彭倩，苗紅艷，丁玉強(qiáng)

(江南大學(xué) 化學(xué)與材料工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122)

在光伏產(chǎn)業(yè)和半導(dǎo)體制造業(yè)中，單晶硅和多晶硅棒切割過程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢砂漿，主要含有聚乙二醇、碳化硅微粉、單質(zhì)硅粉、鐵及不銹鋼粉等［1-4］。若直接排放，不僅會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，而且會(huì)造成資源浪費(fèi)。因此，對(duì)硅切割廢砂漿進(jìn)行回收利用，具有較高的環(huán)保與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

目前對(duì)廢砂漿的回收利用的研究?jī)H限于聚乙二醇、硅及碳化硅?；谏皾{中的鐵含量較為可觀，可以通過酸洗，將生成的亞鐵溶液應(yīng)用于工業(yè)用水的凈化處理中，從而達(dá)到廢砂漿中鐵屑的再利用，因而有必要對(duì)廢砂漿中的鐵含量進(jìn)行測(cè)定。傳統(tǒng)的廢砂漿成分分析法為重量法，工藝較繁瑣，且準(zhǔn)確性低。

本文利用二價(jià)鐵離子與鄰二氮菲生成穩(wěn)定絡(luò)合物，在可見光區(qū)有特征吸收的性質(zhì)［5-10］，建立了一種精確測(cè)定廢砂漿中鐵含量的方法，方法簡(jiǎn)捷、對(duì)廢砂漿中不銹鋼粉末中重金屬鉻的抗干擾性強(qiáng)，準(zhǔn)確度及精密度高，適合于廢砂漿中鐵含量的定量分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

六水合硫酸亞鐵銨、濃鹽酸、鄰啡羅啉、鹽酸羥胺、無(wú)水醋酸鈉、冰醋酸、二苯碳酰二肼、重鉻酸鉀、丙酮、磷酸、濃硫酸、過硫酸銨均為分析純;廢砂漿。

TU-1901 型雙光束紫外-可見分光光度計(jì);FA2004 型電子天平;JJ-1 型增力電動(dòng)攪拌器;HHS2 型數(shù)顯恒溫水浴鍋。

1.2 鐵含量測(cè)定

1.2.1 測(cè)定原理 在一定酸度條件下，F(xiàn)e2+與鄰菲羅啉可以生成穩(wěn)定的橙紅色的絡(luò)合物，絡(luò)合物在510 nm 附近有特征吸收峰。Fe2+濃度與吸光度符合朗伯比爾定律，適用于微量鐵測(cè)定。反應(yīng)方程式如下:

1.2.2 測(cè)定方法 取50 mL 容量瓶，加入濃度10 mg/L硫酸亞銨標(biāo)準(zhǔn)溶液4 mL，再加入10%鹽酸羥胺溶液1 mL、10 mg/L 的鄰啡羅啉顯色液2.5 mL、和pH 值5.0 醋酸鈉-醋酸緩沖溶液5 mL，用蒸餾水定容并搖勻，靜置10 min 后，測(cè)定511 nm處的紫外吸光度。

1.3 樣品分析

稱取1.000 0 g 廢砂漿于50 mL 燒杯中，加入20 mL 去離子水，在持續(xù)攪拌下，加入一定量濃硫酸，于一定溫度下攪拌反應(yīng)一定時(shí)間，過濾，再用去離子水洗滌3 ～4 次，將酸浸液與洗滌液轉(zhuǎn)移入250 mL 容量瓶中，用去離子水定容，搖勻后，靜置1 h，取樣測(cè)定吸光度。

2 結(jié)果與討論

2.1 測(cè)定條件的探究

2.1.1 最大吸收波長(zhǎng) 取鐵離子濃度為10 mg/L的硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液4 mL 于50 mL 容量瓶中，加入10%鹽酸羥胺溶液1 mL、10 mg/L 鄰菲羅啉顯色液2.5 mL 和pH 為5.0 醋酸鈉-醋酸緩沖溶液5 mL，用蒸餾水稀釋并搖勻，放置10 min 后，以試劑溶液為空白在400 ～600 nm 處的紫外吸光度，見圖1。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸收曲線Fig.1 Absorptiom curve of the standard solution

由圖1 可知，在511 nm 處吸光度最大。因此選擇511 nm 為測(cè)定鐵離子濃度的最大吸收波長(zhǎng)。2.1.2 顯色劑用量 取6 個(gè)50 mL 容量瓶，分別加入4 mL 10 mg/L 硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液，1 mL 10%鹽酸羥胺溶液，搖勻。分別加入10 mg/L 鄰菲羅啉顯色液1.0，1.5，2，2.5，3.0，3.5 和pH 為5.0 的醋酸鈉-醋酸緩沖溶液5 mL，用蒸餾水定容并搖勻，放置10 min，以試劑溶液為空白，測(cè)定511 nm 處的吸光度，結(jié)果見表1。

表1 顯色劑用量對(duì)吸光度的影響Table 1 Effect of the dosage of chromogenic agent on the absorbance

由表1 可知，在顯色劑用量1.5 ～3.0 mL 內(nèi)，吸光度較穩(wěn)定，且達(dá)到一個(gè)較為合理的數(shù)值，如果添加量大于3.0 mL，吸光度并不會(huì)大幅度增加，反而會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，同時(shí)過多的顯色劑也會(huì)增加后處理的困難，造成資源浪費(fèi)。因此，選擇顯色劑用量為2.5 mL 為宜。

2.1.3 酸度 取6 個(gè)50 mL 容量瓶，分別加入4 mL 10 mg/L 硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液，1 mL 10%鹽酸羥胺溶液，2.5 mL 10 mg/L 鄰菲羅啉顯色液，再分別加入pH 值為2.0，3.0，4.0，5.0，6.0，7.0 的醋酸鈉-醋酸緩沖溶液5 mL，用蒸餾水稀釋并搖勻，放置10 min，以試劑溶液為空白，在511 nm 處的吸光度見表2。

表2 酸度對(duì)吸光度的影響Table 2 Effect of dosage of pH value on the absorbance

由表2 可知，在pH 4 ～6 范圍內(nèi)，吸光度較穩(wěn)定，酸度過高，顯色反應(yīng)速度較慢;酸度過低，F(xiàn)e2+易發(fā)生水解，影響顯色。因此，選擇pH 為5.0 的醋酸鈉-醋酸緩沖溶液，調(diào)節(jié)體系的pH 值。

2.1.4 顯色時(shí)間 取6 個(gè)50 mL 容量瓶，分別加入4 mL 10 mg/L 硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液，1 mL 10%鹽酸羥胺溶液，2.5 mL 10 mg/L 鄰菲羅啉顯色液和5 mL pH 為5.0 的醋酸鈉-醋酸緩沖溶液，用蒸餾水稀釋并搖勻，分別放置5，10，15，30，60，120 min，以試劑溶液為空白，測(cè)定各溶液在511 nm 處的吸光度，結(jié)果見表3。

表3 顯色時(shí)間對(duì)吸光度的影響Table 3 Effect of chromogenic time on the absorbance

由表3 可知，此顯色反應(yīng)較快，且穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，選取顯色時(shí)間為10 min。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線的制定

測(cè)定 濃 度 分 別 為0.2，0.4，0.8，1.2，1.6，2.0 mg/L 的硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液在511 nm 處的吸光度。結(jié)果表明，鐵離子濃度在0 ～2 mg/L 范圍內(nèi)符合比爾定律。以鐵離子濃度(mg/L)為橫坐標(biāo)X，以吸光度A 為縱坐標(biāo)Y 作圖，線性回歸，得曲線方程Y=0.194 45X+0.022，R2=0.999 6。

圖2 鐵含量測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.2 Standard curve of iron concentration

2.3 廢砂漿中鐵含量測(cè)定

2.3.1 酸浸處理?xiàng)l件優(yōu)化 利用正交實(shí)驗(yàn)考察硫酸濃度、酸浸時(shí)間、酸浸溫度對(duì)鐵離子浸出率的影響，結(jié)果見表4。

表4 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 4 Orthogonal experiments results

由表4 可知，影響鐵離子浸出率的因素為:酸浸時(shí)間＞酸浸溫度＞硫酸濃度。最優(yōu)酸浸條件為A2B2C3，即:硫酸濃度0.03 mol/L，酸浸時(shí)間1.0 h，酸浸溫度50 ℃。

2.3.2 測(cè)定結(jié)果 將廢砂漿的酸浸洗滌液稀釋10 倍，取樣測(cè)定鐵離子含量，平行操作6 次。測(cè)定的平均值為10.45 mg/L，即廢砂漿中鐵占廢砂漿總重的2.61%。測(cè)定的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.24%，說(shuō)明分光光度法用于廢砂漿中鐵含量測(cè)定精密度較好。

2.3.3 抗干擾性分析 硅片切割產(chǎn)生的廢砂漿中包含一定量的不銹鋼粉，而不銹鋼粉末中又含有少量的重金屬鉻，實(shí)驗(yàn)考察了鉻對(duì)分光光度法測(cè)定鐵含量的影響。

取6 個(gè) 50 mL 容量瓶，各加入鐵含量10.45 mg/L 的硫酸亞鐵銨溶液4 mL，分別加入鉻含量為1 mg/L 的重鉻酸鉀溶液0，2，4，6，8，10 mL，即m(Cr)∶m(Fe)=0 ～0.24，測(cè)定不同鉻含量、相同鐵離子含量的吸光度，結(jié)果見表5。

表5 鉻對(duì)鐵含量測(cè)定影響Table 5 Effect of Cr on determination of iron content

由表5 可知，在m(鉻)∶m(鐵)=0 ～0.24 范圍內(nèi)，鉻對(duì)分光光度法測(cè)定鐵含量影響均較小。實(shí)驗(yàn)測(cè)得廢砂漿酸浸洗滌液中重金屬鉻的含量?jī)H為4.37 mg/L(廢砂漿中鉻測(cè)定參照國(guó)標(biāo)法GB/T 7467—1987 測(cè)定)，約占鐵含量的4.17%。因此，分光光度法測(cè)定廢砂漿中的鐵含量，對(duì)廢砂漿中的不銹鋼粉末中少量的金屬鉻的抗干擾性較強(qiáng)。

2.3.4 準(zhǔn)確度分析 取6 個(gè)100 mL 容量瓶，各加入酸浸處理后的廢砂漿濾液5 mL，分別加入含鐵量為100 mg/L 的硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液2，4，6，8，10，12 mL，用去離子水定容并搖勻，取樣測(cè)定溶液的鐵離子濃度，結(jié)果見表6。

表6 準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 6 The result of accuracy experiments

由表6 可知，測(cè)定的回收率為97.50% ～100.50%，說(shuō)明分光光度法用于廢砂漿中鐵含量測(cè)定準(zhǔn)確度較高。

3 結(jié)論

(1)分光光度法測(cè)定鐵含量的最佳條件為:吸收波長(zhǎng)511 nm，顯色劑用量2.5 mL(10 mg/L)，體系pH 值5.0，顯色時(shí)間為10 min。

(2)廢砂漿最佳酸浸除鐵工藝條件:酸浸時(shí)間1.0 h，酸浸溫度50 ℃，硫酸濃度0.03 mol/L。

(3)在最優(yōu)酸浸處理?xiàng)l件下對(duì)廢砂漿進(jìn)行酸浸處理，在最佳測(cè)定條件下，測(cè)得廢砂漿中鐵含量為2.61%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.24%，回收率為97.50%～100.50%。該方法對(duì)廢砂漿中不銹鋼粉末中含有的重金屬鉻抗干擾性強(qiáng)，準(zhǔn)確度、精密度高，操作簡(jiǎn)單，成本較低，適用于廢砂漿中鐵含量測(cè)定。

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