微波消解溶样技术在冶金化学分析中的应用.doc

-专业文档，值得下载!-专业文档，值得珍藏！-微波消解溶样技术在冶金化学分析中的应用李洁,张穗忠,宋卫良摘要:微波溶样技术是世界上最先进的样品预处理技术之一。介绍了微波消解溶样技术的基本原理、优点及其在冶金化学分析中的应用。关键词:微波消解溶样技术；样品预处理；冶金化学分析；应用钢铁研究2006年第34卷第2期近年,微波消解技术取得了长足的进步。实验室微波样品处理系统具有能几十至几百倍地加快化学反应速度,成为现在最重要的实验室设备。微波消解溶样技术作为一种新型的试样预处理技术,已经成为无机元素分析中试样预处理的理想方法之一。在化工、塑料、催化剂、能源、合金、矿渣、难溶陶瓷、地矿、药品、生物等领域的分析检测得到了广泛的应用。1微波消解溶样技术的基本原理1.1微波的特性微波是一种电磁波,是频率在300MHz300GHz的电磁波。为了防止民用微波功率对无线电通讯、广播、电视和雷达等造成干扰,国际上规定工业、科学研究、医学及家用等民用微波的频率为(2450土50)MHz。因此,微波消解仪器所使用的频率基本上都是2450MHz。(1)金属材料不吸收微波,只能反射微波。如铜、铁、铝等。用金属(不锈钢板)作微波炉的炉膛,来回反射作用在加热物质上。(2)绝缘体可以透过微波,它几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、纸张等,它们对微波是透明的,微波可以穿透它们向前传播。这些物质都不会吸收微波的能量,或吸收微波极少。微波密闭消解溶样罐用的材料是聚四氟乙烯、工程塑料等。(3)极性分子的物质会吸收微波,如:水、酸等。它们的分子具有永久偶极矩(即分子的正负电荷的中心不重合)。极性分子在微波场中随着微波的频率而快速变换取向,来回转动,使分子间相互碰撞摩擦,吸收了微波的能量而使温度升高。1.2微波消解试样的原理称取0.21.0g的试样置于消解罐中,加入约2mL的水,加人适量的酸,通常是选用硝酸、盐酸、氟酸、双氧水等,把罐盖好,放入炉中。当微波通过试样时,极性分子随微波频率快速变换取向,2450MHz的微波,分子每秒钟变换方向2.45109次,分子来回转动,与周围分子相互碰撞摩擦,分子的总能量增加,使试样温度急剧上升。同时,试液中的带电粒子(离子、水合离子等)在交变的电磁场中,受电场力的作用而来回迁移运动,也会与临近分子撞击,使得试样温度升高。这种加热方式与传统的电炉加热方式绝然不同。(1)体加热。电炉加热时,是通过热辐射、对流与热传导传送能量,热是由外向内通过器壁传给试样,通过热传导的方式加热试祥。微波加热是一种直接的体加热的方式,微波可以穿入试液的内部,在试样的不同深度,微波所到之处同时产生热效应,这不仅使加热更快速,而且更均-专业文档，值得下载!-专业文档，值得珍藏！-匀。大大缩短了加热的时间,比传统的加热方式既快速又效率高。传统的加热方式(热辐射、传导与对流)中热能的利用部分低,许多热量都发散给周围环境中。(2)过热现象。微波加热还会出现过热现象(即比沸点温度还高)。电炉加热时,热是由外向内通过器壁传导给试样,在器壁表面上很容易形成气泡,因此就不容易出现过热现象,温度保持在沸点上,因为气化要吸收大量的热。而在微波场中,其“供热”方式完全不同,能量在体系内部直接转化。由于体系内部缺少形成气“泡”的“核心”,因而,对一些低沸点的试剂,在密闭容器中,就很容易出现过热,可见,密闭溶样罐中的试剂能提供更高的温度,有利于试样的消化。(3)搅拌。由于试剂与试样的极性分子都在2450MHz电磁场中快速的随变化的电磁场变换取向,分子间互相碰撞摩擦,相当于试剂与试样的表面都在不断更新,试样表面不断接触新的试剂,促使试剂与试样的化学反应加速进行。交变的电磁场相当于高速搅拌器,每秒钟搅拌2.45109次,提高了化学反应的速率,使得消化速度加快。由此综合,微波加热快、均匀、过热、不断产生新的接触表面。有时还能降低反应活化能,改变反应动力学状况,使得微波消解能力增强,能消解许多传统方法难以消解的样品。2微波消解溶样技术在样品前处理方法中的优点(1)样品分解完全。由于分解反应是在高温、高压的密闭容器里进行,在应用合理的酸和溶剂,控制最佳压力和微波加热时间的条件下,使样品在无污染和无损失的情况下达到完全分解。(2)溶样速度快。由于样品和溶剂的反应是在瞬间吸收微波辐射能量后即产生的,不需传热过程,瞬时可达较高的温度,消除了热量传导过程中能量的损失,因而样品分解所需时间比常规法大大缩短,一般溶样所需时间不超过20min。(3)分析空白值低。样品处理是在密闭条件下避免了环境对样品的污染；因为密闭消解酸不会挥发损失,只使用了极少量的酸,大大降低了分析空白值,减少了试剂带入的杂质元素的干扰,空白值明显减少了。(4)安全。样品分解在密闭容器中进行,同时还有温度控制和压力控制,避免了操作过程中的危险。(5)经济。密闭消化消除了溶剂的挥发,最大限度地发挥了溶剂的作用,因此消耗的试剂量少,加热时间短,操作简便,降低了分析成本和减轻了分析工作者的劳动强度。(6)简便。只需把样品及溶剂放入消解罐内,调整好所需要的压力,设定好加热时间即可进行微波消解。(7)污染少。由于样品消解是在密闭容器里进行的,没有酸雾的泄漏,消除了对环境和人员的污染。3微波消解溶样技术在冶金分析中的应用微波溶样技术是世界上最先进的样品预处理技术之一,它结合高压消解和微波快速加热两方面的性能,与传统的溶样方法相比,具有样品消解快、试剂耗用量少、空白值低、避免挥-专业文档，值得下载!-专业文档，值得珍藏！-发损失和回收完全等突出优点,在冶金化学分析领域已越来越受到广泛关注。宝钢、鞍钢、武钢、马钢等冶金行业的大型企业均引进了微波消解仪器,并将微波消解技术应用于冶金化学分析检测。微波消解技术在冶金化学分析中的具体应用在以下几个方面。3.1在冶金金属样品中的应用要加快金属样品的溶解,微波消解是非常有效的方法。因为在样品表面形成防酸层时,溶解可能会停止,而微波明显地避免了反应钝化。钢铁是含有不同量的碳、锰、镍、铬和其他元素的铁基合金,用微波消解溶解都没有困难,并可容易和安全的进行溶解。由于钢铁材料的品种繁多,没有一个对各种类型的钢铁样品都合适的微波消解溶样方法。以高碳铬铁为例:(1)称取0.2g样品置于80mL的高压罐中,加少量水润湿；(2)加入3mL高氯酸(质量分数为70%),2mL磷酸(质量分数85%),2mL氟酸(质量分数40%)(3)微波消解时间20min,10min温度达到220,在200220之间保存10min。(4)冷却后,移入容量瓶中用去离子水稀释至刻度。3.2在冶金产品微、痕量分析中的应用随着新产品、新钢种的开发和利用,对钢中微、痕量元素的分析也越来越受到重视。微、痕量分析的要求是空白低、背景低。微波消解样品预处理技术是微、痕量分析时样品处理的首选方式。在高温、封闭容器中进行酸消解,不仅大大减少了样品处理时间,而且实现了最少的酸用量、最低的背景值及完整的回收率等传统样品处理方式无法比拟的优点。以测量钢铁样品中的痕量钙为例:钢铁样品中的含钙量一般都很低。而在自然界,钙普遍存在,水中、试剂中、烧杯中都含有一定的钙,采用传统方法处理时,测量的空白值较高,测量结果不稳定,很难准确测量样品中的痕量钙。采用微波消解技术预处理样品,钙的空白很低,接近于水的空白。(1)称取0.2g样品置于80mL的高压罐中,加少量水润湿；(2)加入5mL王水(试剂均为优级纯)；(3)微波消解时间15min,5min温度达到200,在180200之间保存10min；(4)冷却后,移入容量瓶中用去离子水稀释至刻度。3.3在冶金原材料分析中的应用冶金原材料中因含有SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3等成分难于溶解,传统的预处理方法是酸溶再碱熔或碱熔,往往花费大量的时间和药品,而用微波消解时只消耗少量的酸,时间一般30min左右。铬铁矿是众所周知的难溶试样,传统湿法溶解往往溶解不完全,测试精度无法保证,采用微波消解技术时加入硫磷混酸和少量助