Способ масс-спектрального количественного определения содержания углерода в многокомпонентных твердых материалах

 

Изобретение относится к физико-химическому анализу, в особенности к методам масс-спектрометрии, и может быть использовано для контроля технологии изготовления многокомпонентных твердых материалов. Цель изобретения - повышение правильности масс-спектрального анализа углерода и расширение функциональных возможностей за счет раздельного определения свободного углерода и углерода, связанного в летучие соединения. Для этого анализируемое вещество предварительно смешивают в порошком вещества-окислителя, а в качестве вещества-окислителя используют нелетучие термически устойчивые окислы металлов. 1 з.п. ф-лы.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ1-1

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 4342С21/24-21 (22) 02. 10.87 (46) 15,01.90, Бюл. М 2 (71) Институт электросварки им. E..О. Патона (72) И.К, Походня, В,И. 11!вачко, A.A. Голякевич и А.С. Бибиков (53) 621.384 (088.8) (56) Кар.чов Р.А., Натансон К.Р. Окислительное плавление в вакууме — новый метод определения углерода в металлах. — В кн.: Кинетика и термодинамика взаимодействия газов с жидкими металлами. М.: Наука, !974, с ° 182185, Исследования при высоких температурах. Пер. с англ. М.: ИЛ, 1962, с. 288. (54) СПОСОБ МАСС-СПЕКТРАЛЬНОГО КОЛИЧЕСТВЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ

Изобретение относится к физикохимическому анализу, в особенности к методу масс-спектрометрии,.и .может быть использовано для контроля технологии изготовления многокомпонентных твердых материалов.

Целью изобретения является повышение правильности масс-спектрального анализа углерода и расширение функциональных возможностей путем раздельного определения свободного «.глерода и углерода, связанного в летучие соединения.

Согласно предлагаемому способу анализируемое вещество предварительно смешивают с порошком вещества-окислителя»

„.SU„1536454 А1 (QI)5 H 01 J 49/26 G 01 R 7/16

УГЛЕРОДА В МНОГОКОМПОНЕНТНБК ТВЕРДЫХ

МАТЕРИАЛАХ (57) Изобретение относится к физиков механическому анализу, в осоГенности к методам масс-спектрометрии, и может быть использовано для контроля технологии изготовления многокомпонентных твердых материалов. Цель изобретения — повышение правильности масс-спектрального анализа углерода и расширение функциональных возможностей эа счет раздельного определения свободного углерода и углерода, связанного в летучие соединения. Для этого анализируемое вещество предварительно смешивают с порошком веществаокислителя, а в качестве веществае окислителя использую иелетучие термически устойчивые окислы металлов.

1 -э.п. ф-лы, 1 ил.

Смесь анализируемого образца и . вещества-окислителя помещают в высокотемпературную ячейку, нагревают ее, увеличивая температуру с постоянной скоростью, и с помощью масс-спектро.метра измеряют в процессе нагрева количества вьделившнхся летучих соединений углерода.

Перед началом измерений калибруют масс-спектрометр по газообразным СО и СО (или другим летучим соединениям углерода) с целью обеспечения перехода от интенсивностей масс-спектральных линий к парциальным давлениям

Затем выполняют калибровку по количеству летучих соединений, вьделяю1536454 4 щихся в ячейке. Например, для калибровки по С0> в ячейку помещают известное количество карбоната, полностью разлагающегося в определенном интервале температур с образованием газообразной СО .

Измеряя зависимость интенсивности масс-спектральной линии СО от времени при нагреве смеси до полного разложения карбоната, определяют вре,менную зависимость парциального давления Cog. Эту зависимость интегрируют н приравнивают полученную величину массе вьделившейся СО . Aaccy COq, определяют расчетным путем по хими;..еской формуле разложения карбоната.

Поскольку при высоких температурах образуется окись углерода Со, необходима также калибровка по количест- 20 ву СО, выделившейся в ячейке. Эту .операцию выполняют аналогично предыду:щей, используя расчетное количестно

С0, которое получается при полном окислении в ячейке известного коли- 5 честна чистого углерода, нагреваемого в смеси с порошком нелетучего окисла.

Полученные таким способом величины чувствительности прибора по количеству выделяющихся в ячейке летучих соединений углерода используют при анализе вещества с неизвестным содер жанием углерода. Для этого анализируемое вещество в виде порошка смешивают 3 с порошком нелетучего окисла. Навеску смеси помещают в испарнтельную ячейку масс-спектрометра.

После подготовки прибора к работе включают нагрев ячейки, увеличивая температуру с постоянной скоростью.

При этом фиксируют интенсивности всех линий, которые могут быть связаны г летучими соединениями углерода, и определяют временные зависимости пар- д циальных давлений этих соединений.

Полученные вреь1енные зависимости интегрируют. По этим интегральным величинам, зная чувствительность прибора по количеству выделяющихся лету- О чих соединений, определяют общее содержание углерода.

Линейное увеличение температуры позволяет разделить во времени вьдепение летучих соединений углерода.

Например, карбонаты разлагаются при температурах не выше 1000 С, а окисление свободного углерода с ньщелением только окиси углерода происходит (в соответствии с термодинамическим равновесием реакции восстановления окислов) при температурах выше 1ООО С, Этим обеспечинается возможность определять раздельно количество углерода, содержащегося в карбонатах или других летучих соединениях и углерода в свободном состоянии.

Температурное и временное разделение термодесорбционных пиков позволяет также исключить иэ результата анализа фоновые количества СО и СО, выделяющихся иэ неконтролируемых загрязнений внутренних частей прибора.

Пример. Для выполнения анаJIHsoB была использована масс-спектрометрическая установка, состоящая из нремяпролетного масс-спектрометра

МСХ-4 и камеры с высокотемпературной ячейкой. Вакуум не ниже 2 10 Па создавался в.установке беэмасляной системой откачки, причем камера ячейки откачивалась отдельным насосом.

Ячейка, изготовленная из молибдена, нагревалась до 1000 С тепловым излучением кольцевого катода, а до более высокой температуры — электронной бомбардировкой.

Для калибровки масс-спектрометра по двуокиси углерода н камеру источника с помощью вентиля тонкой регулировки добавляли СО н определяли зависимости ннтенсивностн линии COq от данления СО . Величина чувствительности масс-спектрометра по СОу находилась в пределах (4...8) 10 л Па/мм шкалые

Аналогичным образом калибронался прибор по окиси углерода, а измеренная чувствительность была равной (3...7) 10 Па/мм шкалы.

-8

Для калибровки прибора по количеству СО>, ньделяющемуся при нагреве вещества в ячейке, использовали карбонат кальция, который при нагреве до

600 С разлагается по реакции

CaCO — э СаО + СО, . (1) откуда следует, что при полном разложении 0,15 г СаСОз в газовую фазу выделяется 0,066 r газообразноro.СО, Полнота протекания реакции контролировалась рентгеноструктурным анализом остатка.

По временной зависимости интенсивности масс-спектральной линии Cog

1 полученной при нагрев» CACO co

15364 скоростью 1,5 град/с, была построена временная зависимость парциального давления СО в камере масс-спектромет ра. Графическое интегрирование этой зависимости позволило установить, что абсолютная чувствительность анализа СОр, выделяющегося из нагреваемой ячейки, составила величину 2

s10 7 г.

Аналогичным образом была определена чувствительность анализа СО, образующегося в ячейке, Известное (установленное расчетом) количество окиси углерода было получено при окислении 0,015 r чистого графита в смеси с 1,5 г химически чистой окиси железа. Полнота окисления углерода контролировалась па отсутствию вьщеления СО при нагреве 20 остатка с добавлением свежей порции

FeO.0 9

Абсолютная чувствительность ана-7 лиза СО составила величину 1,5 10 г.

4 .Для определения углерода, находя- 25 щегася в веществе в различных формах, использовали смесь из компонентов электродного покрытия: рутила, кварцевого песка, карбаната кальция и графита. В эту смесь добавляли порошок 30

Fe<0 з.

На чертеже показан общий вид временной зависимости парциальнасти давления С0 и COq полученной при равномерном нагреве этой смеси до 1400 С.

Первый термодесарбцианный пик со.ответствует ньщелению СО и СО из по-, верхностных загрязнений, Второй— выделению СОр при разложении карбоната и третий. — выделению СО при окисле- 0 нии графита. полнота окислЕния углерода обеспечивалась двухкратным превьцвением количества FegO>, необходимого для окисления свободного углерода, и выдержкой расплава при 1400 С 45 .ф до полного исчезновения пика СО

Повторный нагрев этой смеси до более высокой температуры не приводил к вьщелению СО.

По этим данным была оценена относи- M тельная чувствительность анализа углерода на данной установке, составившая величину - 2 ° 10 мас.X.

При использовании масс-спектрометра с более высокой эффективностью получения и анализа ионов, чем в данной установке, чувствительность анализа может быть повьппена еще не менее, -7 чем на два порядка, т.е. да 10 X.

Эксперименты с контрольными смесями показали, чта предлагаемый способ обеспечивает правильность анализа общего содержания углерода и позволяет раздельно определять свободный углерод и углерод, связанный в летучие соесае,лнения, Предлагаемый способ характеризуется универсальностью, экспрессностью, простотой обору,алания и методики анализа..При этом обеспечивается высокая чувств;,.-е, ьнасть анализа.

В предлагаемом способе значительна упрощается решение проблемы эталонов в связи с вазможностью использования для калибровки химически чистых веществ, Предлагаемый способ позволяет более точна учесть фан, создаваемый десорбцией неконтролируемых загрязнений с нагреваемых поверхностей внут-. ренних частей установки.

Возможность раздельного определения углерода, находящегося в веществе в различных формах, значительно расширяет область применения аналитического метода па сравнению с областью применения известных способов анализа углерода, Использование предлагаемого изобретения дает возможность количественно определять углерсд в сварочных материалах (сердечниках порошковых проволок, электродных покрытиях, флюсах и в материалах металлургического производства.

Предлагаемый способ может быть использован также для анализа сырьевых материалов в цветной и горноруд-. ной промышленности, а также в геологии и минералогии.

Формула изобретения!. Способ масс-спектрального количественного определения содержания углерода в мнагокомпонентных твердых материалах, заклочающийся в нагреве анализируемого образца в высокотемпературной ячейке и измерении летучих соединений углерода путем интегрирования временных зависимостей их парциальных давлений, а т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения правильности анализа общего содержання углерода и расширения функциональных возможностей путем раз!

536454

Составитель В. Кудрявцев

Редактор Т. Лазоренко Техред Л.Олийнык Корректор Н, Ревская

Заказ. 922 Тирам 396 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям прн ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб, д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.укгород, Ул. Гагарина,fOf дельного определения свободного углерода и углерода, связанного в летучие соединения, анализируемое вещество предварительно смешивают с порошком вещества-окислителя. ,5

2. Способ по п,I о т л и ч а юшийся,тем, что в качестве вещества-окислителя используют нелетучие термически устойчивые окислы металлов.