Эмиссионный спектральный анализ на базе двухструйного плазматрона

УДК: 543.423(575.2)(04)

Эмиссионный спектральный анализ

на базе двухструйного плазматрона

, К. Урманбетов, ,

Экологические исследования, как правило, требуют выполнения массовых анализов на токсичные тяжелые металлы почв, растительности, техногенных растворов, подземных и поверхностных вод и других объектов окружающей среды. При этом применяемые методы должны обеспечить низкие пределы обнаружения токсичных элементов, которые должны быть ниже предельно-допустимых концентраций (ПДК) для определяемых токсичных ингредиентов.

Кроме указанных специфических, в случае спектрального анализа, существуют другие общие требования. К ним относятся: слабое матричное влияние на результаты анализа, отсутствие взаимного влияния элементов содержащихся в анализируемой пробе, а также ее минералогического состава.

Перед нами была поставлена задача – разработать для массовых анализов методики спектрального определения токсичных металлов в промышленных отходах Кара-Балтинского горнорудного комбината, природных водах и почвах, удовлетворяющие указанным выше требованиям. В связи с этим мы решили адаптировать к задачам проекта Международного научно-технического центра (МНТЦ) # КR-072 эмиссионный спектральный анализ с возбуждением спектров порошков и жидкостей на основе высокостабильного, обладающего достаточно высокой электрической мощностью, двухструйного плазматрона, разработанного в лаборатории атомной спектроскопии Института физики Национальной академии наук Кыргызской Республики [1-3].

Основные достоинства предложенной и осуществленной нами установки для спектральных анализов объектов окружающей среды и других проб вытекают из ряда позитивных свойств двухструйного плазматрона [4,5].

Двухструйный плазматрон состоит из двух расположенных под углом электродных головок. Каждая головка имеет электрод (медный анод, вольфрамовый катод) и идентичное сопло из трех электрически изолированных медных диафрагм. В электродные камеры подается защитный газ (аргон), между диафрагмами – плазмообразующий газ (воздух, аргон, водород и др.). Аргоновая среда гарантирует малое загрязнение плазмы парами вольфрама (~10-4%). При I=100A и V=150B, эрозия медного анода отсутствует. Анод выполнен в виде цилиндра, катод в виде стержня. Анод имеет резьбовое соединение с медной цангой и поджат к ней пружинкой. Катод периодически выдвигается из цанги в процессе эксплуатации плазматрона, что позволяет повысить продолжительность непрерывной работы установки. Отвод тепла с головок плазматрона производится водой по замкнутой системе. Охлаждение теплоносителя водяное.

Электрическое питание двухструйного плазматрона в установке осуществляется от выпрямителей, дающих ток 50-200 А с напряжением 300 В. Плазматрон к выпрямителям подключается без балластных сопротивлений. Для него характерен малый шум при работе, сопоставимый с шумом вспомогательной аппаратуры.

Зажигание электрической дуги между двумя фиксированными электродными головками осуществляется автоматически, с помощью специального пускового электронного устройства. Плазменный общий поток образуется при слиянии двух

индивидуальных плазменных струй, генерируемых электродными головками (рис.1).

Рис.1. Общий вид потока плазмы двухструйного плазматрона.

Электрический ток от одного электрода к другому течет по струям плазмы. Плазма, генерируемая плазматроном, обладает высокой пространственной стабильностью и высокой температурой (~8.103 К) (рис.2), а также большим объемом (диаметр струи ~10 мм длина ~50 мм) [4].

Рис.2. Поле температур плазмы.

Анализируемые вещества в виде тонкой струи аэровзвеси (если порошковая проба) или аэрозоля (если жидкость) вводятся между струями плазмы, минуя электродные узлы, при помощи дозатора [7] и концентрического распылителя, в значительной степени гарантируя высокую чистоту анализа. Высокая стабильность плазменных электродных струй и их магнитное взаимодействие способствуют возникновению эффекта инжекции, что существенно облегчает ввод в высокотемпературную ламинарную зону потока плазмы даже субдисперсных материалов. Регулирование параметров плазматрона позволяет устанавливать как ламинарный так и турбулентный режим течения потока плазмы.

Одним из существенных особенностей установки является большая протяженность потока плазмы, что позволяет выбирать наиболее благоприятный участок струи для конкретного элемента и его линий при спектральном анализе веществ сложного состава [5,6].

Высокая температура и малая скорость плазмы в аналитической зоне потока способствуют интенсивному термическому воздействию на вводимые мелкодисперсные материалы и обеспечивают полноту испарения пробы, что повышает чувствительность установки и точность анализа.

Преимущества описываемой установки для спектрального анализа получили широкую проверку и подтверждение в ходе наших работ по указанному выше проекту при анализе подземных и поверхностных вод, технологических растворов хвостохранилища, почв, растений и других объектов.

Установка созданная на базе двухструйного плазматрона, в ходе ее эксплуатации совершенствовалась. В частности, при выполнении проекта КR-072, с учетом специфики анализируемых материалов и решаемых задач, сделано следующее.

1. Разработана и реализована схема одновременной регистрации спектров одной и той же пробы на двух спектрографах, что повышает достоверность и точность анализа.

2. Для равномерной подачи различных порошковых материалов, различающихся по физическим свойствам, увеличен внутренний диаметр транспортирующей трубки от 1 мм до 1,2 мм в дозаторе [6]. В этом случае дозатор позволяет анализировать любой порошок крупностью меньше 10 мкм, смешанный с графитовым порошком в соотношении 1:1.

3. Для проведения анализов жидких проб, сильно отличающихся по солевому составу, удлинены концентрические распылители и улучшена центровка капилляра относительно сопла, так как у этих распылителей эффективность генерации аэрозолей зависит в основном от точности центровки капилляра и их размеров. Центровка капилляра в сопле осуществляется с помощью проволочной спирали, прилегающей наружным диаметром к стенкам камеры, а внутренним диаметром к стенкам капилляра. Между стенками камеры, капилляра и поверхностью спирали зазоры отсутствуют.

Для иллюстрации возможностей указанной спектральной установки на базе двухструйного плазматрона ниже приведены пределы обнаружения основных элементов-токсинов в порошковых и жидких пробах при обычном спектральном анализе – с использованием электрической дуги и при использовании двухструйного плазматрона.

Таблица 1

Элементы и спектральные линии, НМ		Угольная дуга	ПДК в почвах
Cr I	302,2	0,07	1	6
Co I	345,4	0,02	1	5
Mn II	294,9	0,02	0,1	1500
Mo I	317,0	0,1	1	10
Ni I	341,5	0,03	1	12
Pb I	283,3	0,8	5	31
Th II	310,3	2	100	10
Sb I	259.8	2	100	4,5

Таблица 2

Предел обнаружения основных элементов-токсинов при анализе жидких проб, мг/л

Элементы и спектральные линии, НМ	Двухструйный плазматрон
Co I	304,0	0,005	0,25	0,1
Cr II	283,5	0,004	0,12	0,05
Mn I	280,1	0,001	0,052	0,1
Mo I	317,0	0,01	0,08	0,25
Ni I	305,0	0,005	0,015	0,1
Pb I	283,3	0,01	0,1	0,03
Zn I	3	1	10	5
Fe II	259,9	0,1	0,3	0,3

Приведенные в таблицах 1 и 2 данные показывают, что эмиссионный спектральный анализ на базе двухструйного плазматрона обеспечивает низкий предел обнаружения, вполне достаточный для экологических целей.

1. , Энгельшт плазматрон.- Фрунзе: Илим, 198с.

2. , Жеенбаев плазматрон для спектрального анализа. //Заводская лаборатория.- 197№ 2.- С.174-176.

3. , и др. Плазменная установка для спектрального анализа и перспективы ее использования. III региональная конференция «Аналитика сибири-90». Тез. докл. – ч.1 //Методы анализа. - Иркутск, 1990 – С. 51-52.

4. , , Энгельшт потока плазмы двухструйного плазматрона. Фрунзе: Илим, 198с.

5. , Исследование потока плазмы двухструйного плазматрона. Фрунзе: Илим, 1985.-36 с.

6. , , и др. Использование двухструйного плазматрона для спектрального анализа геологических проб сложного состава //Методы спектрального анализа минерального сырья.- М.: Наука, 1984.- С. 23-25.

7. Жеенбаев для подачи порошковых проб в плазму дуги. 1986. А. с. СССР № 000.