CN113049716B - 一种基于离子色谱法分析污秽物中水溶性阳离子含量的预处理装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于输变电设备运行状态检修领域，提供一种基于离子色谱法分析污秽物中水溶性阳离子含量的预处理装置及方法，包括辅助柱、阴离子交换柱、强酸性阳离子交换树脂、强碱性阴离子交换树脂、辅助柱流速控制阀、阴离子交换柱流速控制阀、滤液收集器、固定架和连通管。所述固定架用于固定所述辅助柱、连通管、阴离子交换柱和滤液收集器。克服了样品经过阴离子交换树脂后溶液pH值升高导致阳离子沉淀，致使经阴离子交换树脂交换除去干扰离子后的样品无法直接用于离子色谱分析的难题。

Description

一种基于离子色谱法分析污秽物中水溶性阳离子含量的预处 理装置及方法

技术领域

本发明涉及输变电设备运行状态检修技术领域，特别涉及一种离子色谱法分析污秽物中水溶性阳离子含量的预处理装置及方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

服役于大气中的输变电设备表面不可避免地黏附固体、液体和气体污秽物。污秽物组成可以分为可溶性物质和不可溶物质。在潮湿环境下，污秽物中的水溶性物质发生电离，形成可以导电的水溶性离子，主要包括Zn²⁺、Al³⁺、Fe³⁺、NH₄ ⁺、K⁺、Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺等阳离子和F^-、Cl^-、SO₄ ^2-、NO₃ ^-、HCO₃ ^-等阴离子，它们能降低外绝缘部件的绝缘性能，引起输变电设备运行安全隐患。研究表明，污层导电性不仅受积污程度影响，也与污秽组成相关。污秽中可溶盐的组成及溶解性差异影响污层的导电性，进而影响外绝缘部件的绝缘性能。因此，研究污秽物中可溶性组分的组成及含量对于评估外绝缘部件绝缘状态具有重要意义。

污秽物成分中的阳离子分析方法主要包括滴定法、火焰原子吸收法、电感耦合等离子发射光谱仪等。滴定法成本低廉、技术难度小，但不适用于微量组分测定；火焰原子吸收法和电感耦合等离子法检测限低、检测速度快，但只适用于金属元素的直接检测，无法直接检测污秽物的重要组成成分NH₄ ⁺。离子色谱法可以同时分析污秽物中的Li⁺、Na⁺、NH₄ ⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺等主要阳离子，且检测迅速、检出限低。然而离子色谱法对样品要求较高，要求不能含有易使色谱柱中毒的组分，因此对于组成复杂的待测样品，通常在样品进样前进行预处理。离子交换法是离子色谱分析常用的前处理技术，具有成本低廉、材料易获得、树脂可再生等优点。现有技术面临的问题是：样品经过阴离子交换树脂后pH升高，污秽物中含有的Fe³⁺、Al³⁺、Zn²⁺、Mg²⁺等金属阳离子，按照现有技术样品处理后易形成氢氧化物沉淀，导致样品浑浊，无法直接使用离子色谱仪器分析。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于离子色谱法分析污秽物中水溶性阳离子含量的预处理装置及方法，在保持样品中待测离子浓度不变的前提下，克服了样品经强碱性阴离子交换树脂处理后样品变浑浊导致无法使用离子色谱仪直接分析的难题。

为实现上述目的，本发明涉及以下技术方案：

本发明的第一个方面，提供了一种基于离子色谱法分析污秽物中水溶性阳离子含量的预处理装置，包括：辅助柱、阴离子交换柱、连通管、滤液收集器；所述辅助柱、阴离子交换柱的底部通过连通管相连，所述连通管中部还设置有排液口，所述排液口下方设置有滤液收集器；所述辅助柱内设置有强酸性阳离子交换树脂，所述阴离子交换柱内设置有强碱性阴离子交换树脂。

本发明的第二个方面，提供了一种离子色谱法分析***，包括：任一上述的预处理装置。

本发明的第三个方面，提供了一种基于离子色谱法分析污秽物中水溶性阳离子含量的预处理方法，包括：

将待检样品溶解在溶剂中，滤除不溶物，得到样品A；

从样品A中取等体积的两份溶液，分别记为溶液B、C；

将溶液B采用强酸性阳离子交换树脂处理，溶液C采用强碱性阴离子交换树脂处理，二者形成的处理液混合后，稀释、定容，得到溶液D，即为预处理后的待检样品溶液。

本发明的第四个方面，提供了任一上述的预处理装置在输变电设备运行状态检修中的应用。

本发明的有益效果:

(1)本发明克服了样品经过阴离子交换树脂后溶液pH值升高导致阳离子沉淀，致使经阴离子交换树脂交换除去干扰离子后的样品无法直接用于离子色谱分析的难题。

(2)本发明所述预处理装置原料易获得、价格低廉，可重复再生使用，具有良好的经济效益。

(3)建立的样品预处理方法可以在不引入杂质离子的前提下保持样品处理前后离子浓度不变。

附图说明

图1是本发明所述的预处理装置图。

1、辅助柱；2、阴离子交换柱；3、强酸性阳离子交换树脂；4、强碱性阴离子交换树脂；5、辅助柱流速控制阀；6、阴离子交换柱流速控制阀；7、滤液收集器；8、固定架9、连通管。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

一种基于离子色谱法分析污秽物中水溶性阳离子含量的预处理装置包括辅助柱、阴离子交换柱、强酸性阳离子交换树脂、强碱性阴离子交换树脂、辅助柱流速控制阀、阴离子交换柱流速控制阀、滤液收集器、固定架和连通管。所述固定架用于固定所述辅助柱、连通管、阴离子交换柱和滤液收集器。

在一些实施例中，所述辅助柱和阴离子交换柱为带有旋转活塞的玻璃器皿，所述辅助柱内部填充强酸性阳离子交换树脂，所述阴离子交换柱内部填充强碱性阴离子交换树脂。

在一些实施例中，所述辅助柱与阴离子交换柱的树脂容积比为1:1.2；所述滤液收集器与阴离子交换柱容积比为3:1～5:1。

本发明还提出一种基于离子色谱法分析污秽物中水溶性阳离子含量的预处理方法，包括以下步骤：

S1、使用去离子水溶解并过滤待检样品，滤除不溶物，获得样品A。

S2、从溶液A中取2份体积一定且相等的溶液B、C，溶液B通过装有强酸性阳离子交换树脂的辅助柱，溶液C通过装有强碱性阴离子交换树脂的交换柱。

S3、使用去离子水置换交换柱内的离子，经辅助柱流出的强酸性流出液与经阴离子交换柱流出的强碱性浑浊液在连通管内混合后进入滤液收集器。

S3、将滤液收集器中的液体转移至容量瓶中，使用去离子水定容至刻度，获得溶液D。

S4、使用离子色谱仪分析溶液D中的阳离子组成及浓度。

在一些实施例中，步骤S1中溶解包括过滤操作中使用0.45μm滤膜；过滤操作采用减压过滤。

在一些实施例中，所述溶液D与溶液B或溶液C的体积比为10:1～25:1。

以下通过实施例对本发明做进一步解释说明，但不构成对本发明的限制。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件进行。

实施例1

选用Dionex^TM ICS-600分析型离子色谱仪对样品中的阳离子成分进行分析。仪器参数如下：Dionex^TM ICS–600分析型离子色谱仪，Chromeleon 7.2.10色谱工作站(ThermoFisher公司)；ICS–600分析型离子色谱***色谱柱：保护柱IonPac CG12A(50mm×4mm)、分析柱IonPac CS12A(250mm×4mm)；抑制器CERS 500 4-mm；电导检测器DIONEX DS5CONDUCTIVITY DETECTOR；淋洗液：甲烷磺酸(梯希爱(上海)化成工业发展有限公司)；流速1.0ml·min^-1；进样体积25μl。Li⁺、Na⁺、NH₄ ⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺阳离子混合标准溶液购自国家有色金属及电子材料分析测试中心，再逐级用超纯水稀释成标准工作溶液。实验用水为电阻率>18.2MΩ·cm的超纯水。

取阳离子混合标准储备液，配制不同质量浓度的标准溶液。每个浓度测定3次，以峰面积为纵坐标，标准液质量浓度为横坐标，建立标准工作曲线，线性方程、相关系数见表1，其中y为峰面积(μS·min)，x为组分的质量浓度(mg·L^-1)。

表1元素工作曲线相关系数

实施例1

请参阅图1，本发明提供一种基于离子色谱法分析污秽物中阳离子含量的预处理装置，包括辅助柱1、阴离子交换柱2、强酸性阳离子交换树脂3、强碱性阴离子交换树脂4、辅助柱流速控制阀5、阴离子交换柱流速控制阀6、滤液收集器7、固定架8和连通管9。所述固定架用于固定所述辅助柱1、连通管9、阴离子交换柱2和滤液收集器7。

将待处理的污秽样品A转移至100mL烧杯中，使用50mL去离子水溶解。将烧杯中的溶液及不溶物共同转移至抽滤漏斗中，并使用去离子水分三次润洗烧杯，共用去离子约30mL的，润洗液转移至抽滤漏斗中并抽滤，使用0.45μm的滤膜抽滤获得滤液A₁，将滤液A₁转移至100mL容量瓶中定容，获得溶液A₂。

用移液枪移取5.00mL溶液A₂转入装有强酸性阳离子交换树脂3的辅助柱1中，再用移液枪移取5.00mL溶液A₂转入装有强碱性阴离子交换树脂4的阴离子交换柱2中。打开辅助柱流速控制阀5和阴离子交换柱流速控制阀6，控制流出辅助柱1和阴离子交换柱2的溶液流速均在5mL·min^-1以内。

当液面流至接近与强酸性阳离子交换树脂3或强碱性阴离子交换树脂4高度齐平时，向辅助柱1或阴离子交换柱2中加入去离子水，保持离子交换柱内水的液面始终高于树脂液面，避免气泡进入树脂内。每支交换柱使用去离子水置换交换柱内的离子4至5次，每次用水8mL左右。经辅助柱1交换的强酸性液体与经阴离子交换柱交换的含有待测阳离子的强碱性浑浊液体在连通管9内混合后进行酸碱中和，进入滤液收集器7。

将滤液收集器7中的澄清透明液体转移至100mL容量瓶中定容，获得澄清透明待测溶液A₃。与A₂溶液相比，待测溶液A₃中的阳离子组成不变，浓度稀释了20倍。

在上述条件下，对样品A₃中的阳离子成分进行分析，得到Na⁺、NH₄ ⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺的离子浓度分别为6.65mg·L^-1、3.55mg·L^-1、0.86mg·L^-1、1.22mg·L^-1、7.29mg·L^-1。

实施例2

因为混合标准溶液B₁澄清透明，不需要过滤，只需要经过样品预处理装置处理。混合标准溶液B₁中Li⁺、Na⁺、NH₄ ⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺离子浓度分别为25mg·L^-1、100mg·L^-1、200mg·L^-1、100mg·L^-1、100mg·L^-1、500mg·L^-1，用移液枪移取5.00mL溶液B₁转入装有强酸性阳离子交换树脂3的辅助柱1中，再用移液枪移取5.00mL溶液B₁转入装有强碱性阴离子交换树脂4的阴离子交换柱2中。打开辅助柱流速控制阀5和阴离子交换柱流速控制阀6，控制流出辅助柱1和阴离子交换柱2的溶液流速均在5mL·min^-1以内。

当液面流至接近与强酸性阳离子交换树脂3或强碱性阴离子交换树脂4高度齐平时，向辅助柱1或阴离子交换柱2中加入去离子水，保持离子交换柱内水的液面始终高于树脂液面，避免气泡进入树脂内。每支交换柱使用去离子水置换交换柱内的离子4至5次，每次用水8mL左右。经辅助柱1交换的强酸性液体与经阴离子交换柱交换的含有待测阳离子的强碱性浑浊液体在连通管9内混合后进行酸碱中和，进入滤液收集器7。

将滤液收集器7中的澄清透明液体转移至100mL容量瓶中定容，获得澄清透明待测溶液B₂。与溶液B₁相比，溶液B₂中的阳离子组成不变，浓度稀释了20倍。

在上述条件下进行分析阳离子成分，得到B₂样品Li⁺、Na⁺、NH₄ ⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺离子浓度分别为1.25mg·L^-1、4.99mg·L^-1、9.99mg·L^-1、5.00mg·L^-1、4.98mg·L^-1、24.98mg·L^-1。

对照例1

将待处理的污秽样品A转移至100mL烧杯中，使用50mL去离子水溶解。将烧杯中的溶液及不溶物共同转移至抽滤漏斗中，并使用约30mL的去离子水分三次润洗烧杯，润洗液转移至抽滤漏斗中并抽滤，使用0.45μm的滤膜抽滤获得滤液A₁。取5mL滤液A₁定容至100mL容量瓶中，获得滤液A₂。

选用美国热电公司iCAP6300全谱直读光谱仪对样品A₂中的阳离子成分进行分析。仪器参数如下：功率1150W，雾化器压力30psi，辅助器流量0.5L·min^-1，泵速50r·min^-1。

根据分析谱线选择的基本原则，选择灵敏度高，基体对所选谱线无干扰或干扰较小，经过谱线选择实验，确定各待测元素所选择的谱线波长见表2所示。

表2元素谱线波长(nm)

由于iCAP 6300可以多元素同时进行测定，所以把待测元素配制于同一标准溶液中。金属元素易于被氧化，标准溶液需用1％HNO₃溶液定容至100mL容量瓶中，配制混合型标准溶液校准曲线，其浓度及相关系数见表3。

表3元素浓度及校准曲线相关系数

将样品A₂稀释20倍后，得到样品A₃'，在上述实验条件下测量样品A₃'中各待测元素Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺的离子浓度分别为：6.53mg·L^-1、0.84mg·L^-1、1.30mg·L^-1、7.31mg·L^-1。对照例与实施例1各待测元素Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺的离子浓度6.65mg·L^-1、0.86mg·L^-1、1.22mg·L^-1、7.29mg·L^-1数据一致性较好，说明经过本发明所述预处理装置及方法后样品中待测离子浓度不变。

NH₄ ⁺是污秽物的重要组成成分，iCAP6300全谱直读光谱仪不能测定NH₄ ⁺的含量，离子色谱仪测定样品A₃中NH₄ ⁺含量为3.55mg·L^-1，显示出离子色谱仪测定污秽物中NH₄ ⁺成分含量的优势。

对照例2

如对照例1所述，不同的是，B₁是未经过样品预处理装置的混合标准溶液，Li⁺、Na⁺、NH₄ ⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺的浓度分别为25mg·L^-1、100mg·L^-1、200mg·L^-1、100mg·L^-1、100mg·L^-1、500mg·L^-1，样品B₂是混合标准溶液B₁经过预处理装置后得到的样品，浓度稀释了20倍。实施例2的样品B₂浓度乘以20倍后得到Li⁺、Na⁺、NH₄ ⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺离子浓度分别为25mg·L^-1、99.8mg·L^-1、199.8mg·L^-1、100mg·L^-1、99.6mg·L^-1、498.0mg·L^-1，标准溶液经过该专利装置处理后，Li⁺、Na⁺、NH₄ ⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺的回收率分别为：100％、99.8％、99.9％、100％、99.6％、99.6％，说明本专利的样品预处理装置回收率满足离子色谱分析要求。

应注意的是，以上实例仅用于说明本发明的技术方案而非对其进行限制。尽管参照所给出的实例对本发明进行了详细说明，但是本领域的普通技术人员可根据需要对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种基于离子色谱法分析污秽物中水溶性阳离子含量的预处理方法，其特征在于，包括：

将待检样品溶解在溶剂中，滤除不溶物，得到样品A；

从样品A中取等体积的两份溶液，分别记为溶液B、C；

将溶液B采用强酸性阳离子交换树脂处理，溶液C采用强碱性阴离子交换树脂处理，二者形成的处理液混合后，稀释、定容，得到溶液D，即为预处理后的待检样品溶液。

2.如权利要求1所述的基于离子色谱法分析污秽物中水溶性阳离子含量的预处理方法，其特征在于，溶解和过滤操作中，使用0.22μm或0.45 μm滤膜。

3.如权利要求1所述的基于离子色谱法分析污秽物中水溶性阳离子含量的预处理方法，其特征在于，过滤操作采用减压过滤。

4.如权利要求1所述的基于离子色谱法分析污秽物中水溶性阳离子含量的预处理方法，其特征在于，所述溶液D与溶液B或溶液C的体积比为10:1~25:1。

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