海水资源化学实验指导书

实验一海水蒸发浓缩过程中化学组成的变化一、实验目的通过本实验的学习，使学生掌握以下内容：1、测定海水浓缩至某一浓度时得到的海卤水的常量元素离子构成；2、由海卤水的常量元素离子构成推算其盐类构成；3、确定海卤水中硫酸钙、氯化钠的析出点。通过以上内容的学习，使学生熟悉并掌握海洋资源化学中常量元素的分析、提取所常用的一些基本方法和原理，如容量法、重量法分析离子含量；使学生了解海卤水相对密度测定的基本原理和方法；使学生熟悉海水蒸发析盐的基本操作步骤；培养学生独立从事科研实验的技能和素养、与组员分工合作能力及对在实验过程中遇到问题的解决能力；培养学生进行数据处理、绘图、制表、工艺计算的基本能力，从而为今后顺利开展科研工作打下了良好的基础。二、实验内容将海水不断浓缩直至超越氯化钠析出点，并在这一过程中不断取得海卤水样品对其进行化学分析，便可获得海水浓缩至各个浓度(用波美度或相对密度值表示)时离子浓度数据。利用所得数据进行相应计算、绘制表格、总结经验式。包括以下步骤：1.出海取样：取得所需原料海水；2.水样制备：通过蒸发浓缩的方式制备出一系列所需的各个不同浓度的卤水样品；3.相对密度的测定：分别测定不同浓度卤水的相对密度值；4.离子的测量：测定并计算出卤水中所含的各个常量离子的浓度；5.图表绘制：根据所得不同浓度卤水中各个常量离子的含量，绘制相应的图表。三、实验原理、方法和手段在海水蒸发（浓缩）过程主要是水分子的逸出过程，对绝大多数溶质而言是浓缩过程，各个离子的浓度随蒸发的深化而不断增加，当浓缩导致溶液浓度超过某种溶质的饱和浓度时，这种溶质就会结晶析出，我们称此时溶液的浓度为该溶质的析出点。习惯上，析出点用波美度或相对密度值表示。将海水不断浓缩直至超越氯化钠析出点，并在这一过程中不断取得海卤水样品然后对其惊醒化学分析，便可获得海水浓缩至各个浓度（用波美度或相对密度值表示）时离子浓度数据。结合卤水中各离子组合成德盐类在海水中的溶度积和卤水蒸发时盐类的析出顺序，我们可以将各离子结合成盐类，用盐类构成表达海卤水的化学组成。盐类的结合顺序如下表所示：Ca2+Mg2+K+Na+SO42-12—3Cl-5647表1.1卤水中盐类结合顺序表如果海卤水在蒸发浓缩过程中，有某种溶质（即盐类）析出，对应的离子—浓度关系曲线中，一定存在一阶导数有正变负的拐点。所以，通过观察各离子—浓度关系曲线，可以确定相应盐类的析出浓度。本实验涉及海水分析化学、制盐工艺学、海洋资源化学、无机分析化学等多个学科知识点，实验过程包括出海取样、试验样品的制备、离子测定、分析计算、图表绘制等一系列过程，尽管实际试验时间只有8个小时，但需要学生提前出海取样及至少需要三至四天在实验室中进行相关的准备工作，工作量较大，涉及内容较多，且所有实验包括试剂、药品配制均由学生自行准备，尤其是数据处理量非常大，所得图表较多。四、实验组织运行要求根据本实验的特点、要求和具体条件，采用以学生自主训练为主的开放模式组织教学。五、实验条件仪器与试剂——卤水全分析全套仪器及试剂见附录一——海卤水相对密度测定设备及试剂见附录二六、实验步骤1．检查待测卤水样品的数量，按卤水全分析要求，作卤水全分析。本次实验准备了下述浓度的海卤水样品（12~14个），包括：海水6,9,12,14,16,19,22,24.5,26.5,28,30OBe’。注意以实验室提供的样品数为准，但样品瓶上所标注波美度值均为粗测量值，确切波美度值需实验者通过进行相对密度的测定后，再换算的到。2．依次取各浓度卤水，用比重瓶法分别测定卤水相对密度。3．按卤水分析要求取各浓度卤水，分别用摩尔法滴定氯离子、硫酸钡重量法测硫酸根离子、EDTA容量法测定钙、镁离子，作卤水全分析。4．数据记录及处理（1）列表记录卤水相对密度和离子测定产生的原始数据。（2）计算各浓度卤水中氯离子、硫酸根离子、钙离子和镁离子含量（g/L），列入附表1.1中。（3）根据溶液电中性的原理计算钠离子（包括钾离子）的含量（g/L），列入附表1.1中。（4）计算各样品的相对密度及其波美度值并列入附表1.1中。（5）根据表1.1计算各盐类含量（g/L）及Na+/Mg2+、Mg2+/Mg2+值，列入附表1.1中。（6）绘制OBe’—离子浓度、OBe’—盐类浓度曲线。（7）观察上述各曲线，并确定析出盐类的析出点浓度。七、思考题1.本实验方法的理论依据是社么？2.本实验应注意哪个几个环节，以保证实验结果的准确性？八、实验报告九、实验二海水蒸发浓缩规律一、实验目的通过本实验的学习，使学生掌握以下内容：1、测定海水浓缩至某一浓度时，所得海卤水的浓缩率和蒸发率；2、获得海卤水浓缩至不同浓度时NaCl的析出量、析出率、蒸发量、蒸发率和浓缩率；3、验证浓缩率经验式，总结海水浓缩规律。通过以上内容的学习，使学生熟悉并掌握海洋资源化学中常量元素的分析、提取所常用的一些基本方法和原理，如容量法、重量法分析离子含量；使学生了解海卤水相对密度测定的基本原理和方法；使学生熟悉海水蒸发析盐的基本操作步骤；培养学生独立从事科研实验的技能和素养、与组员分工合作能力及对在实验过程中遇到问题的解决能力；培养学生进行数据处理、绘图、制表、工艺计算的基本能力，从而为今后顺利开展科研工作打下了良好的基础。二、实验内容本实验承自实验一，取蒸发至各个浓度的卤水样品进行离子及相对密度的测定，利用所得数据进行有关的计算如求浓缩率、盐的析出量、析出率等，同时绘制图表，从而得出盐类蒸发浓缩过程的析盐规律。三、实验原理、方法和手段一般生产商习惯将NaCl开始析出的浓度称为卤水的饱和点，严格说，卤水中NaCl的饱和点，应该是NaCl既不溶解也不结晶，是溶解←→结晶这一过程达到平衡时的点。在目前的情况下，测得此点是困难的。为了满足工艺计算的要求，本实验按习惯将NaCl的析出点近似地定为卤水的饱和点。从理论上讲NaCl的析出点应该是卤水中NaCl含量最高的点（此点也是随外界条件变化而变化），为了获得此点，我们可以在饱和点附近多取几个点，使之尽量接近NaCl含量最高点，取其中NaCl含量最高点作为卤水的饱和点。在海水蒸发（浓缩）过程中，所含氯化钠析出以前（25OBe’左右），由于氯离子不析出，因此，以蒸发前后卤水中氯离子总量守恒来计算卤水浓缩率和蒸发率。氯化钠析出后，在镁盐析出前（34OBe’左右），则以蒸发前后卤水中镁离子总量物料衡算，来求得卤水浓缩率和蒸发率；若镁盐（硫酸镁）析出，则以卤水中氯化镁含量做衡算。在氯化钠的析出过程中，由于氯化镁不会析出，故可在氯化钠结晶析出阶段以氯化镁为基础，通过计算，准确获得卤水浓缩至各浓度氯化钠的析出量。本实验涉及海水分析化学、制盐工艺学、海洋资源化学、无机分析化学等多个学科知识点，实验过程包括出海取样、试验样品的制备、离子测定、分析计算、图表绘制等一系列过程，尽管实际试验时间只有8个小时，但需要学生提前出海取样及至少需要三至四天在实验室中进行相关的准备工作，工作量较大，涉及内容较多，且所有实验包括试剂、药品配制均由学生自行准备，尤其是数据处理量非常大，所得图表较多。四、实验组织运行要求根据本实验的特点、要求和具体条件，采用以学生自主训练为主的开放模式组织教学。五、实验条件仪器与试剂：——卤水全分析全套仪器及试剂见附录一；——海卤水相对密度测定设备及试剂见附录二。——台秤；——电炉；——蒸发器皿；——1000ml容量瓶；——漏斗；——试剂瓶。六、实验步骤1.准备好实验用仪器设备，并在蒸发器皿、试剂瓶上贴好标签，注明样号。2.在粗称天平上称取蒸发器皿重量，准确至1g记录于附表2.1中。3.用容量瓶准确量取接近饱和之澄清卤水若干毫升（按各样号要求体积）缓慢加入已知重量的蒸发器皿中，严防溅出。称取蒸发器皿加卤样重量，准确至1g，记录于附表2.1中。4.将蒸发器皿置于电炉上加热，严防卤水沸腾溅出，随时注意观察蒸发水量，使卤水蒸发至要求浓度，停止加热，自然冷却至室温。5.称取冷却后蒸发器皿及其中余卤和析出物总量，准确至1g，记录于附表2.1中。6.将清液新宿过滤于样品瓶中，取清液约25ml，用比重瓶法测相对密度（分析方法同“实验一”），并将相对密度值换算成波美度。（各组留意试样不过滤，用离心机使固液分离，分别收集固相和液相量，准确称重至克，记录下来，从液相中取清液测相对密度，固相作原盐全分析，得出析出NaCl量和浓缩后母液量，以检验上述计算方法的准确性。）7.按卤水全分析要求，对卤水作全分析（各离子的分析方法同“实验一”）。8.数据处理8.1根据各卤水样品中氯离子（氯化钠析出点以前）、镁离子（硫酸镁析出点以前）或氯化镁（氯化镁析出点以前）含量计算海卤水浓缩过程中的浓缩率，并将波美度值和浓缩率数据填入附表2.2中。卤水浓缩率计算公式如下：（1）在卤水蒸发至25OBe’左右以前，NaCl将不会结晶析出，卤水中Cl-浓度存在如下关系ClClCVCV'21（2.1）式中，V1—浓缩初始卤水体积，ml;CCl—浓缩初始卤水中氯离子含量，g/l；V2—浓缩终止卤水体积，ml；CCl—浓缩终止卤水中氯离子含量，g/l；ClClCCVV'12（2.2）根据浓缩率C定义：12VVC（2.3）ClClCC'C（2.4）只需测定浓缩前后卤水中Cl-含量和对应的相对密度值d1和d2，便可求得由d1浓缩到d2的浓缩率。（2）卤水蒸发至25OBe’左右以后，NaCl将会结晶析出，此时镁盐尚未析出，故以Mg2+总量做物料衡算，计算公式同2.1式，始终CCl-改为CMg2+。8.2绘制OBe’—C浓缩率曲线，总结出经验式。8.3计算出卤水由饱和点浓缩至各浓度时NaCl析出量、析出率、卤水蒸发率等数据填入附表2.2中，并绘出NaCl析出量与相对密度关系曲线，卤水体积变化与波美度关系曲线，观察各曲线变化情况。饱和卤水氯化钠析出量、析出率及蒸发水量计算公式如下：根据析盐规律，卤水浓缩至34OBe’以前，镁盐将不会结晶析出。浓缩一定体积的卤水，尽管卤水体积不断减小，NaCl不断析出，其中镁离子的总量是不会改变的，因此，在NaCl结晶析出阶段，可以镁盐为基础，通过计算的方法，准确得知卤水浓缩至各浓度NaCl的析出量。（1）氯化钠析出量的具体计算方法如下：一定体积某浓度卤水中MgCl2量应等于卤水体积V与卤水中MgCl2浓度C之乘积，即：CV。若卤水由饱和点浓度B1波美度浓缩至B2波美度，根据物料衡算：MgCl2：2211CVCV（2.5）NaCl：WCVCV''2211（2.6）式中，V1——初始时卤水体积（l）；V2——蒸发终止时卤水体积（l）；C1——初始卤水中MgCl2的浓度（g/l）；C1’——初始卤水中NaCl的浓度（g/l）；C2——蒸发终止时卤水中MgCl2的浓度（g/l）；C2’——蒸发终止时卤水中NaCl的浓度（g/l）；W——蒸发过程中NaCl的析出量（g）。测得V1、C1、C2、C1’、C2’，通过（2.5）式便可求出V2，将V2值代入（2.6）式，便可求出蒸发浓缩过程中析出的NaCl量W。（2）若同时测得初始卤水的重量P1和蒸发终止时卤水和析出物的总重量P2，卤水由B1浓缩至B2的蒸发水量P即可得：21PPP（2.7）在上述基础上，可求出以下各值：①饱和卤水浓缩至某一浓度时NaCl析出率N：%100'11CVWN（2.8）②由饱和点浓缩至某一浓度时卤水的浓缩率c：、12VVc（2.9）③卤水由饱和点浓缩至某一浓度时水分的蒸发率cB：121121VPPdVPPcB水（1水d）（2.10）④1m3饱和卤水浓缩至某一浓度时NaCl析出量G：1VWG（2.11）⑤饱和卤水在某浓度范围内产1吨NaCl需蒸发水量K：WPPK21（2.12）⑥饱和卤水在某浓度范围内产1吨NaCl剩余母液量M：WVM2（2.13）利用上述方法，将接近饱和的卤水浓缩至各浓度，便可获得此卤水浓缩至各阶段的母液体积和蒸发水量，从而获得饱和卤水中NaCl的析出规律。附录一：卤水中主要离子的测定方法