(1.湖南省計(jì)量檢測(cè)研究院, 長(zhǎng)沙 410014;2.長(zhǎng)沙開(kāi)元儀器股份有限公司, 長(zhǎng)沙 410100)
全硫分是表征煤炭、硫鐵礦等礦物質(zhì)量的重要指標(biāo)之一,其全硫含量直接影響對(duì)礦物的冶煉質(zhì)量和大氣污染物排放等。因此準(zhǔn)確測(cè)量礦物硫含量極為重要。常見(jiàn)礦物的硫含量范圍在0.001%~ 35%左右,其測(cè)試方法有很多,傳統(tǒng)的方法有硫酸鋇重量法、容量法(高溫燃燒中和法)等,但是這些方法因流程復(fù)雜、操作繁瑣、人員要求高,分析周期長(zhǎng),測(cè)量效果難以達(dá)到預(yù)期效果。國(guó)外流行的紅外吸收法測(cè)定硫含量,因其儀器昂貴,不利于廣泛應(yīng)用。而用庫(kù)侖滴定法在高溫燃燒條件將各種形態(tài)的硫分解成硫氧化物氣體,再流入電解池進(jìn)行庫(kù)侖滴定,根據(jù)法拉第電解定律計(jì)算電解電量從而獲取礦物中的全硫含量,其測(cè)試速度快,操作簡(jiǎn)便,儀器成本適中,具有較好的精密度和準(zhǔn)確度,因此深受廣大檢測(cè)人員的喜愛(ài)。鞠艷美曾對(duì)庫(kù)侖滴定法測(cè)定鐵礦粉0.1% ~ 10.0%的全硫進(jìn)行了研究[1],倪培洋優(yōu)化庫(kù)侖測(cè)硫儀試驗(yàn)條件,對(duì)全硫含量在5.0%以下的鐵礦物進(jìn)行分析[2]。石佩佩等曾對(duì)SO2吸收特性進(jìn)行研究,研究表明高硫礦物燃燒后釋放的SO2不能被電解池充分吸收而發(fā)生溢出[3]。因此常規(guī)的庫(kù)侖滴定法其測(cè)硫范圍一般在0.1% ~ 10.0% 。
庫(kù)侖滴定法是比較成熟的測(cè)試方法,但是采用庫(kù)侖滴定法測(cè)定高硫礦物的全硫含量的研究較少。筆者采用傳統(tǒng)試驗(yàn)方法測(cè)定高硫礦物,測(cè)試數(shù)據(jù)整體偏低、精密度較差,通過(guò)分析與比較后仔細(xì)查找實(shí)驗(yàn)原因,從而調(diào)整庫(kù)侖測(cè)硫儀的溫區(qū)控制、燃燒時(shí)間,選擇高效的催化劑,確保被測(cè)樣品燃燒充分;合理設(shè)置樣品取樣量、優(yōu)化庫(kù)侖測(cè)硫儀氣路結(jié)構(gòu),確保電解液對(duì)SO2氣體的完全吸收。通過(guò)以上方法的調(diào)整,優(yōu)化后可準(zhǔn)確的檢測(cè)全硫含量10% ~ 35% 礦物樣品,方法簡(jiǎn)便快速,能滿足日常檢測(cè)需求。
礦物在高溫和催化劑存在的條件下,在凈化后的空氣流中燃燒,礦物中的各種形態(tài)的硫?qū)⒀趸蒘O2和極少量的SO3;生成的硫氧化物被氣流帶到電解池內(nèi)與水化合物生成亞硫酸和少量硫酸,與電解碘化鉀和溴化鉀所生成的碘和溴與亞硫酸反應(yīng)生成硫酸。此時(shí)指示電極對(duì)的電位變化,從而引起電解電流增加,不斷地電解出碘和溴,直至溶液內(nèi)不再有SO2進(jìn)入,電極電位又恢復(fù)到滴定前的水平,根據(jù)電解生成碘和溴時(shí)所消耗的電量,電量通過(guò)庫(kù)侖積分儀積分而得,按照法拉第電解定律,并對(duì)少量的SO3不能滴定而導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差進(jìn)行校正,可以計(jì)算出礦物中全硫的含量。
庫(kù)侖測(cè)硫儀選用長(zhǎng)沙開(kāi)元儀器股份有限公司生產(chǎn)的5E-AS3200B。儀器主要由下列各部分結(jié)構(gòu)組成。管式高溫爐:爐膛用硅碳管加熱,至少有70mm長(zhǎng)的高溫恒溫帶,采取鉑銠10-鉑熱電偶采集爐膛溫度,并由控溫儀控制好爐膛溫度;電解池高120~180mm,容量約400mL,采用鉑片作為電極片,面積大的為電解電極片,面積小的為指示電極片,指示電極響應(yīng)時(shí)間在1s左右;攪拌器為磁力攪拌子在電解池內(nèi)攪拌;庫(kù)侖積分器:為計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集電量進(jìn)行軟件積分。實(shí)驗(yàn)時(shí)氣路如圖1所示,空氣通過(guò)氫氧化鈉、硅膠等凈化后,由真空泵抽入高溫爐中,樣品在高溫爐在燃燒,硫化物與氧氣燃燒產(chǎn)生二氧化硫和少量的三氧化硫。二氧化硫氣體進(jìn)入電解池進(jìn)行電解后再由真空泵抽出。
傳統(tǒng)測(cè)硫儀的氣路把燃燒后的氣體直接抽入電解池中,不考慮抽入氣體中的二氧化硫濃度具體情況。由于樣品燃燒的過(guò)程不一樣,二氧化硫的釋放過(guò)程不一樣,因此每次電解的峰值、電解的反饋情況均不一樣。
圖1 傳統(tǒng)庫(kù)侖測(cè)硫儀的氣路示意圖
采取傳統(tǒng)的庫(kù)侖測(cè)硫儀測(cè)試高硫礦物,按照系統(tǒng)默認(rèn)測(cè)試煤炭全硫的流程和方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)主要的相關(guān)參數(shù)如下:取樣量50mg左右,稱(chēng)量天平分度值為0.1mg;試樣催化劑為分析純?nèi)趸u;電解液碘化鉀和溴化鉀各5g,溶于250g水和10ml的冰乙酸中;電解液攪拌子轉(zhuǎn)速500rpm;指示電極鉑極面積為50mm2,電解電極鉑極面積約為150mm2。進(jìn)樣流程:500℃溫區(qū)停留時(shí)間20s;1150℃溫區(qū)最大停留時(shí)間150s。
對(duì)ZKB 326硫鐵礦(標(biāo)稱(chēng)值19.68%±0.25%)實(shí)驗(yàn)為例,其傳統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。10次試驗(yàn)均值為18.76%,數(shù)據(jù)偏低0.92%,相對(duì)誤差(RE)為4.67%,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為2.07%。無(wú)論是重復(fù)性還是準(zhǔn)確度均無(wú)法達(dá)到國(guó)標(biāo)技術(shù)要求。
表1 傳統(tǒng)試驗(yàn)對(duì)高硫礦的測(cè)試數(shù)據(jù)
對(duì)上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行思考和分析。將從三個(gè)方面分析整體數(shù)據(jù)偏低的原因:被測(cè)樣品在燃燒過(guò)程中其含硫物質(zhì)是否完全轉(zhuǎn)化為硫氧化物釋放;釋放后的硫氧化物是否完全被電解池吸收;庫(kù)侖積分器對(duì)電流量積分是否計(jì)算準(zhǔn)確。針對(duì)上述三個(gè)方面的思考,筆者作如下試驗(yàn)驗(yàn)證與分析。
2.4.1 試驗(yàn)后的礦灰全硫分析
如果被測(cè)樣品在在燃燒過(guò)程中其含硫物質(zhì)沒(méi)有完全轉(zhuǎn)化為硫氧化物釋放,則硫以某種形態(tài)存在礦灰中,把上述10次試驗(yàn)后的礦灰,依照GB/T 6730.16中硫酸鋇重量法進(jìn)行分析[5],測(cè)試的全硫含量在0.06%~0.17%。數(shù)據(jù)表明,被測(cè)樣品中的硫在燃燒過(guò)程中并沒(méi)有完全轉(zhuǎn)換為硫氧化物釋放,是傳統(tǒng)方法試驗(yàn)偏低的原因之一。由于被測(cè)樣品重量較多,硫含量較高,在高溫區(qū)中部分以硫酸鹽形態(tài)存在的硫沒(méi)有充分的燃燒釋放。
采取testo 350煙氣分析儀對(duì)上述10次實(shí)驗(yàn)中電解池排出尾氣進(jìn)行監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)每次實(shí)驗(yàn)均能監(jiān)測(cè)到雙峰型SO2氣體的濃度[3],第1次的峰值比較大,基本對(duì)應(yīng)為被測(cè)樣品在低溫區(qū)(500℃左右)釋放出高濃度SO2氣體到電解池后15s~20s,其濃度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))峰值范圍達(dá)到250×10-6。第2次高峰SO2濃度值在被測(cè)樣品在高溫區(qū)(1150℃左右)釋放出高濃度SO2氣體到電解池后15s~20s,其峰值濃度最高達(dá)到80×10-6。SO2氣體溢出峰值圖如圖2所示。由于煙氣分析儀是動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)SO2氣體濃度,無(wú)法準(zhǔn)確對(duì)溢出的SO2氣體濃度進(jìn)行積分統(tǒng)計(jì),筆者通過(guò)粗略積分統(tǒng)計(jì),電解池溢出的全硫含量在0.40%~0.90%。由此可見(jiàn)電解池中SO2氣體濃度陡然過(guò)高,短時(shí)間內(nèi)SO2與H2O反應(yīng)飽和,SO2氣體會(huì)產(chǎn)生溢出。這也是上述傳統(tǒng)試驗(yàn)方法數(shù)據(jù)偏低的主要原因。
圖2 SO2氣體溢出濃度監(jiān)測(cè)曲線圖
2.4.3 庫(kù)侖積分器
從庫(kù)侖滴定法測(cè)量原理可知,全硫含量的測(cè)定是通過(guò)電解電量積分后推算硫含量,因此庫(kù)侖積分器性能直接關(guān)系到全硫含量測(cè)定性能。筆者按照GB/T 31425-2015中4.5的方法對(duì)積分器線性度進(jìn)行測(cè)定,積分器線性度最大為0.08%,其中最大電流可到415mA,符合標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求[6]。上述測(cè)試表明庫(kù)侖積分器不是傳統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏低原因。
針對(duì)傳統(tǒng)試驗(yàn)方法測(cè)定高硫礦物全硫含量整體數(shù)據(jù)偏低及重復(fù)性較差的原因,對(duì)現(xiàn)有庫(kù)侖測(cè)硫儀的儀器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),對(duì)實(shí)驗(yàn)條件和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,需求最佳的測(cè)試條件滿足10%~35%高硫礦物的全硫含量的測(cè)定。
高硫礦物在燃燒過(guò)程中,硫化物短時(shí)間內(nèi)迅速燃燒,陡然產(chǎn)生大量的SO2氣體,電解液不能短時(shí)間內(nèi)溶解過(guò)量的SO2氣體,導(dǎo)致部分SO2氣體溢出是庫(kù)侖滴定測(cè)量數(shù)據(jù)偏低的主要原因。而從電解池對(duì)SO2吸收特性可知,增大電解液容量存在SO2吸收限量和電解條件下高濃度SO2存在溢出。
實(shí)驗(yàn)對(duì)傳統(tǒng)庫(kù)侖測(cè)硫氣路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn),增加儲(chǔ)氣裝置,對(duì)樣品燃燒后的氣體進(jìn)行收集,并使氣體中硫含量均勻,緩和了進(jìn)入電解池內(nèi)SO2氣體濃度峰值,有利抑制從電解池中溢出SO2氣體。其次增加穩(wěn)流裝置,保證儲(chǔ)氣裝置氣體排向電解池中流量穩(wěn)定[7]。被測(cè)氣體穩(wěn)定均勻的流向電解池,電解過(guò)程得到了緩和,能進(jìn)行高效、完全的電解滴定。其氣路示意圖如圖3所示。對(duì)某全硫含量約15%的硫鐵礦進(jìn)行實(shí)驗(yàn)兩種氣路對(duì)比,觀察其第一段高硫釋放峰電解電流曲線圖如圖4所示。圖4中左圖為傳統(tǒng)型庫(kù)侖測(cè)硫氣路下電解電流曲線圖:從t1時(shí)間點(diǎn)開(kāi)始,電解電流迅速增大直至電解電流最大值(MAX),并維持最大電解電流左右到t2時(shí)間點(diǎn)結(jié)束。整個(gè)電解過(guò)程電解電流陡增陡降,容易出現(xiàn)SO2氣體溢出或過(guò)電解,對(duì)準(zhǔn)確測(cè)定SO2含量很不利。圖4中右圖為改進(jìn)型庫(kù)侖測(cè)硫氣路下電解電流曲線圖,短時(shí)間釋放的高濃度SO2氣體與后續(xù)燃燒的氣體在儲(chǔ)氣裝置內(nèi)混合,其濃度得到有效的稀釋?zhuān)痪彌_后的氣體在通過(guò)穩(wěn)流裝置排出電解電池進(jìn)行電解,其電解曲線圖圓潤(rùn)漸變的曲線面積圖。
圖3 改進(jìn)型庫(kù)侖測(cè)硫儀的氣路示意圖
圖4 兩種氣路下電解電流曲線對(duì)比圖
其次考慮到高硫的電解,增大電解池電極面積,指示電極面積由原來(lái)的50mm2增大到90mm2,電解電極面積由原來(lái)的150mm2增大到200mm2。指示電極面積的增大,能使指示電極響應(yīng)碘-碘離子濃度變化更加靈敏,響應(yīng)時(shí)間更??;電解電極面積的增大有利于兩極之間電流密度的增大,加速高硫的電解電流效率,縮短電解時(shí)間。
3.2.1 試樣粉粒和取樣量選擇
庫(kù)侖滴定法是一種高精度的分析方法而且是在法拉第定律基礎(chǔ)上計(jì)算被測(cè)物質(zhì)的含量,一般可以用3mg左右的純物質(zhì)試樣進(jìn)行庫(kù)侖滴定,但是礦物是化學(xué)組成和粒度十分不均勻的混合物,根據(jù)日本騰森關(guān)于粒度與試樣量關(guān)系的理論[8],結(jié)合高硫礦鐵礦實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),分析了某硫鐵礦不同粒度和不同重量試樣的結(jié)果[9-11],表2給出了粒度與測(cè)定值的關(guān)系。
表2 粒度、取樣重量與測(cè)定值的關(guān)系
從稱(chēng)量不確定度在重復(fù)新測(cè)定結(jié)果不確定度中所占比例進(jìn)行分析[12]。用萬(wàn)分之一的電子天平稱(chēng)量20mg硫鐵礦ZKB 326,其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算如下:(1)稱(chēng)量誤差0.0001g,按照均勻分布轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1為0.058mg;(2)相對(duì)于20mg稱(chēng)樣量,其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur2為0.0029;(3)對(duì)于全硫量19.68%的硫鐵礦,其重復(fù)性限為0.20%,計(jì)算為兩次重復(fù)性測(cè)定均值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur3(%)為兩次測(cè)定均值的標(biāo)準(zhǔn)差與全硫含量的比。其數(shù)據(jù)計(jì)算為0.0026;(4)稱(chēng)量不確定占于全硫量19.68%的硫鐵礦測(cè)定結(jié)果總不確定度的分?jǐn)?shù):0.0029/0.0026=1.1>1.0。由上述分析,如采用稱(chēng)量天平采用萬(wàn)分之一的電子天平,則稱(chēng)量帶來(lái)的不確定度就會(huì)使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)難以達(dá)到其重復(fù)性要求。因此選用十萬(wàn)分之一的電子天平,代入上述計(jì)算過(guò)程,其稱(chēng)量不確定占比為11%,其值小于總不確定度的1/5,不是總不確定度的主要來(lái)源。因此采用分度值為0.01mg的分析天平降低稱(chēng)量不確定度對(duì)測(cè)定重復(fù)性的影響。
綜合上述分析,本次實(shí)驗(yàn)試樣粒度應(yīng)小于180目,稱(chēng)量采用十萬(wàn)分之一的電子天平。試樣質(zhì)量控制在10mg~20mg,視被測(cè)試樣硫含量可酌情增減。
3.2.2 催化劑的選擇
硫鐵礦中的硫以硫化物、硫酸鹽等形式。硫化物很容易分解,硫酸鹽的硫如果不加入催化劑要在1350℃才能分解,但是溫度過(guò)高會(huì)影響燃燒管的壽命[13]。因此降低燃燒溫度,為使礦物的硫酸鹽在較低溫度下完全分解需加入催化劑,加速硫酸鹽的分解。常用的催化劑有、錫粒(Sn)、氧化硅(SiO2)、三氧化鎢(WO3)、三氧化鎢和氧化銅屑的組合(9份WO3+1份CuO)等,催化劑使用的量以在被檢樣品上覆蓋薄薄一層即可。在上述改進(jìn)型氣路和調(diào)整后的參數(shù)下對(duì)ZKB 326添加不同的催化劑進(jìn)行試驗(yàn),并在不同的燃燒分解溫度(1150℃、1250℃)下,測(cè)定燃燒后樣品灰燼的殘留硫,以其殘留硫含量推算樣品全硫的釋放率[14]。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。
表3 不同催化劑下ZKB 326樣品硫的釋放率 %
從表3實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,三氧化鎢和氧化銅屑的組合作為催化劑比其他3種物質(zhì)作為催化劑效果更佳。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)三氧化鎢能很好的覆蓋試樣,燃燒不飛濺,能夠降低釋放速度。氧化銅屑使試樣在燃燒過(guò)程中流動(dòng)性好,導(dǎo)熱性好,助熔性強(qiáng)。試驗(yàn)表明選用三氧化鎢和氧化銅屑組合(9份WO3+1份CuO)作為樣品的催化劑,在1250℃爐溫下樣品全硫幾乎完全釋放。
3.2.3 燃燒時(shí)間的選擇
由于硫鐵礦等高 硫礦物其成分復(fù)雜,庫(kù)侖測(cè)硫,試樣一般需在500℃高溫區(qū)和1250℃高溫區(qū)進(jìn)行燃燒,多次實(shí)驗(yàn)摸索和經(jīng)驗(yàn)總結(jié),其進(jìn)樣方式和燃燒時(shí)間為:進(jìn)樣采取緩慢進(jìn)樣方式,第一步進(jìn)樣時(shí)間20s,停留在500℃高溫區(qū),停留時(shí)間120s;第2步進(jìn)樣時(shí)間20s,停留在1250℃高溫區(qū),停留時(shí)間以電解電流達(dá)到預(yù)設(shè)最小值電解電流則結(jié)束電解,或達(dá)到最長(zhǎng)停留時(shí)間300s,強(qiáng)制結(jié)束高溫區(qū)燃燒。對(duì)于有機(jī)硫和黃鐵礦硫較高的礦物,在500℃溫區(qū)停留時(shí)間適當(dāng)延長(zhǎng);對(duì)于電解拖尾較長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)樣品可適當(dāng)延長(zhǎng)1250℃高溫區(qū)的停留時(shí)間。
3.2.4 校正曲線的選擇
實(shí)驗(yàn)條件為高硫檢測(cè),采用上述已優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)條件,校正曲線采用ZKB 326、ZKB 327、ZKB 328三種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)建立。每種試樣測(cè)試5次,選擇一元一次校正和一元三次校正兩種方式比較,一元三次校正比一元一次校正準(zhǔn)確度明顯改善,數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。校正曲線同時(shí)對(duì)少量的SO3不能滴定而導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差進(jìn)行了修正。
表4 不同校正曲線實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比
在改進(jìn)后的儀器和優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)條件下,進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的全硫測(cè)定實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)分別為濟(jì)南眾標(biāo)生產(chǎn)的硫鐵礦、硫精礦,編號(hào)分別為ZKB 326、ZKB 327、ZKB 328 ZKB 312,地球物理地球化學(xué)勘查研究所生產(chǎn)的礦物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW 07167、GBW 07168、GBW 07176、GBW 07148,以及3種實(shí)驗(yàn)樣品YSB170521、WS170216、YSB170615。上述標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的全硫含量分布在10%~35%。
用庫(kù)侖滴定法對(duì)編號(hào)為YSB170521、WS170216、YSB170615 3種不同硫含量的實(shí)驗(yàn)樣品(硫鐵礦)進(jìn)行10次測(cè)定,測(cè)定計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。3種樣品精密度測(cè)試RSD<1.0%。
表5 實(shí)驗(yàn)樣品硫分精密度測(cè)試數(shù)據(jù)
在上述實(shí)驗(yàn)條件下,用庫(kù)侖滴定法對(duì)8種常用礦物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果見(jiàn)表6。
表6 8種常用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)
查數(shù)理統(tǒng)計(jì)t檢驗(yàn)表,當(dāng)自由度為7時(shí),t0.05=2.365,故t 采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定高硫礦物,發(fā)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)整體偏低、精密度較差,分析與比較后查找相關(guān)原因,得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏低的主要原因?yàn)椋簶悠吩谌紵^(guò)程中,硫釋放不充分,部分硫酸鹽沒(méi)有轉(zhuǎn)換為SO2氣體;由于高濃度的SO2氣體無(wú)法短時(shí)間在電解池內(nèi)電解,導(dǎo)致出現(xiàn)SO2氣體溢出現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)通過(guò)優(yōu)化庫(kù)侖測(cè)硫儀氣路結(jié)構(gòu)和氣流量、合理設(shè)置樣品粒度和取樣量、調(diào)整庫(kù)侖測(cè)硫儀的溫區(qū)控制、燃燒時(shí)間,選擇高效的催化劑,采取多元校正曲線模型等方式改進(jìn)庫(kù)侖法測(cè)硫。對(duì)部分常見(jiàn)的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和試樣進(jìn)行精密度和準(zhǔn)確度驗(yàn)證,該方法對(duì)硫含量在10%~35%的常用礦物具有良好的精密度和準(zhǔn)確度,試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD<1.20%,相對(duì)誤差RE<1.50%,并采用t檢驗(yàn)法評(píng)定庫(kù)侖滴定法與經(jīng)典法無(wú)顯著性差異,滿足常規(guī)檢驗(yàn)需求。5 結(jié)論