新型酸吸收装置的研制及试验

流星满天

2012/08/29

私聊

前处理综合讨论

新型酸吸收装置的研制及试验

引言

重金属指比重大于4或5的金属元素^[1]，广泛分布于大气、水体、土壤、生物体中，近年来重金属污染引起了人们的广泛关注，原因是重金属有隐蔽性、长期性和不可逆转性等特点，在饮食过程中极不容易被察觉，过量的重金属离子能对人体产生有害甚至致命的影响，因此，重金属的定量检测在土壤、环境、药物和食品检测等领域非常重要^[2-3]。在样品中重金属一般以化合态形式存在，因此在检测时需要对样品进行前处理，使重金属以离子状态存在于试样中才能进行客观准确的分析。一般的样品前处理方法有干法灰化、湿法消化和微波消化等。干法灰化虽能降低酸气污染，但消化周期长、耗电多、被测成分易挥发损失，引起测值偏低；坩埚材料有时对被测成分有吸留作用，致使回收率降低。湿法消化在消化过程中易产生大量的有害气体，存在爆炸的潜在危险；同时在消解过程中要消耗大量的酸既污染环境又造成对操作人员的身体危害。微波消化作为样品分析的新技术，由于具有消化样品能力强、速度快、消耗化学试剂少、金属元素不易挥发损失、污染小及空白值低等优势，但是称取样品量比较少，难以满足重金属含量很低的样品和重金属联合消化技术。^[4-7]

目前，实验室常用的理化检测技术很多，比如光谱法、色谱法、胶体金层析法等^[8]，多采用的精密仪器价格昂贵，分析测试周期较长，对环境要求比较苛刻，多在重点实验室和大型实验室配备使用，对人员技术要求较高，不适合基层或车载使用，所以在基层或车载多采用一仪多用的速测仪，从市场现状和文献资料可见，速测法和速测仪均有了比较成熟的发展，但是瓶颈问题是没有配套的前处理辅助设备，基层速测和筛选要求前处理辅助设备必须价格便宜、便携、安全、样品消化量大、消化周期短、环保无污染。本文研制的新型的酸吸收装置结合湿法消化技术完全可以满足以上要求，同时也能解决湿法消化过程中的不足之处。

1 结构设计与特点

本文拟采用的技术路线是：该新型酸吸收装置为全封闭空间，样品在湿法消化过程中产生的酸蒸汽，由新型酸吸收装置的导管导入冷凝腔内冷凝减压，冷凝后的酸溶液汇流于冷凝腔底，同时未冷凝的少量酸气，导入装有碱液的吸收腔，由碱液进行吸收，最后将净化过的尾气排到大气中。

新型酸吸收装置由大的玻璃冷凝腔和内嵌吸收腔及外部保护层、汉显液晶屏、压力温度传感器、电源线、球型磨口进气管等构成，若与电炉相连则可实现样品消化。泠凝腔和吸收腔采用钢化玻璃，上下盖板采用聚四氟乙烯，形成一个密闭的空间，作用是对样品消化过程中产生的酸蒸汽进行泠凝吸收，达到净化的目的。双腔外部保护层采用不锈钢材质，增强安全性。样品在消化过程中产生的大量高温酸蒸气通过球型磨口连接的进气管进入冷凝腔下部，酸蒸汽在冷凝腔内对流与泠凝腔内外壁接触，一定体积的冷凝腔使酸蒸气迅速冷凝成酸溶液并汇流在腔体底部，降低了腔体内的压力，在使用安全性能上大大提高；同时未冷凝的酸蒸汽由冷凝腔顶端的导气管导入吸收腔，吸收腔内装有碱液，对酸蒸汽进行酸碱中和反应，最后排放净化后的尾气。消化过程中的负压通过安装在冷凝腔的单向阀来调整压力平衡。结构设计图见图1。

特点主要有：①消化酸蒸汽零排放，消除对大气的污染，对操作人员的身体危害；②无需另设通风橱，减少实验室投资；③小型化、便携性设计，满足流动服务车和小型实验室样品前处理需求；④样品消化量大，可一次消化测试数种重金属或金属元素；⑤独特的耐酸、耐高温专利设计，万向连接、双腔吸收装置，操作简单，样品消化全过程有温度压力监控和计时系统。⑥新型酸吸收装置外围设计美观，液晶屏汉显，便于操作控制。

图1 新型酸吸收装置结构示意图

2 内部设计及工作原理

内部双腔结构设计。泠凝腔中设有温度传感器和压力传感器装置，在样品消化过程中做到温度压力监控；设有单向阀，起到调节腔体内负压平衡的作用。吸收腔中间位置设有孔板，酸蒸汽受孔板的阻挡被均化扩散增加与碱液接触的表面积，同时滞留在碱液中的时间也加长，大大增强酸碱中和反应效果；同时压力较高时，有利于整个消化过程中的压力缓冲与平衡。

工作原理：样品在高温条件下经混酸消化，消化过程中会产生大量红棕色、白色酸蒸汽，这些气体的主要成分是二氧化氮、一氧化氮、氯气、水和氧气，其中二氧化氮、一氧化氮和氯气对大气污染和人体危害很大。在样品消化过程中产生大量的酸蒸汽，这些气体通过进气管进入泠凝腔，大部分在泠凝腔中回旋泠凝，少部分没有被泠凝的气体在吸收腔中发生酸碱中和反应，酸蒸汽经过冷凝腔与吸收腔的净化处理，排放到大气中的气体主要是氧气，而泠凝腔、吸收腔的废液由底部放液阀处排出。

吸收腔中的主要化学反应有：

①4NO₂+O₂+4NaOH=4NaNO₃+2H₂O

②NO₂+2NaOH=2NaNO₃+NO+H₂O

③4NO+3O₂+4NaOH=4NaNO₃+2H₂O

④NO+NO₂+2NaOH=2NaNO₂+H₂O

⑤Cl₂+2NaOH=NaCl+NaClO+H₂O

2 软件设计

软件设计主要包括温度压力监控系统和时间，主要起到样品消化过程中温度压力监控、报警作用。软件运行示意图见图2。

温度传感器

压力传感器

LCD屏
监控系统

报警提示

图2 新型酸吸收装置软件运行示意图

3 试验与分析

3.1 压力

本试验通过充氮气测试新型酸吸收装置的自动平衡压力。首先向吸收腔装入800ml的碱液，然后从进气管对该新型酸吸收装置充氮气，至碱液从尾气出口溢出时记下压力表上的读数，压力为1.47×10³帕斯卡，即自动平衡压力为150mm水柱的压力。

本试验中测试出自动平衡压力为150mm水柱的压力，这是比较理想状态下的测试数据，在样品消化过程中则是一个相对稳定的动态平衡，瞬间温度急剧升高或酸蒸汽压力增大的现象是存在的，这种现象的产生主要与称样量（需要考虑样品含水量、蛋白质百分含量）、混酸用量和消化过程中的电炉功率等有关，称取样品的量越大、含水量越低、蛋白质百分含量越高、混酸用量越大和消化过程中的电炉功率越大，都会引起瞬间温度急剧升高或酸蒸汽压力增大。因此需要继续做样品模拟试验。

3.2 混酸量

本试验为样品模拟试验中混酸用量试验，样品为蛋白质含量为45%左右，含水量为7%的一级品腐竹，经过试验^[9]，同时消化四个样品时，每个消化瓶中的混酸量为≤60ml安全可行。混酸为一定比例的高氯酸、硫酸和盐酸。

3.3 称样量

本试验为样品模拟试验中称样量试验，经过试验^[9]，同时消化四个样品时，每个消化瓶中的称样量≤5.0g（以干物质计）安全可行。

3.4 温度

经过试验证明，新型酸吸收装置的冷凝腔温度≥90℃时，某些容易挥发的金属离子容易受到破坏，所以设定冷凝腔温度≥90℃自动报警提示。

3.4酸蒸汽吸收率

称取腐竹5.0g于消化瓶中，同时做四个样，三次重复性试验的酸蒸汽吸收率均值为99.8%；称取大米5.0g于消化瓶中，同时做四个样，三次重复性试验的酸蒸汽吸收率均值为99.9%。

4 结语

该新型酸吸收装置与微波消化、石墨炉消化等消化方法相比具有以下优点：首先，该新型酸吸收装置联接灵活、安全可靠、操作方便，酸蒸气的冷凝吸收率达到99%以上，适用于车载、基层实验室和一切常规实验室的样品消化或重金属的联合消化。其次，样品前处理时间短，样品消化时间一般可控制在40分钟左右，大大节省了消化时间；第三，消化过程中的酸蒸汽经过新型酸吸收装置后被有效吸收，避免了有毒有害气体对实验人员的身体伤害，解决了有毒有害气体直接排放对大气的污染和环境的破坏，无需借助通风设备，可实现实验室室内作业。

参考文献

[1]杨一刚.食品中重金属元素检测方法的研究.科技情报开发与经济.2008,18(31):217-218.

[2]王明静.简析食物和饮用水中重金属的危害及检测方法[J].食品安全导刊,2011,1:54-55.

[3]仇江海，周彤等.便携式重金属残留测量仪的研制[J].中国计量，2010，7:68-69.

[4]吕彩云.重金属检测方法研究综述[J].资源开发与市场，2008,24（10）：887-898.

[5]叶毓琼，黄仕元.中药材中微量元素分析的样品前处理方法研究[J].分析实验室，1993,12（5）：70-72.

[6]齐文启,汪志国等.土壤污染分析中样品采集与前处理方法探讨[J].现代科学仪器.2007 4:55-58.

[7]李洪仁,赵军.分析化学样品前处理方法讨论. 沈阳教育学院学报.1999,1(2):100-102.

[8]马孝斌、李杰超.食品安全理化检测技术概述[J].食品安全导刊，2008,2：42-43.

[9]操作方法.YN-HX型便携环保消化仪说明书：2-4.