馮志強，劉　寧，逄小青，趙穎彬，陳　玲

(中國工程物理研究院化工材料研究所，四川　綿陽　621900)

?

微波消解過程的安全隱患分析及對策*

馮志強，劉寧，逄小青，趙穎彬，陳玲

(中國工程物理研究院化工材料研究所，四川綿陽621900)

研究結(jié)合分析測試檢驗部門的實際情況，以安東帕的microwave 3000微波消解儀為例，論述了微波消解儀實驗過程中的安全問題，包括實驗的稱樣量，試劑的最少使用量，反應(yīng)罐的組裝及操作過程中的一些安全注意事項，為微波消解儀的安全使用提供技術(shù)指導(dǎo)。按本文安全措施進(jìn)行樣品消解試驗，沒有出現(xiàn)任何安全事故，表明只要嚴(yán)格按照本文安全操作要求進(jìn)行實驗，微波消解實驗操作的危險源和危險點是可以有效控制的，試驗過程的安全是完全能夠得到保障的。

微波消解；安全技術(shù)；化工生產(chǎn)

微波消解[1-3]技術(shù)作為一種新型樣品前處理手段，具有操作簡便、消解速度快，試劑用量少、樣品污染小，能為分析測定的準(zhǔn)確性提供保障等優(yōu)點，在農(nóng)業(yè)、食品業(yè)等一些分析應(yīng)用領(lǐng)域開辟了廣泛的應(yīng)用前景。

微波消解的原理[4]是在2450 MHz的微波電磁場作用下，樣品與酸的混合物通過吸收微波能量使介質(zhì)中的分子相互碰撞摩擦，分子的能量增加，試樣溫度急劇上升進(jìn)而產(chǎn)生高熱；同時，交變的電磁場使介質(zhì)分子產(chǎn)生極化，極化分子快速排列引起張力。在這兩種作用下，樣品的表面層不斷攪動破裂，產(chǎn)生新的表面與酸反應(yīng)，提高化學(xué)反應(yīng)的速率，使得消化速度加快，從而達(dá)到消解的目的。

盡管當(dāng)前各種型號的微波消解儀在設(shè)計上都充分考慮了安全性要求，但微波消解是在高壓高溫條件下進(jìn)行無機或有機樣品的快速的密閉式消解，且一般采用氧化性強酸作為消解體系，因此試驗過程仍然有許多環(huán)節(jié)具有一定的危險性。本文以奧地利安東帕的microwave 3000微波消解儀為代表，對微波消解過程的安全因素進(jìn)行了分析，制定了詳細(xì)的安全控制措施，以提高試驗過程的安全性。

1　微波消解儀基本組成

奧地利安東帕的microwave 3000微波消解儀由消解罐、轉(zhuǎn)子、爐體、控制器幾部分組成。其中轉(zhuǎn)子的實物及結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1　轉(zhuǎn)子及其結(jié)構(gòu)圖

從圖1可以看，8位超高壓轉(zhuǎn)子可放置8個壓力消解罐。消解罐由保護(hù)杯蓋，防爆膜，泄氣螺桿，密封外蓋，密封內(nèi)蓋，消解內(nèi)管PTFE-TFM，陶瓷外管，居中環(huán)，保護(hù)杯組成。

2　微波消解實驗安全因素分析

微波消解實驗流程如圖2所示。由圖2可知，微波消解試驗中的危險源來自于消解前的樣品準(zhǔn)備過程并貫穿于整個試驗過程中。

圖2　微波消解實驗流程圖

2.1消解前準(zhǔn)備過程

硝酸、雙氧水、氫氟酸等具有較強腐蝕性的酸是微波消解中常使用的試劑，具有一定的危險性。硝酸為強氧化劑，與可燃物、還原劑和有機物等接觸可能引起燃燒。雙氧水與可燃物接觸會發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生足夠的熱量而引起著火，接觸皮膚引起燒傷。氫氟酸對人體有強烈腐蝕性和刺激性，濺入眼睛內(nèi)可能致盲，吸入蒸氣后可能導(dǎo)致肺水腫。

2.2消解過程

當(dāng)樣品量和溶劑量過大，尤其是在大量有機物存在時使用氧化性溶劑，會發(fā)生放熱反應(yīng)，放出的熱量使溫度快速升高，由此形成快速連鎖反應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生大量的熱和氣體。當(dāng)反應(yīng)急劇時，溫度和壓力可能超過消解罐的承受極限，導(dǎo)致消解罐破裂，迸射出的高溫液體和高壓氣體傷害試驗操作人員以及實驗設(shè)備。

3　安全控制措施

針對微波消解過程存在的安全隱患，從試驗前準(zhǔn)備，稱樣，消解到消解過程結(jié)束，制定了詳盡的安全控制措施。

3.1實驗前檢查

實驗前的檢查是保證整個實驗順利進(jìn)行的前提。實驗前我們要認(rèn)真檢查與微波消解有關(guān)的所有器具：首先要保證消解罐外部完好，如發(fā)現(xiàn)消解罐破損或有裂痕，必須停止使用。其次要檢查密封蓋上面的防爆片是否有損傷或裂痕，如有損傷或裂痕應(yīng)禁止使用。這是因為爆破片是一種泄壓裝置，罐內(nèi)壓力過高時可以突破防爆片，進(jìn)行泄壓，從而防止發(fā)生爆炸危險，但是如果防爆片有損傷或裂痕，消解過程中樣品或者試劑將從反應(yīng)罐中沖出，傷害試驗操作人員，同時導(dǎo)致轉(zhuǎn)子、反應(yīng)管外表面、腔體內(nèi)部污染，影響實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。除此之外，還要檢查陶瓷罐內(nèi)是否有水，如有水則應(yīng)該用毛巾或棉簽將水吸干。這是因為陶瓷罐內(nèi)殘留的水有可能造成消解過程中發(fā)生爆炸。

3.2樣品稱量

在稱樣的過程中，要小心將樣品稱入消解罐底部，千萬不要粘在密封口處。樣品若粘在罐壁上，在消解的過程中其吸收的微波將無法得到釋放，導(dǎo)致整個消解罐壓力升高，從而有爆炸的危險。因此，對于未知樣品，初次實驗的稱樣量不要超過100 mg。此外，具有突發(fā)性反應(yīng)和含有爆炸組分的樣品不能放入密閉消解罐中進(jìn)行消解。如：炸藥、乙炔化合物等物質(zhì)。

3.3添加試劑

添加試劑之前要穿戴好勞動防護(hù)用品。微波消解一般用的都是強酸或腐蝕性酸，如硝酸和氫氟酸，所以在添加試劑的過程中要帶好口罩和防酸手套，并在通風(fēng)柜中操作。添加試劑時要盡量將粘在罐壁上的樣品全部淋洗到底部，并輕輕混勻。最好是在加酸之后，讓其反應(yīng)數(shù)小時，防止在消解過程中發(fā)生過激反應(yīng)，從而降低消解過程的危險。此外，消解時最低溶液體積不能低于6 mL，若低于6 mL，溶液吸收微波不完全，多余的微波將直接作用于反應(yīng)罐、轉(zhuǎn)子及樣品，嚴(yán)重時會導(dǎo)致爆炸，造成轉(zhuǎn)子及反應(yīng)罐的損壞！

3.4反應(yīng)罐組裝

所有的罐子必須正確安裝，否則轉(zhuǎn)子及消解罐在消解過程中會發(fā)生嚴(yán)重的損壞，造成安全隱患。同時不正確的安裝會引起壓力傳感器測壓不準(zhǔn)確，造成試驗結(jié)果不準(zhǔn)確。

具體操作步驟：將唇型密封蓋進(jìn)行擴(kuò)口，然后將密封蓋輕輕插入消解罐中，再將蓋好密封蓋的內(nèi)罐放入陶瓷壓力套管中，并將其放入保護(hù)杯中，確保泄氣螺桿正好擱在保護(hù)杯架上。將保護(hù)杯蓋蓋上，注意保護(hù)杯蓋和保護(hù)杯之間的距離不要超過2 mm。

組裝好消解罐以后，將其放入轉(zhuǎn)子上的對應(yīng)位置，確保泄氣桿朝外。然后以對稱的方式擰緊轉(zhuǎn)子上的螺絲，直到每個消解罐都被固定住。最后將保護(hù)罩蓋到轉(zhuǎn)子上，確保每個螺絲對應(yīng)保護(hù)罩上的洞口，順時針旋緊保護(hù)罩，卡口鎖定，聽到“咔”的一聲證明蓋好。用雙手抱住轉(zhuǎn)子的底部，將轉(zhuǎn)子放到爐腔內(nèi)的轉(zhuǎn)盤上，輕輕平移至固定位置。關(guān)好爐門，按下開始按鈕，儀器會自動進(jìn)行罐內(nèi)壓力自檢，其轉(zhuǎn)子的初始壓力控制在2～10 bar。如果初始壓力高于10 bar，可稍稍擰松螺絲；如果初始壓力小于2 bar，必須將螺絲擰緊一點！

3.5試驗結(jié)束

消解實驗結(jié)束后，等待一段時間使反應(yīng)裝置冷卻完全，以免燙傷。穿戴好勞動防護(hù)用品，將轉(zhuǎn)子抱出，在通風(fēng)柜中小心泄壓，避免泄壓太快而發(fā)生爆炸事故。確保所有的壓力罐已經(jīng)泄壓完全后，打開壓力罐，將消解罐中的樣品轉(zhuǎn)移出來，進(jìn)行下一步測試。

4　其它注意事項

為了確保消解過程的安全，在操作過程中要注意以下幾點[5-7]：

(1)消解過程中消解操作間不得有其他作業(yè)，且從消解過程開始至消解結(jié)束，消解操作間須保持無人員狀態(tài)。

(2)嚴(yán)格控制消解樣品和消解試劑用量，在滿足分析要求的前提下盡量減少稱樣量和試劑用量。

(3)嚴(yán)禁消解危險的易燃易爆有機試劑或包含這些試劑的樣品(如酒精，易燃油)。如要按消解方法消解，可先蒸發(fā)試劑，再消解。對未知的方法研究，要首先考慮消解的可行性，拒絕盲目使用微波消解系統(tǒng)。拆卸和放置陶瓷外管時需小心操作，應(yīng)該避免外力碰撞或相互碰撞，且不得將它們散放在抽屜中，這樣會降低其使用壽命，并可能造成爆罐的危險。

(4)正確的清洗及維護(hù)儀器的所有部件，尤其是消解罐及轉(zhuǎn)子，延長儀器的使用壽命并保證儀器的正常機能，進(jìn)而確保試驗過程中的安全。為了避免金屬部件或其他的工具刮傷消解罐，清洗時一定要用軟毛刷。禁止使用已有刮痕或者已經(jīng)損壞的消解罐，否則抗壓性能得不到保障，從而引發(fā)安全事故。如果消解結(jié)束時在微波爐腔體的底部發(fā)現(xiàn)有殘留的酸液，必須仔細(xì)檢查所有的消解罐是否有泄漏的現(xiàn)象。及時更換已經(jīng)損壞的部件，即使是輕微的損壞也可能導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故。

(5)消解結(jié)束后檢查特氟龍內(nèi)管在密封區(qū)域是否有刮痕。替換有刮痕的內(nèi)管，否則消解過程中密封性不能保證，導(dǎo)致酸性液體泄漏，腐蝕其他部件；同時檢查陶瓷管、溫度保護(hù)套管是否有裂紋以及唇形密封的邊緣是否有損壞，如變形或者有缺口應(yīng)停止使用。

(6)消解結(jié)束后檢查轉(zhuǎn)子及保護(hù)罩是否有明顯的損壞。檢查液壓系統(tǒng)是否有漏油的痕跡。

5　結(jié)　論

按照上述安全措施進(jìn)行樣品消解試驗，沒有出現(xiàn)任何安全事故，表明只要嚴(yán)格按照以上安全操作要求進(jìn)行操作，并注意各安全控制要點，微波消解試驗操作的危險源和危險點是可以有效控制的，試驗過程的安全是完全能夠得到保障的。

[1]馬曉玲. 元素分析之必備前處理技術(shù)—微波消解[J]. 食品安全導(dǎo)刊，2009(6):32-33.

[2]劉華. 微波消解技術(shù)在分析食品中微量元素方面的應(yīng)用[J]. 中國衛(wèi)生檢驗雜志，2001(4):406-408.

[3]于桂云,馮丹,白昕. 微波消解在樣品前處理中的應(yīng)用[J]. 監(jiān)測分析，2002(1):55-57.

[4]劉偉,閻軍,武剛. 密閉微波樣品消解原理及常識[J]. 現(xiàn)代科學(xué)儀器，2000(3):51-54.

[5]袁東,但德忠,羅方若. 微波消解在環(huán)境分析中的應(yīng)用及進(jìn)展[J]. 現(xiàn)代科學(xué)儀器，2000(3): 42-45.

[6]韓慶國,蔡春生. 安全使用壓力容器的重要性[J].勞動保障世界,2013(9):151-152.

[7]雷蓓,張敏. 微波消解-火焰原子吸收光譜法測定某推進(jìn)劑中Pb、Cu和Ca元素含量 [J].含能材料，2006(2):99-101．

Analysis of Security Risk in The Process of Microwave Digestion and Countermeasure*

FENGZhi-qiang,LIUNing,PANGXiao-qing，ZHAOYing-bin,CHENLing

(Institute of Chemical Materials, CAEP, Sichuan Mianyang 621900, China)

Employ safety of microwave digestion apparatus becomes the exigent problem in the process of generalization with the application widely. Combined with the practical condition of instrumental analysis and chemical inspection, taken microwave 3000 made by anton paar as an example, the requriment of installation for the microwave digestion apparatus were presented, some problems in the process of implementation were discussed, and the technical guidance for the employ safety of microwave digestion apparatus was provided.

microwave digestion; security technology; chemical production

國家自然科學(xué)基金(11076002)。

陳玲(1986-)，碩士研究生，助理研究員，主要從事含能材料理化分析工作。

X921

B

1001-9677(2016)05-0223-03