eng
Выпуск #1/2013
И.Антипенко, Ю.Иванов
Подготовка проб сварочных аэрозолей для вольтамперометрического анализа
Подготовка проб сварочных аэрозолей для вольтамперометрического анализа
Просмотры: 3213
Предложен способ подготовки проб сварочных
аэрозолей для определения марганца
на вольтамперометрическом анализаторе ТА-07.
аэрозолей для определения марганца
на вольтамперометрическом анализаторе ТА-07.
Теги: manganese voltammetric analyzer welding fume вольтамперометрический анализатор марганец сварочные аэрозоли
Исследование воздуха с целью выявления содержания в нем токсичных примесей – одна из важных и сложных задач аналитической химии. На особом месте стоит определение токсичных примесей в сварочных аэрозолях, так как во время сварки здоровье рабочего-сварщика непосредственно подвергается опасности. Сложность же заключается в том, что сварочный аэрозоль, в частности, от электросварки, образуется от воздействия дугового электроразряда на свариваемый металл и электрод. При этом температура может достигать 5000°. Металл при этой температуре переходит в газовую фазу, затем конденсируется при охлаждении в воздухе, образуя тончайшую пыль. Кроме металла в воздух летит также материал флюса, состоящий из окислов железа и марганца, кремнезема и большого количества ферромарганца. Все эти материалы, испаряясь под воздействием высокой температуры дуги, при охлаждении конденсируются и впоследствии образуют с металлом прочные соединения. Именно эти соединения составляют твердую часть аэрозоля. По данным современных физико-химических исследований, таких как рентгеноструктурный, спектральный и другие, твердая составляющая сварочных аэрозолей представляет собой сложную смесь металлов, простых и сложных оксидов металлов и шпинелей: MnFe2O4, CaFe2O4, (Fe,Mn)OFe2O3, К2Сr2О7, Na2Cr2O7, Fе3O4; фторидов: NaF, KF, K3FeF6, K2SiF6, CaF2; силикатов: СаSiO3,-Si-О-Si-О-Si-, Fe2[SiO4], Мn2[SiO4] и др.
Марганец содержится в материале флюса, а также распространен в качестве присадки во многих сплавах. Соединения марганца токсичны, поражают центральную нервную систему. Вдыхание пыли из соединений марганца в течение 1–3 лет может привести к хроническим отравлениям. ПДК (в пересчете на марганец) для марганца как аэрозоля конденсации составляет 0,03 мг/м3, как аэрозоля дезинтеграции – 0,2 мг/м3. Поэтому контроль содержания марганца – важный элемент в определении общей токсичности рабочей зоны сварщиков. Это отмечено в порядке проведения аттестации рабочих мест по условиям труда, документ утвержден приказом Минздравсоцразвития РФ от 26.04.2011 №342н.
В настоящее время пробы сварочных аэрозолей на содержание марганца исследуют в лабораторных условиях с применением дорогостоящего оборудования. Подготовка проб и сам химический анализ – сложная процедура. Марганец определяют с помощью фотометрического, полярографического, атомно-абсорбционного методов анализа.
Для определения марганца фотометрическим методом фильтр с отобранной пробой помещают на чистый обеззоленный фильтр "синяя лента", вложенный в воронку, смачивают этиловым спиртом (0,2–0,3 см3) и обрабатывают 10 см3 теплой (40–50°С) воды. Затем пробу помещают в фарфоровый тигель, подсушивают на воздухе и ставят в холодную муфельную печь, постепенно повышая температуру до 750–800°С. После озоления фильтров тигель вынимают из муфельной печи, остаток после охлаждения тщательно смешивают и растирают лопаточкой с 0,5–1,0 г плавня. Далее тигель помещают в охлажденный до 350–400°С муфель, снова повышают температуру до 800–850°С и оставляют в нем тигель на 25–30 мин до полного сплавления смеси. После охлаждения тигля сплав обрабатывают 25 см3 раствора серной кислоты под тягой до полного растворения. Если материал тигля не очень качественный, то в анализируемом растворе появляется взвесь, которая препятствует определению марганца, и пробу воздуха приходится отбирать заново. Кроме того, методика усложняется необходимостью использования муфельной печи, которая громоздка и инерционна.
Способ пробоподготовки для атомно-абсорбционной спектрофотометрии проще, но при этом используется взрывоопасная хлорная кислота. Кроме того, атомно-абсорбционный спектрофотометр слишком дорогой и мало применим в полевых условиях. Таким образом, практически исключается возможность исследования проб сварочных аэрозолей воздуха на рабочих местах сварщиков. А это особенно актуально для предприятий, находящихся в удалении от лабораторий.
Мы предлагаем исключить термическую подготовку проб, заменив ее простой экстракцией с плавиковой кислотой с непосредственным определением марганца на месте. Для анализа выбран вольтамперометрический метод с применением углеродистых электродов. Выбор метода инверсионной вольтамперометрии обусловлен простым исполнением прибора для измерения при высокой чувствительности. От аналитика не требуется высокой квалификации, нет особых требований к помещению. Анализ проводили на вольтамперометрическом анализаторе ТА-07. Он мобилен и может работать на столе без применения вытяжной вентиляции.
Для анализа требуется минимальный набор реактивов в малых количествах. В качестве рабочих электродов предложено использовать углеродистые электроды, как в методике МУ 08-47/293, поскольку они не требуют специальной сложной подготовки и просты в применении. Они выгодно отличаются от применяемых ранее ртутно-пленочных и ртутно-капающих электродов.
Эксперимент проводили с использованием реальных проб сварочных аэрозолей, отобранных с мест работы сварщиков в объеме прокачиваемого воздуха не менее 200 л через фильтры АФА-ХП. Фильтр с собранным аэрозолем разделяли на две части. Одну часть готовили, как описано в МУ 4945, т.е. классическим методом с образованием плавня. Вторую часть помещали в пластиковую мерную пробирку и добавляли туда 1 см3 концентрированной соляной кислоты и 1 см3 концентрированной плавиковой кислоты. Полученную смесь отстаивали 24 ч, после чего разбавляли до 10 см3 бидистиллированной водой. В результате получился прозрачный раствор с небольшим количеством осадка красного цвета на дне пробирки, из которого бралась аликвота 0,05 см3.
Условия эксперимента
Метод анализа инверсионная вольт-
амперометрия на
анализаторе ТА-07
Электрод углеродистый
Методика определения марганца МУ 08-47/293
Фоновый электролит 0,1 см3 раствора окса-
лата аммония концентрации 1 моль/дм3, 0,02 см3 концентрированного раствора аммиака
Параметры съемки вольтамперограмм:
накопление 0,7 В (10 с)
форма развертки квадартно-волновая
начало развертки потенциала 0,850 В
конец развертки 0,850 В
скорость развертки 100 мВ/с
амплитуда импульса 50 мВ
частота 25 Гц
Концентрацию определяли методом добавок. Также ставился холостой опыт для оценки количества примеси вносимой за счёт подготовки пробы.
В результате измерений получили воспроизводимые пики марганца, которые растут от добавки. На рис.1 и 2 изображены вольтамперограммы фона, пробы и добавки. Сначала снимали вольтамперограмму фонового электролита, после этого в раствор добавили аликвоту пробы, сняли вольтамперограмму пробы, затем на основании величины аналитического сигнала в пробе добавили исследуемое вещество известной концентрации, затем сняли третью вольтамперограмму. В таблице представлены результаты измерения концентрации марганца в сварочном аэрозоле. Из таблицы видно, что метод извлечения марганца плавиковой кислотой не уступает методу сжигания с образованием плавня.
Таким образом, предложен метод анализа сварочного аэрозоля на содержание марганца анализатором ТА-07 с использованием в пробоподготовке смеси соляной и плавиковой кислот. Получена хорошая корреляция результатов упрощенного и классического способов подготовки пробы. Упрощенная методика определения марганца в сварочных аэрозолях сейчас находится на стадии аттестации.
Марганец содержится в материале флюса, а также распространен в качестве присадки во многих сплавах. Соединения марганца токсичны, поражают центральную нервную систему. Вдыхание пыли из соединений марганца в течение 1–3 лет может привести к хроническим отравлениям. ПДК (в пересчете на марганец) для марганца как аэрозоля конденсации составляет 0,03 мг/м3, как аэрозоля дезинтеграции – 0,2 мг/м3. Поэтому контроль содержания марганца – важный элемент в определении общей токсичности рабочей зоны сварщиков. Это отмечено в порядке проведения аттестации рабочих мест по условиям труда, документ утвержден приказом Минздравсоцразвития РФ от 26.04.2011 №342н.
В настоящее время пробы сварочных аэрозолей на содержание марганца исследуют в лабораторных условиях с применением дорогостоящего оборудования. Подготовка проб и сам химический анализ – сложная процедура. Марганец определяют с помощью фотометрического, полярографического, атомно-абсорбционного методов анализа.
Для определения марганца фотометрическим методом фильтр с отобранной пробой помещают на чистый обеззоленный фильтр "синяя лента", вложенный в воронку, смачивают этиловым спиртом (0,2–0,3 см3) и обрабатывают 10 см3 теплой (40–50°С) воды. Затем пробу помещают в фарфоровый тигель, подсушивают на воздухе и ставят в холодную муфельную печь, постепенно повышая температуру до 750–800°С. После озоления фильтров тигель вынимают из муфельной печи, остаток после охлаждения тщательно смешивают и растирают лопаточкой с 0,5–1,0 г плавня. Далее тигель помещают в охлажденный до 350–400°С муфель, снова повышают температуру до 800–850°С и оставляют в нем тигель на 25–30 мин до полного сплавления смеси. После охлаждения тигля сплав обрабатывают 25 см3 раствора серной кислоты под тягой до полного растворения. Если материал тигля не очень качественный, то в анализируемом растворе появляется взвесь, которая препятствует определению марганца, и пробу воздуха приходится отбирать заново. Кроме того, методика усложняется необходимостью использования муфельной печи, которая громоздка и инерционна.
Способ пробоподготовки для атомно-абсорбционной спектрофотометрии проще, но при этом используется взрывоопасная хлорная кислота. Кроме того, атомно-абсорбционный спектрофотометр слишком дорогой и мало применим в полевых условиях. Таким образом, практически исключается возможность исследования проб сварочных аэрозолей воздуха на рабочих местах сварщиков. А это особенно актуально для предприятий, находящихся в удалении от лабораторий.
Мы предлагаем исключить термическую подготовку проб, заменив ее простой экстракцией с плавиковой кислотой с непосредственным определением марганца на месте. Для анализа выбран вольтамперометрический метод с применением углеродистых электродов. Выбор метода инверсионной вольтамперометрии обусловлен простым исполнением прибора для измерения при высокой чувствительности. От аналитика не требуется высокой квалификации, нет особых требований к помещению. Анализ проводили на вольтамперометрическом анализаторе ТА-07. Он мобилен и может работать на столе без применения вытяжной вентиляции.
Для анализа требуется минимальный набор реактивов в малых количествах. В качестве рабочих электродов предложено использовать углеродистые электроды, как в методике МУ 08-47/293, поскольку они не требуют специальной сложной подготовки и просты в применении. Они выгодно отличаются от применяемых ранее ртутно-пленочных и ртутно-капающих электродов.
Эксперимент проводили с использованием реальных проб сварочных аэрозолей, отобранных с мест работы сварщиков в объеме прокачиваемого воздуха не менее 200 л через фильтры АФА-ХП. Фильтр с собранным аэрозолем разделяли на две части. Одну часть готовили, как описано в МУ 4945, т.е. классическим методом с образованием плавня. Вторую часть помещали в пластиковую мерную пробирку и добавляли туда 1 см3 концентрированной соляной кислоты и 1 см3 концентрированной плавиковой кислоты. Полученную смесь отстаивали 24 ч, после чего разбавляли до 10 см3 бидистиллированной водой. В результате получился прозрачный раствор с небольшим количеством осадка красного цвета на дне пробирки, из которого бралась аликвота 0,05 см3.
Условия эксперимента
Метод анализа инверсионная вольт-
амперометрия на
анализаторе ТА-07
Электрод углеродистый
Методика определения марганца МУ 08-47/293
Фоновый электролит 0,1 см3 раствора окса-
лата аммония концентрации 1 моль/дм3, 0,02 см3 концентрированного раствора аммиака
Параметры съемки вольтамперограмм:
накопление 0,7 В (10 с)
форма развертки квадартно-волновая
начало развертки потенциала 0,850 В
конец развертки 0,850 В
скорость развертки 100 мВ/с
амплитуда импульса 50 мВ
частота 25 Гц
Концентрацию определяли методом добавок. Также ставился холостой опыт для оценки количества примеси вносимой за счёт подготовки пробы.
В результате измерений получили воспроизводимые пики марганца, которые растут от добавки. На рис.1 и 2 изображены вольтамперограммы фона, пробы и добавки. Сначала снимали вольтамперограмму фонового электролита, после этого в раствор добавили аликвоту пробы, сняли вольтамперограмму пробы, затем на основании величины аналитического сигнала в пробе добавили исследуемое вещество известной концентрации, затем сняли третью вольтамперограмму. В таблице представлены результаты измерения концентрации марганца в сварочном аэрозоле. Из таблицы видно, что метод извлечения марганца плавиковой кислотой не уступает методу сжигания с образованием плавня.
Таким образом, предложен метод анализа сварочного аэрозоля на содержание марганца анализатором ТА-07 с использованием в пробоподготовке смеси соляной и плавиковой кислот. Получена хорошая корреляция результатов упрощенного и классического способов подготовки пробы. Упрощенная методика определения марганца в сварочных аэрозолях сейчас находится на стадии аттестации.
Отзывы читателей
