专利名称：一种水玻璃模数自动测定方法及仪器的制作方法
技术领域：
本发明涉及水玻璃模数测定技术，特别是一种能自动测定水玻璃模数的方法及 仪器。
背景技术：
水玻璃，也称为泡花碱，化学名为硅酸钠，分子式为Na2O · nSi02 · χΗ20。水 玻璃价格低廉，来源充足，同时无色、无味、无毒，在化工行业被用来制造硅胶、白炭 黑、沸石分子筛、偏硅酸钠、硅溶胶、层硅及速溶粉状泡花碱、硅酸钾钠等各种硅酸盐 类产品，是硅化合物的基本原料。在轻工业中是洗衣粉、肥皂等洗涤剂中不可缺少的原 料，也是水质软化剂、助沉剂；在纺织工业中用于助染、漂白和浆纱；在机械行业中广 泛用于铸造、砂轮制造和金属防腐剂等；在建筑行业中用于制造快干水泥、耐酸水泥防 水油、土壤固化剂、耐火材料等；在农业方面可制造硅素肥料；另外用作石油催化裂化 的硅铝催化剂等。水玻璃的一个重要参数就是模数(modulus)，它是水玻璃中SiO2和Na2O的物质 的量之比，一般用m表示。模数对水玻璃粘结剂的粘度、固化速度和粘结强度提高率有 很大影响。实际应用时需要根据不同的情况选用不同模数的水玻璃，如建筑中用于修补 混凝土材料的水玻璃模数为3.3 3.5，用于软土地基加固的水玻璃模数为2.5 3.0，用 做建筑装饰材料的水玻璃模数要求为2.6 2.8 ；用在冷铁防锈中的水玻璃模数为2.2 2.8等。国内使用水玻璃的工厂厂家在2万家以上，很多厂家都需要准确的水玻璃模数数 据，特别是对硬化速度、粘结强度要求很严格的工厂，其水玻璃模数需要实时检测，水 玻璃模数的快速、准确测定方法及仪器开发显得极为迫切。目前水玻璃模数的测定方法大多参照国家标准《工业硅酸钠GB/T4209-2008》 的测试方法，采用纯手工滴定。其试验步骤为称取5g的水玻璃固体试样(也有改进的 实验方案是直接用玻璃棒蘸取约Ig左右的水玻璃试样，还有的用玻璃棒蘸取试样3 4 滴)，移入250mL容量瓶，加蒸馏水至容量瓶250mL刻度，振荡摇勻，此溶液为试验溶 液C。用移液管移取50mL试验溶液C置于250mL锥形瓶内，加10滴甲基红指示剂(也 有采用甲基橙、甲基红-孔雀绿、溴百里酚蓝、溴酚蓝、甲基红-溴甲酚绿等指示剂)， 采用滴定管用盐酸标准溶液滴定至溶液由黄色变成微红色为终点。记下所消耗的盐酸标 准溶液的读数(V》。滴定后的溶液为试验溶液E。在试验溶液E中，加入3g±0.1gNaF， 摇动使其溶解。此时溶液又变为黄色，立即采用滴定管用盐酸标准溶液滴定至红色不 变，再过量2 3mL，准确记录盐酸标准滴定溶液的总体积(V2)。然后，采用碱性滴定 管用氢氧化钠标准溶液返滴至黄色为终点，记录所用氢氧化钠标准溶液体积(V3)；为降 低器皿和所引入的系统误差需进行空白试验，即在新的250mL锥形瓶中，加入50mL蒸 馏水、10滴甲基红乙醇指示剂，加入3g±0.1gNaF，立即采用酸性滴定管用盐酸标准溶液 滴定至红色不变，再过量2 3mL，准确记录盐酸标准滴定溶液的总体积。最后，采用 碱性滴定管用氢氧化钠标准溶液滴定至黄色为终点。这样可以计算出空白试验消耗的盐酸标准溶液体积(V4)；水玻璃模数m由以下公式计算，m = η (SiO2) /n (Na2O) = 0.5 X M2 (V2-V3-V4) /M1V1其中M1是盐酸标准溶液的浓度，M2是氢氧化钠标准溶液的浓度[工业硅酸钠 GB/T 4209-2008.中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员 会联合发布，2008-04-01发布，2008-09-01实施]。这些方法均采用肉眼判断滴定终点和手工滴定方法，测试结果准确度不高，大 多数实验方案测试时间很长，测试时间一般都在2小时左右。大多数测试方法繁琐，且 和测试者的测试水平有很大关系。按照上述测试方法，即便专业人员也很难得到准确的 水玻璃模数数据。
发明内容
本发明的任务是提供一种水玻璃模数测试方法，解决现有测定方法操作较复 杂、主要依靠手工操作，滴定终点难以判断、测定精度较低，可能重复滴定、测试周期 较长，测定过程需要氢氧化钠返滴的问题。本发明的另一个任务是提供一种水玻璃模数测定仪器。实现本发明的技术方案是本发明提供的这种水玻璃模数测定方法，包括以下步骤(1)制备试样溶液根据国家标准《工业硅酸钠GB/T 4209-2008》称取5g待 测固体水玻璃或IOmL液体水玻璃，移入250mL容量瓶中，加蒸馏水至容量瓶250mL刻 度，振荡摇勻，此溶液为试验溶液C，用移液管移取50mL试验溶液C置于150mL烧杯 内；(2)滴定氧化钠以处理器控制精确加液滴定装置用0.5mol/L盐酸标准溶液滴 定150mL烧杯内试验溶液C，并且以处理器记录滴定所用0.5mol/L盐酸标准溶液的体 积，同时用与处理器连接的pH电极实时监测该试验溶液C的pH值变化，当pH电极采集 到的电位信号达到预设置在处理器内的pH = 4.0时的电位时(设定pH = 4.0为滴定终点 的依据是根据国标方法中规定加入甲基红乙醇指示剂的溶液由黄色变为微红色为终点， 此时溶液的pH = 4.0)，以处理器控制精确加液滴定装置停止滴定，滴定所用0.5mol/L盐 酸标准溶液的总体积记为V1,滴定后的溶液为试验溶液E ；(3)滴定二氧化硅在上述试验溶液E中，加入3g±0.1gNaF，以磁力加热搅拌 器加热搅动使其溶解反应，以处理器控制精确加液滴定装置用0.5mol/L盐酸标准溶液滴 定该加入了 NaF后的试验溶液E，并且以处理器记录滴定所用0.5mol/L盐酸标准溶液的 体积，同时用与处理器连接的pH电极实时监测溶液的pH值变化，当pH电极采集到的电 位信号达到预设置在处理器内的pH = 6.0时的电位时(设定pH = 6.0为滴定终点的依据 是根据国标方法规定加入甲基红乙醇指示剂的溶液由红色变为黄色为终点，此时溶液的 pH = 6.0),以处理器控制精确加液滴定装置停止滴定，滴定所用0.5mol/L盐酸标准溶液 的总体积记为V2 ；(4)空白试验取一个空的150mL烧杯，加入50mL蒸馏水、3g±0.1gNaF，以
磁力加热搅拌器加热搅动使其溶解，以处理器控制精确加液滴定装置用0.5mol/L盐酸标 准溶液滴定该150mL烧杯内试验溶液，并且以处理器记录滴定所用0.5mol/L盐酸标准溶液的体积，同时与处理器连接的pH电极实时监测溶液的pH值变化，当pH电极采集到的 电位信号达到预设置在处理器内的pH = 6.0时的电位时(设定pH = 6.0为滴定终点依据 同步骤3)，以处理器控制精确加液滴定装置停止滴定，滴定所用0.5mol/L盐酸标准溶液 的总体积记为V3 ；(5)数据处理以处理器按以下计算公式(1)计算水玻璃模数m = 0.5X (V2-V3)ZV1 (1)式中m_水玻璃模数；V1-滴定氧化钠时所消耗的盐酸标准滴定溶液体积的数值，单位为毫升(mL)；V2-滴定二氧化硅时所消耗的盐酸标准滴定溶液体积的数值，单位为毫升 (mL)；V3-空白试验消耗的盐酸标准滴定溶液体积的数值，单位为毫升(mL)。国标测定方法采用甲基红指示剂判断滴定终点，用甲基红指示剂判断终点时颜 色变化不明显，为了较准确的判断终点故需要采用氢氧化钠标准溶液进行返滴；本发明 方法采用电位信号判断滴定终点，故可准确判定滴定终点，省去了氢氧化钠返滴步骤， 因此，水玻璃模数计算公式省去了国标方法中氢氧化钠返滴所消耗的标准氢氧化钠溶液 体积，因此使操作更简便，缩短了测定周期，提高了终点的判断准确度。本发明提供的水玻璃模数测定仪器，包括加液滴定单元、反应单元、信号采集 放大单元、结果输出单元和数据处理单元；所述加液滴定单元，由精确加液滴定装置⑶、移液管(17)和试剂瓶(3)组成； 精确加液滴定装置(8)固定于第一立杆(9)上，移液管(17)由固连于第一立杆(9)的第 一横杆(5)固定，移液管(17)穿过精确加液滴定装置(8)，一端接入到试剂瓶(3)中，另 一端接入到反应池(6)中；所述反应单元由磁力加热搅拌器(4)、搅拌子(15)和反应池(6)组成，搅拌子 (15)位于反应池(6)底部，反应池(6)位于磁力加热搅拌器⑷上，磁力加热搅拌器⑷ 固定于支撑台⑴上；所述信号采集放大单元，由pH电极(7)和温度传感器(14)组成，温度传感器 (7)固定于pH电极(14)下端，pH电极(14)上端由固连于第二立杆(13)的第二横杆(12) 固定；pH电极(7)和温度传感器(14)放置于反应池(6)中；所述结果输出单元，由显示终端(16)组成，显示终端(16)固定于支撑台(1) 上；所述的数据处理单元由处理器(11)组成；其中处理器(11)通过数据传输线 (10)分别与精确加液滴定装置⑶、磁力加热搅拌器⑷、pH电极(7)、温度传感器(14) 和显示终端(16)连接；处理器(11)内置程序控制模块和信号处理模块，所述程序控制模 块依序控制下述过程A.磁力加热搅拌器对试样溶液加热、搅拌；B.启动精确加液滴定 装置，控制精确加液滴定装置工作时间，定量移取试剂瓶中的试剂至反应池中；C.磁力 加热搅拌器搅拌试样溶液；D.启动信号采集单元，采集反应池中pH电极和温度传感器的 电位和温度信号，并传输给信号处理模块；F.根据信号模块的运算处理结果决定是否继 续运行过程B F;所述信号处理模块对电位和温度信号进行放大、模数转换，并根据温度信号对电位信号进行温度补偿，然后将补偿后的电位信号与预设电位信号进行对比处 理，确定是否停止滴定；所述的温度传感器(14)是热电偶温度传感器或热敏电阻温度传感器；所述的反 应池(6)是150mL烧杯或150mL锥形瓶；所述的精确加液滴定装置(8)是注射泵或蠕动 泵；所述的显示终端(16)是打印机或显示器。本发明仪器的工作原理见图2，移取配置好的试验溶液50mL放入到反应池 中，同时将pH电极和温度传感器放入反应池中，处理器开始控制精确加液滴定装置对待 测溶液进行滴定，放置于试样溶液中的pH电极和温度传感器实时采集电位信号和温度信 号，电位信号和温度信号经数据传输线反馈给处理器，处理器对电位信号和温度信号进 行放大、模数转换处理，然后根据温度变化对采集到的电位信号进行温度补偿，并将补 偿后的电位信号与预设的电位信号进行对比，当信号达到预设的值时，处理器控制精确 加液滴定装置停止滴定，反之，则继续滴定直到电位信号达到预设值。本发明的精度验证取相同固体水玻璃试样，第一组按照国家标准《工业硅酸 钠GB/T 4209-2008))所述方法进行试验，具体步骤可参照[工业硅酸钠GB/T4209-2008. 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会联合发布， 2008-04-01发布，2008-09-01实施]，所得结果见表1 ；第二组按照本发明方法进行试验(1)试样溶液制备根据国家标准《工业硅酸钠GB/T 4209-2008》称取5g待 测固体水玻璃，移入250mL容量瓶中，加蒸馏水至容量瓶250mL刻度，振荡摇勻，此溶 液为试验溶液C，用移液管移取50mL试验溶液C置于150mL烧杯内。(2)滴定氧化钠以处理器控制精确加液滴定装置用0.5mol/L盐酸标准溶液滴 定150mL烧杯内试验溶液C，并且以处理器记录滴定所用0.5mol/L盐酸标准溶液的体 积，同时用与处理器连接的pH电极实时监测该试验溶液C的pH值变化，当pH电极采 集到的电位信号达到预设置在处理器内的pH = 4.0时的电位时，以处理器控制精确加液 滴定装置停止滴定，滴定所用0.5mol/L盐酸标准溶液的总体积记为V1,滴定后的溶液为 试验溶液E。(3)滴定二氧化硅在上述试验溶液E中，加入3g±0.1gNaF，以磁力加热搅拌 器加热搅动使其溶解反应，以处理器控制精确加液滴定装置用0.5mol/L盐酸标准溶液滴 定该加入了 NaF后的试验溶液E，并且以处理器记录滴定所用0.5mol/L盐酸标准溶液的 体积，同时用与处理器连接的pH电极实时监测溶液的pH值变化，当pH电极采集到的电 位信号达到预设置在处理器内的pH = 6.0时的电位时，以处理器控制精确加液滴定装置 停止滴定，滴定所用0.5mol/L盐酸标准溶液的总体积记为V2。(4)空白试验取一个空的150mL烧杯，加入50mL蒸馏水、3g±0.1gNaF，以
磁力加热搅拌器加热搅动使其溶解，以处理器控制精确加液滴定装置用0.5mol/L盐酸标 准溶液滴定该150mL烧杯内试验溶液，并且以处理器记录滴定所用0.5mol/L盐酸标准溶 液的体积，同时与处理器连接的pH电极实时监测溶液的pH值变化，当pH电极采集到的 电位信号达到预设置在处理器内的pH = 6.0时的电位时，以处理器控制精确加液滴定装 置停止滴定，滴定所用0.5mol/L盐酸标准溶液的总体积记为V3。(5)数据处理令处理器按计算公式(1)，m = 0.5 X (V2-V3W1计算水玻璃模数，所得结果见表2。表1国标方法测得水玻璃模数结果
权利要求
1.一种水玻璃模数测定方法，包括以下步骤(1)制备试样溶液根据国家标准《工业硅酸钠GB/T4209-2008》称取5g待测固 体水玻璃或IOmL液体水玻璃，移入250mL容量瓶中，加蒸馏水至容量瓶250mL刻度， 振荡摇勻，此溶液为试验溶液C，用移液管移取50mL试验溶液C置于150mL烧杯内；(2)滴定氧化钠以处理器控制精确加液滴定装置用0.5mol/L盐酸标准溶液滴定 150mL烧杯内试验溶液C，并且以处理器记录滴定所用0.5mol/L盐酸标准溶液的体积， 同时用与处理器连接的pH电极实时监测该试验溶液C的pH值变化，当pH电极采集到 的电位信号达到预设置在处理器内的pH = 4.0时的电位时，以处理器控制精确加液滴定 装置停止滴定，滴定所用0.5mol/L盐酸标准溶液的总体积记为V1,滴定后的溶液为试验 溶液E ；(3)滴定二氧化硅在上述试验溶液E中，加入3g±0.1gNaF，以磁力加热搅拌器 加热搅动使其溶解反应，以处理器控制精确加液滴定装置用0.5mol/L盐酸标准溶液滴定 该加入了 NaF后的试验溶液E，并且以处理器记录滴定所用0.5mol/L盐酸标准溶液的体 积，同时用与处理器连接的pH电极实时监测溶液的pH值变化，当pH电极采集到的电位 信号达到预设置在处理器内的pH = 6.0时的电位时，以处理器控制精确加液滴定装置停 止滴定，滴定所用0.5mol/L盐酸标准溶液的总体积记为V2 ；(4)空白试验取一个空的150mL烧杯，加入50mL蒸馏水、3g±0.1gNaF，以磁力 加热搅拌器加热搅动使其溶解，以处理器控制精确加液滴定装置用0.5mol/L盐酸标准溶 液滴定该150mL烧杯内试验溶液，并且以处理器记录滴定所用0.5mol/L盐酸标准溶液的 体积，同时与处理器连接的pH电极实时监测溶液的pH值变化，当pH电极采集到的电位 信号达到预设置在处理器内的pH = 6.0时的电位时，以处理器控制精确加液滴定装置停 止滴定，滴定所用0.5mol/L盐酸标准溶液的总体积记为V3 ；(5)数据处理以处理器按以下计算公式(1)计算水玻璃模数m = 0.5X (V2-V3)ZV1 (1)式中m-水玻璃模数；V1-滴定氧化钠时所消耗的盐酸标准滴定溶液体积的数值，单位为毫升(mL)；V2-滴定二氧化硅时所消耗的盐酸标准滴定溶液体积的数值，单位为毫升(mL)；V3-空白试验消耗的盐酸标准滴定溶液体积的数值，单位为毫升(mL)。
2.一种水玻璃模数测定仪器，包括加液滴定单元、反应单元、信号采集放大单元、 结果输出单元和数据处理单元，其特征在于所述加液滴定单元，由精确加液滴定装置 (8)、移液管(17)和试剂瓶(3)组成；精确加液滴定装置(8)固定于第一立杆(9)上， 移液管(17)由固连于第一立杆(9)的第一横杆(5)固定，移液管(17)穿过精确加液滴定 装置(8)，一端接入到试剂瓶(3)中，另一端接入到反应池(6)中；所述反应单元由磁力 加热搅拌器(4)、搅拌子(15)和反应池(6)组成，搅拌子(15)位于反应池(6)底部，反 应池(6)位于磁力加热搅拌器(4)上，磁力加热搅拌器(4)固定于支撑台(1)上；所述信 号采集放大单元，由pH电极(7)和温度传感器(14)组成，温度传感器(7)固定于pH电 极(14)下端，pH电极(14)上端由固连于第二立杆(13)的第二横杆(12)固定；pH电 极(7)和温度传感器(14)放置于反应池(6)中；所述结果输出单元，由显示终端(16)组成，显示终端(16)固定于支撑台(1)上；所述的数据处理单元由处理器(11)组成，该处 理器(11)通过数据传输线(10)分别与精确加液滴定装置(8)、磁力加热搅拌器(4)、pH 电极(7)、温度传感器(14)和显示终端(16)连接；处理器(11)内置程序控制模块和信号 处理模块，所述程序控制模块依序控制下述过程A.磁力加热搅拌器对试样溶液加热、 搅拌；B.启动精确加液滴定装置，控制精确加液滴定装置工作时间，定量移取试剂瓶中 的试剂至反应池中；C.磁力加热搅拌器搅拌试样溶液；D.启动信号采集单元，采集反应 池中pH电极和温度传感器的电位和温度信号，并传输给信号处理模块；F.根据信号模块 的运算处理结果决定是否继续运行过程B F ；所述信号处理模块对电位和温度信号进行 放大、模数转换，并根据温度信号对电位信号进行温度补偿，然后将补偿后的电位信号 与预设电位信号进行对比处理，确定是否停止滴定。
3.根据权利要求2所述的水玻璃模数测定仪器，其特征在于，所述的温度传感器 (14)是热电偶温度传感器或热敏电阻温度传感器。
4.根据权利要求2所述的水玻璃模数测定仪器，其特征在于，所述的反应池(6)是 150mL烧杯或150mL锥形瓶。
5.根据权利要求2所述的水玻璃模数测定仪器，其特征在于，所述的精确加液滴定装 置(8)是注射泵或蠕动泵。
6.根据权利要求2所述的水玻璃模数测定仪器，其特征在于，所述的显示终端(16) 是打印机或显示器。
全文摘要
本发明提供了一种水玻璃模数测定方法及仪器，以解决现有测定方法采用肉眼判断滴定终点、测定精度较低，依靠手工操作，测定过程需要氢氧化钠溶液返滴，测试周期较长的问题。本发明采用pH电极采集到的电位信号代替肉眼判断滴定终点，采用精确加液滴定装置精确加液滴定代替手工加液滴定，采用处理器控制滴定过程及处理数据，采用磁力加热搅拌器对整个测定过程加热搅拌。本发明仪器由加液滴定单元、反应单元、信号采集放大单元、数据处理单元和结果输出单元组成。本发明实现了水玻璃模数快速、准确测定，并减轻了实验人员的劳动强度。
文档编号G01N21/80GK102012375SQ201010558029
公开日2011年4月13日 申请日期2010年11月24日 优先权日2010年11月24日
发明者刘蒙, 樊自田, 汪华方, 胡雪婷, 龙威 申请人:华中科技大学