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10 2026.04
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卡爾費休法測定化工產品中水分含量的探討
随(sui)着当今社會出現(xian)的多樣化发展態勢，化工產品(pin)是經濟社會发展過程中必不(bu)可少的物質之一，化工產(chan)品中水分對於產品的質(zhi)量有着至關重要的影響，它不仅關系到產(chan)品的質量和性能(neng)，還涉及到生產過程中的安全(quan)性、環保合規性以及企(qi)業的(de)經濟效益。例如水分會加速油的氧化，水分挥(hui)发時(shi)會吸收熱量，使油品的发(fa)熱量降低，並且在(zai)低温情况下，水分會結冰，堵塞燃料导管和滤(lv)清器(qi)，妨碍燃料系統正常供油。某些化工產品接触水分后會引(yin)发劇(ju)烈的化學反應，過高(gao)的水分含量可能导致化工產品變質、腐蚀設備、影響使用效果等(deng)問題，有些產品水(shui)分太高會使產品變得潮湿或发霉(mei)，水分太低會使(shi)產品變(bian)得脆弱或易碎，水分含量的控製贯穿(chuan)整個化工生產(chan)過程，从(cong)源头的(de)原料選擇到最終產品出廠，每(mei)個環境都不容忽視。在原料控製阶段，通過對原(yuan)材料水(shui)分含量的嚴格檢測，可以有效预防(fang)因原料潮湿而导致的生產波動，在產品(pin)檢驗(yan)環節，水分(fen)含量的(de)達標與否，直(zhi)接關系到產品的(de)市場竞争力。企業可以根據水分測(ce)定結果(guo)進行物料平衡，指(zhi)导生產管理，優化生產流(liu)程，確保產品質(zhi)量，降低(di)成本。当產品質(zhi)量出現問題時，水分含量的数據往(wang)往能够(gou)成重要的依據，指导(dao)企業采取针對性措施，持續優化產品質量。因此(ci)无论是从化學反應的(de)角度還是从成品的角度來看，對化工產品中水分(fen)含量進行測定很有(you)必要。
根據樣品的性質、含水量等選擇合適的水(shui)分(fen)測定方法。目前(qian)，通用的(de)化工產品水含量測定方法有干燥法、色谱法、化學法(fa)、卡爾費休法，其中干燥失重法(fa)適用於固體化工(gong)產品，但是在干燥的過程中挥发性物質(zhi)也會被蒸发(fa)，导致結果準確(que)性差；色谱法儀器(qi)价格昂貴(gui)，對樣品(pin)要求较苛刻，前處理较麻烦，檢(jian)測器(qi)灵敏度不高，不適用與(yu)微量水(shui)分分析；化學法分析時間长，卡爾費休法方法簡(jian)單(dan)、易操作，分析速(su)度快(kuai)，灵敏(min)度高(gao)，測量結果準(zhun)確度高(gao)，重現性好，而且所需樣品量少，適用於許多无機化(hua)工產品和有機化工產品(pin)的測定，可(ke)用(yong)於測定液體、固(gu)體、膏状物或氣體，被認為是測定水分的最準確方法之一(yi)，已成為多種樣品測定水分的首選方法，被廣泛應用於化工、石油、食品(pin)、医药等领域。卡爾費(fei)休法分為卡爾費休容量法和卡爾費休库仑法(fa)。通過采(cai)用卡爾·費休容量法和卡爾(er)·費休库仑法對水分含量(liang)為(wei)1%左右和0.1%左右的樣(yang)品(pin)進行測定比较研究，驗證兩種方法的精密度和準確度，分析数據結果(guo)為實驗進行樣品檢測方法選擇提供依據(ju)。
1 實 驗
1.1 實驗原理
卡爾·費休是一種用於測定物質中水分含量(liang)的化學分析(xi)方法，基本原理是(shi)利用碘氧化二氧化硫時需要一定量的水參與反應(ying)，化學反應方(fang)程(cheng)式如下：
H2O+I2+SO2+CH3OH+3RN→[RHN]SO4CH3+2[RHN]I[1]
卡爾(er)費休法主要分為容量法和库(ku)仑法，兩者的區別(bie)在於碘的加入方式(shi)不同，容量法所需的碘主(zhu)要是(shi)通過滴定管添加到含有樣品的反應池中，当(dang)試剂和樣品中(zhong)的水分反應完全后，通過電量(liang)指示到達終點，停止(zhi)滴定。通過消耗的卡爾費休試剂體积來計(ji)算(suan)出樣品中的水分含量[2]。
库(ku)仑法所需(xu)的碘是通過電解產生，滴定池阳極生成的碘與樣品中(zhong)的水根據反應的化學計量學，按1∶1的比例发生卡爾費休反(fan)應，当滴定池中所(suo)有的水反應消耗完后，電解液中的碘浓(nong)度(du)恢复到原定浓度時，停止電解。根據法拉第定律，通過測量電解過程中的電量來計算出(chu)樣品的水分含(han)量[3]。
1.2 試 剂
1.2.1 卡爾·費休容量法
无水甲醇：HYDRANAL-MethanolDry(34741)、容量法滴定剂：HYDRANAL-Composite 5(34805)。
1.2.2 卡爾·費休库仑法
阳極液：HYDRANAL-Coulomat Oil(34868)、阴極液：HYDRANAL-Coulomat CG(34840)。
1.2.3 標準水
HYDRANAL-Water Standard 1.0(34828),含水量為 1.007 mg/g, 擴(kuo)展不(bu)確定度為0.012 mg/g(k=2.95%置信(xin)區間)。
1.2.4 樣品
PT-2023-C04化工產(chan)品中水分含量(liang)測定樣品(水分(fen)含量指(zhi)定值為1.49%)。
1.3 儀器設備
卡氏水(shui)份(fen)測定儀(Metrohm, 852 Titrando);電子天平(Sartorius, AS135-S,可讀性0.01 mg);注射器(带(dai)魯爾錐形针头);称量舟。
1.4 環境条件
温度：26.4 ℃;相對湿度：56%。
1.5 分析步骤
1.5.1 準備工作
檢查電源線路，確保儀器正常可進行試驗(yan)。確(que)認試剂在有效期内且未受到污染或(huo)變質。將滴定盃和電(dian)極用无水乙醇進行清洗並烘干(gan)，確保没有水分残留。
1.5.2 容量法
於滴定盃中加入20 mL无水甲(jia)醇， 预(yu)滴定至(zhi)漂移值 (≤10 μg/min)稳(wen)定。用(yong)注射器(qi)移取一定量的蒸馏水注入滴定盃内，使用差(cha)量法称量蒸馏水質量並輸(shu)入卡氏水份測定儀，測出滴(di)定剂的滴定度。用注(zhu)射器移取一定(ding)量的樣品注入滴定盃内，使用差量法称量(liang)樣品質量並輸入卡氏水份測(ce)定儀，待測定結束后讀取(qu)結果。
1.5.3 库仑法
在滴定(ding)盃内加入約100 mL阳極液，在(zai)带隔膜发生電極加入20 mL阴極液。點擊(ji)開始按钮，预滴定至平衡状(zhuang)態(tai)，確(que)保滴定池中没有水分残留。用注射器移取(qu)待測(ce)樣品注入滴定盃内，使用差量(liang)法称量待測樣品質量並輸入卡氏水份(fen)測定儀，待滴定結束后讀取結果。
測量(liang)結束后，應(ying)及時清洗(xi)滴定盃和電極等部件，可選用合適(shi)的溶剂或硝酸浸(jin)泡数小時，浸泡(pao)后用无水乙醇(chun)充分清洗，用60 ℃烘干，確保无残留物。
2 結果與討论
2.1 實驗圖谱
采用容量法和库(ku)仑法對(dui)同一樣品進行檢測，由圖1和圖2實驗圖谱可见，相同(tong)的樣品，采用容量法進行測(ce)定(ding)，反應時間為100 s以(yi)内，库仑法反(fan)應(ying)時間為300 s左右，可见選擇容量法進行檢測更加快(kuai)速。
圖1 容量法實驗圖谱
Fig.1 Experimental diagram of Volumetric method
圖2 库仑法實驗圖谱
Fig.2 Experimental diagram of Coulombic method
2.2 精密度實驗
分(fen)別采用容量法和库仑法對编號為PT-2023-C04的化工產品進行重复測定6次[4],結果见表1。
表1精密度實驗結(jie)果對比(n=6)
Table 1 Comparison of precision experiment results (n=6)
| 實驗方法 | 容量法/% | 库仑法/(mg/kg) | ||
| 測量結果 | 1.451 | 1.452 | 14 375.06 | 14 367.88 |
| 1.453 | 1.452 | 14 345.77 | 14 385.61 | |
| 1.457 | 1.454 | 14 382.82 | 14 365.32 | |
| 平均值 | 1.452 | 14 370.41 | ||
| 標準偏差 | 0.005 | 14.46 | ||
| 相對標準偏差/% | 0.33 | 0.10 | ||
| 比對误差/% | 2.55 | 3.55 | ||
測定水分含量指定值(zhi)為1.49%的樣品，容(rong)量法比對误差(cha)為2.55%,库仑(lun)法比對误差為(wei)3.55%。可(ke)见，兩種方(fang)法精密度良好，容量法更適合測(ce)定水分含量大(da)於1%的樣品。
2.3 準確度實驗
通過采用容量法和库仑法對標準水(shui)(含水量為1.007 mg/g, 擴(kuo)展不(bu)確定度為0.012 mg/g(k=2.95%置信(xin)區間))進行(xing)重复測(ce)定6次，結果见表2。
表2準確度實驗(yan)結果對比
Table 2 Comparison of accuracy experiment results
| 實驗方法 | 容量法/% | 库仑法/(mg/kg) | ||
| 測量結果 | 0.100 5 | 0.099 9 | 1 010.29 | 1 003.37 |
| 0.099 6 | 0.100 4 | 1 007.57 | 1 005.53 | |
| 0.100 3 | 0.100 2 | 1 011.35 | 1 002.46 | |
| 平均值 | 0.100 2 | 1 003.8 | ||
| 標準偏差 | 0.000 3 | 3.15 | ||
| 相對標準偏差/% | 0.34 | 0.31 | ||
| 比對误差/% | 0.50 | 0.32 | ||
測定水含量(liang)為(wei)1.007 mg/g的樣品，卡爾費休容(rong)量法比對误差(cha)為0.50%,卡爾費休(xiu)库仑法比對误(wu)差為0.32%。误差不大，說明兩種方(fang)法均可用於(yu)測定水含量0.1%左右的樣品。
2.4 卡爾費休(xiu)法滴定出現误差(cha)的影響因素及控製措施
2.4.1 環境湿度的影響
在測定過(guo)程中，空氣中的水(shui)分會(hui)影響滴定時間，难以達到滴定終點，使測定結果偏(pian)高。實驗過(guo)程(cheng)中可通過空調、抽湿機等控製環境湿(shi)度，提前運(yun)行，使環境(jing)達到恒温恒湿(shi)状態再開始進行試驗。
卡爾費休試(shi)剂(ji)易吸收空氣中的水分，消耗有效成分，上(shang)層試剂變質(zhi)较快，导致試(shi)剂均匀度下降，影響測定(ding)結果的準確性。宜在滴定剂、反應池、甲醇溶液上(shang)方加裝干燥剂，過滤吸收水分。應定時(shi)更(geng)换干燥剂確保其吸水性。定(ding)期檢(jian)查儀器的氣密性，更换密封垫，在接口部位(wei)涂抹密封脂等(deng)，以减少湿氣對試剂和儀器的影響(xiang)。
2.4.2 搅拌速度的影響
因為樣品和滴定試剂加(jia)入時在局(ju)部，與電極不在(zai)一起，需進行搅拌(ban)混匀，搅拌(ban)速度也會影響測(ce)定結果，搅拌速度(du)過快，會使溶液溅到池(chi)壁，搅拌速度(du)太慢(man)，會使搅拌不均匀，导致測定結果偏(pian)低。搅拌速度以有明顯的漩涡而不產生大(da)量(liang)氣泡為宜。
当遇(yu)到固體或粘稠樣品等较难溶樣品，可以適当延长预搅拌(ban)時間，使(shi)樣品充分(fen)溶解混匀再進行滴定，混匀時間過短(duan)，樣品不能完全溶解，時間過长(zhang)，環境中的水分影響加大，都(dou)會(hui)导致測定結果的不準確。
2.4.3 反應池的影響
反(fan)應池是卡氏水份(fen)測定儀重要組成部分，樣品在(zai)反應池中與試剂進行反應(ying)，若反應池有水(shui)分，會导致儀器难以達(da)到平衡(heng)状態，會影響測定結果。實驗前可用无水乙醇清洗(xi)反(fan)應池，再用滤紙擦干(gan)净，於60 ℃烘箱烘干。為了保持滴定池的干燥，應定時更换上方连(lian)接的干燥剂。
2.4.4 試剂的影響
卡(ka)爾費休法對試剂要求较(jiao)高，盡(jin)量選擇純度较高的試剂，雜(za)質较多的試剂放置時間长容易(yi)析出。宜(yi)選擇純度较高的(de)卡爾費休試剂，且避光干燥保(bao)存。
2.4.5 取樣影響
取(qu)樣前應先將(jiang)樣品摇匀，固體樣品可用称量(liang)舟進行称量取樣(yang)，液(ye)體樣品可用精確(que)的注射器進行取樣，用待測溶液將注射器润洗兩至(zhi)三次，抽取樣(yang)品(pin)時應缓慢抽取，避免吸入空氣形成氣泡，影(ying)響進樣量。進樣速度要快(kuai)，盡量縮短(duan)反應池打開的(de)時間，避免與空氣(qi)中水分(fen)過多接触。
3 結 论
通過采用(yong)兩種卡爾費(fei)休方法對水分含量為1%左右的化工產(chan)品和(he)含水量為1.007 mg/g的(de)標準(zhun)水進行試驗，實驗結(jie)果證明，容量法和库仑法(fa)均適用於測定水(shui)含量0.1%左右的樣品。水(shui)分含(han)量大於1%的樣品，選擇(ze)容量法進行(xing)試驗更加簡便快捷、準確性更好。
容量法前期平衡需十几分鐘或更短時間即可達到(dao)平衡状(zhuang)態，库仑法平(ping)衡需要2 h或更长時間，但是(shi)库仑法是通過電極電解(jie)產生碘，加入阳極液和阴極液后(hou)，无需再(zai)消耗外加試剂，試剂(ji)可重复使用，比较經濟實惠。库仑法電(dian)解池中(zhong)碘的電解速度较慢，如果樣(yang)品中(zhong)水分含量较高時，電解速度跟(gen)不上水的反(fan)應速度，會导致(zhi)檢測效率降低，且電解時間长會造成儀器工(gong)作寿命縮短，所(suo)以库仑法適用於水分含量较低的檢(jian)測。可以(yi)根據樣品的(de)特性，水分含量的範(fan)围(wei)，選擇(ze)合適的方法(fa)進行檢驗，容量法適用於(yu)水分含量0.1%～100%,库仑法適用於水分含量0.001%～1%。
使(shi)用卡氏水份測定儀(yi)進行樣品水分測定，可以避免因(yin)人眼判断而造成(cheng)的误差保證試驗結果準確性，卡爾費休法因其高效(xiao)性、高準確性和專(zhuan)一性，成為實驗室和(he)工業生產中水分測定的重(zhong)要工具。
卡爾費休試剂挥发性较(jiao)強(qiang)，對人體(ti)危害大，操作時應在(zai)通風(feng)情况下，戴(dai)好口罩、護目(mu)镜和橡胶手套。废(fei)液應(ying)倒進废液桶回收，不可(ke)随意倒進下水道造(zao)成環境污染。