微波消解溶樣技術(shù)在冶金化學(xué)分析中的應(yīng)用.doc

-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-微波消解溶樣技術(shù)在冶金化學(xué)分析中的應(yīng)用李潔,張穗忠,宋衛(wèi)良摘要:微波溶樣技術(shù)是世界上最先進(jìn)的樣品預(yù)處理技術(shù)之一。介紹了微波消解溶樣技術(shù)的基本原理、優(yōu)點(diǎn)及其在冶金化學(xué)分析中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞:微波消解溶樣技術(shù)；樣品預(yù)處理；冶金化學(xué)分析；應(yīng)用鋼鐵研究2006年第34卷第2期近年,微波消解技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。實(shí)驗(yàn)室微波樣品處理系統(tǒng)具有能幾十至幾百倍地加快化學(xué)反應(yīng)速度,成為現(xiàn)在最重要的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。微波消解溶樣技術(shù)作為一種新型的試樣預(yù)處理技術(shù),已經(jīng)成為無(wú)機(jī)元素分析中試樣預(yù)處理的理想方法之一。在化工、塑料、催化劑、能源、合金、礦渣、難溶陶瓷、地礦、藥品、生物等領(lǐng)域的分析檢測(cè)得到了廣泛的應(yīng)用。1微波消解溶樣技術(shù)的基本原理1.1微波的特性微波是一種電磁波,是頻率在300MHz300GHz的電磁波。為了防止民用微波功率對(duì)無(wú)線電通訊、廣播、電視和雷達(dá)等造成干擾,國(guó)際上規(guī)定工業(yè)、科學(xué)研究、醫(yī)學(xué)及家用等民用微波的頻率為(2450土50)MHz。因此,微波消解儀器所使用的頻率基本上都是2450MHz。(1)金屬材料不吸收微波,只能反射微波。如銅、鐵、鋁等。用金屬(不銹鋼板)作微波爐的爐膛,來(lái)回反射作用在加熱物質(zhì)上。(2)絕緣體可以透過(guò)微波,它幾乎不吸收微波的能量。如玻璃、陶瓷、塑料(聚乙烯、聚苯乙烯)、聚四氟乙烯、石英、紙張等,它們對(duì)微波是透明的,微波可以穿透它們向前傳播。這些物質(zhì)都不會(huì)吸收微波的能量,或吸收微波極少。微波密閉消解溶樣罐用的材料是聚四氟乙烯、工程塑料等。(3)極性分子的物質(zhì)會(huì)吸收微波,如:水、酸等。它們的分子具有永久偶極矩(即分子的正負(fù)電荷的中心不重合)。極性分子在微波場(chǎng)中隨著微波的頻率而快速變換取向,來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng),使分子間相互碰撞摩擦,吸收了微波的能量而使溫度升高。1.2微波消解試樣的原理稱取0.21.0g的試樣置于消解罐中,加入約2mL的水,加人適量的酸,通常是選用硝酸、鹽酸、氟酸、雙氧水等,把罐蓋好,放入爐中。當(dāng)微波通過(guò)試樣時(shí),極性分子隨微波頻率快速變換取向,2450MHz的微波,分子每秒鐘變換方向2.45109次,分子來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng),與周圍分子相互碰撞摩擦,分子的總能量增加,使試樣溫度急劇上升。同時(shí),試液中的帶電粒子(離子、水合離子等)在交變的電磁場(chǎng)中,受電場(chǎng)力的作用而來(lái)回遷移運(yùn)動(dòng),也會(huì)與臨近分子撞擊,使得試樣溫度升高。這種加熱方式與傳統(tǒng)的電爐加熱方式絕然不同。(1)體加熱。電爐加熱時(shí),是通過(guò)熱輻射、對(duì)流與熱傳導(dǎo)傳送能量,熱是由外向內(nèi)通過(guò)器壁傳給試樣,通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式加熱試祥。微波加熱是一種直接的體加熱的方式,微波可以穿入試液的內(nèi)部,在試樣的不同深度,微波所到之處同時(shí)產(chǎn)生熱效應(yīng),這不僅使加熱更快速,而且更均-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-勻。大大縮短了加熱的時(shí)間,比傳統(tǒng)的加熱方式既快速又效率高。傳統(tǒng)的加熱方式(熱輻射、傳導(dǎo)與對(duì)流)中熱能的利用部分低,許多熱量都發(fā)散給周圍環(huán)境中。(2)過(guò)熱現(xiàn)象。微波加熱還會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象(即比沸點(diǎn)溫度還高)。電爐加熱時(shí),熱是由外向內(nèi)通過(guò)器壁傳導(dǎo)給試樣,在器壁表面上很容易形成氣泡,因此就不容易出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象,溫度保持在沸點(diǎn)上,因?yàn)闅饣沾罅康臒帷６谖⒉▓?chǎng)中,其“供熱”方式完全不同,能量在體系內(nèi)部直接轉(zhuǎn)化。由于體系內(nèi)部缺少形成氣“泡”的“核心”,因而,對(duì)一些低沸點(diǎn)的試劑,在密閉容器中,就很容易出現(xiàn)過(guò)熱,可見(jiàn),密閉溶樣罐中的試劑能提供更高的溫度,有利于試樣的消化。(3)攪拌。由于試劑與試樣的極性分子都在2450MHz電磁場(chǎng)中快速的隨變化的電磁場(chǎng)變換取向,分子間互相碰撞摩擦,相當(dāng)于試劑與試樣的表面都在不斷更新,試樣表面不斷接觸新的試劑,促使試劑與試樣的化學(xué)反應(yīng)加速進(jìn)行。交變的電磁場(chǎng)相當(dāng)于高速攪拌器,每秒鐘攪拌2.45109次,提高了化學(xué)反應(yīng)的速率,使得消化速度加快。由此綜合,微波加熱快、均勻、過(guò)熱、不斷產(chǎn)生新的接觸表面。有時(shí)還能降低反應(yīng)活化能,改變反應(yīng)動(dòng)力學(xué)狀況,使得微波消解能力增強(qiáng),能消解許多傳統(tǒng)方法難以消解的樣品。2微波消解溶樣技術(shù)在樣品前處理方法中的優(yōu)點(diǎn)(1)樣品分解完全。由于分解反應(yīng)是在高溫、高壓的密閉容器里進(jìn)行,在應(yīng)用合理的酸和溶劑,控制最佳壓力和微波加熱時(shí)間的條件下,使樣品在無(wú)污染和無(wú)損失的情況下達(dá)到完全分解。(2)溶樣速度快。由于樣品和溶劑的反應(yīng)是在瞬間吸收微波輻射能量后即產(chǎn)生的,不需傳熱過(guò)程,瞬時(shí)可達(dá)較高的溫度,消除了熱量傳導(dǎo)過(guò)程中能量的損失,因而樣品分解所需時(shí)間比常規(guī)法大大縮短,一般溶樣所需時(shí)間不超過(guò)20min。(3)分析空白值低。樣品處理是在密閉條件下避免了環(huán)境對(duì)樣品的污染；因?yàn)槊荛]消解酸不會(huì)揮發(fā)損失,只使用了極少量的酸,大大降低了分析空白值,減少了試劑帶入的雜質(zhì)元素的干擾,空白值明顯減少了。(4)安全。樣品分解在密閉容器中進(jìn)行,同時(shí)還有溫度控制和壓力控制,避免了操作過(guò)程中的危險(xiǎn)。(5)經(jīng)濟(jì)。密閉消化消除了溶劑的揮發(fā),最大限度地發(fā)揮了溶劑的作用,因此消耗的試劑量少,加熱時(shí)間短,操作簡(jiǎn)便,降低了分析成本和減輕了分析工作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。(6)簡(jiǎn)便。只需把樣品及溶劑放入消解罐內(nèi),調(diào)整好所需要的壓力,設(shè)定好加熱時(shí)間即可進(jìn)行微波消解。(7)污染少。由于樣品消解是在密閉容器里進(jìn)行的,沒(méi)有酸霧的泄漏,消除了對(duì)環(huán)境和人員的污染。3微波消解溶樣技術(shù)在冶金分析中的應(yīng)用微波溶樣技術(shù)是世界上最先進(jìn)的樣品預(yù)處理技術(shù)之一,它結(jié)合高壓消解和微波快速加熱兩方面的性能,與傳統(tǒng)的溶樣方法相比,具有樣品消解快、試劑耗用量少、空白值低、避免揮-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-發(fā)損失和回收完全等突出優(yōu)點(diǎn),在冶金化學(xué)分析領(lǐng)域已越來(lái)越受到廣泛關(guān)注。寶鋼、鞍鋼、武鋼、馬鋼等冶金行業(yè)的大型企業(yè)均引進(jìn)了微波消解儀器,并將微波消解技術(shù)應(yīng)用于冶金化學(xué)分析檢測(cè)。微波消解技術(shù)在冶金化學(xué)分析中的具體應(yīng)用在以下幾個(gè)方面。3.1在冶金金屬樣品中的應(yīng)用要加快金屬樣品的溶解,微波消解是非常有效的方法。因?yàn)樵跇悠繁砻嫘纬煞浪釋訒r(shí),溶解可能會(huì)停止,而微波明顯地避免了反應(yīng)鈍化。鋼鐵是含有不同量的碳、錳、鎳、鉻和其他元素的鐵基合金,用微波消解溶解都沒(méi)有困難,并可容易和安全的進(jìn)行溶解。由于鋼鐵材料的品種繁多,沒(méi)有一個(gè)對(duì)各種類型的鋼鐵樣品都合適的微波消解溶樣方法。以高碳鉻鐵為例:(1)稱取0.2g樣品置于80mL的高壓罐中,加少量水潤(rùn)濕；(2)加入3mL高氯酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%),2mL磷酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)85%),2mL氟酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%)(3)微波消解時(shí)間20min,10min溫度達(dá)到220,在200220之間保存10min。(4)冷卻后,移入容量瓶中用去離子水稀釋至刻度。3.2在冶金產(chǎn)品微、痕量分析中的應(yīng)用隨著新產(chǎn)品、新鋼種的開發(fā)和利用,對(duì)鋼中微、痕量元素的分析也越來(lái)越受到重視。微、痕量分析的要求是空白低、背景低。微波消解樣品預(yù)處理技術(shù)是微、痕量分析時(shí)樣品處理的首選方式。在高溫、封閉容器中進(jìn)行酸消解,不僅大大減少了樣品處理時(shí)間,而且實(shí)現(xiàn)了最少的酸用量、最低的背景值及完整的回收率等傳統(tǒng)樣品處理方式無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。以測(cè)量鋼鐵樣品中的痕量鈣為例:鋼鐵樣品中的含鈣量一般都很低。而在自然界,鈣普遍存在,水中、試劑中、燒杯中都含有一定的鈣,采用傳統(tǒng)方法處理時(shí),測(cè)量的空白值較高,測(cè)量結(jié)果不穩(wěn)定,很難準(zhǔn)確測(cè)量樣品中的痕量鈣。采用微波消解技術(shù)預(yù)處理樣品,鈣的空白很低,接近于水的空白。(1)稱取0.2g樣品置于80mL的高壓罐中,加少量水潤(rùn)濕；(2)加入5mL王水(試劑均為優(yōu)級(jí)純)；(3)微波消解時(shí)間15min,5min溫度達(dá)到200,在180200之間保存10min；(4)冷卻后,移入容量瓶中用去離子水稀釋至刻度。3.3在冶金原材料分析中的應(yīng)用冶金原材料中因含有SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3等成分難于溶解,傳統(tǒng)的預(yù)處理方法是酸溶再堿熔或堿熔,往往花費(fèi)大量的時(shí)間和藥品,而用微波消解時(shí)只消耗少量的酸,時(shí)間一般30min左右。鉻鐵礦是眾所周知的難溶試樣,傳統(tǒng)濕法溶解往往溶解不完全,測(cè)試精度無(wú)法保證,采用微波消解技術(shù)時(shí)加入硫磷混酸和少量助