石雪峰,胡琳娜,吳希桃,劉榮麗,王貴超,羅勉
(1. 湖南稀土金屬材料研究院有限責(zé)任公司,湖南長(zhǎng)沙 410126;2. 長(zhǎng)沙海關(guān),湖南長(zhǎng)沙 410000)
隨著石化工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展,水煤氣變換反應(yīng)在生物質(zhì)制氫技術(shù)和燃料電池中的應(yīng)用越來(lái)越受到重視,同時(shí)在合成甲醇、制烴等催化領(lǐng)域也得到廣泛運(yùn)用[1]。水煤氣變換的催化劑主要有3種:Fe-Cr基催化劑、Cu-Zn基催化劑和Co-Mo基催化劑[2]。相比于前2種催化劑,Co-Mo基催化劑的優(yōu)點(diǎn)是不存在硫中毒問(wèn)題,而且具有操作彈性大、活性高、使用溫區(qū)寬等優(yōu)點(diǎn)。為了提高催化劑性能,通常會(huì)在使用催化劑的過(guò)程中添加其他助催化劑,如Zn、K、Ni等助劑元素,其中,金屬K易流失且會(huì)引起后序設(shè)備的污染腐蝕,金屬Ni耐硫能力較差,而金屬Zn的添加則不存在上述問(wèn)題,但是Zn的存在會(huì)影響Co-Mo基催化劑的脫硫性能,這是由于催化劑中鋅的含量會(huì)影響酸的分布。因此,分析Co-Mo基催化劑中鋅含量對(duì)于研發(fā)降硫Co-Mo基催化劑具有重要意義。
目前,催化劑中各種金屬元素的分析方法主要有分光光度法、EDTA滴定法、X射線熒光光譜法(XRF)等,上述分析方法各有優(yōu)缺點(diǎn):分光光度法不能同時(shí)測(cè)定不同的元素且容易受到顯色劑和化學(xué)環(huán)境的影響而出現(xiàn)偏差[3];X-射線熒光光譜法(XRF)的分析過(guò)程較復(fù)雜,且需要制備特定的標(biāo)準(zhǔn)試樣及繪制特定的標(biāo)準(zhǔn)曲線;重量法和EDTA滴定法試劑消耗量大,分析周期長(zhǎng),操作繁瑣。隨著分析技術(shù)水平的提高,電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-OES)因具有較多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于化學(xué)分析領(lǐng)域[4-7]。
采用ICP-OES法分析催化劑中鋅的含量時(shí),最關(guān)鍵的是有效地將催化劑材料完全溶解。目前,利用ICP-OES法分析三葉草條形耐硫?qū)挏刈儞Q廢鈷鉬催化劑中關(guān)鍵助劑元素鋅的含量相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道較少。筆者通過(guò)改變傳統(tǒng)的灼燒再酸化處理難溶催化劑的試驗(yàn)方法,直接采用硝酸-氫氟酸-高氯酸將試樣溶解,并利用ICP-OES法快速準(zhǔn)確測(cè)定催化劑試樣中關(guān)鍵助劑元素鋅的含量,為鈷鉬催化劑的后續(xù)工藝研究提供了一定的理論依據(jù),同時(shí)對(duì)鋅金屬元素的回收循環(huán)利用具有借鑒作用,該試驗(yàn)方法簡(jiǎn)便易操作,適合大批量的檢測(cè)分析工作。
硝酸(ρ=1.42 g/mL)、氫氟酸(ρ=1.15 g/mL)、高氯酸(ρ=1.76 g/mL),均為優(yōu)級(jí)純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;離子水(電阻率大于18 MΩ·cm)。
全譜直讀電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀,ICPOES700型,美國(guó)安捷倫公司;分析天平,感量為0.1 mg;馬弗爐,最高加熱溫度高于900 ℃;溫度可調(diào)智能電熱板。
Zn級(jí)差標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制:準(zhǔn)確稱取0.500 0 g金屬鋅(w≥99.99%)于200 mL燒杯中,加入10 mL(1+1)的鹽酸,滴加數(shù)滴過(guò)氧化氫(w=30%),待其溶解完全后,配制成質(zhì)量濃度為1 g/L的鋅標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液。分別移取0,0.1,0.5,1.0,2.0,3.0 mL的鋅標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液定容于100 mL容量瓶中,并加入10 mL (1+1)的鹽酸配制成鋅的質(zhì)量濃度依次為0,1.0,5.0,10.0,20.0,30.0 μg/mL的系列標(biāo)準(zhǔn)溶液。
1.3.1 烘干+硝酸-氫氟酸-高氯酸溶解法
將三葉草條形耐硫?qū)挏刈儞Q廢鈷鉬催化劑試樣于瑪瑙研缽中磨研成細(xì)粉末狀,然后放至105 ℃烘箱中烘干1 h,取出并置于干燥器中冷卻至室溫,混勻裝袋并密封保存于干燥器中備用。
平行稱取11份烘干后的粉體試樣0.100 0 g于250 mL聚四氟乙烯燒杯中,加入少量的水,然后加入4 mL硝酸、2 mL氫氟酸,置于200 ℃電熱板上加熱30 min,直至試樣大部分溶解,此時(shí),液體顏色為深棕色;然后加入2 mL高氯酸,轉(zhuǎn)移至電熱爐上繼續(xù)加熱產(chǎn)生大量白煙以排盡引入的氟離子,在該過(guò)程中可以觀察到微量不溶物完全溶解,液體顏色由深棕色—亮黃色—亮粉紅色漸變;之后冷卻至室溫,加入少量水并補(bǔ)加2 mL (1+1)的HNO3溶解杯中固體試樣直至液體清澈,定容至100 mL容量瓶中并搖勻,稀釋10倍待測(cè),同時(shí)配制空白對(duì)照溶液。
1.3.2 烘干+灼燒+硝酸-氫氟酸-高氯酸溶解法
平行稱取11份烘干后的粉體試樣0.100 0 g于瓷坩堝中,放入馬弗爐內(nèi),從室溫升至900 ℃并在該溫度下恒溫灼燒1 h,取出瓷坩堝冷卻至室溫,此時(shí)可以觀察到粉體顏色為灰白色,試樣中的碳元素已經(jīng)完全灰化,剩余的灰白色粉體通過(guò)X射線能譜分析,主要成分是Al2O3、MoO3、CoO3、TiO2、ZnO。將灼燒后的試樣轉(zhuǎn)移至250 mL聚四氟乙烯燒杯中,加入少量的水,然后直接采用硝酸-氫氟酸-高氯酸溶解法溶解試樣,定容稀釋試樣,同時(shí)配制空白對(duì)照溶液。
在該過(guò)程中,還可以觀察到試樣中存在部分顆粒物未能完全溶解,這是由于試樣在高溫灼燒過(guò)程中催化劑載體γ-Al2O3的晶型轉(zhuǎn)化為難溶于酸堿的晶型,同時(shí)一部分金屬元素鈷與Al2O3反應(yīng)生成不溶于酸、堿的化合物。
1.3.3 未烘干+硝酸-氫氟酸-高氯酸溶解法
直接將三葉草條形廢鈷鉬催化劑試樣于瑪瑙研缽磨中研成細(xì)粉末狀,混勻,不進(jìn)行烘干,平行稱取11份粉體試樣0.1000 g于250 mL聚四氟乙烯燒杯中,加入少量的水,然后采用硝酸-氫氟酸-高氯酸溶解法溶解試樣及定容稀釋試樣,同時(shí)配制空白對(duì)照溶液。
為減小分析元素受共存元素的干擾,根據(jù)試樣的基體、分析元素和共存元素的含量,從電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀譜線庫(kù)中,查看待測(cè)元素的譜線干擾和譜線強(qiáng)度信息,并配制相應(yīng)的掃描溶液進(jìn)行掃描,同時(shí)根據(jù)含量選擇不同靈敏度的譜線。
利用ICP-OES法對(duì)目標(biāo)試樣化學(xué)成分進(jìn)行分析時(shí),溶樣酸試劑的選擇較重要,由于鹽酸、硫酸和磷酸會(huì)引起較嚴(yán)重的干擾。因廢鈷鉬催化劑成分的復(fù)雜性,采用氫氟酸-硝酸-高氯酸溶解催化劑試樣。前期加入氫氟酸可以使Co-Mo基催化劑中難溶解于硝酸且容易析出的Mo元素溶解完全。待試樣大部分溶解后,加入高氯酸:一方面可以破壞廢鈷鉬催化劑中的大量碳,同時(shí)可以通過(guò)高氯酸揮發(fā)排盡前期引入的氟離子,避免殘留的氟離子腐蝕矩管;另一方面采用高氯酸揮發(fā)除去酸性溶劑后,重新定量補(bǔ)加酸可使試樣溶液與標(biāo)準(zhǔn)溶液的酸度保持一致。
通過(guò)對(duì)ICP-OES儀器分析參數(shù)的優(yōu)化,采用設(shè)置的最優(yōu)測(cè)定條件Zn(213.857 nm)對(duì)鋅標(biāo)準(zhǔn)溶液中鋅元素的強(qiáng)度值進(jìn)行了測(cè)定。以鋅元素的發(fā)射強(qiáng)度I為縱坐標(biāo),鋅元素標(biāo)準(zhǔn)溶液的級(jí)差濃度ρ(mg/L)為橫坐標(biāo)繪制鋅元素的校準(zhǔn)曲線,所得線性回歸方程為:I=14.023 5ρ+0.380 6,在0~30 mg/L時(shí)呈線性關(guān)系,線性相關(guān)系數(shù)R2=1.000 0。
2.4.1 精密度試驗(yàn)
對(duì)廢鈷鉬催化劑試樣采用3種不同的前處理方法分別進(jìn)行了11組平行試驗(yàn),精密度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。
由表1可見(jiàn):Zn元素的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為2.02%~2.94%,采用烘干+硝酸-氫氟酸-高氯酸溶解法的精密度明顯高于其他2種溶樣方法。這是由于鈷鉬催化劑在使用過(guò)程中其活性部位容易吸附原料雜質(zhì)導(dǎo)致活性部位被掩蓋而失效,廢鈷鉬催化劑預(yù)先經(jīng)過(guò)瑪瑙研缽磨研成細(xì)粉末狀混勻后,再經(jīng)烘干處理可除去揮發(fā)性物質(zhì),能有效地減小取樣誤差。此外,對(duì)比烘干+酸溶法與烘干+灼燒+酸溶法的結(jié)果,后者的Zn含量平均值結(jié)果偏低,這是由于在灼燒的過(guò)程中存在火星飛濺現(xiàn)象及部分微粒被燃燒的煙氣夾帶而造成損失的問(wèn)題,同時(shí)由于在高溫灼燒過(guò)程中催化劑載體γ-Al2O3的晶型轉(zhuǎn)化為難溶于酸堿的晶型及相當(dāng)部分金屬元素鈷與Al2O3反應(yīng)生成鈷青(CoO·nAl2O3),該化合物既不溶于酸也不溶于堿,這些因素的綜合作用導(dǎo)致鋅元素溶出率的降低,使得測(cè)定結(jié)果出現(xiàn)偏差。
表1 精密度試驗(yàn)
2.4.2 加標(biāo)回收率試驗(yàn)
對(duì)采用烘干+硝酸-氫氟酸-高氯酸溶解法的6份不同鋅含量的鈷鉬催化劑試樣進(jìn)行加標(biāo)回收率試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。
表2 加標(biāo)回收率試驗(yàn)
由表2可見(jiàn):Zn元素的回收率為98%~102%,表明采用ICP-OES方法測(cè)定廢鈷鉬催化劑試樣中Zn含量時(shí)具有較好的準(zhǔn)確性。
2.4.3 不同檢測(cè)方法對(duì)比試驗(yàn)
平行稱取6組烘干后的2#廢催化劑粉體試樣,均采用烘干+硝酸-氫氟酸-高氯酸溶解法進(jìn)行前處理,之后利用ICP-OES方法與原子吸收光譜法(AAS)分別對(duì)這6組平行樣中Zn含量進(jìn)行測(cè)量。不同方法的分析結(jié)果見(jiàn)表3。
表3 不同檢測(cè)方法的對(duì)比分析
由表3可見(jiàn):采用ICP-OES方法測(cè)得的Zn含量與原子吸收光譜法測(cè)得的Zn含量基本一致,但I(xiàn)CP-OES方法比原子吸收光譜法操作方法簡(jiǎn)便且適合大批量分析檢測(cè),且精密度明顯高于原子吸收光譜法。因此,ICP-OES方法是一種測(cè)定鈷鉬催化劑中鋅含量的較優(yōu)方法。
對(duì)難溶廢鈷鉬催化劑含量測(cè)定的溶樣方法進(jìn)行改進(jìn),直接采用硝酸-氫氟酸-高氯酸法將水煤氣變換反應(yīng)中常用的廢鈷鉬催化劑快速溶解,并利用ICP-OES法準(zhǔn)確測(cè)定試樣中關(guān)鍵助劑元素鋅的含量,為石化工業(yè)水煤氣變換反應(yīng)中鈷鉬催化劑的后續(xù)工藝研究提供了參考,同時(shí)對(duì)金屬鋅的回收循環(huán)利用具有重要作用。該分析方法簡(jiǎn)便易操作,適合大批量的檢測(cè)分析工作。