ASTM D7876 - 13(2018)

    Стандартная методика разложения пробы с помощью микроволнового нагрева (с / без предварительного озоления) для элементного анализа нефтепродуктов и смазочных материалов методом атомной спектроскопии

    Active Standard ASTM D7876 Developed by Subcommittee: D02.03

    Book of Standards Volume: 05.05


      Format Pages Price  
    PDF 37 $97.00   ADD TO CART

    Historical Version(s) - view previous versions of standard

    Translated Standard(s): English

    ASTM License Agreement

    More D02.03 Standards Related Products


    Significance and Use

    5.1 Часто перед атомно-спектроскопическими измерениями бывает необходимо растворить пробу, особенно если она твердая. Для растворения таких проб предпочтительней использовать микроволновую печь, так как это наиболее быстрый способ растворения проб по сравнению с применением традиционных методов растворения в кислотных растворах с использованием сосуда высокого давления для разложения или других средств.

    5.2 Преимуществом микроволнового разложения является ускоренное разложение, вследствие высокой температуры и давления внутри герметичного контейнера. Использование закрытых сосудов также позволяет исключить неконтролируемые потери микроэлементов в летучих соединениях, присутствующих в пробе или образующихся в процессе растворения пробы. Такие летучие элементы как мышьяк, бор, хром, ртуть, сурьма, селен и олово могут быть потеряны при использовании некоторых методов кислотного растворения в открытом сосуде. Другим преимуществом микроволнового растворения является лучший контроль потенциального загрязнения холостой пробы по сравнению с методами открытого сосуда. Это происходит вследствие меньшего загрязнения из лабораторной атмосферы, от нечистых контейнеров, и меньшего количества используемых реактивов (9).

    5.3 Невозможно указать подробные инструкции по эксплуатации подходящих приборов, вследствие различия их марок и моделей. Аналитику необходимо следовать инструкциям изготовителя конкретного прибора.

    5.4 Механизм микроволнового нагрева — Микроволновое излучение способно нагревать один материал гораздо быстрее, чем другой, поскольку материалы сильно различаются по способности поглощать микроволновое излучение, в зависимости от их полярности. Микроволновая печь действует как источник интенсивной энергии для быстрого нагревания пробы. Однако химическая реакция все же необходима для полного растворения пробы в смесях кислот. Микроволновый нагрев может быть как внутренним, так и внешним, в отличие от обычного нагрева, который может быть только внешним. Лучший контакт между частицами пробы и кислотами является главным условием быстрого растворения. Так, тяжелые непористые материалы, такие как нефтяные топлива или кокс, не так эффективно растворяются при микроволновом нагреве. Локальный внутренний нагрев отдельных частиц может привести к разрушению этих частиц, подвергая, таким образом, свежую поверхность воздействию реактива. Контакт нагретых диэлектрических жидкостей (вода/кислота) с диэлектрическими частицами создает нагрев над поверхностью частицы на несколько порядков выше. Это может привести к большим конвекционным тепловым потокам, которые способны всколыхнуть и снести неподвижные слои поверхности раствора и, таким образом, подвергнуть свежую поверхность воздействию свежего раствора. Однако только простой микроволновый нагрев не разрушает химических связей, так как энергия протона меньше прочности химической связи (5).

    5.4.1 В зоне электромагнитного облучения комбинация кислотного раствора и электромагнитного излучения обеспечивает почти полное растворение неорганических составляющих твердых углеродистых веществ. Очевидно, электромагнитная энергия ускоряет реакцию кислоты с неорганическими составляющими, тем самым способствуя растворению этих составляющих без разрушения углеродистого материала. Предполагается, что электромагнитное излучение служит источником интенсивной энергии, которая быстро нагревает кислотный раствор, а также внутренние и внешние части отдельных частиц в суспензии. Такой быстрый и интенсивный внутренний нагрев либо способствует процессам диффузии неорганических составляющих в растворе, либо разрушает отдельные частицы, тем самым подвергая дополнительные неорганические составляющие воздействию кислоты. Теплота, создаваемая в самом водном растворе, будет варьироваться в разных точках вокруг фазовой границы жидкость - твердое тело, и это может создавать большие конвекционные тепловые потоки, которые способны всколыхнуть и снести отработанный кислотный раствор, содержащий растворенные неорганические составляющие, с поверхностного слоя углеродистых частиц и, таким образом, подвергнуть поверхности частиц воздействию свежего раствора кислоты (16).

    5.4.2 В отличие от других механизмов нагрева, микроволновый нагрев фактически может регулироваться, так как прекращение подачи энергии немедленно останавливает нагрев (за исключением экзотермических реакций, которые могут быть быстрыми, если разлагаются однородные соединения). Направление теплового потока обратно направлению обычного нагрева, так как микроволновая энергия поглощается содержимым контейнера, энергия преобразуется в тепло, и средняя температура содержимого растет. Тепло передается из смеси реактива с пробой в контейнер и рассеивается посредством теплопроводности в окружающую атмосферу. Новейшие синтезированные контейнеры, выполненные из легких, но прочных полимеров, могут выдерживать температуру выше 240°C и давление выше 800 фунтов на кв. дюйм. В процессе разложения проб, содержащих органические соединения, образуются почти нерастворимые газы, например CO2. Такие газы вместе с давлением паров реактивов, при любой температуре, создают общее давление внутри сосуда. Поскольку тепловой поток из сосуда для микроволнового разложения обратен направлению теплового потока резистивных устройств, общее давление, создаваемое для микроволнового растворения, значительно ниже, при такой же температуре, чем в других сравнимых нагревательных устройствах или системах. Это значит, что можно разложить пробы большего объема при более высоких температурах и более низком давлении, чем обычно можно ожидать от таких сосудов под давлением. Объем пробы следует контролировать, чтобы предотвратить быстрое экзотермическое разрушение, усиливаемое образованием избыточного CO2. Однако ограничение давления в сосуде все же ограничивает как объем используемой пробы, так и максимальную температуру, которая может быть достигнута в результате давления пара реактивов (17).

    5.4.3 Органические и полимерные пробы могут быть особенно проблематичными, поскольку они являются высоколетучими соединениями и образуют большое количество газообразных побочных продуктов, таких как CO2 и NOx. Это приводит к тому, что пробы большего объема создают более высокое давление внутри сосуда для разложения. Как правило, не более 1 г такой пробы можно подвергать разложению в закрытом сосуде (18).

    5.4.3.1 В системах с открытым сосудом для разложения рабочая температура ограничивается точкой кипения кислотных растворов, в герметичных сосудах для разложения диапазон температур может составлять 200°C – 260°C. Это приводит к резкому ускорению кинетики реакции, что позволяет проводить реакции разложения за более короткий период времени. Однако высокие температуры приводят к повышению давления в сосуде, что является потенциальной угрозой безопасности. Быстрое нагревание раствора пробы может вызвать экзотермические реакции в процессе разложения. Поэтому в современных системах микроволнового разложения предусмотрены датчики и блокировочные устройства для регулирования температуры и давления. Поскольку различные виды проб по-разному ведут себя в микроволновом поле, при этой операции необходимо регулирование нагрева (19).

    5.4.4 Микроволновый нагрев происходит вследствие того, что микроволновые реакторы создают электромагнитное поле, которое взаимодействует с поляризуемыми молекулами или ионами в веществах. Поскольку поляризованные частицы стремятся ориентировать свои диполи в осциллирующем поле, они вращаются, перемещаются и трутся друг об друга, что приводит к их нагреванию. Такой микроволновый эффект отличается от косвенного нагрева теплопроводностью, достигаемой с помощью нагревательной плиты (20).

    1. Область применения

    1.1 Настоящая методика предусматривает использование микроволнового излучения для разложения пробы перед проведением элементного анализа методом атомной спектроскопии.

    1.1.1 Несмотря на то, что данная методика в качестве основных методов измерения предусматривает использование атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (АЭС-ИСП) и атомно-абсорбционной спектрометрии (ААС), можно использовать другие атомно-спектрометрические методы, если требуются более низкие пределы детектирования и достигаются аналитические критерии эффективности.

    1.2 Настоящая методика применима как к нефтепродуктам, так и к смазочным материалам, таким как консистентные смазки, присадки, смазочные масла, бензины и дизельные топлива.

    1.3 Не являясь частью юрисдикции Комитета D02, настоящая методика применяется также к другим видам ископаемого топлива, таким как уголь, зольная пыль, угольная зола, кокс и горючий сланец.

    1.3.1 Некоторые примеры практического применения микроволнового нагрева для элементного анализа ископаемых топлив и других материалов показаны в табл.

    1.3.2 Некоторые дополнительные примеры применения методов ASTM для микроволнового анализа неископаемых видов топлива указаны в Приложении X1.

    1.4 В процессе растворения пробы могут разлагаться в разнообразных смесях кислот. Область применения настоящей методики не предусматривает указание соответствующих смесей кислот для всех возможных комбинаций элементов, присутствующих во всех типах проб. Но если в результате растворения образуется некое видимое нерастворимое вещество, то данная методика не может применяться для анализа такого типа пробы, из соображений, что такое нерастворимое вещество может содержать какие-либо интересующие аналиты.

    1.5 Данная методика микроволнового разложения проб может привести к потере «летучих» элементов, таких как мышьяк, бор, хром, ртуть, сурьма, селен и олово. Химические соединения таких элементов также представляют проблему в таких процессах растворения, поскольку некоторые соединения могут не разлагаться и иметь разную эффективность ввода пробы.

    1.6 Для подтверждения определения аналитов следует использовать эталонный материал или соответствующий стандартный эталонный материал NIST (Национальный институт стандартов и технологии США). За неимением таковых, перед микроволновым разложением в пробу следует добавить аналит известной концентрации.

    1.7 Дополнительную информацию по процедурам приготовления проб для элементного анализа нефтепродуктов и смазочных материалов можно найти в Методике D7455.

    1.8 Значения, указанные в единицах системы СИ, считаются стандартными. Никакие другие единицы измерения не включены в данный стандарт.

    1.9 Данный стандарт не претендует на полноту описания всех мер безопасности, если таковые имеются, связанных с его использованием. Вся ответственность за установление соответствующих правил техники безопасности, и мер по охране здоровья и окружающей среды, а также определение пределов применимости регламентов до начала использования данного стандарта, лежит на пользователе стандарта. Конкретные меры предосторожности указаны в разделах 6 и 7.

    1.10 Данный международный стандарт был разработан в соответствии с международно-признанными принципами стандартизации, установленными Постановлением о принципах разработки международных стандартов, руководств и рекомендаций, выпущенным Комитетом по техническим барьерам в торговле (TBT) Всемирной торговой организации.

    2. Ссылочные документы