Rotor 20SVT50 позволяет разлагать сложные высокореакционные образцы, такие как уголь, кокс и графит, для которых требуются высокие температуры, с удобством и безопасностью технологии SmartVent.
1. Введение
Образцы, богатые углеродом, такие как уголь, кокс и графит, сталкиваются с трудностями при кислотном разложении в закрытых сосудах: температура, необходимая для полного разложения, увеличивается с увеличением степени минерализации от древесного угля до графита. В прошлом кислотное разложение графита в микроволновой печи было возможно только с использованием роторов наивысшей производительности, таких как Rotor 8NXF100.
Кроме того, большое количество реакционных газов создает высокое давление и требует быстрого регулирования давления, чтобы держать под контролем высокоэкзотермические реакции.
Rotor 20SVT50 в микроволновой системе Multiwave 5000 обеспечивает уже хорошо зарекомендовавшую себя технологию SmartVent на повышенном температурном уровне. Сброс избыточного давления — это безопасный и удобный способ преодоления названных проблем, поскольку можно достичь и поддерживать высокие целевые температуры до 250 °C при безопасном выпуске реакционных газов, таких как CO2 и NOx.
Кроме того, датчик SmartTemp обеспечивает быстрое, точное и бесконтактное измерение внутренней температуры с целью надежного контроля процесса разложения. В результате может быть достигнуто превосходное качество разложения даже для трудноразлагаемых и реактивных образцов.
С производительностью до 20 образцов Rotor 20SVT50 в Multiwave 5000 является идеальной конфигурацией для сложных образцов, например, уголь, кокс или углеродная сажа и даже графит.
2. Приборы
Рисунок 1. Микроволновая система Multiwave 5000 с ротором Rotor 20SVT50
Все процессы разложения проводили в сосудах SVT50 с использованием ротора Rotor 20SVT50 в Multiwave 5000, оснащенном датчиком температуры SmartTemp и датчиком SmartVent для контроля интенсивности вентиляции.
3. Экспериментальная часть
3.1 Образцы
Для разложения использовались разные образцы, чтобы охватить большое разнообразие образцов из реальной жизни.
- Каменный уголь
- Кокс
- Кальцинированный нефтяной кокс
- Углеродная сажа
- Активированный гранулированный уголь
- Графит 1 – 3
3.2 Процесс разложения
Приблизительно 400 мг образцов отвесили непосредственно в сосуды для разложения, тщательно избегая окрашивания герметизирующей поверхности порошком образца.
3.3 Смесь кислот
В данной последовательности добавили 6 мл азотной кислоты, 4 мл серной кислоты, 2,5 мл хлорной кислоты и 1 мл фтороводородной кислоты.
Добавление серной кислоты (H2SO4) помогает поддерживать более высокие температуры при пониженном давлении паров, поэтому во время процесса теряется меньше кислотного реагента. Хлорная кислота (HClO4) необходима для обеспечения более высокого окислительного потенциала при температуре 200 °C и выше, особенно для образцов графита. Для растворения оксида кремния в образцах может потребоваться фтороводородная кислота (HF). Из-за различных количеств оксида кремния может потребоваться увеличение объема HF, если после охлаждения и разбавления образуется белый гелеобразный осадок оксида кремния.
Все кислоты, использованные в качестве реагентов, были концентрированными и обладали аналитической степенью чистоты: азотная кислота (HNO3 65%), хлорная кислота (HClO4, 70%) и фтороводородная кислота (HF, 40%). Разведение и промывание производили деионизированной водой.
3.4 Температурная программа
Метод, предложенный в данном отчете, предназначен для безопасного использования хлорной кислоты (HClO4) в сочетании с реактивными образцами.
Рисунок 2. Температурная программа
- Первый шаг проводят при 150 C, чтобы разложить реактивные компоненты с помощью HNO3.
- При 220 °C активируют HClO4, чтобы разложить большую часть углеродного материала, одновременно генерируя и выпуская реакционные газы. Однако при этой температуре выходит не слишком много паров кислоты.
- Третий шаг проводят при 250 °C для разложения остальных трудноразлагаемых графитовых структур.
Для самых сложных образцов, таких как графит, этот процесс не во всех случаях может привести к получению прозрачного раствора, поэтому может остаться темный мутный и «пушистый» остаток. Вторая стадия может помочь улучшить разложение этих углеродистых остатков.
Для такого дополнительного цикла разложения добавили 2 мл HClO4 и применили температурную программу с более короткой рампой.
Рисунок 3. Температурная программа для шага 2 в случае неполного процесса разложения
По окончании охлаждения, оставшиеся реакционные газы выпустили при медленном открывании сосудов. Растворы перенесли во флакон автоматического пробоотборника и наполнили до нужного объема.
4. Результаты
Некоторые из образцов, такие как углеродная сажа или кальцинированный нефтяной кокс, которые считаются более реактивными, сначала проявили сильную экзотермическую активность, приводящую к сбросу избыточного давления при относительно низких температурах.
Подсказка: Если разлагаются только более химически активные образцы (например, углеродная сажа или кальцинированный кокс), хлорную кислоту можно не использовать для снижения реакционной способности.
Для снижения давления и, следовательно, для обеспечения более высоких температур использовалась серная кислота, что в сочетании с окислителями было необходимо для разрушения полиароматических структур.
4.1 Образцы угля
На рис. 4 представлен типичный набор температурных профилей для образцов угля, кокса и углеродной сажи. Первое событие выпуска газов наблюдалось примерно при 130-150 °C. Внезапное повышение температуры вследствие экзотермических реакций было немедленно обнаружено и успешно отрегулировано датчиком SmartTemp.
Как показано на рис. 4, высокореакционные образцы, такие как кальцинированный кокс, могут демонстрировать экзотермическую и даже спонтанную реакцию при относительно низкой температуре, в то время как образцы с более низкой реакционной способностью, такие как графит (см. рис. 6), реагируют только при более высоких температурах.
Рисунок 4. Температурные профили различных образцов угля.
При разбавлении до 40 мл дистиллированной водой были получены прозрачные и бесцветные растворы за исключением активированного гранулированного угля, имеющего светло-голубую окраску, вызванную повышенным содержанием металла.
Рисунок 5. Разложенные кальцинированный нефтяной кокс, углеродная сажа и активированный гранулированный уголь (слева направо).
Этот метод был создан и оптимизирован для работы с большим количеством разнообразных образцов. Однако добавление хлорной кислоты может потребоваться не для всех видов угля или кокса.
4.2 Образцы графита
Предложенный ранее метод также можно использовать для разложения образцов графита, для полного разложения которых требуются значительно более высокие целевые температуры.
На рис. 6 представлены температурные профили различных образцов графита с экзотермическими реакциями, берущими начало при существенно различающихся температурах. Опять же, внезапное повышение температуры было сразу же обнаружено и успешно отрегулировано датчиком SmartTemp.
Рисунок 6: Температурные профили образцов графита по сравнению с реактивным кальцинированным коксом и активированным гранулированным углем
Графит 3 (светло-зеленая линия на рис. 6) реагирует первым из графитов, за ним следуют графит 1 (темно-зеленый) и графит 2 (темно-коричневый).
Рисунок 7: Графит 1 – 3, кальцинированный кокс и активированный гранулированный уголь (неразбавленные после первой стадии испытания)
Так как все образцы графита нуждались в дополнительном окислении, которое невозможно обеспечить простым увеличением времени реакции, при последующей второй стадии испытания добавили 2 мл HClO4.
Рисунок 8: Температурные профили второго этапа испытания
После второго этапа разложения образцы графита и образцы угля полностью разложились.
Рисунок 9: Графит 1 – 3, кальцинированный кокс и активированный гранулированный уголь (разбавленные до 15 мл после второй стадии испытания)
Заключение
Микроволновая система Multiwave 5000, оснащенная ротором Rotor 20SVT50, представляет собой мощную конфигурацию для быстрого, надежного и высококачественного разложения проб сложных неорганических матриц.
Было успешно продемонстрировано, что матрицы образцов, которые в прошлом были очень трудно разлагаемыми (например, уголь или графит), могут быть разложены быстро и надежно.
Сосуды SVT50 с технологией SmartVent и повышенным уровнем давления позволяют анализировать большее количество проб при повышенных температурах.
Технология SmartTemp обеспечивает быстрый и надежный контроль температуры даже для реактивных образцов.
В случае сильного выброса газов детектор SmartVent позволяет быстро удалить пары за счет увеличения потока вытяжного воздуха.
