Разработка унифицированной методики анализа Fe-Co-Ni-O-катализаторов на элементы Fe, Co, Ni, Al, Mg методом АЭС-ИСП - Дипломная работа

В задачи аналитической лаборатории института катализа входит ведение аналитического контроля различными методами для всех лабораторий института, занимающихся созданием и изучением новых катализаторов. Группа, в которой делалась данная работа, называется группой химического спектрального анализа. Задача разработки методики анализа Fe-Co-Ni-катализатора, нанесенного на Al2O3 и MGO, на содержание активных компонентов (Fe, Co и Ni) и компонентов носителя (Al, Mg) возникла в группе синтеза поверхностных соединений, где проводятся работы по использованию катализаторов в производстве многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ). Синтез нанотрубок проводится методами газофазного каталитического осаждения углерода и существенно зависит от химического состава и структуры используемых катализаторов. Достичь наименьших величин погрешности определения больших концентраций элементов (1-50 мас.д., %) методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (АЭС-ИСП).Используются при синтезе многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ) с уникальными физико-химическими свойствами (высокая электро-и теплопроводность, механическая прочность, химическая инертность и др.). Размер кристаллитов существенно изменяется при использовании различных носителей, а также частично изменяется при варьировании содержания активного компонента - уменьшается с уменьшением доли активных металлов (Fe, Ni, Co). При растворении твердых проб перед анализом устраняются многие помехи, связанные с твердым состоянием вещества. Все элементы имеют разные пределы обнаружения: некоторые элементы имеют крайне низкие пределы обнаружения; широкий набор элементов имеет «хорошие» пределы обнаружения. Следует отметить и другие недостатки этого метода: затруднения в определении элементов, атомы которых имеют очень высокие энергии возбуждения (Р, Pb, Pt, Re, S, Se, Sn, Ta, Te, Cl, Br, J), или высокие энергии ионизации (щелочные металлы), а также слабые аналитические линии (Pb, Pt, Os, Nb, Ge, P, S, Se, Sn, Ta, Th, U), приводящие к низкой чувствительности; нет возможности определять H, N, O и C ввиду их наличия в окружающей среде или растворителе; нельзя определить радиоактивные элементы изза невозможности обеспечения защиты оператора и изза трудностей, связанных со стандартными веществами; нет возможности определять разные валентные формы элемента из одного раствора; требуется высокий расход газа носителя; есть некоторая сложность разработки методики растворения пробы, позволяющей одновременно и стабильно удерживать все элементы твердой пробы в растворе [1].К середине века дуговая и искровая спектрометрия стала наилучшим инструментом для аналитиков в исследовании следовых концентраций широкого ряда элементов. Новым толчком развития метода стала серия публикаций об использовании индуктивно-связанной плазмы как высокотемпературного источника возбуждения атомов пробы. Плазма возникает за счет пропускания потока аргона через спираль-индуктор, по которой проходит ток высокой частоты. Аргон нагревается до очень высокой температуры, в нем возникает электрический разряд-искра, которая срывает электроны с атомов аргона. Искра запускает цепную реакцию выбивания электронов из атомов аргона, т.е. запускает процесс ионизации аргона и образования плазмы.Первый этап анализа любой пробы с помощью метода АЭС-ИСП - этовведение ее в горелку. Жидкости обычно распыляют.Для получения более стабильных условий впрыскивания между распылителем и горелкой помещают распылительную камеру.Плазма, куда впрыскивается анализируемый раствор, представляет собой газ, в котором атомы находятся в ионизированном состоянии. При протекании токов высокой частоты по катушке индуктора внутри катушки возникает переменное (пульсирующее) магнитное поле, которое воздействует на проходящий по горелке ионизированный аргон, разогревая его. Такое взаимодействие ионизированного аргона и пульсирующего магнитного поля называется индуктивная связь, а разогретая плазма называется ИСП «пламя» с температурой 6000-10000 К.При попадании анализируемого раствора в область плазмы, называемой нормальной аналитической зоной, происходит распад молекул анализируемого вещества на атомы, их возбуждение и последующая эмиссия полихроматического света атомами анализируемого вещества. Эта эмиссия света несет в себе качественную и количественную характеристики атомов элементов, поэтому она отбирается для спектрометрического измерения.До сих пор, наиболее широко используемым детектором в АЭС-ИСП является фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), представляющий собой вакуумную трубку, которая содержит светочувствительный материал, выбрасывающий электроны при ударе по нему фотонов света.Для химика-аналитика помехи - это все, что приводит к отличию сигнала эмиссии от аналита (элемента) в пробе от сигнала аналита такой же концентрации в градуировочном растворе. Наличие помех может свести на нет точность определения, поэтому современные приборы конструируются так, чтобы эти помехи свести к минимуму.Часто они устраняются просто увеличением раз

Содержание

Введение

1. Литературный обзор

1.1 Известные сведения об объектах анализа

1.2 Аналитические характеристики метода атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (АЭС-ИСП)

1.3 Теоретические основы метода АЭС-ИСП

1.4 Основные узлы приборов АЭС-ИСП

1.4.1 Распылители

1.4.2 Распылительные камеры

1.4.3 Плазма и горелки

1.4.4 Устройства разделения света по длинам волн

1.4.5 Детекторы

1.4.6 Динамический диапазон в методе АЭС-ИСП

1.5 Помехи в методе АЭС-ИСП

1.5.1 Спектральные помехи

1.5.2 Матричные помехи и рассеянный свет

1.5.3 Нижний предел обнаружения. Правильность и воспроизводимость

1.5.4 Динамический диапазон концентраций в методе АЭС-ИСП

2. Этапы разработки методики анализа твердых веществ методом АЭС-ИСП

3. Экспериментальная часть

3.1 Выбор растворителя для катализатора

3.2 Поиск аналитических линий

3.3 Выбор оптимальных условий фотометрирования на приборе OPTIMA 4300 DV

3.4 Приготовление стандартных растворов

3.5 Калибровка спектрометра и определение концентраций в исследуемых растворах

3.6 Проверка правильности определения концентраций Co, Fe, Ni, Al и Mg по разработанной методике

3.7 Проверка воспроизводимости определения концентраций Co, Fe, Ni, Al и Mg по разработанной методике

4. Расчетно-экономическая часть

4.1 Расчет себестоимости определения Fe, Co, Al, Ni, Mg методом АЭС-ИСП

Основные результаты и выводы по дипломной работе

Список используемой литературы

В задачи аналитической лаборатории института катализа входит ведение аналитического контроля различными методами для всех лабораторий института, занимающихся созданием и изучением новых катализаторов. Для этих целей в лаборатории создано несколько групп, по которым распределены методы анализа. Группа, в которой делалась данная работа, называется группой химического спектрального анализа. Задача разработки методики анализа Fe-Co-Ni-катализатора, нанесенного на Al2O3 и MGO, на содержание активных компонентов (Fe, Co и Ni) и компонентов носителя (Al, Mg) возникла в группе синтеза поверхностных соединений, где проводятся работы по использованию катализаторов в производстве многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ).

Актуальность темы.

Fe-Co-Ni-O-катализаторы являются многофазными твердыми веществами с высокой дисперсностью частиц (6 - 23 нм). Используются при синтезе многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ) с уникальными физико-химическими свойствами (высокая электро- и теплопроводность, механическая прочность, химическая инертность и др.). Известно, что углеродные нанотрубки становятся ключевым материалом для развивающихся нанотехнологий, в частности, для производства композиционных материалов широкого назначения. Синтез нанотрубок проводится методами газофазного каталитического осаждения углерода и существенно зависит от химического состава и структуры используемых катализаторов. От этих факторов во многом зависит качество образующихся нанотрубок - их диаметр, длина, число слоев. Отсюда понятна роль элементного анализа веществ катализаторов. Разработка методики анализа катализаторов на активные компоненты является важным звеном в создании качественных катализаторов.

Цель работы.

Достичь наименьших величин погрешности определения больших концентраций элементов (1-50 мас.д., %) методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (АЭС-ИСП).

Научная задача

Разработка унифицированной методики анализа Fe-Co-Ni-O-катализаторов на элементы Fe, Co, Ni, Al, Mg методом АЭС-ИСП с приемами улучшения погрешности определения концентраций 1-50 мас.д, %.

Этапы решения поставленной задачи: 1. Изучение проблем анализа Fe-Co-Ni-O-катализаторов на основные элементы Fe, Co, Ni, Al и Mg с концентрацией от 1 до 50 мас.д, %

2. Изучение теоретических основ метода АЭС-ИСП.

3. Разработка методики выполнения анализа методом АЭС-ИСП.

4. Выполнение анализа для серии образцов Fe-Co-Ni-O- катализаторов

Научная новизна.

1. Разработана методика обнаружения основных элементов в Fe-Co-Ni-O-катализаторах, нанесенных на Al2O3 и MGO. Методика является унифицированной: позволяет быстро, из одной навески, провести обнаружение следующих основных элементов: Co, Ni, Fe, Al и Mg с концентрацией от 1 до 50 %.

2. Методика позволяет достичь величины погрешности додопустимых значений ее в методах атомно-абсорбционной спектрометрии: точность анализа должна обеспечить получение суммы элементов пробы в пределах 99,5-100,5%.

Практическая значимость дипломной работы.

Для решения практических задач обнаружения основных элементов в Fe-Co-Ni-O-катализаторах развили методическую часть современного многоэлементного высокочувствительного метода анализа АЭС-ИСП. Эксперименты показали, что разработанная методика существенно уменьшает погрешность определения основных элементов.

Апробация работы.

Результаты исследования состава примесных элементов и методика их обнаружения были переданы в группу синтеза поверхностных соединений Института катализа СО РАН и были использованы в научных отчетах.

Личный вклад автора.

Все теоретические и экспериментальные исследования выполнены автором лично. Был выполнен анализ литературных данных по теме работы, проведено планирование эксперимента, а именно: подбор растворителя для объектов анализа, расчеты коэффициентов разбавления, выбор аналитических линий. Выполнено измерение аналитических сигналов на приборе ОРТИМА 4300DV и сделаны расчеты концентраций. Автор принимала активное участие в апробации разработанной методики на других пробах, в обсуждении полученных результатов, в подготовке слайдов для доклада совместно с научным руководителем. спектрометрия раствор катализатор