關(guān)于煤灰成分測定的影響因素探討

＊趙學(xué)道

（新疆維吾爾自治區(qū)煤炭煤層氣測試研究所 新疆 830000）

煤灰成分主要是指煤炭資源在空氣中完全燃燒時顯露的、煤炭資源所蘊含的無機(jī)礦物質(zhì)成分及有機(jī)金屬物質(zhì)成分。對煤灰成分的測定，將在煤炭資源地質(zhì)勘探過程中為鉆井方式選擇、鉆井位置優(yōu)化等提供重要信息參考，使煤炭資源在不同煤層之間的對比得到科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐，也能利用煤灰成分測定初步判別煤灰熔點，為煤灰資源的充分利用提供更強(qiáng)有力的證據(jù)。但在煤灰成分測定過程中，由于煤灰成分參數(shù)屬于精確度要求較高的實驗參數(shù)，實驗難度較大，涉及煤灰成分分析、重量分析、滴定分析甚至不同滴定方法對煤灰成分中不同化學(xué)物質(zhì)含量的影響因素分析。

1.煤灰成分

煤炭資源蘊含著多種多樣化學(xué)元素，磷、硅、鎂、氧、鈣、硫等元素比比皆是，以氧化物、金屬氧化物或者復(fù)合鹽結(jié)形式存在于煤炭資源中。煤灰是煤炭資源充分燃燒后生成的化學(xué)物質(zhì)，包含二氧化硅、三氧化硫、氧化鉀、氧化鈉等。

2.煤灰成分測定的影響因素分析

(1)重量分析

利用重量分析法測定煤灰中二氧化硅成分含量的大小時，在煤灰樣品中加入氫氧化鈉溶液后利用廢水浸潤提取，再混合鹽酸酸化，將所有溶液蒸發(fā)至干燥狀態(tài)，最后在鹽酸介質(zhì)中利用動物凝膠進(jìn)行沉淀，過濾后灼燒得到煤灰成分中含有的二氧化硅物質(zhì)，整個實驗過程步驟繁瑣，在操作過程中對物質(zhì)成分提取和過濾、灼燒等的控制難度較大，也就成為煤灰物質(zhì)成分中二氧化硅成分含量測定的重要影響因素測定結(jié)果如表1所示。由表1可知，前兩次實驗過程與標(biāo)準(zhǔn)樣品中二氧化硅實際含量標(biāo)準(zhǔn)值存在著較大偏差，呈現(xiàn)明顯偏高狀態(tài)。深入探究導(dǎo)致煤灰成分中二氧化硅成分測定結(jié)果偏高的原因可知，該實驗經(jīng)歷高溫灰化和灼燒過程，二氧化硅在經(jīng)過繁雜步驟后的沉淀并非是純白色，化學(xué)反應(yīng)結(jié)束后的物質(zhì)部分白部分黑灰。

表1 二氧化硅的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)

(2)滴定分析

煤灰成分測定過程中的滴定度是影響煤灰中諸多物質(zhì)成分含量結(jié)果準(zhǔn)確度的關(guān)鍵因素，滴定度的準(zhǔn)確性將直接影響煤灰物質(zhì)中三氧化二鐵、三氧化二鋁、氧化鈣、氧化鎂等諸多物質(zhì)的百分?jǐn)?shù)含量，滴定度不準(zhǔn)確，則無法保證煤灰成分測定過程數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在利用標(biāo)定后的標(biāo)準(zhǔn)工作溶液滴定被測試的煤灰物質(zhì)時，煤灰物質(zhì)中的三氧化二鐵、三氧化二鋁、氧化鈣和氧化鎂四種氧化物的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)結(jié)果如表2所示。由表2可知，該實驗數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)值相比，三氧化二鐵和三氧化二鋁的測定質(zhì)量百分?jǐn)?shù)結(jié)果普遍偏高，兩類氧化物只有第六次的實驗結(jié)果在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，氧化鈣的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)僅第五次實驗測定結(jié)果偏低，氧化鎂的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)測定結(jié)果卻普遍偏高，僅僅第四次和第六次的測定結(jié)果在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)。

表2 金屬氧化物的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)

(3)分光光度法測定TiO2和P2O5含量的影響因素

在利用分光光度法測定煤灰物質(zhì)中二氧化銻和氧化磷含量的影響因素時，以硫酸物質(zhì)為基本介質(zhì)，以磷酸掩蓋鐵離子，再利用鈦元素和過氧化氫形成的黃色絡(luò)合物的明顯可見狀態(tài)，測定煤灰物質(zhì)成分吸光度，得到二氧化銻的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。另一方面，借助硫酸氨和氫氟酸融合時的化學(xué)反應(yīng)過程，將煤灰樣品中的二氧化硅成功析出，最后利用鉬酸銨和抗壞血酸溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后生成清晰可見的藍(lán)色物質(zhì)，借助分光光度法測定其吸光度，以此探究煤灰物質(zhì)中氧化磷物質(zhì)含量的具體值，整個測定結(jié)果如表3所示。由表3可知，氧化銻含量測定結(jié)果在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，但氧化磷的含量測定結(jié)果呈現(xiàn)出起伏變化狀態(tài)，氧化磷含量測定結(jié)果初始值偏低，但第五次和第六次的實驗結(jié)果在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，究其原因可知，影響氧化磷成分含量的測定因素主要是未曾現(xiàn)場配置、現(xiàn)場使用抗壞血酸氨，在一定程度上降低了煤灰成分測定過程中氧化磷含量測定的準(zhǔn)確性。

表3 二氧化銻和氧化磷的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)

(4)庫侖滴定法測定SO3含量的影響因素

利用庫侖滴定法測定煤灰物質(zhì)中三氧化硫的物質(zhì)含量時，以煤炭資源完全燃燒后形成的煤灰樣品為實驗對象，在1150℃的高溫實驗條件下添加適量的庫倫滴定法所需催化劑，以空氣流完全凈化為實驗基礎(chǔ)，在其中燃燒制成的煤灰樣品，使煤灰樣品中的硫元素在充分的化學(xué)燃燒過程中生成二氧化硫和三氧化硫，利用燃燒環(huán)境中的空氣流將生成的氣體帶入特定設(shè)備，使生成的二氧化硫和三氧化硫在設(shè)備內(nèi)部的電解池結(jié)構(gòu)中生成亞硫酸和硫酸物質(zhì)，及時啟動電解池結(jié)構(gòu)的電解碘化鉀的化學(xué)反應(yīng)過程，生成碘物質(zhì)標(biāo)記溶液環(huán)境中的亞硫酸，最后根據(jù)設(shè)備顯示值計算得出煤灰樣品中三氧化硫的具體含量，整個測定數(shù)據(jù)如表4所示。由表4可知，后三次測定結(jié)果在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，但前三次測定結(jié)果使煤灰樣品中的三氧化硫質(zhì)量百分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)偏高或偏低狀態(tài)。

表4 三氧化硫的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)

(5)火焰光度法測定K2O和Na2O含量的影響因素

在利用火焰光度法測定煤灰樣品中氧化鉀和氧化鈉物質(zhì)含量的影響因素時，煤灰樣品經(jīng)過氫氟酸和硫酸的分解作用制成稀硫酸溶液，利用火焰光度法測定煤灰樣品中氧化鉀和氧化鈉的物質(zhì)百分?jǐn)?shù)含量。由于火焰光度計調(diào)零過程甚至調(diào)滿過程較為復(fù)雜，因此，煤灰樣品氧化鉀或氧化鈉的標(biāo)準(zhǔn)混合溶液的精確配置在整個煤灰樣品氧化鉀和氧化鈉物質(zhì)含量的測定過程中有著不可忽視的重要價值。利用標(biāo)準(zhǔn)煤灰樣品為研究實驗對象，利用火焰光度法測定樣品中氧化鉀和氧化鈉物質(zhì)含量，其測定結(jié)果如表5所示，由表5可知，火焰光度法測定煤灰樣品中氧化鉀或氧化鈉含量的準(zhǔn)確度較高，6次實驗結(jié)果均在測定標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)。

表5 氧化鉀和氧化鈉的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)

3.結(jié)論與展望

總而言之，在煤灰成分的化學(xué)測定過程中，重量分析法操作過程較為復(fù)雜，且試驗步驟較多，很容易影響煤灰物質(zhì)中二氧化硫、二氧化硅含量的具體測定。利用滴定分析法測量煤灰物質(zhì)中三氧化二鐵、三氧化二鋁、氧化鈣和氧化鎂的物質(zhì)含量時，pH值、外界溫度條件、滴定劑、滴定程度甚至滴定速度等都是影響最終測定結(jié)果的重要因素。上述兩種方法很容易造成煤灰樣品中具體物質(zhì)含量測定結(jié)果的偏高或偏低，因此，必須熟練掌握化學(xué)實驗過程及操作技巧，不斷提升測定結(jié)果準(zhǔn)確度。利用分光光度法測定二氧化銻和氧化磷含量或利用庫侖滴定法測定三氧化硫含量以及利用火焰光度法測定氧化鉀和氧化鈉含量時，方法較為簡單，操作結(jié)果準(zhǔn)確度較高，煤灰樣品測定值基本在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，可在煤灰成分測定過程中推廣使用。