從研磨原料的特性、使用的研磨磨具和最終的研磨粒度考慮,研磨后的樣本可能會因研磨磨具被磨蝕的微粒而受到污染。那么,研磨磨具的這種金屬磨蝕到底會帶來多大程度的污染呢?
圖1.PM 100型行星式球磨機使用的研磨容器和研磨球(左)以及ZM 200型離心磨機使用的轉子和環形篩(右)。
只有使檢測樣本的制備具有可靠的重現性時才能得到可靠的、準確的檢測分析結果。重點就是:實驗室檢測樣本大都量足且滿足檢測分析要求的均質性。Retsch公司為廣大客戶提供多種多樣粗磨、精磨粉碎和研磨設備,可實現多種材料樣本的研磨和均質化。由于研磨工具和附件所使用的材料是分不同種類,因此可以實現無交叉污染地完成大多數樣本的制備。
合適研磨工具的選擇不僅僅受到被研磨原料的限制,也要根據所用的分析檢測方法來確定。不同的研磨工具有著不同的性質,例如所需的能源動力大小、硬度或者研磨工具材料的抗剝蝕性能等等,例如,碳化物類的研磨工具就是一種高密度的研磨工具材料,也是一種能夠向被研磨樣品傳遞很多能量的材料,因此它屬于適合于在短時間內粉碎大量硬質樣本的研磨工具。而鈦氟龍則相反:它密度較低,是粉碎軟質樣本材料的最適合的研磨工具,例如粉碎干燥的濾餅類樣本。因此,在選擇研磨工具時不僅僅要考慮因研磨工具磨蝕帶來的污染也要考慮磨具的密度、硬度和抗磨蝕性能。
還有一個重點就是:合適的研磨磨損量。若您使用的粉碎機是一臺振動磨機,或是一臺行星式球磨機,加入的被研磨材料不多時,都可能帶來研磨機磨腔的損傷,特別是長時間的研磨,如若樣本材料太多則會限制研磨設備的研磨效率。為了使一臺行星式球磨機成功的完成研磨任務,建議:被研磨樣本應填充到球磨機磨室的1/3、研磨球占1/3,剩下1/3是研磨時的自由空間,這樣才有利于研磨球的自由運動。膠質研磨時則有完全不同的規則。
在選擇研磨工具時要特別了解被研磨樣本的性質,例如硬度、原料大小、研磨的最終粒度和研磨時間等。有一些被研磨樣本需要在研磨時添加輔助液體來避免附聚,有時也可以使用滑石粉或者氧化鋁來避免附聚。彈性好的被研磨樣本可在研磨前或研磨中用液化氮或干燥劑進行脆化,以提高其被粉碎率。有時也需要對被研磨樣本進行冷卻,例如被研磨樣本含有對后續檢測有影響的臨時性成分時。而且研磨后要采用的檢測方法對研磨工具的選擇也有著重要影響。
此處著重幫助用戶正確選擇最合適的研磨工具材料,以避免因研磨工具的磨蝕造成的被測樣本的污染。Retsch公司研磨磨具的金屬材料成分見表1。
表1.Retsch公司研磨工具的化學成分,研磨工具材料的化學成分隨研磨工具的不同而不同(例如:顎式破碎機、研磨筒或者轉子)。
不是每一種研磨工具中都包含了表中所列的所有金屬材料。被研磨樣本的性質、可供選用的研磨工具和研磨樣本的最終粒度要求,都可能造成研磨后的樣本受到研磨工具磨蝕的污染,這就引發一個問題:研磨工具的磨蝕帶來的污染到底有多嚴重?為了回答這一問題,Retsch公司進行了一系列的實驗。
在研磨工具磨蝕實驗時選擇了兩組被測樣本:石灰石和玉米。在進行石灰石樣本的粉碎研磨時使用了四種不同的機械設備(BB50和BB 100型顎式破碎機、PM 100和PM 100 CM型行星式球磨機、MM 400型振動研磨機和RS 200型盤式研磨機)和不同材料的研磨工具。而玉米則是用不同的切割粉碎機/旋轉磨機進行粉碎的(SM 300型切割粉碎機、ZM 200型離心磨機、Grindomix GM 200和GM 300型刀式研磨機),所使用的研磨工具同樣也有多種不同的材料制成。
經酸分解處理后,利用ICP-OES電感耦合等離子體發射光譜測定方法對石灰石樣本的鈷、鉻、鎳、鎢和鋯元素的含量進行了測定,同時也對鐵元素的含量進行了檢測,由于鈣質石灰石中鐵元素的含量很高,所以只能猜測研磨工具的金屬磨蝕會造成被測樣本的污染。按照同樣的方法對研磨樣本中的鉻,鐵,錳,鎳和鈦元素等的含量也進行了測定。
為了保證實驗元素的樣本是空白試驗樣品,PM
100型行星式球磨機中的球磨室帶有二氧化鋯鍍層,使用的研磨球也是不會帶來交叉污染材料的研磨球。另外,石灰石樣本還用碳化物制成的研磨工具套件在PM
100型球磨機中進行研磨,以便為金屬鋯制作空白試驗樣品。在玉米樣本的粉碎、研磨時使用的是帶有鈦轉子和鈦鈮材料的涂層的ZM
200型離心磨機,使用的研磨工具是其他材料制造的,并在后續進行的元素分析檢測結果中扣除了空白試驗樣品產生的顆粒污染值。按照這種方法可以確定研磨工具的磨蝕所造成污染的程度。當相關的參考材料有著準確的已知數據時,可以省略空白試驗樣品的顆粒物污染測定步驟。一般來講,制作這樣的參考材料價格不菲,而且也不是所有被測材料都有相應的參考材料。
表2中給出了石灰石樣本在不同研磨設備中受研磨工具磨蝕而污染的檢測結果。表中的大部分檢測結果都顯示沒有明顯受到研磨工具磨蝕顆粒的污染。
表2.研磨后石灰石樣本的污染
a.縫隙寬度=0
b.500ml研磨筒,5分鐘,每分鐘400轉,樣本重量200克,8x30mm研磨球
c.1分鐘,30Hz頻率
d.2分鐘,每分鐘1400轉
在使用顎式破碎機、盤式振動粉碎機和PM 100型行星式球磨機時,由于研磨工具中含有碳化鎢而在樣本中檢測出了濃度較低的鎢和鈷。當使用PM 100 CM型行星式球磨機對樣本進行研磨時,研磨后樣本中鎢和鈷的含量明顯的要低。這種行星式球磨機比PM 100型球磨機的轉速明顯的要低;因此它的粉碎方式比較柔和,磨蝕的程度也低。
正如人們所預料的那樣:當使用鐵質的研磨工具時有鉻、鎳的磨蝕污染,且鐵元素的磨蝕污染要更嚴重。因此,金屬元素的樣本粉碎、研磨時應使用其他材料制造的研磨工具。
總而言之:由研磨工具磨蝕、包括鋼質研磨工具磨蝕帶來的污染非常少,幾乎不可能對后續的檢測分析產生不良影響。例如,使用不銹鋼研磨工具時工具磨蝕帶來的鎳、鉻污染物含量明顯的低于聯邦土壤保護和污染場地條例(BBodSchV)附件2規定的最大允許值。
雖然玉米屬于脆性較好的材料,但它的硬度不如石灰石,因此在粉碎玉米這種類型的樣本時使用了切割式的和旋轉式的粉碎、研磨設備。表3中列出了玉米樣本受到金屬磨具磨蝕時的污染情況。
表3.研磨后玉米樣本的污染
a.平行切割轉子,4mm篩網
b.12齒轉子,2mm篩網
c.割刀材料為不銹鋼,每分鐘轉速10000轉
d.割刀材料為不銹鋼,每分鐘轉速4000轉
在玉米的研磨樣本中,只檢測到了研磨工具磨蝕帶來的很小的污染量數據。在SM 300型切割粉碎機按照700
r/min的轉速粉碎玉米后,樣本中只檢測出了5ppm的鐵元素,這是因為玉米樣本在研磨機中停留的時間要長一些,以便能在較低的轉速下能夠與4mm的篩網做到性能匹配。當用Grindomix
GM 200或者GM
300型研磨玉米時,玉米樣本中的鐵元素含量只有1ppm~2ppm了,這不是因為研磨機的金屬材質,而是玉米與切割刀具接觸所產生的污染,如果使用涂有鈦鈮涂層的切割刀具就可以避免這一問題,樣本中含有的鐵元素也不會對后續的檢測分析帶來影響。
粉碎是制備固體樣本的重要部分。為此,Retsch公司提供了從粉碎到研磨、超微研磨全過程的一系列粉碎、研磨設備,可保證完成多種多樣的粉碎和研磨任務。被測樣本的種類、可供選用的研磨工具以及研磨后的最終粒度等因素,導致因研磨工具磨蝕造成被測樣本污染的可能性始終存在。
Retsch公司進行的一系列實驗證明:在不同粉碎、研磨技術和研磨工具組合應用的情況下由研磨工具磨蝕造成的被測樣本污染是可以忽略不計的。另外,大多數情況下通過選擇合適的研磨工具材料也可以完全避免樣本被污染。
樣本的性質、研磨工具材料和要求的最終粒度對研磨過程都有著重要的影響,而且會導致被研磨樣本的污染。在研磨工具磨蝕造成的污染實驗中,被測樣本在多種不同的粉碎設備、研磨設備中進行了試驗。經酸分解處理后,利用ICP-OES電感耦合等離子體發射光譜測定方法對樣本中的鈷、鉻、鎳、鎢、鋯、鐵、錳、鈦元素的含量進行了測定。根據實驗中所使用的研磨工具可以檢測到樣本受到了哪種污染,但研磨工具帶來的磨蝕污染程度非常小,不會對后續檢測分析造成影響。