Химический состав золы углей играет ключевую роль в их промышленном использовании. От него зависят плавкость золы, технология сжигания, образование шлаков и зольных уносов, а также способы утилизации отходов. Основными макроэлементами, входящими в состав золы, являются кремний, алюминий, железо, кальций, магний, сера, натрий, калий, титан, фосфор и марганец.
В настоящее время для анализа золы углей применяются три стандартизированных метода:
- Классические химические методы (ГОСТ 10538-87).
- Рентгенофлуоресцентная спектрометрия (ГОСТ Р 55879-2013, ISO/TS 13605:2012).
- Атомно-эмиссионная спектрометрия с индуктивно связанной плазмой (ГОСТ Р 54237-2010, ASTM D6349-2008).
Каждый из этих методов имеет свои особенности, точность и ограничения.
Классические химические методы (ГОСТ 10538-87)
Этот метод основан на традиционных подходах аналитической химии и считается наиболее надежным. Он используется как арбитражный при возникновении разногласий.
Основные этапы анализа:
- Озоление пробы угля.
- Разложение золы сплавлением с карбонатом натрия или обработкой кислотами.
- Гравиметрическое определение диоксида кремния (SiO₂).
- Комплексонометрическое титрование для Fe₂O₃, Al₂O₃, CaO, MgO.
- Фотоколориметрия для TiO₂, P₂O₅, Mn₃O₄.
- Пламенно-фотометрический метод для Na₂O и K₂O.
Преимущества:
- Высокая точность и воспроизводимость.
- Независимость от калибровки приборов.
Недостатки:
- Трудоемкость и длительность процесса.
Рентгенофлуоресцентная спектрометрия (РФА)
Метод основан на измерении интенсивности характеристического излучения элементов в пробе после воздействия рентгеновских лучей.
Особенности метода:
- Требуется подготовка пробы в виде стекловидного диска (сплавление с боратом лития).
- Быстрота и возможность одновременного определения нескольких элементов.
- Зависимость от калибровки прибора и наличия стандартных образцов.
Ограничения:
- Менее точные результаты для легких элементов (натрий, магний).
- Необходимость учета матричных эффектов.
Атомно-эмиссионная спектрометрия с индуктивно связанной плазмой (ИСП-АЭС)
Метод основан на возбуждении атомов элементов в высокотемпературной плазме и регистрации их излучения.
Преимущества:
- Высокая чувствительность и широкий диапазон определяемых элементов.
- Возможность анализа микроэлементов.
Недостатки:
- Требуется тщательная калибровка.
- Не все элементы (например, кремний и сера) могут определяться одновременно.
Сравнение точности методов
В таблицах 2 и 3 (из исходной статьи) приведены данные по прецизионности методов.
Основные выводы:
- Классический метод дает наиболее точные и воспроизводимые результаты.
- Спектральные методы (РФА и ИСП-АЭС) имеют более узкие диапазоны определения и требуют калибровки.
- Наибольшие расхождения с классическим методом наблюдаются у рентгенофлуоресцентного анализа.
Практические испытания
Для сравнения методов были проанализированы четыре пробы угля (Таблица 4). Результаты (Таблицы 5-7) показали:
- Данные РФА и ИСП-АЭС отличаются от классического метода.
- Наибольшие отклонения – в содержании Na₂O, MgO, Al₂O₃.
- Причины расхождений – особенности калибровки и матричные эффекты.
Спектральные методы (РФА и ИСП-АЭС) обладают высокой скоростью и возможностью многокомпонентного анализа, но требуют тщательной калибровки и использования стандартных образцов. В условиях отсутствия таких образцов их применение может привести к значительным погрешностям, особенно при расчете индекса основности золы.
Классический химический метод остается эталонным, особенно в арбитражных случаях. Для повышения точности спектральных методов необходимо расширение ассортимента стандартных образцов, охватывающих различные типы углей и продуктов их переработки.
