本發明屬于鋁灰檢測，涉及一種鋁灰中金屬鋁含量的測定裝置及方法。
背景技術：
1、鋁灰是電解鋁液鑄錠、鋁加工等生產熔煉過程中產生的一種固體廢棄物。根據鋁灰中金屬鋁含量和處理程度，將鋁灰分為一次鋁灰和二次鋁灰。一次鋁灰為具有金屬鋁提取價值的鋁灰，一般為灰白色，其主要成分是金屬鋁、氧化鋁和冶煉過程中添加的部分鹽類，鋁的含量一般為15%～50%。二次鋁灰則一般為灰黑色，是一次鋁灰提鋁后的剩余物，主要成分為鋁（5～20%）、氧化鋁（30～70%）、鹽類（10～30%）以及其它組分。
2、鋁灰中金屬鋁的含量決定了其不同的工業用途，而快速準確地檢測出鋁灰中金屬鋁的含量至關重要。由于鋁灰成分復雜、鋁元素金屬活潑性很強等原因，金屬鋁的準確檢測存在很大難度。目前行業內大多采用堿溶氫發生法、edta滴定法、重鉻酸鉀法等測量鋁灰中金屬鋁含量。
3、堿溶氫發生法（如ys/t1179.2—2017）是將鋁灰樣品中的金屬鋁與氫氧化鈉反應，置換出相應量的氫氣，根據氫氣的體積計算金屬鋁的質量分數。但是鋁灰中有氮化鋁，氮化鋁會與氫氧化鈉生成氨氣，從而干擾測定，造成結果偏高；鋁灰中有碳化鋁，碳化鋁會與氫氧化鈉生成甲烷，從而干擾測定，造成結果偏高；此外，沒有測定反應前后的即時氣壓，氣壓可能有變化，造成誤差。
4、edta滴定法（如cn111289507a）是將鋁灰樣品溶解在溴-甲醇的混合溶液中，樣品中的金屬鋁全部溶解而氧化鋁等氧化物不會溶解，然后加入過量的edta溶液使溶液中鋁完全被edta絡后，而后采用鋅標準溶液滴定過剩的edta，根據滴定所消耗的鋅標準溶液的體積得出鋁灰中金屬鋁的含量。但此方法中氮化鋁和碳化鋁均會與水反應，影響檢測的準確性。
5、重鉻酸鉀法（如cn?118566215?a）是在隔絕空氣的情況下，金屬鋁與fe3+發生氧化還原反應生成fe2+，而al2o3不與fe3+發生氧化還原反應，用重鉻酸鉀標準液滴定產生的fe2+，定量測出金屬鋁的含量。但是鋁灰中含有金屬鐵，金屬鋁被氧化的同時，金屬鐵也被氧化，從而干擾測定，造成結果偏高。
技術實現思路
1、本發明針對現有鋁灰中金屬鋁含量測定中存在的檢測結果不準確的技術問題，提供一種鋁灰中金屬鋁含量的測定裝置及方法，通過閥門切換，實現氨氣吸收和氧化銅還原，通過測量氫氣還原氧化銅前后裝置內氣體的體積、溫度、氣壓得到氫氣的量，進而得到鋁灰中金屬鋁含量，有效避免了鋁灰中氮化鋁和碳化鋁的影響。
2、為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：
3、本發明提供一種鋁灰中金屬鋁含量的測定裝置，包括氮氣瓶、氨氣吸收瓶、雙肘量氣管、反應瓶、樣品瓶、水準瓶、電爐、氧化銅管、第一導氣管、第二導氣管和通氣管；所述通氣管為多段并依次設置有一號閥、三號閥、四號閥、五號閥和六號閥，通氣管的最前端連接氮氣瓶、最后端連通大氣；所述樣品瓶放置在反應瓶內，反應瓶的瓶口處設有膠塞，第一導氣管的一端通過膠塞插入反應瓶、另一端與一號閥相連，第二導氣管一端連接反應瓶的氣體出口、另一端與六號閥相連；所述氨氣吸收瓶的上端設有二號閥，其與通氣管的相連處位于一號閥和三號閥之間；所述雙肘量氣管的球形管上端通過五號閥與通氣管相連，雙肘量氣管的直管和球形管下端分別通過七號閥和八號閥與水準瓶相連；所述氧化銅管置于電爐內，其一端與三號閥連接、另一端與四號閥連接。
4、在上述技術方案中，所述雙肘量氣管外設有套筒，套筒內充滿水，溫度計穿過套筒的端蓋插入套筒內。
5、在上述技術方案中，測量裝置還包括加熱器和水槽。
6、在上述技術方案中，所述第一導氣管和第二導氣管為橡膠軟管。
7、在上述技術方案中，所述二號閥、七號閥和八號閥均為玻璃活塞，一號閥、三號閥、四號閥和六號閥均為t型三通閥，五號閥為l型三通閥。
8、本發明還提供基于上述測定裝置的鋁灰中金屬鋁含量的測定方法，包括以下步驟：
9、1）在氨氣吸收瓶中裝入吸收液，在水準瓶中裝入封閉液，組裝測定裝置，測量裝置的初始體積，檢測氣密性；
10、2）打開電爐，將爐內溫度升到350℃，切換閥門，配合上下移動水準瓶位置，使氧化銅管22中的銅粉被完全氧化；
11、3）向反應瓶內加入過量氫氧化鈉溶液并放置在加熱器上，稱取鋁灰放入樣品瓶中，將樣品瓶置于反應瓶且浮于氫氧化鈉溶液上，塞緊反應瓶的膠塞；
12、4）當電爐內溫度由350℃降到280℃時，切換閥門，通過上下移動水準瓶位置，將測量裝置內的空氣置換為氮氣；切換閥門，使氧化銅管與其他系統隔絕，使反應瓶、氨氣吸收瓶和雙肘量氣管連通，使系統和外界隔絕；
13、5）搖晃反應瓶使樣品瓶傾倒，反應氣進入雙肘量氣管中，反應一段時間后打開加熱器以加快反應，反應結束后將反應瓶置于水槽中降溫；
14、6）切換閥門，將雙肘量氣管中反應氣排入氨氣吸收瓶中，使氨氣被充分吸收；
15、7）調節水槽溫度和套筒內水溫與室內溫度一致，讀取雙肘量氣管的數值，連續兩次數值不變時，記錄此時的環境壓力、環境溫度和雙肘量氣管的數值，計算氫氣還原氧化銅前整個測定裝置內減去水蒸汽壓力后的剩余氣體壓力；
16、8）切換閥門，使雙肘量氣管內氣體先進入氨氣吸收瓶，再由氨氣吸收瓶緩慢通過氧化銅管，直至氫氣完全被氧化銅消耗，關閉所有閥門；
17、9）再次調節水槽溫度和套筒內水溫與室內溫度一致，讀取雙肘量氣管的數值，連續兩次數值不變時，記錄此時的環境壓力、環境溫度和雙肘量氣管的數值，計算氫氣還原氧化銅后整個測定裝置內減去水蒸汽壓力后的剩余氣體壓力；
18、10）依據氫氣還原氧化銅前整個測定裝置內減去水蒸汽壓力后的剩余氣體壓力、環境溫度、雙肘量氣管的讀數，氫氣還原氧化銅后整個測定裝置內減去水蒸汽壓力后的剩余氣體壓力、環境溫度、雙肘量氣管的讀數，以及測量裝置的初始體積，計算鋁灰中金屬鋁含量。
19、上述技術方案中，所述氫氣還原氧化銅前整個測定裝置內減去水蒸汽壓力后的剩余氣體壓力的計算公式如下：
20、??（公式1），
21、其中：p3為氫氣還原氧化銅前整個測定裝置內減去水蒸汽壓力后的剩余氣體壓力，單位為pa；p1為氫氣還原氧化銅粉前的環境壓力，單位為pa；f為水銀氣壓表的儀器修正值、溫度修正值、重力修正值的總和，單位為pa；p水為20℃時水的飽和蒸汽壓，單位為pa，p水=2338.8?pa；為環境溫度t1與20℃相差1℃時水的飽和蒸汽壓修正值，單位為pa，?=145pa。
22、上述技術方案中，所述氫氣還原氧化銅后整個測定裝置內減去水蒸汽壓力后的剩余氣體壓力的計算公式如下：
23、??（公式2），
24、其中：p4為氫氣還原氧化銅后整個測定裝置內減去水蒸汽壓力后的剩余氣體壓力，單位為pa；p2為氫氣還原氧化銅粉后的環境壓力，單位為pa；f為水銀氣壓表的儀器修正值、溫度修正值、重力修正值的總和，單位為pa；p水為20℃時水的飽和蒸汽壓，單位為pa，p水=2338.8?pa；為環境溫度t2與20℃相差1℃時水的飽和蒸汽壓修正值，單位為pa，?=145pa。
25、上述技術方案中，所述鋁灰中金屬鋁含量的計算公式如下：
26、??（公式3），
27、其中：wal為樣品中金屬鋁含量，單位為%；v0為測量裝置的初始體積，單位為m3；v1為氫氣還原氧化銅前雙肘量氣管的讀數，單位為m3；v2為氫氣還原氧化銅后雙肘量氣管的讀數，單位為m3；p3為氫氣還原氧化銅前整個測定裝置內減去水蒸汽壓力后的剩余氣體壓力，單位為pa；p4為氫氣還原氧化銅后整個測定裝置內減去水蒸汽壓力后的剩余氣體壓力，單位為pa；t1為氫氣還原氧化銅前的環境溫度，單位為℃；t2為氫氣還原氧化銅后的環境溫度，單位為℃；m為樣品的質量，單位為g；r為氣體常數；mal為金屬鋁的摩爾質量，單位為g/mol。
28、相比現有技術，本發明的有益效果在于：
29、本發明利用氫氧化鈉溶液與磨機鋁灰中金屬鋁反應生成氫氣，通過閥門切換，實現氨氣吸收和氧化銅還原，測得氫氣還原氧化銅前后裝置內氣體的體積、溫度、氣壓，依據理想氣體方程計算出氫氣還原氧化銅前后裝置內氣體物質的量的差值即為產生的氫氣的物質的量，進而換算為金屬鋁的質量，計算得到樣品中金屬鋁含量，有效避免了鋁灰中氮化鋁和碳化鋁的影響。