Сера - элемент, обладающий неметаллическими свойствами, который занимает шестнадцатое место по распространенности в земной коре и шестое - в природных водах. Она встречается как в свободном, так и в связанном виде. Существуют соединения серы с железом, она содержится в нефти, угле и природном газе, а также в воздушной атмосфере, поэтому она оказывает большое влияние на характеристики конечного продукта различных производств.
Значение серы в промышленности и экологии
Как правило, наличие серы отрицательно отражается на свойствах металлических сплавов, продуктов нефтехимии, снижает качество углей и относится к факторам, негативно влияющим на состояние окружающей среды. Таким образом, возникает необходимость контроля содержания серы в различных областях жизнедеятельности человека. С этой целью разрабатываются и совершенствуются приборы для анализа серы, которые позволяют быстро и точно провести исследование.
Нефтехимическая промышленность
Анализ содержания серы в нефтепродуктах - важная задача, которая позволяет контролировать их качество. Присутствие серы и ее соединений в нефти и ее производных - не только ухудшает их характеристики, но и очень токсичны, поэтому считаются вредными примесями. Кроме этого, продукты, содержащие серу отличаются высокой коррозионной активностью, и загрязняют атмосферу при сгорании.
Для определения серы существует множество методов, которые условно разделяются на три группы:
- Методы, в основе которых лежит окисление серы для последующего определения оксидов.
- Методы, которые предусматривают восстановление серы до H2S.
- Спектральные методы (атомно-эмиссионная спектрометрия и РФА).
Экология
Оксиды серы - опасное соединение, которое загрязняет атмосферу и почву. При соединении с водяными парами образуют кислоты, которые при выпадении в виде осадков оказывают негативное воздействие на здоровье людей и окружающую среду. Вне зависимости от источника этих соединений (природного и антропогенного) требуется проведение экологического мониторинга.
Для анализа проб используются различные методы:
- электрохимические;
- хроматографические;
- оптические.
Большое распространение получили спектральные методы анализа серы, которые отличаются высокой чувствительностью, и позволяют получить точные результаты за короткое время.
Угольная промышленность
Повышенное содержание серы в углях негативно отражается на качестве и их технологических характеристиках. При использовании такого угля в энергетике возрастает потребность в топливе, и повышается опасность загрязнения окружающей среды. Если уголь применяется для получения кокса, то это снижает качественные показатели металлургического топлива, и повышает содержание серы в чугуне, что крайне нежелательно.
Обязательный этап контроля качества углей - анализ на серу, который выполняется с помощью различных методов. Современные спектральные анализаторы позволяют быстро и точно провести исследование проб, поэтому находят применение в лабораториях угледобывающих предприятий и смежных областях промышленности.
Металлургия
Сера - вредная примесь в стали, присутствие которой приводит к явлению красноломкости. Это связано с тем, что сера с железом образует соединение FeS, нерастворимое в железе, находящимся в твердом состоянии. Оно располагается по границам зерен и имеет низкую температуру плавления, поэтому при нагреве до температуры прокатки или ковки, растворяется с нарушением связей. В процессе обработки металла давлением в местах расположения сульфидной сетки образуются дефекты в виде разрывов и трещин. Кроме этого, сера снижает пластичность, ударную вязкость, свариваемость, коррозийную стойкость, и ухудшает качество поверхности стали, особенно низкоуглеродистых марок.
В сталь сера попадает из чугуна и скрапа, поэтому важно контролировать его содержание не только при ведении плавки, но и в исходных материалах. Важность анализа серы в этих переделах трудно переоценить, поэтому остановимся на приборах для анализа на серу более подробно.
Методы определения серы
В настоящее время существует множество методов, которые позволяют проводить анализ различных образцов на серу. К ним относятся классические химические методы и современные инструментальные. Для решения конкретной аналитической задачи выбирается тот, который наиболее полно соответствует:
- природе образца;
- химическому составу объекта исследования;
- требуемому диапазону концентраций;
- требованиям по точностям результатов анализа.
Методы, в основе которых лежит окисление серы
К ним относятся:
- Бомбовый. Используется при анализе серы с использованием калориметрической бомбы.
- Ламповый. Для анализа используется лампа с хлопчатобумажным фитилем с последующим окислением получившийся при сгорании двуокиси серы до серной кислоты. В дальнейшем исследование осуществляется путем титрования.
Восстановление серы до H2S
Суть метода: восстановление соединений, содержащих серу, до сероводорода. Процесс происходит в токе водорода, требует использования температуры 1300℃ и осуществляется на свинцовоацетатной ленте.
Рентгеновские методы
К ним относится группа методов неразрушающего анализа, в ходе которых происходит измерение вторичного излучения атомов S при воздействии на образец рентгеновского источника возбуждения. Анализ на серу основан на фотоэлектрическом эффекте.
Атомно-эмиссионная спектрометрия
Атомно-эмиссионные методы анализа на серу дают уникальную возможность определения химического состава образца, в том числе серы, с использованием одной пробы. Приборы имеют различную конструкцию и источники возбуждения. Анализаторы, в основе которых, лежит эмиссионная спектрометрия отличаются универсальностью и широкими аналитическими возможностями.
Приборы для анализа серы в стали
Для металлургов интерес представляют инструментальные методы спектрального анализа серы, которые наиболее полно отвечают специфике производства, и дают точные результаты. Кроме этого, они позволяют выполнить исследование максимально оперативно. Это дает возможность своевременно отреагировать на присутствие серы в стали при ведении плавки, и провести десульфурацию металла.
Спектрометры с индуктивно связанной плазмой
Эти приборы предназначены для проведения элементного анализа состава жидкостей, поэтому исследуемой вещество должно быть переведено в это агрегатное состояние. Такая особенность определяет как достоинства, так и недостатки спектрометров этого типа. Они способны определять спектры в диапазоне 174-930 нм, в который входит линия серы.
ОСП-спектрометры имеют низкий предел обнаружения и обеспечивают линейность градуировочных характеристик по всему диапазону. Однако для проведения исследований требуется помощь химико-аналитической лаборатории. Анализ требует длительного времени, средств и не дает точных результатов при измерении больших концентраций.
Рентгено-флуоресцентные спектрометры
Рентгено-флуоресцентный метод получил широкое распространение в промышленности, и используется для проведения исследований твердых, порошкообразных и жидких проб. Несмотря на то, что РФА-анализаторы могут определять спектры в большом диапазоне, проводить анализ на серу можно только с использованием мощных спектрометров. Портативные модели справиться с этой аналитической задачей не могут в силу объективных причин, которые связаны с физическими принципами их работы.
Стационарные РФА-анализаторы - перспективные приборы с широким диапазоном измерения концентраций. Они позволяют быстро проводить исследование пробы без калибровки. Однако для анализа требуется использование образца определенной формы и размеров, а эксплуатация нуждается в дорогостоящем обслуживании.
Оптико-эмиссионные спектрометры с низковольтной искрой в среде аргона
Эти приборы в отличие от дуговых оптико-эмиссионных спектрометров и приборов с высоковольтной искрой позволяют определять серу с концентрацией от 0,001%. Их принципиальное отличие от указанных анализаторов заключается в том, что разряд находится в атмосфере инертного газа - аргона. Таким образом, окислительные процессы отсутствуют, а продукты горения не остаются в зоне горения, что позволяет определять множество элементов, включая серу.
Спектрометры этого типа имеют низкий предел обнаружения и погрешность. Они дают возможность быстро проводить исследование образца, но требовательны к пробоподготовке и качеству газа. Область применения ограничена токопроводящими веществами, имеющими монолитную структуру.
Из сказанного, становится ясно, что не существует такого анализатора на серу, который бы подходил для решения всех аналитических задач. Выходом из положения служит разумная комбинация приборов при проведении исследований, возможности которых максимально полно охватывают весь спектр интересующих вопросов и соответствует особенностям технологического процесса.
