紅外碳硫分析原理

1、整理課件1CS分析原理分析原理 碳元素和硫元素均是非金屬元素，它們的電負性相差不大（c:+2.5,s:+2.44）,因此，在金屬或合金中都能形成相應的碳化物或硫化物。當在高溫富氧條件下，都能被氧化成CO2和SO2。C+O2=CO24Fe3C+13O2=6Fe2O3+4CO2Mn3C+3O2=Mn3O4+CO2 S+O2=SO23MnS+5O2=Mn3O4+3SO23FeS+5O2=Fe3O4+3SO2 CO2和SO2都是極性分子，具有永久電偶極矩，因而都具有振動、轉動等結構，按量子力學分成分裂的能級，與入射的特征波長紅外輻射耦合產(chǎn)生吸收。 整理課件2CS分析原理分析原理郎伯郎伯-比耳定律比耳定

2、律 I=I0exp(-PL) 式中：式中：I0-入射光強入射光強I -出射光強出射光強 -吸收系數(shù)吸收系數(shù) P -該氣體的分壓強該氣體的分壓強L -分析池的長度分析池的長度 測量經(jīng)吸收后紅外光的強度便能計算出相應氣體的濃測量經(jīng)吸收后紅外光的強度便能計算出相應氣體的濃度，這便是紅外氣體分析的理論根據(jù)。紅外碳硫分析儀就度，這便是紅外氣體分析的理論根據(jù)。紅外碳硫分析儀就是利用了是利用了CO2及及SO2分別在分別在4.26m和和7.4m處，具有較強處，具有較強的特征吸收帶這一特性，通過測量氣體吸收光強分析的特征吸收帶這一特性，通過測量氣體吸收光強分析CO2和和SO2含量，間接確定被測樣品中的碳、硫元素

3、的百分含含量，間接確定被測樣品中的碳、硫元素的百分含量。量。整理課件3鋼鐵中的碳硫鋼鐵中的碳硫 碳在鋼鐵中主要以兩種形式存在：碳在鋼鐵中主要以兩種形式存在： 一種是化合碳，即碳以化合形態(tài)存在，主要以鐵的碳一種是化合碳，即碳以化合形態(tài)存在，主要以鐵的碳化物和合金元素的碳化物形態(tài)存在。例如化物和合金元素的碳化物形態(tài)存在。例如Fe3C、Mn3C、Cr3C2、WCW2C、VC、MOC、TiC等。等。 另一種是游離碳，例如鐵碳固溶體中的碳、無定形碳、另一種是游離碳，例如鐵碳固溶體中的碳、無定形碳、石墨碳、退火碳等，統(tǒng)稱為游離碳。石墨碳、退火碳等，統(tǒng)稱為游離碳。 在鋼中，一般是以化合碳為主，游離碳只存在于

4、鐵及在鋼中，一般是以化合碳為主，游離碳只存在于鐵及經(jīng)退火處理的高碳鋼。化合碳與游離碳總和，稱為總碳量。經(jīng)退火處理的高碳鋼。化合碳與游離碳總和，稱為總碳量。紅外碳硫分析儀就是測定樣品中的總碳量。紅外碳硫分析儀就是測定樣品中的總碳量。整理課件4鋼鐵中的碳硫鋼鐵中的碳硫 碳是鋼鐵中重要元素，當碳含量增加時其碳是鋼鐵中重要元素，當碳含量增加時其強度強度和和硬度硬度隨之增加，而隨之增加，而塑性和延展性塑性和延展性卻隨之降低，使鋼變脆且難以卻隨之降低，使鋼變脆且難以加工；反之，隨著碳含量的減少，鋼的韌性得到增強且易加工；反之，隨著碳含量的減少，鋼的韌性得到增強且易于切削加工。而硫在鋼鐵中是一種有害元素，它

5、以硫化物于切削加工。而硫在鋼鐵中是一種有害元素，它以硫化物的狀態(tài)存在于鋼中，主要是的狀態(tài)存在于鋼中，主要是MnS。如果含錳量很低，則過。如果含錳量很低，則過量的硫與鐵合成量的硫與鐵合成FeS。硫化鐵與硫化錳都是在熱變形時產(chǎn)。硫化鐵與硫化錳都是在熱變形時產(chǎn)生裂紋的原因，這種不良性能叫做生裂紋的原因，這種不良性能叫做熱脆熱脆。此外硫存在于鋼。此外硫存在于鋼內(nèi)還能使鋼的機械性能降低（主要是疲勞極限、塑性和耐內(nèi)還能使鋼的機械性能降低（主要是疲勞極限、塑性和耐磨性）。硫的存在對鋼的耐蝕性、可焊性也不利。因此在磨性）。硫的存在對鋼的耐蝕性、可焊性也不利。因此在鋼鐵中硫的含量總希望越低越好鋼鐵中硫的含量總希

6、望越低越好 。一般硫在鋼鐵中的含。一般硫在鋼鐵中的含量比碳至少要少一個數(shù)量級。由于硫的含量低，燃燒后生量比碳至少要少一個數(shù)量級。由于硫的含量低，燃燒后生成的成的SO2絕對量比絕對量比CO2少，用同樣的方法測定誤差就大。少，用同樣的方法測定誤差就大。因此，紅外碳硫分析儀中硫池的長度要比碳池長度長一個因此，紅外碳硫分析儀中硫池的長度要比碳池長度長一個數(shù)量級，分別為數(shù)量級，分別為300毫米和毫米和30毫米。毫米。整理課件5碳硫在各種金屬中化合物的穩(wěn)定程度碳硫在各種金屬中化合物的穩(wěn)定程度1.所有的碳化物比硫化物焓變所有的碳化物比硫化物焓變Hfo數(shù)值要大，說明硫化物比數(shù)值要大，說明硫化物比碳化物熱力學穩(wěn)

7、定性高，要使硫化物分解產(chǎn)生化學反應的碳化物熱力學穩(wěn)定性高，要使硫化物分解產(chǎn)生化學反應的熱量也必須高，當燃燒室熱量不足時，（化學反應初期熱量也必須高，當燃燒室熱量不足時，（化學反應初期溫度不高時），碳溫度不高時），碳碳化物和鐵碳化物和鐵鎢鎢錫開始化學反應，錫開始化學反應，放出熱能，再促使硫化物反應。放出熱能，再促使硫化物反應。2MnS比比FeS更穩(wěn)定，熔點也高。在鋼鐵冶煉中往往用加更穩(wěn)定，熔點也高。在鋼鐵冶煉中往往用加足夠量的足夠量的Mn，使生成，使生成MnS。（防止生成。（防止生成FeS而導致熱脆而導致熱脆現(xiàn)象）?，F(xiàn)象）。平時高錳合金鋼的硫很難測準的原因也就不難分平時高錳合金鋼的硫很難測準的原

8、因也就不難分析了。析了。整理課件6碳硫在各種金屬中化合物的穩(wěn)定程度碳硫在各種金屬中化合物的穩(wěn)定程度3生成的生成的CO2比比SO2自由能變化自由能變化Gfo 小，說明了小，說明了CO2比比SO2穩(wěn)定，當燃燒室熱量不足時（溫度低于穩(wěn)定，當燃燒室熱量不足時（溫度低于1300），），SO2還會進一步與還會進一步與O2反應，生成自由能變化反應，生成自由能變化Gfo 更小更更小更穩(wěn)定的穩(wěn)定的SO3。而。而CO2不可能進一步起化學反應，一般情況不可能進一步起化學反應，一般情況下下SO2的生成率很難達到的生成率很難達到100%。（燃燒室溫度達到。（燃燒室溫度達到1700以上時生成的以上時生成的SO3數(shù)據(jù)可以忽

9、略不計）。但是碳硫數(shù)據(jù)可以忽略不計）。但是碳硫分析儀只測分析儀只測CO2SO2的濃度來推導出含碳含硫量，這的濃度來推導出含碳含硫量，這樣硫的測量精度明顯地與樣硫的測量精度明顯地與SO2的生成率直接有關。即使有的生成率直接有關。即使有CO生成，系統(tǒng)中有轉化爐裝置，能將生成，系統(tǒng)中有轉化爐裝置，能將CO轉化成轉化成CO2，因，因此碳的測定結果比較穩(wěn)定。此碳的測定結果比較穩(wěn)定。整理課件7碳硫在各種金屬中化合物的穩(wěn)定程度碳硫在各種金屬中化合物的穩(wěn)定程度4. 1摩爾摩爾C和和Fe3C與與O2化學反應后，生成熱化學反應后，生成熱后者要比前者大得多，然而在做高碳樣品后者要比前者大得多，然而在做高碳樣品測試時

10、，稱量又比中低碳樣品少得多，測試時，稱量又比中低碳樣品少得多，因而出現(xiàn)高碳高硫高碳低硫樣品的硫很因而出現(xiàn)高碳高硫高碳低硫樣品的硫很難測準，其原因就是燃燒室熱量不夠。難測準，其原因就是燃燒室熱量不夠。整理課件8CO2SO2的物理性能和化學性能的物理性能和化學性能1. CO2的沸點比的沸點比SO2低得多，而且絕對粘度高低得多，而且絕對粘度高汽化熱也汽化熱也小，也就是說，不容易液化凝聚。這與我們在冬天測定碳小，也就是說，不容易液化凝聚。這與我們在冬天測定碳硫樣品時硫元素測出的含量偏低的情況是一致的。要改善硫樣品時硫元素測出的含量偏低的情況是一致的。要改善這種情況，除了保持室內(nèi)這種情況，除了保持室內(nèi)2

11、5恒溫以外，最好在分析氣流恒溫以外，最好在分析氣流經(jīng)的管道上加熱。經(jīng)的管道上加熱。COCO2 2和和SOSO2 2物理化學性能比較物理化學性能比較沸點沸點健健 角角偶極距偶極距1O1O-18-18c.g.sc.g.s絕對粘度絕對粘度2O2O時時汽化熱汽化熱kcal/molkcal/mol溶解度溶解度2525時時鍵長鍵長A ACOCO2 2-78-7818O18OO O16O.O16O.O3.883.88O.1449O.14491.151.15SOSO2 2-1O-1O119.536119.5361.631.63124.2124.25.965.969.419.411.43211.4321整理課件

12、9CO2SO2的物理性能和化學性能的物理性能和化學性能 2.盡管盡管CO2SO2都屬于極性分子，但由于都屬于極性分子，但由于CO2分子的鍵角分子的鍵角為為180完全對稱，所以整個分子偶極距為零，它不容易被完全對稱，所以整個分子偶極距為零，它不容易被吸附。而吸附。而SO2分子的鍵角為分子的鍵角為119.536，即分子呈三角形，即分子呈三角形，偶極距為偶極距為1.6310-18c.g.s,它就很容易被吸附。吸附是指當它就很容易被吸附。吸附是指當分析氣經(jīng)過氣路時，被統(tǒng)稱為吸附劑的物質的表面吸收的現(xiàn)分析氣經(jīng)過氣路時，被統(tǒng)稱為吸附劑的物質的表面吸收的現(xiàn)象。分析氣的吸附可以分成物理吸附和化學吸附。物理吸附

13、象。分析氣的吸附可以分成物理吸附和化學吸附。物理吸附是指被吸附的物質和吸附劑之間不發(fā)生化學反應，這種吸附是指被吸附的物質和吸附劑之間不發(fā)生化學反應，這種吸附是由于分子之間的相互引力所引起的，此力通常被稱為范德是由于分子之間的相互引力所引起的，此力通常被稱為范德華力（取向力誘導力色散力的總和），可以用華力（取向力誘導力色散力的總和），可以用BET（Brunauer-Emmett-Teller）吸附等溫式）吸附等溫式-公式（公式（1），），計算它的吸附量。這種吸附?jīng)]有選擇性，除了表面形狀之外計算它的吸附量。這種吸附?jīng)]有選擇性，除了表面形狀之外吸附劑和被吸附物質本身的化學性質不起作用，任何固體都吸附

14、劑和被吸附物質本身的化學性質不起作用，任何固體都可以吸附任何氣體?？梢晕饺魏螝怏w。整理課件10CO2SO2的物理性能和化學性能的物理性能和化學性能SmmsPPCVCCVPPVP11)(公式（公式（1 1）式中：式中：V - V - 吸附量；吸附量； Vm - Vm - 單分子吸附層吸附量；單分子吸附層吸附量； P - P - 吸附平衡時氣體的壓力；吸附平衡時氣體的壓力； Ps - Ps - 氣體在吸附溫度下飽和蒸汽壓；氣體在吸附溫度下飽和蒸汽壓； C - C - 常數(shù)常數(shù)TCBAPslog式中：式中：P Ps s - T - T時的飽和蒸汽壓；時的飽和蒸汽壓； T - T - 溫度；溫度；

15、A AB BC - C - 常數(shù)。常數(shù)。公式（公式（2 2）對對COCO2 2：A=9.64177A=9.64177，B=1284.07B=1284.07，C=268.432C=268.432； 對對SOSO2 2：A=7.32776A=7.32776，B=1022.86B=1022.86，C=240.0C=240.0整理課件11CO2SO2的物理性能和化學性能的物理性能和化學性能 由公式（由公式（2 2）可以看出溫度越高飽和蒸汽壓也越高。）可以看出溫度越高飽和蒸汽壓也越高。由公式（由公式（1 1）可以得出：）可以得出：1. 1. 如果提高吸附溫度在其它條件不變的情況下將減如果提高吸附溫度在其

16、它條件不變的情況下將減少吸附量少吸附量V V；2. 2. 如果減少吸附劑的表面積也將減少它的吸附量；如果減少吸附劑的表面積也將減少它的吸附量；3 3當我們做痕量碳硫樣品時，由于當我們做痕量碳硫樣品時，由于COCO2 2和和SOSO2 2的分壓的分壓力減少所引起吸附量的減少會導致氣路中已吸附的力減少所引起吸附量的減少會導致氣路中已吸附的COCO2 2和和SOSO2 2釋放。釋放?；瘜W吸附是被吸附物質與吸附劑分子之間相互作用生化學吸附是被吸附物質與吸附劑分子之間相互作用生成一種結合物的吸附。這種吸附具有選擇性，因此成一種結合物的吸附。這種吸附具有選擇性，因此CO2和和SO2兩種氣體的吸附量就相差很

17、大。通常，在氣路中兩種氣體的吸附量就相差很大。通常，在氣路中的化學吸附劑分子主要是水分子的化學吸附劑分子主要是水分子各種金屬氧化物粉分各種金屬氧化物粉分子和試樣的揮發(fā)粉塵。子和試樣的揮發(fā)粉塵。整理課件12CO2SO2的物理性能和化學性能的物理性能和化學性能 室溫時，室溫時，CO2在水中的溶解度比在水中的溶解度比SO2要小得多，大約要小得多，大約是是SO2的六十五分之一，而在分析測試過程中，空氣中的的六十五分之一，而在分析測試過程中，空氣中的水氣不可避免地會吸附在試樣表面燃燒管表面過濾網(wǎng)水氣不可避免地會吸附在試樣表面燃燒管表面過濾網(wǎng)表面等分析氣通道中。當分析氣通過時，表面等分析氣通道中。當分析氣

18、通過時，SO2就與水分結就與水分結合生成亞硫酸；部分合生成亞硫酸；部分CO2與水分結合生成碳酸。這現(xiàn)象與與水分結合生成碳酸。這現(xiàn)象與室內(nèi)溫度較高時，連續(xù)做同一種樣品，結果硫的測試值越室內(nèi)溫度較高時，連續(xù)做同一種樣品，結果硫的測試值越來越高是一致的。因為爐頭部分過濾網(wǎng)部分等分析氣通來越高是一致的。因為爐頭部分過濾網(wǎng)部分等分析氣通道隨著一次次高溫的分析氣通過，由于熱量傳遞而溫度升道隨著一次次高溫的分析氣通過，由于熱量傳遞而溫度升高，明顯地減少了吸附在上面的水分，從而也減少了碳酸高，明顯地減少了吸附在上面的水分，從而也減少了碳酸亞硫酸的生成。亞硫酸的生成。整理課件13CO2SO2的物理性能和化學性能

19、的物理性能和化學性能 金屬氧化物能吸附金屬氧化物能吸附CO2和和SO2，通過對多種金屬氧化，通過對多種金屬氧化物吸附物吸附CO2和和SO2進行的大量試驗研究發(fā)現(xiàn)不同金屬氧化進行的大量試驗研究發(fā)現(xiàn)不同金屬氧化物對物對CO2的吸附順序為：的吸附順序為：Na2OCaO活性活性Al2O3稀土稀土氧化物氧化物Cr2O3V2O5活性活性MnO2TiO2MoO3WO3Fe2O3SnO2，對，對SO2的吸附順序為：的吸附順序為：Na2OCaOV2O5活性活性MnO2稀土氧化物稀土氧化物Cr2O3活性活性Al2O3MoO3TiO2Co2O3WO3Fe2O3SnO2。將金屬氧。將金屬氧化物試驗管加熱至化物試驗管加

20、熱至80，對，對CO2吸附順序無變化，對吸附順序無變化，對SO2吸附順序略有變化，即吸附順序略有變化，即Fe2O3吸附量增加上升到活性吸附量增加上升到活性Al2O3與與MoO3之間，稀土氧化物以左的氧化物吸附量比室溫時之間，稀土氧化物以左的氧化物吸附量比室溫時增大。增大。整理課件14CO2SO2的物理性能和化學性能的物理性能和化學性能 收集試樣分析后的粉塵，測其含碳硫量，對試樣的揮收集試樣分析后的粉塵，測其含碳硫量，對試樣的揮發(fā)粉塵進行分析。凡試樣含碳硫量高的，粉塵中吸附量多。發(fā)粉塵進行分析。凡試樣含碳硫量高的，粉塵中吸附量多。反之，吸附量少。凡含錳釩和稀土金屬的試樣，粉塵中反之，吸附量少。凡

21、含錳釩和稀土金屬的試樣，粉塵中含含C、S量高，含量高，含S量更甚之。普通鋼鐵、低合金鋼、碳素量更甚之。普通鋼鐵、低合金鋼、碳素鋼、紫銅及純鎳等試樣，粉塵中含鋼、紫銅及純鎳等試樣，粉塵中含C、S在在0.00080.002%范圍，原因是這些金屬除碳素鋼外，一般含范圍，原因是這些金屬除碳素鋼外，一般含C、S量不高，揮發(fā)物少，將這些試樣的揮發(fā)物，裝入試驗管內(nèi)，量不高，揮發(fā)物少，將這些試樣的揮發(fā)物，裝入試驗管內(nèi)，分別注入分別注入CO2、SO2標氣，并測定其通過揮發(fā)物未被吸附標氣，并測定其通過揮發(fā)物未被吸附的吸附量，然后加熱至的吸附量，然后加熱至120，再測定脫附量，結果，再測定脫附量，結果CO2約有約有

22、92.7%被脫附出，被脫附出，SO2僅有僅有24.3%脫附出，這說明揮脫附出，這說明揮發(fā)粉塵對發(fā)粉塵對CO2是物理吸附，對是物理吸附，對SO2有部分是化學吸附。有部分是化學吸附。整理課件15CO2SO2的物理性能和化學性能的物理性能和化學性能目前還無法根本解決吸附的問題，但可采取以下幾種方式減少吸附：目前還無法根本解決吸附的問題，但可采取以下幾種方式減少吸附：1、用石英砂或、用石英砂或SiO2細粒復蓋，可減少揮發(fā)物。細粒復蓋，可減少揮發(fā)物。2、若燃燒揮發(fā)大的試樣時，可用適量、若燃燒揮發(fā)大的試樣時，可用適量SiO2復蓋和加坩堝蓋來減少揮發(fā)。復蓋和加坩堝蓋來減少揮發(fā)。3、可用、可用CuO作助熔劑，減少揮發(fā)性粉塵。作助熔劑，減少揮發(fā)性粉塵。4、在分析前可用若干個、在分析前可用若干個C、S試樣預燒，使氣路中沉積粉塵吸附飽和后，再試樣預燒，使氣路中沉積粉塵吸附飽和后，再分析