2023-03-23
炭(tan)黑(hei)(hei)(hei)是由(you)煤(mei)或乙烯裂解焦油(you)(you)等重質石油(you)(you)產(chan)(chan)品或植物(wu)油(you)(you)在(zai)不完全燃燒(shao)的(de)(de)情(qing)況下所產(chan)(chan)生的(de)(de)副產(chan)(chan)物(wu)。炭(tan)黑(hei)(hei)(hei)被(bei)廣泛用作(zuo)(zuo)柴油(you)(you)氧(yang)化實驗中碳煙的(de)(de)模型化合物(wu)。炭(tan)黑(hei)(hei)(hei)在(zai)輪胎和其他(ta)橡膠制品中被(bei)用作(zuo)(zuo)補強(qiang)劑。另外(wai)在(zai)塑料、油(you)(you)漆和油(you)(you)墨中，炭(tan)黑(hei)(hei)(hei)被(bei)用作(zuo)(zuo)顏料。
在炭(tan)黑(hei)的典型生產(chan)過(guo)程中，質量(liang)(liang)(liang)控制環(huan)節需要(yao)定期監測(ce)和(he)測(ce)試(shi)元(yuan)素含(han)量(liang)(liang)(liang)，特別是碳含(han)量(liang)(liang)(liang)。總碳含(han)量(liang)(liang)(liang)用于(yu)(yu)計算二(er)氧化碳排放(fang)量(liang)(liang)(liang)，它也可用于(yu)(yu)估計產(chan)量(liang)(liang)(liang)。根據 ASTM D5373-煤和(he)焦(jiao)炭(tan)樣(yang)品中碳、氮(dan)和(he)氫元(yuan)素的測(ce)定方法(fa)，可以通過(guo)燃燒分析法(fa)進(jin)行測(ce)試(shi)。
隨著(zhu)對提(ti)高樣(yang)品(pin)通量和降低運營成(cheng)本的需求增加，一個自動化的、可實現快(kuai)速(su)分(fen)(fen)析并(bing)具有(you)出色重現性的元素分(fen)(fen)析技(ji)術是高效分(fen)(fen)析的關鍵。
賽默飛世爾科技™ FlashSmart ™ 元素分析儀（圖1）采用動態瞬燒技術（改進杜馬斯燃燒法），能夠快速定量測定高濃度元素，無需樣品消解，在分析時間和自動化方面顯著優于傳統方法。FlashSmart 元素分析儀在單次分析運行中可以同步進行CHNS測定，并且在隨后的實驗中可以通過樣品熱裂解進行氧元素測定。根據獲得的CHNS/O數據，賽默飛世爾科技™的EagerSmart ™數據處理軟件可(ke)以(yi)(yi)計算熱值(zhi)GHV和(he)NHV（粗熱值(zhi)和(he)凈(jing)熱值(zhi)，單位均以(yi)(yi)kcal/kg表示）和(he)二氧(yang)化碳排放量。
圖1. FlashSmart 元素分析儀
方(fang)法
對于CHNS測定，FlashSmart 元素分析使用(yong)動態瞬燒閃點技術進(jin)行(xing)樣(yang)品(pin)分析。樣(yang)品(pin)在錫(xi)膠囊(nang)中稱重，并(bing)通過賽默飛世(shi)爾MAS™ Plus自動進(jin)樣(yang)器與氧(yang)氣(qi)一起引入燃燒反(fan)應管(guan)。在樣(yang)品(pin)燃燒后(hou)(hou)，氣(qi)體產物被氦氣(qi)輸(shu)送(song)經過高溫銅(tong)進(jin)行(xing)還(huan)原，然(ran)后(hou)(hou)通過GC柱分離燃燒氣(qi)體，最后(hou)(hou)由(you)熱(re)導檢(jian)測(ce)器（TCD）檢(jian)測(ce)。總運行(xing)時間小于10分鐘（圖(tu)2）。
圖2. CHNS/O 配置
對于氧元素測(ce)定(ding)，系(xi)統以(yi)熱(re)裂解(jie)模(mo)式(shi)運行。樣(yang)品稱量在銀膠囊(nang)中，并通(tong)過MAS Plus自動進樣(yang)器(qi)引入熱(re)裂解(jie)管(guan)。反(fan)應(ying)管(guan)填充有鍍鎳碳(tan)粉，溫度為1060°C。當樣(yang)品中的(de)氧與反(fan)應(ying)管(guan)中的(de)碳(tan)結合時，會形(xing)成一(yi)氧化碳(tan)，然(ran)后通(tong)過色(se)譜柱與其(qi)他產物(wu)分離，并由TCD檢測(ce)器(qi)檢測(ce)（圖(tu)2）。通(tong)過EagerSmart 數據(ju)處理(li)軟(ruan)件可以生(sheng)成(cheng)報告。
結果
測(ce)試(shi)根據ASTM D5373方法對不同元(yuan)素(su)含量的(de)不同類型的(de)炭黑樣品進(jin)行分析(xi)以證明系統性能，并(bing)展示測(ce)試(shi)重復(fu)性。
為了驗證高(gao)含碳(tan)樣品的完(wan)全燃燒，我(wo)們測(ce)試(shi)(shi)了介(jie)孔碳(tan)標準(zhun)物質以評估碳(tan)測(ce)定(ding)。儀(yi)(yi)器校(xiao)準(zhun)使用2~3mg BBOT*標準(zhun)品，并且(qie)使用了K因子校(xiao)準(zhun)模式。儀(yi)(yi)器配置為CHNS/O。樣品的稱(cheng)量重量為約2mg。表1為測(ce)試(shi)(shi)數據，重復性(xing)(xing)和平均(jun)值都在(zai)預期值范圍內，表明樣品完(wan)全氧化。之后又測(ce)試(shi)(shi)了三個樣品以驗證碳(tan)含量測(ce)定(ding)的重復性(xing)(xing)。
*BBOT：2,5-雙(5-叔丁基(ji)-2-苯(ben)并(bing)惡唑基(ji))噻吩
表1. 碳含量測定
表2展示(shi)了(le)測定炭(tan)黑樣品CHNS的重復性。元素分析儀使用2~3 mg的BBOT標準(zhun)品并(bing)通過K因(yin)子(zi)校(xiao)準(zhun)方法進(jin)行校(xiao)準(zhun)，同時(shi)樣品稱重為2~2.5 mg。
表3展示了測定另一些炭黑樣品CHNS的重復性。表4展示了氧元素檢測數據和由 EagerSmart 數據處理 軟件自動計算的熱值GHV和 NHV（粗熱值和凈熱值，均以kcal/kg表示）以及CO2排放量。
表2. 炭黑樣品的CHNS數據
表3. 炭黑樣品的CHNS數據
表4. 炭黑樣品的氧元素數據、熱值和CO2值
對于CHNS測(ce)試，炭黑樣(yang)品(pin)在兩個分析序(xu)列(lie)中進(jin)行。在每個序(xu)列(lie)中，樣(yang)品(pin)進(jin)行一式(shi)兩份的(de)(de)(de)重復測(ce)試，顯示的(de)(de)(de)統(tong)計數據(ju)是四次測(ce)定的(de)(de)(de)平均值(zhi)。儀器使用2~3 mg的(de)(de)(de)BBOT標準(zhun)(zhun)品(pin)進(jin)行校(xiao)準(zhun)(zhun)，使用K因子作為校(xiao)準(zhun)(zhun)方法，同時樣(yang)品(pin)稱重為2~2.5 mg。對于氧(yang)測(ce)定，使用K因子校(xiao)準(zhun)(zhun)分析，1~2 mg的(de)(de)(de)BBOT作為標準(zhun)(zhun)品(pin)，而樣(yang)品(pin)重量為1~2 mg。
通過將獲得的CHN數據的重復性與ASTM D 5373要求進行比較，可以評估 FlashSmart EA的性能（表5）。重復性限(xian)值（r）是單個人(ren)或儀器于短時間內在(zai)相同條件(jian)下對同一(yi)樣品(pin)進行重復測量(liang)的差異(yi)。
表5. ASTM D 5373 認可(ke)的(de)濃度范圍和重復性(xing)限值
FlashSmart 元素分析儀用于CHN測定的準確(que)性通過表3所示(shi)的結果(guo)評(ping)估(gu)。表6顯(xian)示(shi)了每個分析序列的數據之間(jian)的計(ji)算差(cha)異。差(cha)異小于官方(fang)方(fang)法中指示(shi)的重復性限(xian)值，這意(yi)味著(zhu)樣品(pin)的均質性良好以及完全燃燒。
表6. 按照 ASTM D 5373要求的炭黑樣品的CHN數據
結(jie)論
對于炭黑的CHNS/O測定，賽默飛世爾科技FlashSmart 元素(su)分(fen)析儀可提供準(zhun)確的數據。
數據是根(gen)據ASTM D5373方(fang)法測試獲得的。在連續測試樣品(pin)時沒有觀察到基質(zhi)效(xiao)應(ying)，表明樣品(pin)完全燃燒。
FlashSmart 元(yuan)素(su)分(fen)析(xi)儀(yi)能夠在單次運行(xing)中執行(xing)CHNS測(ce)定。氧(yang)元(yuan)素(su)可以在同一臺分(fen)析(xi)儀(yi)上執行(xing)測(ce)定，無(wu)需額外的模塊或(huo)硬件更(geng)改。
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