CC BY
8
УДК 535-15:543.421/424 Зайцева А. Д., Кучумов В. А.
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА АТОМНО-ЭМИССИОННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ С СВЧ ПЛАЗМОЙ ДЛЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ СОСТАВА МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТОВ
Зайцева Александра Дмитриевна - студент 1 курса аспирантуры кафедры промышленной экологии, zaiceva.aleksandra@gmail.com;
Кучумов Владимир Алексеевич - к.х.н. с.н.с. начальник центральной лаборатории АО «Спецмагнит»
Металлургическая промышленность одна из наиболее динамично развивающихся отраслей. Процессы «мокрой» химии для идентификации химического состава различных компонентов встречаются практически повсеместно. Наиболее эффективно и точно данный вид анализа производится на атомно-эмиссионном спектрометре с СВЧ связанной плазмой. Установлено, что такой метод позволяет определять химический состав проб даже в высококонцентрированных растворах со сложным солевым фоном, что позволяет значительно упростить пробоподготовку и повысить точность результатов. Ключевые слова: металлургия, атомно-эмиссионная спектроскопия с СВЧ плазмой
THE USE OF ATOMIC EMISSION SPECTROSCOPY WITH MW PLASMA FOR THE COMPOSITION OF METALLURGICAL COMPONENTS IDENTIFICATION
Zaytseva A.D., Kuchumov V.A.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The metallurgical industry is one of the most dynamically developing industries. Wet chemistry processes to identify the chemical composition of various components are almost ubiquitous. This type of analysis is most effectively and accurately performed on an atomic emission spectrometer with microwave coupled plasma. It has been established that this method makes it possible to determine the chemical composition of samples even in highly concentrated solutions with a complex salt background, which greatly simplifies sample preparation and improves the accuracy of the results.
Keywords: metallurgy, atomic emission spectroscopy with microwave plasma
Введение
На сегодняшний день количество промышленных производств неуклонно растет. Несомненно, одним из наиболее интенсивно развивающихся направлений промышленности можно назвать металлургию. Процессы добычи и обогащения руды, выплавка черных металлов и производства сталей, процессы металлообработки и нанесения гальванических покрытий - вот лишь краткий перечень операций, приводящих к образованию значительного количества
металлсодержащих отходов. [1].
Для подтверждения качества продукции, входного контроля сырья или продуктов, а также идентификации состава широкого спектра металлургических отходов следует знать полный химический состав проб. Для идентификации химического состава могут быть использованы следующие методы:
• Для твердых проб: рентгенофазовый (РФА) и рентгенофлуоресцентный (РФлА) анализ, а также спектральный анализ с искровым или дуговым источником возбуждения спектров.
• Для растворов и процессов «мокрой» химии методы фотометрии и атомно-эмисионный спектральный анализ.
К сожалению, приведённые методы анализа твердых образцов имеют ряд существенных
недостатков: для всех методов анализа твердых образцов существует проблема, связанная с неоднородностью состава образцов, а методы мокрой химии требуют сложного процесса пробоподготовки.
Одним из самых новых и перспективных направлений качественного и количественного анализа является атомно-эмиссионная
спектроскопия. Данный вид анализа является наиболее эффективным и относится к мокрой химии, что связано с растворением образца с последующим проведением анализа. Современные приборы атомно-эмиссионного анализа с индукционной-связанной плазмой позволяют определять примеси до 1 ррм, однако их эксплуатации сопровождается значительным потреблением высокочистого газа (аргон), при этом необходимо тщательное разбавление проб , что бы концентрация металлов в рабочих растворах находилась в диапазоне 0,1 - 5 мг/дм3. Сложность пробоподготовки и многократные последовательные разбавления повышают вероятность ошибки, а также накладывают существенное влияние на стоимость анализа.
Наиболее перспективной является методика определения химического состава при помощи атомно-эмиссионной спектроскопией с СВЧ (магнитной) связанной плазмой [2-7]. Цена прибора для проведения данного типа анализа может
доходить до 2 млн. рублей (прибор Российского производства), в то время как минимальная стоимость зарубежного аналога (атомно-эмиссионный спектрометр с индукционно-связанной плазмой) начинается от 10 млн. руб.
Экспериментальная часть
Основной целью данной работы является оценка возможности использования метода атомно-эмиссионной спектроскопии с СВЧ (магнитной) связанной плазмой для определения химического состава компонентов (стружка) процесса металлообработки. Данный прибор хорошо зарекомендовал себя в процессе анализа растворов сложного состава [8-9], ввиду чего вопрос расширения потенциальных сфер применения прибора особо актуален.
На рисунке 1 представлен атомно-эмиссионный спектрометр с СВЧ (магнитной) связанной плазмой производства «Спектроскай» город Королев, Россия, а на рис. 2 представлена схема плазмотрона.
'I
Рисунок 1. Внешний вид прибора Атомно-эмиссионного спектрометра с СВЧ связанной плазмой
Рисунок 2. Схема плазмотрона тороидальной плазмы:
1-волноводный тракт прямоугольного сечения;
2- магнетрон; 3- грушевидный переход прямоугольного волновода в коаксиальный; 4-цилиндрическая разрядная камера; 5- отверстие для
вывода излучения плазмы к спектрометру; 6 -отверстие для искрового поджига; 7 - завихритель;
8 - патрубок тангенциальной подачи плазмообразубщего газа (азота); 9 - центральный полый электрод; 10 - патрубок подачи потока
аргона, транспортирующего аэрозоль пробы в плазму; 11 - герметичное уплотнение коаксиальной части плазмотрона; 12 - кварцевое окно В большинстве случаев исследуемые образцы стружки могут содержать значительное количество примесей, поэтому для устранения мешающего влияния прибор оснащен пьезоэлектрической линейкой (полихроматор) с дифракционной решеткой с разрешением 3600 штр/мм. Применение указанного полихроматора позволяет использовать в качестве газа-плазмообразователя технический азот (расход 10 л/мин), что позволяет значительно удешевить удельную стоимость анализа.
Для оценки возможности использования атомно-эмиссионного спектрометра с СВЧ связанной плазмой для контроля химического состава стружки навески исследуемых материалов массой 0,25 и 0,5 граммов растворяли в царской водке. После полного растворения пробу остужали и разбавляли в 10 раз с добавлением внутреннего стандарта нитрата иттрия. Вышеуказанное разбавление осуществлялся пропорционально увеличению массы исследуемого образца.
Введение иттрия, в качестве внутреннего стандарта позволяет значительно повысить качество анализа и нивелировать погрешность, обусловленную высоким солевым фоном. В таблице 1 представлен химический состав двух проб в зависимости от условий разбавления, внешний вид спектра представлен на рис. 3.
По полученным данным таблицы 1 можно сделать вывод о том, что при значительном увеличении массы анализируемой пробы (в 2 раза) точность определения химического состава повышается в среднем на 2-3%, при этом стандартное отклонение (сходимость) не превышает 5 %.
На основании полученных данных возможна идентификация состава различных отходов производства при учете правильно подобранной методики вскрытия (растворения) образцов. С учетом широкого состава примесей помимо стандартной технологии растворения в царской водке может потребоваться растворение в серной, соляной или плавиковой кислоте, и даже спекание с щелочами. Изменение солевого фона пробы не окажет существенно влияния на эффективность анализа, однако потребует корректировки методики аналитического контроля (выбор аналитических линий, темнового образца и режима определения сдвига полихроматора).
Таблица 1. Химический состав стружки процесса металлообработки
Масса навески, г Fe № о- Мп Си Si
0,25 70,06 10,3 18,9 0,43 0,16 0.1 0.05
0,5 69.94 10,4 18,9 0,45 0,16 0.1 0.05
Рисунок 3. Внешний вид спектра
В рамках идентификации состава образца стружки была отмечена возможность определения примесных компонентов в процессе обработки снятых спектров (рис. 3).
Заключение
В рамках работы проведена оценка возможности применения метода атомно-эмиссионного спектрального анализа с СВЧ (магнитной) плазмой в процессах идентификации количественного и качественного состава отходов процесса металлообработки (Стружки).
Установлена высокая чувствительность метода, а также возможность идентификации ранее не заложенных в методику анализа примесных компонентов (индивидуальный анализ спектров).
Авторы выражают благодарность научному
консультанту, доценту каф. промышленной экологии, к.т.н. Кузину Евгению Николаевичу за
помощь в разработке методик и подготовке материалов.
Список литературы
1. Мухаметжанова Д.Т., Бейсембаев М.К. Отходы металлургических предприятий, их переработка и вторичное использование. Наука и техника Казахстана. 2016. № (3-4), С. 122-129.
2. Broekaert, J.A.C.; Siemens, V.; Bings, N.H. (2005). Microstrip microwave induced plasma on a chip for atomic emission spectral analysis. IEEE Transactions on Plasma Science, 33(2), 560-561
3. Патент РФ № 40836, Воронкин В.А., Жбанов И.А., Макиенко В.А., Кучумов В.А., Генералова Т.Б. Источник энергии для спектрального анализа, Сборник ГПНТБ, промышленные образцы, том. 1301, с. 56, 1994 г.
4. Буряков И.Н., Дормидонтов А.Г., Камынин А.В., Кучумов В.А., Шумкин С.С., Александров М.С., Соколов С.В., Торонов О.Г. Модернизация эмиссионного спектрометра МСА для анализа состава редкоземельных магнитов на ОАО
«СПЕЦМАГНИТ» // Сб. материалов V Международная конференция с элементами научной школы для молодежи, ФНМ 2014, Суздаль, 6-10 окт 2014 г.: С. 37-38
5. Kuchumov V.A., Korovin Yu.I., Druzhencov V.V. Spectral characteristics of the capacitively coupled microwave of atmosfepheric pressure // IV International Workshop, Microwave discharges: Fundamentals and applications, Moscow, 2001.; Yanus, p. 229-234,
6. Кучумов В. А., Шумкин С. С. Анализ химического состава исходного сплава при производстве постоянных магнитов из сплавов системы Sm-Co // Науч-техн.Вед.СПбГПУ. 2017. Т. 23. № 1. С. 219-225.
7. Broekaert, J.A.C.; Siemens, V.; Bings, N.H. Microstrip microwave induced plasma on a chip for atomic emission spectral analysis. IEEE Transactions on Plasma Science. 2005. № 33(2). С. 560-561
8. Кузин Е. Н., Кручинина Н. Е. Комплексные коагулянты очистки сточных вод гальванического производства // Гальванотехника и обработка поверхности. 2019. Т. 27, № 4. С. 43-49.
9. Кузин Е. Н., Кручинина Н. Е., Галактионов С. С., Краснощеков А. Н. Нейтрализация сернокислых растворов при комплексной переработке диопсид содержащих отходов обогащения // Обогащение руд Москва 2019 .N 4.- С. 38-43.
