LECO CN928: Stanovení uhlíku a dusíku v sazích a grafitu

Saze jsou materiál vznikající při neúplném spalování nebo tepelném rozkladu ropných produktů, jako je dehet z krakování ethylenu, rostlinný materiál nebo jiné uhlovodíky, za kontrolovaných procesních podmínek. Používají se jako výztužné plnivo v pneumatikách i v řemenech, hadicích a dalších pryžových výrobcích mimo oblast pneumatik. Slouží také jako barevný pigment v barvách, plastech, nátěrech a tiskařských inkoustech.

Stanovení celkového obsahu uhlíku v sazích je požadováno pro výpočet a vykazování emisí oxidu uhličitého a lze je také využít při odhadu výtěžnosti výrobního procesu.

Stanovení obsahu dusíku pomáhá výrobcům sazí zajistit konzistenci a kvalitu výroby – hladiny dusíku se používají k optimalizaci procesu a jako indikátor přítomnosti žádoucích struktur uhlíkatého zbytku.

Grafit je krystalická forma uhlíku tvořená vrstvami grafenu. Jedná se o stabilní formu uhlíku, která se přirozeně vyskytuje v přírodě nebo může být vyrobena synteticky. Grafit se používá v mnoha oblastech každodenního života – například v tužkách, mazivech, elektrodách, bateriích a uhlíkových vláknech. Stanovení obsahu uhlíku v grafitu slouží k určení čistoty materiálu a obecně odráží jeho kvalitu a vlastnosti, včetně elektrické vodivosti a mazacích schopností. Výrobci grafitu ho využívají také pro sledování a optimalizaci procesu grafitizace za účelem dosažení požadované kvality a fyzikálních vlastností. Stanovení dusíku v grafitových materiálech poskytuje informace o jejich katalytickém potenciálu pro aplikace v oblastech přeměny energie a environmentálních technologií.

Model přístroje a konfigurace

LECO CN928 je analyzátor pro makrospalovací stanovení uhlíku a dusíku, který využívá prostředí čistého kyslíku ve vysokoteplotní horizontální keramické spalovací peci a keramické kelímky navržené pro makrovzorky. Termoelektrický chladič odstraňuje vlhkost ze spalovacích plynů před jejich zachycením ve vyrovnávací nádobě (ballast). Plyny se zde promíchají a vyrovnají, poté je odebrán reprezentativní podíl (alikvota) o objemu 3 cm³ nebo 10 cm³, který je zaveden do proudícího inertního nosného plynu (helia nebo argonu) pro analýzu.

LECO: LECO CN928: Stanovení uhlíku a dusíku v sazích a grafitu: LECO CN928 analyzátor pro makrospalovací stanovení uhlíku a dusíku.

Tato alikvota je vedena přes vyhřívanou redukční trubici naplněnou mědí, kde dochází k redukci oxidů dusíku (NOₓ) na molekulární dusík (N₂). Následně je plyn zaveden do nedisperzní infračervené detekční cely (NDIR) pro detekci uhlíku ve formě CO₂ a dále do detektoru tepelné vodivosti (TC) pro detekci dusíku (N₂).

Detektory tepelné vodivosti pracují na principu měření změny tepelné vodivosti analytického plynu ve srovnání s nosným (referenčním) plynem. Čím větší je rozdíl mezi tepelnou vodivostí nosného a analyzovaného plynu, tím vyšší je citlivost detektoru. CN928 podporuje použití helia i argonu jako nosného plynu. Helium poskytuje nejvyšší citlivost a nejlepší výkon při stanovení nízkých koncentrací dusíku. Vzhledem k menšímu rozdílu tepelné vodivosti mezi argonem a dusíkem je citlivost detektoru při použití argonu přirozeně nižší.

LECO CN928 navíc umožňuje volbu mezi 10cm³ a 3cm³ alikvotní smyčkou v systému sběru a manipulace s plyny. Smyčka o objemu 10 cm³ optimalizuje měření pro nejnižší koncentrace dusíku a poskytuje nejlepší přesnost. Smyčka o objemu 3 cm³ prodlužuje životnost činidel přibližně trojnásobně a snižuje náklady na analýzu, přičemž praktický výkon zůstává zachován.

Poznámka: Při změně typu nosného plynu je nutné upravit průtoky podle pokynů v uživatelské příručce pro řadu 928. Velikost alikvotní smyčky se volí v softwaru přístroje v rámci parametrů metody.

Referenční metoda

ASTM D7633: Standardní zkušební metoda pro stanovení obsahu uhlíku v sazi.

Poznámka: Při zpracování dat uvedených v této aplikační poznámce byla použita upravená verze metody ASTM D7633.

Příprava vzorků

Vzorky musí mít jednotnou konzistenci, aby bylo dosaženo spolehlivých výsledků. V souladu s normou ASTM D7633 by měly být vzorky sazí sušeny při teplotě přibližně 125 °C po dobu nejméně jedné hodiny před analýzou. Vzorky grafitu se doporučuje sušit při teplotě přibližně 105 °C po dobu jedné hodiny. Po vysušení je třeba vzorky uložit do exsikátoru a použít k analýze do 24 hodin. Referenční materiály musí být připraveny v souladu s pokyny uvedenými v jejich certifikátu.

Příslušenství

• 528-203 keramické spalovací kelímky**
• 761-929 kleště na kelímky
• 501-614 laboratorní špachtle

** Poznámka: Pro dosažení optimální přesnosti je doporučeno před použitím vyžíhat keramické spalovací kelímky v muflové peci při 1000 °C po dobu minimálně 40 minut. Po vychlazení je přeneste do exsikátoru. Pokud nebudou použity do 24 hodin, je nutné je znovu vyžíhat. Po vyžíhání manipulujte s kelímky výhradně čistými kleštěmi – nikoliv rukama.

Referenční materiály

LCRM®, LRM®, NIST nebo jiné vhodné certifikované referenční materiály.

Obecné parametry*

• Typ plynu: Helium nebo Argon
• Teplota pece: 1350 °C
• Rychlost nárůstu teploty: 12 °C/min
• Doba odvodnění: 0 s
• Nominální hmotnost: 1,0000 g
• Proplachovací cykly: 3
• Doba ustálení v balastu: 10 s
• Časový limit pro nenaplnění balastu: 300 s
• Pokles tlaku při plnění alikvotní smyčky: 200 mm Hg
• Doba ustálení alikvotní smyčky: 4 s
• Velikost dávkovací smyčky: Velká (10 cm³) nebo malá (3 cm³)

Parametry prvků – Helium (10 cm³ a 3 cm³)*

• Stabilizace základní linie: Ano
• Zpoždění integrace: 15 s (uhlík) / 0 s (dusík)
• Počáteční základní linie: 1 s (uhlík) / 10 s (dusík)
• Zpoždění po základní linii: 5 s (uhlík) / 25 s (dusík)
• Použít komparátor: Ne
• Doba integrace: 22 s (uhlík) / 50 s (dusík)
• Použít Endline: Ne (uhlík) / Ano (dusík)
• Zpoždění Endline: — (uhlík) / 30 s (dusík)
• Koncová základní linie: — / 5 s
• Měření blanku: — / —

Parametry prvků – Argon (10 cm³ a 3 cm³)*

• Stabilizace základní linie: Ano
• Zpoždění integrace: 15 s (uhlík) / 9 s (dusík)
• Počáteční základní linie: 1 s (uhlík) / 10 s (dusík)
• Zpoždění po základní linii: 5 s (uhlík) / 25 s (dusík)
• Použít komparátor: Ne
• Doba integrace: 22 s (uhlík) / 70 s (dusík)
• Použít Endline: Ne (uhlík) / Ano (dusík)
• Zpoždění Endline: — (uhlík) / 30 s (dusík)
• Koncová základní linie: — / 5 s
• Měření blanku: — / Ano

*Viz návod k obsluze řady 928 pro definice parametrů.

Spalovací profil

Krok spalování  /  Proud v trysce (Lance Flow)  /  Proud v peci (Furnace Flow)  /  Čas

1. Ne  /  Ano /  5 s
2. Ano  /  Ano  /  5 s
3. Ano  /  Ne  /  Konec

Postup

1. Připravte přístroj k provozu podle pokynů uvedených v uživatelské příručce.
2. Kondicionujte systém.
   1. V přihlašovací obrazovce zadejte alespoň pět opakování blanku. Keramický spalovací kelímek není vyžadován.
   2. Spusťte sekvenci analýzy.
3. Určete Blank.
   1. V přihlašovací obrazovce zadejte alespoň pět opakování blanku.
   2. Umístěte keramické spalovací kelímky (528-203) na příslušná místa v automatickém podavači.
   3. Spusťte sekvenci analýzy.
   4. Nastavte hodnotu Blank podle postupu uvedeného v uživatelské příručce.

Poznámka: Směrodatná odchylka posledních pěti blanků by měla být ≤ 0,001 % (10 ppm) pro oba prvky při použití helia jako nosného plynu a ≤ 0,005 % (50 ppm) při použití argonu. Pro dosažení požadované přesnosti může být potřeba provést více než pět blanků.

4. Kalibrace / Korekce driftu.
   1. V přihlašovací obrazovce zadejte požadovaný počet opakování pro kalibraci / korekci driftu (minimálně pět).
   2. Navážte vhodné množství příslušného referenčního materiálu do keramického spalovacího kelímku (528-203).
   3. Zadejte hmotnost vzorku a jeho identifikaci do přihlašovací obrazovky.
   4. Přeneste kelímek s referenčním materiálem na příslušné místo v automatickém podavači.
   5. Kroky 4b až 4d proveďte minimálně pětkrát pro každý použitý kalibrační nebo driftový materiál.
   6. Spusťte sekvenci analýzy.
   7. Proveďte kalibraci nebo korekci driftu podle postupu uvedeného v uživatelské příručce.
   8. Ověřte kalibraci analýzou vhodného množství jiného (odlišného) referenčního materiálu a potvrďte, že výsledky jsou v rámci přípustné tolerance.
5. Analýza vzorků.
   1. V přihlašovací obrazovce zadejte požadovaný počet opakování měření.
   2. Navážte přibližně 0,20 g vzorku sazí nebo grafitu do keramického spalovacího kelímku (528-203).
   3. Zadejte hmotnost vzorku a jeho identifikaci do přihlašovací obrazovky.
   4. Přeneste kelímek se vzorkem na příslušné místo v automatickém podavači.
   5. Kroky 5b až 5d opakujte pro každý analyzovaný vzorek.
   6. Spusťte sekvenci analýzy.

TYPICKÉ VÝSLEDKY

Data byla získána pomocí lineární kalibrace s úplnou regresí pro stanovení uhlíku a lineární kalibrace procházející počátkem pro stanovení dusíku, s použitím frakčních hmotností (0,17–0,30 g) referenčního materiálu LECO 502-642 (šarže 1020) LCRM fenylalanin (65,45 % C, 8,46 % N). Kalibrace byly ověřeny pomocí materiálu LECO 502-896 (šarže 1007) LCRM EDTA (41,14 % C, 9,59 % N). Vzorky sazí byly před analýzou sušeny při teplotě ~125 °C po dobu minimálně jedné hodiny v souladu s normou ASTM D7633. Vzorky grafitu byly sušeny při teplotě ~105 °C po dobu jedné hodiny. Vysušené vzorky byly skladovány v exsikátoru a použity k analýze do 24 hodin. Vzorky byly naváženy a analyzovány v množství přibližně 0,20 g.

LECO CN928: Stanovení uhlíku a dusíku v sazích a grafitu