第一章 试样的采集和制备

工业分析的任务和作用 请大家回顾一下 工业分析是分析化学在工业生产中的具体应用 是研究物料组成的分析方法和相关理论的集合体 工业分析具有不同于普通教学分析实验的特点 代表性 分解方法 除干扰 分析速度 课程的导入 工业分析是工业生产的眼睛 可以指导和促进生产 工业分析的任务是从大批物料 工业生产中的原料 辅助材料 中间产品 产品 副产品及生产过程中的废物等 中确定某种或某些组分的平均质量分数 用于指导和促进工业生产 被誉为工业生产的 眼睛 起到 把关 的作用 1采样2制样3分解样品4消除干扰5方法的选择及测定6结果计算和数据评价 本章我们的重点 试样的采集与制备 工业分析测定步骤 第一章试样的采集和制备 1 1试样的采集1 2试样的制备 1 1试样的采集 从被检的总体物料中取得有代表性的样品的过程称为采样 要求 采集到的样品能够代表原始物料的平均组成 采样的基本术语 基本原则 采样量和子样数目 采样方法 一 采样基本术语 1 采样单元具有界限的一定数量物料 2 子样 小样 分样 在规定的采样点上采集来的规定量 质量或体积 的物料叫子样 在一个采集对象中应布置采样点的个数称为子样数目 一 采样基本术语 3 原始平均试样 送检样 合并所有的子样所得的样品 4 分析化验单位 基本批量 原始平均试样单位全部物料总量 5 分析试样 送往实验室用于分析测试的样品 6 参考样品 与实验室样品同时制备的样品 是实验室样品的备份 二 采样的目的1 技术方面 确定原材料 半成品及成品的质量 控制生产工艺过程 鉴定未知物 确定污染的性质 程度和来源 验证物料的特性或特性值 测定物料随时间 环境的变化 鉴定物料的来源等 2 商业方面 确定销售价格 验证是否符合合同的规定 保证产品销售质量 满足用户的要求等 3 法律方面 为了检查物料是否符合法令要求 为了检查生产过程中泄露的有害物质是否超过允许极限 为了法庭调查 确定法律责任 进行仲裁等 4 安全方面 确定物料是否安全及其危险程度 分析发生事故的原因 按危险性进行物料的分类等 三 工业物料的分类工业物料按其特性值的变异性类型可以分为两类 即均匀物料和不均匀物料 1 均匀物料是指如果物料各部分的特性平均值在测定该特性的测量误差范围内 此物料就该特性而言是均匀物料 2 不均匀物料是指如果物料各部分的特性平均值不在测定该特性的测量误差范围内 此物料就该特性而言是不均匀物料 四 采样基本原则 1 均匀的物料 可以在物料的任意部位进行采样 2 非均匀的物料 随机采样 对所得的样品分别进行测定 3 采样过程中不应带进任何杂质 尽量避免引起物料的变化 如吸水 氧化等 采样的基本原则是 使采得的样品具有充分的代表性 五 采样量和子样数目 1 采样量对于均匀物料 根据需要直接采取即可 对于不均匀的物料 可采用试样的采集量经验计算公式 Q Kda Q 采取实验室样品的最低可靠质量 kgd 实验室样品中最大颗粒的直径 mmk a 经验常数 由实验室求得 一般k值在0 02 1之间 样品越不均匀 k值越大 物料均匀0 1 0 3物料不太均匀0 4 0 6 物料极不均匀0 7 1 0 a 1 8 2 5 地质部门一般规定为2 例如 采集某矿石样品时 若此矿石的最大颗粒直径为20mm k值为0 06kg mm2 mQ 0 06kg mm2 20mm 2 24kg 如果将上述矿石最大颗粒破碎至4mm mQ 0 06kg mm2 4mm 2 0 96kg 1kg 结论 样品的颗粒越大 称样量越大 物料的颗粒越大 则最低采样量品越多 样品越不均匀 最低采样量也越多 因此 对块状物料 应在破碎后再采样 确定样品的量 至少满足三次重复测定的样品量 必须满足备考样品所需量 如需预处理 应满足所需量 五 采样量和子样数目 2 子样数目采样的准确度 即试样中组分含量与整批物料中组分平均含量之间的允许误差 准确度要求越高 子样数目就越多 物料的不均匀程度 六 采样方式与采样方法 1 随机取样 概率取样 基本原理是物料总体中每份被取样的概率相等 将取样对象的全体划分成不同编号的部分 用随机数表进行取样 2 分层取样 当物料总体有明显不同组成时 将物料分成几个层次 按层数大小成比例取样 3 系统取样 按已知的变化规律取样 如按时间间隔或物料量的间隔取样 4 二步取样 将物料分成几个部分 首先用随机取样的方式从物料批中取出若干个一次取样单元 然后再分别从各取样单元中取出几个份样 六 采样方式与采样方法 试样的采集方法与物料的存在状态有关 一 固态物料的采样 二 液态物料的采样 三 气态物料的采样 一 固态物料的采样 采样铲 手铲 采样探子 末端开口采样探子 气动采样探子 采样钻 较坚硬的固体物料 气动和真空探针 粉末和细小颗粒的松散物料 采样工具 取样时 将采样探子由袋 罐 桶 口的一角沿对角线插入袋 罐 桶 内的1 3 3 4处 旋转180 后抽出 刮出钻槽中物料作为一个子样 自袋 罐 桶中采集粉末装物料样品时 通常采用采样探子 取样探子长约750mm 外径18mm 槽口宽12mm 下端30 角锥的不锈钢管或铜管 采样探子 关闭式采样钻示意图 1 电动空气提升泵2 样品出口 气动探针示意图 1 不同包装中固态工业产品的采集不同质地的袋 罐 桶包装 子样数按袋 罐 桶 总数的比率确定 子样均匀地分布于该批物料中 用采样工具采集 一 固态物料的采样 取样时 将采样探子由袋 罐 桶 口的一角沿对角线插入袋 罐 桶 内的1 3 3 4处 旋转180 后抽出 刮出钻槽中物料作为一个子样 自袋 罐 桶中采集粉末装物料样品时 通常采用采样探子 取样探子长约750mm 外径18mm 槽口宽12mm 下端30 角锥的不锈钢管或铜管 采样探子 抽取3000件 应抽取的件数为 例 袋装化肥采样子样量 2 物料堆中的采样 在料堆的周围 从地面起每隔0 5m左右 用铁铲划一横线 然后每隔1 2m划一竖线 间隔选取横竖线的交叉点作为取样点 如图所示 在取样点取样时 用铁铲将表面刮去0 1m 深入0 3m挖取一个子样的物料量 每个子样的最小质量不小于5kg 最后合并所采集的子样 料堆上采样点的分布 在物料流中采样 通常采用舌形铲 紧帖皮带全宽度 在左 中 右三处取样点取样 大都是使用自动化的采样器 3 物料流中的采样 T 60Q nG P14公式1 6 例 一台炉早班如煤量280t 磨煤机给煤皮带流量150t h 求取样时间 解 查表原煤Ad 20 时 最少子样数10个 则T 60Q nG 60 280 10 150 11 2 min GB475 2008商品煤样人工采取方法 车皮容量低于30t时 采用斜线三点法 容量在30 50t时 采用四点法 容量超过50t时 采用五点法 4 运输工具中采样 商品煤采样点图 斜线三点采样法示意图斜线四点采样法示意图斜线五点采样法示意图18点采样法示意图 固体物料采样实例 商品煤的采取方法 A 子样数 表1 1采样单元煤量1000t时的最少子样数 煤量超过1000t时 子样数目 n1 n m 1000 1 2n1 实际应采子样数 个n 表1 1中子样数 个m 煤量 t 表1 2采样单元煤量少于1000t时的最少子样数 B 子样质量 商品煤火车运输 每节车皮车皮容量为50t 问下列情况如何取样 200t原煤 50t原煤 150t精煤查表 原煤火车运输煤量少于1000t时 最少子样数为18个 精煤6个 例 生料率值配料控制系统 多元素分析仪 X荧光分析仪 根据分析结果可进行生料率值的控制 控制周期为0 5 1h 人工取样自动取样 建材行业生产过程中的半成品和成品取样 水泥生料质量控制系统 生料质量控制系统 化学成分分析时 必须保证样品的及时性 代表性和分析数据的准确性 企业由人工每小时取生料样品一次 配料系统将根据样品的化学分折结果 重新调整配比 以控制下一小时的生料质量 取样过早 会影响样品的代表性 取样晚了 会造成系统 样品丢失 使系统失去了一次调整配料方案的机会 仍按上一小时的配料方案配料 如果连续二次 样品丢失 系统则自动关闭 所以取料人员必须根据系统终端给出的提示 严格遵守取料时间 样品的代表性 每次取样后 取样器内剩余样品必须倒净 同样 样品放入振动磨中研磨后必须将磨内擦洗干净 以免取样器中剩余样品或磨内残余样品粉末混入下一个样品中 从而使样品失去代表性 水泥熟料 质量控制项目有 化学全分析 包括KH SM IM 游离氧化钙 氧化镁 烧失量 安定性 强度等 化学成分的测定应进行连续取样 使试样具有代表性 每天测定至少一次 一个月统计一次 熟料的烧失量 每窑每班测一次 熟料的物理性能 分窑每天检验一次 取平均样 散装 500t一批 随机从三个车罐中用槽型管在适应位置插入水泥一定深度 不超过2m 取样 搅拌均匀后取出不少于12kg作试样 袋装 200t一批 随机从20袋中取等量水泥 搅拌均匀后取出12kg两份 密封好 一份送检 一份封样保存 水泥 二 液态物料的采样 液态物料具有流动性 组成均匀 采样比较容易 流动液态样品 不同时间 采样阀或采样瓶 静态液态样品 不同位置 大型储物料的采集 全液层采样法 分层采样法 小贮罐中采样 选择不同采样工具进行采样 采样勺和采样杯 由不与物料发生反应的金属或塑料制成 采样管 由玻璃 金属或塑料制成的管子 能插入到桶 罐 槽车中所需要的液面上 采样瓶 一般为500mL的具塞玻璃瓶 套上加重铅锤 采样工具 例 工业过氧化氢采样 确定批量 工业过氧化氢每批产品质量不超过60t 用槽车装时 以一槽车为一批 用桶装时 总包装桶数 500时 按表1 4取 大于500桶时 按规定选取 样品量 不得少于500mL 采样方法 桶装时用取样器上中下三层按1 3 1比例取样 槽车取样器从车顶部进口按上中下部位1 3 1比例取样 取样器由玻璃或聚乙烯塑料制成 试样保存 所取试样混匀后 装清洁 干燥的硬质玻璃瓶或聚乙烯瓶中 表1 4选取采样单元数的规定 三 气态物料的采样 由于气体物料易于扩散 而容易混合均匀 工业气体物料存在状态如 动态 静态 正压 常压 负压 高温 常温 低温等 且许多气体有刺激性和腐蚀性 所以 采样时一定要按照采样的技术要求 并且注意安全 气体试样的采取 共有 4部分结构 4种采样形式 3种采样方法 4种采样形式 3种采样方法 采样方法 常压状态气体采样气体状态 等于大气压或低正压或低负压采样方法 封闭液采样法使用容器 采样瓶或采样管 采样瓶装置图如下所示 首先瓶中注满封闭液 打开弹簧夹5 提高瓶2 封闭液进入1 瓶1空气排尽 然后经旋塞4和橡皮管3 与采样管连接 降低瓶2 气体进入瓶1 至需要量关旋塞4 夹紧弹簧5 完成采样工作 采样管装置图如下 排尽气样管1中空气 封闭液进入并充满管1 提高瓶4 开旋塞2 3 首先瓶4中注满封闭液 完成采样工作 关旋塞2 3 气体进入管至封闭液降至旋塞2以下 降低瓶4 与采样管连接 再经气样管1和旋塞3 橡皮管 采样管 流水抽气法 抽气泵减压法 抽气泵减压法采样 适用于低气压或负压不太高的负压状态气体 将真空泵4经橡皮管5与自来水龙头连接 首先将气样管1和橡皮管6与采样管连接 完成采样工作 经过一定时间 使流水真空泵产生负压 关闭自来水龙头及旋塞2 3 将气体抽入气样管 然后开启自来水龙头和旋塞2 3 气体状态 气体压力远高于大气压力的为正压气体 采样工具 采样钢瓶 采样管 橡皮囊 气袋或直接采样 特点 不要改变封闭液的位置 气体借助自己的正压进入气体的气囊 注意事项 压力过大 应注意调整采样管旋塞 或者在采样装置与气体容器之间加装缓冲瓶 正压状态气体采样 负压状态气体采样气体状态 远低于大气压力的气体称负压气体 采样方法 抽气泵减压法 负压不太高 抽空容器法 负压过高 抽空容器是0 5 3 0L容器 由优质厚壁的玻璃瓶或管瓶组成具有旋塞 负压状态气体的采样步骤 采样前用机械真空泵抽去瓶或管中的空气 瓶或管中压力降至60 100mmHg以下 关旋塞 称重 采样时经橡皮管将真空容器与采样装置连接 然后开旋塞 气体因负压被吸入容器 关旋塞 称重 两次称重差得到气体重量 1 1 3 4采样记录和采样报告 采样时应记录被采物料的状况和采样操作 如物料的名称 来源 编号 数量 包装情况 存放环境 采样部位 所采样品数和样品量 采样日期 采样者等 1 1 3 4采样记录和采样报告 1 2试样的制备 液态 气态 量小且易于混合 少涉及制备问题 试样制备主要指固态样品 固态样品又分为金属材料与非金属材料 破碎 过筛 混匀和缩分四个过程 1 2 1破碎 通过机械或人工的方法将大块的物料分散成一定细度的物料 破碎可分为粗碎 中碎 细碎和粉碎4个阶段 破碎工具 破碎机 辊式破碎机 球磨机 铁锤 研钵 普通与玛瑙 等 1 2 2过筛 物料在破碎过程中 每次磨碎后均需过筛 未通过筛孔的粗粒再磨碎 直至样品全部通过指定的筛子为止 易分解的试样过170目筛 难分解的试样过200目筛 旋振筛 1 2 3混合 混匀法通常有人工混匀 堆锥法 环锥法 掀角法 和机械混匀两种 1 2 4缩分 在不改变物料的平均组成的情况下 逐步缩小试样量的过程 分样器缩分法锥形四分法棋盘 正方形 缩分法 分样器下面的两侧有承接样槽 将样品倒入后 即从两侧流入两边的样槽内 把样品均匀地分成两份 其中的一份弃去 另一份再进一步磨碎 过筛和缩分 将混合均匀的样品堆成圆锥形 用铲子将锥顶压平成截锥体 通过截面圆心将锥体分成四等份 弃去任一相对两等份 重复操作 直至取用的物料量符合要求 将混匀的样品铺成正方形的均匀薄层 用直尺或特制的木格架划分成若干个小正方形 将每一定间隔内的小正方形中的样品全部取出 放在一起混合均匀 其余部分弃去或留作副样保管 缩分经验公式 缩分是必要的 但不是无限制的 要有严格的要求 理查 切乔特公式 也称缩分经验公式 Q Kda 教材P23 例1 2 学习掌握缩分次数的求解过程 例1 2有一矿样质量为2kg 已全部通过20目筛 求需要缩分出有代表性的样品最小质量 至多缩分多少次 K 0 2 过20目筛矿物最大粒直径d 0 84mm 求最小保留质量为Q Kd2 0 2 0 84 0 84 0 141kg缩分次数公式 Q 2nKd2缩分次数n lgQ采样 lgQ缩分 lg2 3 8 试样制备总结 对分析试样粒度的要求与试样分解的难易程度等因素有关 经最后缩分得到的试样一般为20 30g 可根据需要或少或多些 还需要在玛瑙研钵中充分研细 使样品最终全部通过170目 0 088mm 或200目 0 074mm 筛 例 黄铁矿和测定亚铁分析试样的制备将中碎后通过1 00mm筛的试样直接用棒磨细碎机细碎 如采用圆盘细碎机时 不能将磨盘调得太紧 以免磨盘发热引起试样在磨样过程中氧化变质 如磨样时间长 引起磨盘发烫时 必须将磨盘冷却后再继续加工 要求制备的分析试样最后粒度只需通过0 149mm 100目 筛 黄铁矿副样应装入玻璃瓶中蜡封保存 测定亚铁的分析试样不烘样 铬铁矿分析试样铬铁矿中FeO的测定样品 应粉碎到0 074mm 破碎铬矿时 应避免铁质混入 可用高强度锰钢磨盘或镶合金磨盘加工 然后分取少量试样用三