Zu den wichtigsten Methoden zur Bestimmung des Schwefelgehalts in Mineralien zählen derzeit die gravimetrische Methode, die Spektralphotometrie, die EDTA-Titration, die direkte Bariumchlorid-Titration, die Ionenchromatographie, die ionenselektive Elektrodenmethode, die optische Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-OES), die Infrarot-Kohlenstoff-Schwefel-Analyse, die Verbrennungsiodometrie, die gravimetrische Bariumsulfatmethode und so weiter.
Die gravimetrische Methode ist mit einem langen experimentellen Prozess und großen Fehlern bei der Bestimmung von Schwefel in niedrigen Konzentrationen verbunden.
Die iodometrische Methode und die ionenselektive Elektrodenmethode erfordern komplexe experimentelle Aufbauten.
Spektrophotometrie und Titration erfordern viele Reagenzien und eine aufwendige Lösungsvorbereitung.
Die Ionenchromatographie neigt aufgrund des Vorhandenseins von Fluor, Chlor und Phosphor in den Proben zu positiven Fehlern und eignet sich nur für die Analyse von Schwefel in niedrigen Konzentrationen.
Im Vergleich zu den oben genannten Methoden zeichnet sich die Bestimmung des Schwefelgehalts in verschiedenen Mineralien mittels eines Hochfrequenz-Infrarot-Kohlenstoff-Schwefel-Analysators durch einfache Bedienung und hohe Geschwindigkeit aus.
In den 1980er Jahren begann China mit der Einführung und Entwicklung von Hochfrequenz-Infrarot-Kohlenstoff-Schwefel-Analysatoren, die hauptsächlich zur Materialanalyse in Branchen wie der Eisen- und Stahlindustrie sowie der Nichteisenmetallindustrie eingesetzt wurden.
Von den 1990er-Jahren bis Anfang der 2000er-Jahre wurden mit dem technologischen Fortschritt und der steigenden Marktnachfrage die Messgenauigkeit, -geschwindigkeit und -stabilität von Hochfrequenz-Infrarot-Kohlenstoff-Schwefel-Analysatoren deutlich verbessert. Ihre Anwendungsgebiete wurden schrittweise auf die Erdöl-, Chemie-, Porzellan- und weitere Industrien ausgeweitet. Heute verfügt die Branche der Hochfrequenz-Infrarot-Kohlenstoff-Schwefel-Analysatoren über eine relativ vollständige Wertschöpfungskette und wird aufgrund ihrer Vorteile wie hoher Analysegeschwindigkeit, Genauigkeit, einfacher Bedienung und hohem Automatisierungsgrad von der Prüfindustrie geschätzt. Gleichzeitig ist diese Methode sehr anpassungsfähig an verschiedene Proben und wird häufig zur Kohlenstoff- und Schwefelanalyse von Materialien wie Eisen und Stahl, Nichteisenmetallen, Keramik, Zement, Erzen und Kohle eingesetzt.
In dieser Arbeit wird Diatomit als Forschungsobjekt verwendet. Probengewicht, Nachweisgrenze, Präzision und Richtigkeit der Methode zur Bestimmung des Schwefelgehalts mittels Hochfrequenz-Infrarot-Kohlenstoff-Schwefel-Analysator (CS-8800C) werden untersucht, um die Anwendbarkeit dieser Methode auf Diatomiterz zu überprüfen.
Funktionsprinzip
Das Herzstück des Hochfrequenz-Infrarot-Kohlenstoff-Schwefel-Analysators Modell CS-8800C ist der pyroelektrische Sensor, ein intelligentes Infrarot-Analyse- und Messinstrument. Schwefeldioxid und Kohlendioxid weisen starke Absorptionseigenschaften im Infrarotbereich auf. Nach der Absorption der beiden Gase werden die Volumenanteile von Schwefeldioxid und Kohlendioxid durch Messung der Lichtintensitätsänderung bestimmt, wodurch indirekt der Gehalt verschiedener Elemente in der Mineralprobe analysiert wird.
Polare Moleküle wie Kohlendioxid und Schwefeldioxid besitzen permanente elektrische Dipolmomente und unterliegen Rotations- und Schwingungsübergängen. Gemäß den quantenmechanischen Energieniveaus interagiert die einfallende Infrarotstrahlung charakteristischer Wellenlängen mit diesen Molekülen und führt zu einer gegenseitigen Absorption. Das Lambert-Beer-Gesetz, wie in Gleichung (1) dargestellt, beschreibt dieses Absorptionsverhalten vollständig.
I ＝ I0exp(-aPL).
Wo:
-ICH0 — einfallende Lichtintensität;
-ICH — durchgelassene Lichtintensität;
-A — Absorptionskoeffizient;
-P — Partialdruck des Gases;
-L — Länge der Analysezelle.
Eine Mineralprobe von 0,040–0,050 g wird in einen Keramiktiegel eingewogen. Anschließend werden 0,2 g reines Eisenflussmittel und 1,5 g reines Wolframflussmittel hinzugegeben. Der Tiegel wird dann in die Brennkammer eingesetzt.
Im ersten Schritt, der Sauerstoffspülung, wird das entsprechende Magnetventil geöffnet und Sauerstoff gemäß der Analysesequenz des Instruments in die Rohrleitung eingeleitet, um Schwefeldioxid effektiv zu entfernen. Sobald die Gaskonzentration in der Rohrleitung gegen null geht, ist auch der Partialdruck des gemessenen Gases nahezu null. Das erfasste Signal dient dann als Referenzsignal.In0 unter der Bedingung, dass nur Sauerstoff vorhanden ist.
In der zweiten Phase, der Verbrennungs- und Freisetzungsphase, wird der Hochfrequenzofen aktiviert und die Mineralprobe unter hohen Temperaturen und sauerstoffreichem Milieu schnell erhitzt und oxidiert, wodurch SO₂-Gas entsteht. Für jeden Datenpunkt wird eine lineare Kalibrierung durchgeführt. Nach Abschluss der Analyse werden die linear kalibrierten Daten berechnet und der Blindwert subtrahiert, um den Massenanteil von Schwefel in der Probe zu ermitteln.
