1596g
c(Zn2+)=9.822×10-3mol/L
(2)EDTA的标定
1 2 3
c(Zn2+)／mol/L 9.822×10-3
V(Zn2+)／mL 25.00
滴定管初读数／mL 0.00 0.00 0.00 滴定管末读数／mL 10.60 10.52 10.54 消耗EDTA体积／mL 10.60 10.52 10.54 V(平均)／mL 10.55
c(EDTA)／mol/L 0.02327
EDTA:V1=10.60mL V2=10.52mL V3=10.54mL
V(平均)=(V1+V2+V3)/3=10.55mL
c(EDTA)= 9.822×10-3mol/L×25.00mL/10.55mL=0.02327mol/L
(3)返滴定法测铝
1 2 3
c(EDTA)／mol/L 0.02327
V(EDTA)／mL 25.00
滴定管初读数／mL 0.00 0.00 0.00 滴定管末读数／mL 38.62 38.72 38.74 消耗EDTA体积／mL 38.62 38.72 38.74 V(平均)／mL 38.69
c(Al3+)／mol/L 8.069×10-3
Zn2+:V1=38.62mL V2=38.72mL V3=38.74mL
V(平均)=(V1+V2+V3)/3=38.69mL
V(EDTA)=25.00mL V(样品液)=25.00mL
c(Al3+)=[c(EDTA)×V(EDTA)- c(Zn2+)×V(平均)]/V(样品液)
=8.069×10-3mol/L
Al含量=8.069×10-3mol/L×250mL×27g/mol／1.2053g=4.52%
理论值=5.7%>4.52%
3.双波长分光光度法测样品中铝含量
(1)最大吸收波长的确定
由测定数据作图，可得A- λ曲线，
根据图像可以确定铝标液的最大吸收波长λmax=2nm。 (2)另一波长的确定
以蒸馏水作参比，在λmax=2nm 下测定不含铝标液的空白对照的吸光度A 1=0.075，再在其他波长下测定该溶液的吸光度，发现在600nm 下不含铝标液的空白对照的吸光度A 2=0.075，使得A 1= A 2，即确定了另一特定波长λ2=600nm。 (3) 标准曲线的绘制
由所测定的数据作图，可得标准曲线，
0.05
0.100.15
0.200.25
0.300.35吸光度A
波长 (nm)
A
浓度 (ug/ml)
又测得明矾样品的吸光度，
所测定的明矾样液V=△A／k=6.0061mL
铝质量分数=6.0061×250×1.0028×250×10-6／(8×1.2053)=3.91%
理论值=5.70%>3.91%
分析：我们小组用了两种方法来测定明矾样品中的铝含量，两种方法测得的结果都比理论值要少，我分析造成这个结果可能的原因是所制得的明矾晶体不是很纯，其中可能混有硫酸钾固体，从而使样品中的铝的相对含量比理论值偏低。但两种方法本身所测得的数据也有较大的偏差，我认为用双波长法测定的数据可能与真值偏差更大一些，我想这可能是因为我们配置出来的浓度梯度溶液放置了太久的时间后才去测定的吸光度，这可能对测定造成了影响，而且我感觉自己在测定时仪器预热的时间不够长也可能是原因之一，在以后的实验中我会注意这些细节，避免重蹈覆辙。
4.重量法测样品中SO42-含量
1 2 3
m(明矾)／g 0.9532 0.9878 1.0045
m(空坩埚)／g 39.3698 35.2905 32.7544
m(恒重)／g 40.3705 36.3199 33.8111
m(BaSO4)／g 1.0007 1.0294 1.0567
n(BaSO4)／mol 4.295×10-3 4.418×10-3 4.535×10-3 SO42-含量 43.36% 42.94% 43.34% 平均SO42-含量 43.21%
理论值=40.5%<43.21%
分析：这一数据恰恰验证了上面的猜想，由于所制得的明矾晶体不是很纯，其中混有少部分硫酸钾，所以导致样品中硫酸钾的相对含量升高，即与实验结果相符，实验值比理论值稍大。
六、实验中遇到的问题及解决方案总结
1.明矾的制备
(1)所遇问题：
我们小组在用碱溶法制备明矾晶体的时候遇到了一个问题，就是在明矾晶体结晶的过程中，晶体一直无法析出。在看其他小组的实验中，一个小组放置了一夜析出部分晶体，想加热后再结晶，结果再没有析出；另一小组因为溶液过稀，体积多，无法析出。
(2)解决方案：
为防止溶液过稀、浓缩时间过长的问题，在加入液体的用量上加以控制，加水不可过多；另外注意加热浓缩，控制温度。
(3)实验思考：
在一些需要晶体析出的实验中，我们要对加入液体的量进行控制，防止溶液的量过多给以后的蒸发浓缩带来困难。
2.双波长分光光度法测定样品中的铝含量
(1)所遇问题：
在设计实验方案的时候，测定样品中铝含量的方法我选用的是单波长分光光度法，但后来经过老师的指正，在本实验中需要用双波长分光光度法来测定样品中的铝含量，但我对具体原因一直迷惑不解
(2)原因分析：
经查阅资料后，我认识到单波长分光光度法在测定复杂组分中某一组分的含量的时候存在困难，而在双波长分光光度法中，通过选择适当波长λ1、λ2，能很好地消除共存组分的干扰或混浊物的影响，可以不加分离地分别测定溶液中的两种组分。
原理如下，假设试液中有共存组分A、B，设A为干扰组分，选取曲线A上吸光度相等所对应的波长λ1和 λ2为测定波长，此时测得试液中的△A A为零，因此待测组分B的△A B的测定不会受到A存在的影响，即△A B等于混合物A+B的吸光度之差△A 。
试样在λ
1 A λ1 =A λ1(A)+A λ1(B)
试样在λ2 A λ2 =A λ2(A)+A λ2(B)
△A= A λ1 - A λ2
=(A λ1(A)+A λ1(B))-(A λ2(A)+A λ2(B))
由于 A λ1(A)=A λ2(A)
△A=A λ1(B)- A λ2(B)
可以看出
△A只与B的量有线性关系，从而排除
了共存组分A的干扰。
(3)解决方案：
弃用原来的单波长分光光度法测定样品中铝含量的方法，改用双波长分光光度法测定明矾样品中的铝含量。
七、污水处理方案
1.人工湿地污水处理技术
1.1人工湿地的构造
绝大多数自然和人工湿地由五部分组成:1.具有各种透水性的基质,如土壤、砂、砾石;2.适于在饱和水和厌氧基质中生长的植物,如芦苇;3.水体(在基质表面下或上流动的水);4.无脊椎或脊椎动物;5.好氧或厌氧微生物种群。
湿地系统正是在这种有一定长宽比和底面坡度的洼地中由土壤和填料(如砾石等)混合组成填料床,废水在床体的填料缝隙中流动或在床体表面流动,并在床体表面种植具有性能好、成活率高、抗水性强、生长周期长、美观及具有经济价值的水生植物(如芦苇、蒲草等)形成一个独特的动植物生态系统,对废水进行处理。其中湿地植物具有三个间接的重要的作用:1.显著增加微生物的附着(植物的根茎叶);2.湿地中植物可将大气氧传输至根部,使根在厌氧环境中生长;3.增加或稳定土壤的透水性。
植物通气系统可向地下部分输氧,根和根状茎向基质中输氧,因此可向根际中好氧和兼氧微生物提供良好环境。植物的数量对土壤导水性有很大影响,芦苇的根可松动土壤,死后可留下相互连通的孔道和有机物。不管土壤最初的孔隙率如何, 大型植物可稳定根际的导水性相当于粗砂2～5年。
而土壤、砂、砾石基质具有:为植物提供物理支持;为各种复杂离子、化合物提供反应界面,为微生物提供附着。水体为动植物、微生物提供营养物质。
1.2 人工湿地污水处理系统
人工湿地污水处理系统由预处理单元和人工湿地单元组成。通过合理设计可将BOD5、SS、营养盐、原生动物、金属离子和其它物质处理达到二级和高级处理水平。预处理主要去除粗颗粒和降低有机负荷。构筑物包括双层沉淀池、化粪池、稳定塘或初沉池。人工湿地单元中的流态采用推流式、阶梯进水式、回流式或综合式，如图。
2.离子交换法污水处理技术
离子交换法的目的是将溶解于水中的无机离子排除，与硬水软化器一样，也是利用离子交换树脂的原理。在这使用两种树脂-阳离子交换树脂与阴离子交换树脂。阳离子交换树脂利用氢离子(H+)来交换阳离子;而阴离子交换树脂则利用氢氧根离子(OH-)来交换阴离子，氢离子与 氢氧根离子互相结合成中性水，其反应方程式如下:
R-SO3H+M+ =R-SO3M+H+
R3-NOH+L-=R3-NL+OH-
因此可以把污水依次通过阴阳离子交换树脂，把溶液中的无机阴阳离子置换出来，树脂分别释放出H+和OH-，中和成水，从而达到去除污水中的杂质离子的目的。
3.用介孔分子筛来处理污水
用介孔分子筛可以对污水中的有机废物进行处理，介孔分子筛有2 种方式去除废水中的有机物污染物，一是介孔分子筛或者改性的介孔分子筛直接用来吸附有机污染物；另一种是通过负载活性组分，将通过催化降解来去除有机污染物。由于在水溶液中的大部分有机污染物是非离子疏水性的有机物，而介孔分子筛本身具有一定的疏水性，官能化的介孔分子筛具有较强的疏水性，对废水中的有机
污染物具有较好的选择性吸附。
因此我们可以考虑让污水多次通过装有介孔分子筛的管道中，使得污水中的有机污染物可以被介孔分子筛充分的吸附，从而达到净化污水的目的。
八、实验总结
在这次实验中我们用废铝通过碱溶法制得了明矾晶体，产率约为14.53%，虽然产率不高，但经过重结晶得到的晶体为透明颗粒状晶体，晶形较好，纯度较高。后来我们又对所制备的明矾晶体进行了组分测定，计算分析测得的数据发现制得的明矾晶体里的Al含量略低于理论值，SO42-含量略高于理论值，经分析认为，可能是明矾晶体不是很纯，其中混有一些硫酸钾固体，这也与测定的数据相符。在这次实验中，我不仅对以往学过的实验操作更加熟练，学习到了新的方法双波长分光光度法，这对我以后分析复杂组分的时候有很大的启示作用。
参考文献
[1] 刘新锦，朱亚先，高飞等. 无机元素化学 第二版[M].北京：科学出版社，2009：40-42
[2]陈红锦，谢少艾，张卫，梁竹梅. 无机与分析化学 第二版[M].北京：科学出版社
[3]张祖德. 无机化学 第二版[M].合肥：中国科学技术大学出版社
[4]陈红锦，马荔，黄过娇 实验化学 上册[M].北京：科学出版社，2007:96-100 341-343
[5]刘珍 化验员读本 第四版 下册[M]北京：化学工业出版社，2003:115-116
[6]徐红纳，王英滨 双波长分光光度法同时测定水样中的Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)[J] 分析实验室 2008，27(5)
[7]白晓慧，王宝贞，余敏，聂梅生 人工湿地污水处理技术及其发展应用[N] 哈尔滨建筑大学学报 第32卷 第6期
[8]范力，张建强 离子交换法及吸附法处理含铬废水的研究进展[J]《水处理技术》, 2009 ,35(1):30-33
[9]尔丽珠，秦晓丹，张惠源 离子交换法移动处理重金属废水[J]《电镀与精饰》,2007 ,29(2):48-51下载本文
