第3卷第1期 2013年3月 中 国无机分析化学 of Inorganic Analytical Chemistry Chinese Journal Vo1.3,No.1 3O~33 doi:10.3969/J.issn.2095-1035.2013.01.005 磷酸铵镁沉淀法测定聚马来酸酐 氨化体系中的铵离子 张行荣 张淑芬 (1北京矿冶研究总院矿物加工科学与技术国家重点实验室,北京100260; 2大连理工大学精细化工国家重点实验室,辽宁大连116012) 摘要 通过甲醛法、四苯硼钠沉淀法以及磷酸铵镁沉淀法(MAP)测定模拟体系中铵离子含量,分析 比较确定了聚马来酸酐(PMA)与氨气反应产物中铵离子的测定方法,即利用磷酸氢二钠和氯化镁结合 铵离子形成磷酸铵镁沉淀,并通过凯式定氮法确定体系中铵离子含量。结果表明,pH值为9.0时,铵离 子测定得到了较好的结果,测定平均值为5.50 mmol/g,测定平均误差为2.1 ,方法有很好的精密度和 准确度,能够满足实际测试要求。 关键词 甲醛法;四苯硼钠;磷酸铵镁沉淀法;凯式定氮 中图分类号:0652.61;TQ317.2 文献标志码:A 文章编号:2095—1035f2013)O1—0030—04 Determination of Ammonium Ion in Aminated Poly(maleic anhydride) by Ammoniomagnesium Phosphate Precipitation Method ZHANG Xingrong ,ZHANG Shufen (1.State Key Laboratory of Mineral Processing Science and Technology,Beijing General Research Institute of Mining&Metallurgy,Beijing 100260,China; 2.StateKeyLaboratory ofFine Chemicals,DalianUniversity ofTechnology,Dalian,Liaoning 116024,China) Abstract The Formaldehyde method,sodium Tetraphenylborate precipitation method as well as magnesi— um ammonium phosphate precipitation(MAP)method were applied to determine ammonium ion content in a simulated system.By comparison of these three methods,it was found that MAP method iS best for ana— lyzing the content of ammonium in the poly(maleic anhydride)and ammonia reaction product.In the MAP analysis,the content of ammonium ion was determined according to the nitrogen content analyzed using Kjeldahl method.It was found that at pH of 9.0,the determination of ammonium ion content has good re— suits.The average values is 5.50 mmol/g and the deviation is 2.1 .We concluded that the MAP in con— junction with Kjeldahl method is suitable for analysis of ammonium ion content and meet the requirement for real sample analysis. Keywords formaldehyde method;sodium tetraphenylborate;ammoniomagnesium phosphate precipitation; Kjeldahl method 收稿日期:2012—07一lO 修回日期:2012—11—05 基金项目:国家自然科学基金重点基金项目(20836001)资助。 作者简介:张行荣,男,工程师,主要从事浮选药剂合成及分析研究。E-mail:zhangxingrong@bgrimm.com 通信作者:张淑芬,女,长江学者特聘教授,主要从事精细化学品合成研究。E-mail:zhangshf@dlut.edu.CFI 第1期 张行荣等:磷酸铵镁沉淀法测定聚马来酸酐氨化体系中的铵离子 31 0 引言 Lang等人Ll 于1961年首先证实了马来酸酐能 进行均聚反应。聚马来酸酐(PMA)问世以后,应用 范围越来越广泛。PMA因主链上含有大量羧酸 酐,结构特殊,性能优异,是一种用途广泛的功能高 分子化合物。PMA与氨气反应同时生成酰胺和羧酸 铵盐,活性基团酰胺同聚丙烯酰胺一样可以进行氮羟 甲基化以及一系列的反应。为了方便进一步改性,需 确定酰胺含量。由于直接测定聚合物中酰胺含量比 较困难,故测定铵离子含量成为一间接的途径。 测定铵的方法颇多,有碱蒸法、甲醛法 ]、电位 滴定法、氨电极法L3]、分光光度法『4 ]、离子色谱 法_6 ]、毛细管电泳[8]、核磁共振 ]、四苯硼钠沉淀 法 “ 等。这些方法一般用来测定水质中、空气中 铵的含量,其应用环境一般为无机环境体系,但对于 复杂有机体系来说,铵离子的测定有许多不确定的 影响因素,尤其是对弱有机酸铵盐来说更是如此。 鉴于核磁共振法仪器昂贵造价高,且实验室不具备 离子色谱法和毛细管电泳来测定铵离子,考虑到成 本问题,本文旨在探求一种化学分析方法来测定铵 离子含量。碱蒸法是利用铵离子和强碱反应蒸出氨 气的原理来测定铵离子含量,由于本体系在强碱作 用下,酰胺发生水解会对铵离子检测造成误差。同 样,分光光度法也存在此类问题。磷酸铵镁沉淀 法 ]一般常用于废水除氮,将其用作铵离子分析尚 未见报道。通过对比甲醛法、四苯硼钠沉淀法、磷酸 铵镁沉淀法测定模拟体系中铵离子结果,确定了一 种适合本体系测定铵离子的化学分析方法,即利用 磷酸氢二钠和氯化镁结合铵离子形成磷酸铵镁沉 淀,通过凯式定氮仪来测定聚合物中铵离子含量。 1 实验部分 1.1试剂 中性甲醛(1+1)、NaOH标准溶液(0.1 mol/L)、 H SO 标准溶液(0.1 mol/L)、四苯硼钠溶液 (O.1 tool/L)、磷酸氢二钠(分析纯)、氯化镁(分析 纯)、乙酸、丙烯酰胺(AAm)、聚丙烯酰胺(PAAm)、 水解聚马来酸铵盐(自制)、聚马来酰胺酸(自制)。 1.2 仪器 凯式定氮仪(KDY一9820,北京通润源机电技术 有限公司)、元素分析仪(Vario ELⅢ,德国elemen— tar公司)。 1.3测定方法 1.3.1甲醛分析法 称取0.1 g(精确至0.000 1 g)样品置于250 mL 锥形瓶中,加入5O mL水,溶解后加入2滴甲基红 指示剂,用NaOH标准溶液滴定溶液由红色到黄色 (不计NaOH用量)。加5 mL甲醛(1 4-1),放置 3 rain,再加入2滴酚酞指示剂,用NaOH标准溶液滴 定,记录所消耗体积( ),铵离子含量按式(1)计算。 +一4×CN OH・V 门、 。NH4 一 式(1)中C . 一~表示铵离子含量,mmol/g; CNa0H——NaOH标准溶液浓度,mol/L; 所消耗NaOH标准溶液的体积,mL; ——样品质量,g。 1.3.2四苯硼钠沉淀法 称取0.1 g(精确至0.000 1 g)试样溶解于100 mL 水,加入乙酸至石蕊试纸恰呈酸性,搅拌下逐滴加入 10 mL四苯硼钠溶液(0.1 mol/L)。搅拌2 rain后, 静置使沉淀完全。过滤,用水洗涤,在105℃干燥至 恒重(优 ),按(2)式计算铵离子含量)。 c 一 (2) 式(2)中C N H_+——表示铵离子含量,mmol/g; m ——表示四苯硼铵沉淀的质量,g; m——样品质量,g; 337.24——四苯硼铵分子量,g/mol。 1.3.3磷酸铵镁沉淀法 称取产品0.5 g(精确至0.000 1 g),溶解于50 mL 水中,调节pH值,然后加入1.75 g磷酸二氢钠,再 滴加含0.99 g的氯化镁溶液,沉淀过程中保持pH 值不变,加料完成后,继续搅拌反应15 min,过滤, 用去离子水洗涤2~3次,于40℃干燥5 h至恒重, 然后用凯式定氮仪测定铵离子含量。 2结果与讨论 2.1 甲醛法 甲醛法滴定原理是:甲醛与铵盐反应生成定量 的质子化的六次甲基四胺酸(CH。) N H (K === 7.1×10 ),以酚酞为指示剂,用NaOH标准溶液 滴定六次甲基四胺(Kb一1.4×10一。)。 4NH4 4-6HCHO = (CH2)6N4H +3H。。4-6H2O 滴定过程中发现测定结果误差较大,所以本文 以几种模拟体系为例,探讨了体系中各组分或基团 对测定结果的影响,结果如表1所示。 32 表1 甲醛法测定铵离子验证测定结果 中国无机分析化学 2013年 PMA作为空白实验,这样测得PMA铵盐的结果为 5.74 mmol/g,与理论值(7.20 mmol/g)相比,误差 达21.2 。其可能原因是弱酸弱碱盐PMA-铵盐溶 液形成了一个缓冲体系,从而导致了滴定结果的偏 差。所以甲醛法测定铵离子不适合本体系。 2.2四苯硼钠沉淀法 自从Wittig于1949年合成了四苯硼钠 (Na-TPB)试剂以后,其被广泛应用于钾的测定。据 Table 1 The results of deternlination of aⅡ柚帕棚 Ⅱm ions with the Formaldehyde mehod t模拟体系组分 测定值理论值/{mmo ̄・g-。l 相对偏差/ 报道,铵盐也能与四苯硼钠生成难溶性沉淀(四苯硼 铵溶解度为1.07×10 mol/L)。 NH4 +NaB(C6H5)4一NH4B(C6H5)4+Na 实验表明,NH 在强酸或弱酸条件下均能与四 由表1可以看出,单独测定有机弱酸铵盐时,其 测定误差在允许范围内;当往体系中加入AAm, PAAm或乙酸时测定误差也不明显,但当往乙酸铵 中加入PAAm/乙酸,PAAm/PMA或PMA时,测 苯硼钠形成四苯硼铵白色悬浮状沉淀。此沉淀在酸 性介质(pH一4)和中性介质(pH一6~7)中置于水浴 上加热直至沸腾5 min也不溶解,没有氨气逸出。 用四苯硼钠沉淀聚马来酸铵盐中的铵离子,然 定误差达到31.6 ,17.6 和17.4 ,这说明酸和 后滤取沉淀,干燥称重,计算铵离子含量。测定结果 如表2所示。 酰胺的同时存在会影响甲醛法的测定结果;当体系 中只有丙烯酸或PMA时测定误差也都较大。若以 表2 N ̄TPB沉淀法测定结果 Table 2 The results of determination of ammonium ions with the Na-TPB method 表2表明沉淀法对于测定聚马来酸铵盐中的铵 离子是可行的,并且水解PMA对测定影响不大。 式定氮法测定释放出来的铵离子,从而测得PMA 氨化产物中的铵离子。由于所测体系中含有酰胺, 但所要测定的目标体系中同时含有铵盐和酰胺,所 以需要考虑酰胺的影响。取提纯后的聚马来酸酰胺 0.1 g或聚丙烯酰胺0.2 g(49 )溶于5O mL水,加 故先对模拟体系进行了考察。 2.3.1模拟体系中pH值对测定结果的影响 磷酸铵镁沉淀法去除铵离子受pH值的影响较 大。实验以NH C1/PAAm溶液为模拟体系,其中 NH Cl为0.2 g,PAAm溶液(49 )为1.02 g,考察 入四苯硼钠溶液后立刻产生沉淀,这说明体系中酰 胺与四苯硼钠亦形成沉淀,因此这种方法也不适合 本体系。 2.3磷酸铵镁沉淀法 了不同pH值下铵离子的去除效果,测定结果如表 3所示。 表3 pH值对模拟体系中铵离子去除率的影响 Table 3 The effects of pH on the removal rates of 磷酸铵镁沉淀法是一种新型的、高效的含氨氮 废水处理技术,其最大特点是在废水高效脱氮的同 时,可对营养元素氮、磷进行有效回收,实现资源的 再生,其依据是: Mgz +NH4 十P04。+6H2O— MgNI-L P04・6H2O 副反应: 3Mg。 +PO4 31I+12H2O— Mg3(PO4)2・12H2O ammonium ions in the simulated system pH NH4。。/mmol理论值NH4 /mmol 7 8 9 铵离子去除率/ 89.3 97.2 97.2 3.52 3.82 3.83 3.94 3.93 3.94 10 3.86 2.7 2.12 3.93 3.93 3.93 98.2 68.7 53.5 其中磷酸铵镁在强碱性条件下不稳定,极易释 放出氨气,基于磷酸铵镁的这一显著特点,再利用凯 11 12 第1期 张行荣等:磷酸铵镁沉淀法测定聚马来酸酐氨化体系中的铵离子 33 表3表明,在模拟体系(NH。CI/PAAm)中, pH=8 ̄10时测定效果最佳,测定误差在3 以内。 体系中仅PAAm存在时,相同条件下测定铵离子,测 定结果为0,这表明pH值为8~10时,酰胺的存在对 磷酸铵镁沉淀法测定铵离子结果几乎没有影响。 2.3.2 PMA氨化聚合物体系pH值对铵离子测定 的影响 对于PMA氨化聚合物体系来说,pH值亦是很 重要的影响因素。表4列出了不同pH值下的测定 结果。 表4聚合物体系中pM值对铵离子测定结果的影响 Table4 The effects ofpH Onthe determination of ammoni ̄ll in pol ̄ner systems pH值 样品质量/g 沉淀质量/g NH4 /(mmol・g ) 0.5OO 0.77 4.97 O.52O 0.87 5.1O O.5O1 1.O2 5.47 0.512 1.04 5.5O O.521 1.O1 5.04 0.502 0.99 4.8O 0.502 1.2O 4.28 表4显示体系在pH一8.5~9.0时铵离子测定 结果达到最大值5.50 mmol/g,与元素分析结果相 比较(5.62 retool/g),相对偏差为2.1%,并且其测 定环境(pH=9.0)与模拟体系(pH===9.O)基本一 致。为了验证实验操作的重现性,在pH一9条件下 进行了三组平行实验,结果见表5。 表5聚合物体系中测定铵离子重复实验 Table 5 The repetitive experiments of the determination of ammonium ions in the polymer s ̄tems 表5数据结果表明,该方法可操作性强,重现性 好,与元素分析结果(5.62 retool/g)相比,测定相对 偏差约为2 9/6。 对pH:9.0的滤液进行了铵离子定性分析:即 采用纳氏试剂检测滤液中铵离子。结果表明:pH一 9.0的滤液在加入纳氏试剂后瞬问澄清,尔后慢慢 变浑浊,瞬间不显色这也恰好证明聚合物体系中铵 离子已基本去除干净,而之后慢慢显色是由于纳氏 试剂中的强碱导致部分酰胺水解产生的铵离子与纳 氏试剂显色所致。 3 结语 验证了常用方法(甲醛法和沉淀法)并不适合聚 马来酸酐氨化体系,在测定模拟体系中铵离子含量 时会造成较大的误差;并借鉴用于氨氮废水处理技 术的磷酸铵镁沉淀法用作铵离子测定,实验表明磷 酸铵镁沉淀法测定聚马来酸酐氨化产物中的铵离子 时受pH值影响较大,当体系pH一9.0时,测定效 果最佳,测得铵离子平均含量为5.50 mmol/g,平均 相对偏差为2.1 。 参考文献 [1]Lang J L,Pavelieh W A,Clarey H D.The homopoly— merization of maleic anhydride[J].J.Polym.Sci., 1961,55:¥31一¥32. 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