Minéralisation d'échantillons de charbon et de graphite avec le rotor 20SVT50 dans le Multiwave 5000

Problématique / Besoin :

Le rotor 20SVT50 permet la minéralisation d'échantillons exigeants et hautement réactifs tels que le charbon et le graphite, qui nécessitent des températures élevées, avec la commodité et la sécurité de la technologie SmartVent. 

Méthode utilisée / Réponse apportée :

1. Introduction

Les échantillons riches en carbone tels que le charbon et le graphite sont un défi en ce qui concerne la minéralisation acide en vase clos : la température requise pour une minéralisation complète augmente avec le degré de minéralisation du charbon au graphite. Dans le passé, la minéralisation acide par micro-ondes du graphite n'était possible qu'avec des rotors de haute performance comme le rotor 8NXF100. De plus, la grande quantité de gaz de réaction génère une pression élevée et nécessite un contrôle rapide de la pression pour maintenir sous contrôle les réactions hautement exothermiques. Le rotor 20SVT50 dans le Multiwave 5000 fournit la technologie SmartVent déjà bien établie à un niveau de température avancée. La libération de surpression est un moyen sûr et pratique de surmonter les défis nommés, car des températures cibles élevées allant jusqu'à 250° C peuvent être atteintes et maintenues tandis que les gaz de réaction tels que le CO2 et les NOx sont libérés en toute sécurité. De plus, le capteur SmartTemp assure une mesure de température interne rapide, précise et sans contact pour un contrôle fiable du processus de minéralisation. Il en résulte une excellente qualité de minéralisation, même pour les échantillons difficiles à minéralisaer et réactifs. Avec un débit allant jusqu'à 20 échantillons, le rotor 20SVT50 dans le Multiwave 5000 est la configuration idéale pour les échantillons exigeants, par exemple charbon, noir de carbone et même graphite. 

2. Instrumentation

Toutes les minéralisations ont été effectuées dans des récipients SVT50 en utilisant le rotor 20SVT50 dans le Multiwave 5000 équipé de la mesure de température SmartTemp et de la détection SmartVent pour surveiller l'intensité de la ventilation. 

3. Expérimental

Echantillons

Différents échantillons ont été utilisés pour la minéralisation afin de couvrir une grande variété d'échantillons réels. 

• Charbon
• Coke de pétrole calciné
• Noir carbone
• Charbon granulaire activé
• Graphite 1 - 3

Procédure de minéralisation

Environ 400 mg des échantillons ont été pesés directement dans les récipients de minéralisation, tout en évitant soigneusement de tacher la surface d'étanchéité avec la poudre d'échantillon. 

Mélange d'acide

6 ml d'acide nitrique, 4 ml d'acide sulfurique, 2,5 ml d'acide perchlorique et 1 ml d'acide fluorhydrique ont été ajoutés dans cette séquence. L'ajout d'acide sulfurique (H2SO4) aide à maintenir des températures plus élevées à une pression de vapeur réduite, de sorte que moins de réactif acide est perdu pendant le processus. L'acide perchlorique (HCIO4) est nécessaire pour fournir un potentiel d'oxydation plus élevé à 200° C et plus, en particulier pour les échantillons de l'acide fluorhydrique (HF) peut être nécessaire. En raison des quantités variables de silice, il peut être nécessaire d'augmenter le volume de HF, si une sédimentation de silice de type gel blanc se produit après refroidissement et dilution. Tous les acides utilisés comme réactifs étaient concentrés et de qualité d'analyse : acide nitrique (HNO3 65%), acide perchlorique (HCIO4, 70%) et acide fluorhydrique (HF, 40%). Les dilutions et rinçages ont été effectués avec de l'eau DI. 

Programme de température

La méthode proposée dans ce rapport est conçue pour une utilisation sûre de l'acide perchlorique (HCIO4) en combinaison avec des échantillons réactifs. 

• Première étape de maintien à 150° C pour minéraliser les composants réactifs à l'aide de HNO3.
• A 220° C, HCIO4 est activé pour minéraliser la majorité du carbone tout en générant et en évacuant les gaz de réaction. Cependant, peu de vapeurs acides ne s'échappent à cette température
• Troisième étape de maintien à 250° C pour casser le reste des structures de graphite difficiles à minéraliser. 

Pour les échantillons les plus exigeants tels que le graphite, ce processus peut toujours ne pas aboutir à une solution claire dans tous les cas, de sorte qu'un résidu sombre trouble et "pelucheux" peut rester. Un deuxième essai peut aider à améliorer la minéralisation de ces résidus de carbone. Pour cette opération de minéralisation supplémentaire, 2 ml de HCIO4 ont été ajoutés et un programme de température avec une rampe plus courte a été appliqué. Une fois le refroidissement terminé, les gaz de réaction restants ont été évacués lors d'une lente ouverture des récipients. Les solutions ont été transférées dans un flacon d'échantillonneur automatique et remplies jusqu'au volume. 

4. Résultats

Certains des échantillons tels que le noir de carbone ou le coke de pétrole calciné, considérés comme plus réactifs, ont montré une première forte activité exothermique se traduisant par une surpression à des températures relativement basses. 

Conseil : si vous ne minéralisez que des échantillons plus réactifs (par exemple noir de carbone ou coke calciné), l'acide perchlorique peut être omis pour réduire la réactivité. 

L'acide sulfurique a été utilisé pour réduire la pression et donc permettre des températures plus élevées, ce qui, en combinaison avec les agents oxydants, était nécessaire pour détruire les structures poly-aromatiques. 

Echantillons de charbon

On peut voir un ensemble typique de profils de température pour des échantillons de charbon, de coke et de noire de carbone. Le premier événement de ventilation a été observé autour de 130 - 150° C. Les augmentations soudaines de température dues à des réactions exothermiques ont été immédiatement détectées et régulées avec succès par le capteur SmartTemp. Des échantillons hautement réactifs peuvent présenter une réaction exothermique et même spontanée à une température relativement basse, tandis que des échantillons moins réactifs comme le graphite ne réagissent qu'à des températures plus élevées.

Des solutions claires et incolores ont été obtenues après dilution à 40 ml avec de l'eau distillées, à l'exception du charbon granulaire activé, montrant une couleur bleu clair causée par une teneur élevée en métal. 

Cette méthode a été créée et optimisée pour permettre une grande variété d'échantillons différents. Cependant, l'addition d'acide perchlorique peut ne pas être nécessaire pour tous les types de produits à base de charbon. 

Echantillons de graphite

La méthode précédemment introduite peut également être utilisée pour minéraliser des échantillons de graphite, qui nécessitent des températures cibles nettement plus élevées pour une minéralisation complète. On peut voir les profils de température de différents échantillons de graphite avec des réactions exothermiques commençant à des températures significativement différentes. Encore une fois, les augmentations soudaines de température ont été immédiatement détectées et régulées avec succès par le capteur SmartTemp.

Le graphite 3 réagit en premier des graphites, suivi par le graphite 1et le graphite 2. Comme tous les échantillons de graphite nécessitaient plus d'oxydation, ce qui ne peut être fourni en prolongeant simplement le temps de réaction, 2 ml de HCIO4 ont été ajoutés pour un deuxième essai ultérieur. 

Conclusion

Le Multiwave 5000 équipé du Rotor 20SVT50 est une configuration puissante pour une minéralisation rapide et fiable d'échantillons haut de gamme de matrices inorganiques exigeantes. Il a été démontré avec succès que les matrices d'échantillons qui se sont avérées très difficiles à minéraliser dans le passé (par exemple le charbon ou le graphite) peuvent être minéralisés rapidement et de manière fiable. Les cuves SVT50 dotées de la technologie SmartVent et d'un niveau de pression amélioré permettent des quantités d'échantillons plus élevées à des températures élevées. La technologie SmartTemp garantit un controle rapide et fiable de la température, même pour les échantillons réactifs. En cas de forte ventilation, le détecteur SmartVent permet l'élimination rapide des vapeurs en augmentant le débit d'air d'échappement.