1 摘要

對(duì)于重油和熱塑性塑料樣品的痕量金屬分析，其樣品制備對(duì)分析實(shí)驗(yàn)室來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)上，這些類型的樣品使用本生燈或其他設(shè)備進(jìn)行火焰處理，然后放入馬弗爐中數(shù)小時(shí)。一旦樣品成功燃燒和灰化，然后將其重新溶于弱酸溶液中。這種方法不僅耗時(shí)，還可能引入污染的可能性。微波消解已經(jīng)在一定程度上取得了成功，但是不同類型的樣品并不總是可以一起批量處理。

CEM最近在微波消解技術(shù)方面取得了重大進(jìn)展。通過(guò)將單模腔（SMC）與快速渦旋相結(jié)合，BLADE™自動(dòng)化微波消解系統(tǒng)可以更快、更完荃地消解這些困難的樣品和許多其他樣品。BLADE自動(dòng)將每個(gè)樣品加載到微波腔中進(jìn)行酸消解和冷卻。一旦完成，它會(huì)自動(dòng)返回其原始的支架位置，并處理下一個(gè)樣品。每個(gè)容器都可以包含不同的材料和酸組合，為實(shí)驗(yàn)室工作流程提供最大的靈活性。

2 介紹

我們正處于能源轉(zhuǎn)型的時(shí)期，可再生能源和電動(dòng)汽車(chē)越來(lái)越便宜，能源電網(wǎng)也越來(lái)越綠色。然而，根據(jù)美國(guó)能源信息管理局的數(shù)據(jù)，石油生產(chǎn)仍然僅占美國(guó)每天近1200萬(wàn)桶的產(chǎn)量¹。從一桶原油中可以提煉出多達(dá)42.5加侖的石油產(chǎn)品，其中汽油是最高產(chǎn)量的產(chǎn)品（占原油的46%），其次是柴油和取暖油。緊隨其后的是煤油、航空燃料和重質(zhì)殘?jiān)�燃料油，如船用燃料�?sup>2。

全球石油產(chǎn)量中約有4%用于生產(chǎn)原生塑料。這相當(dāng)于每年生產(chǎn)的超過(guò)4億噸的材料³。塑料是從石腦油中提取的，而石腦油是通過(guò)原油的蒸餾過(guò)程產(chǎn)生的。然后通過(guò)裂化過(guò)程將石腦油轉(zhuǎn)化為乙烯。乙烯經(jīng)過(guò)聚合后最終被擠出成塑料顆粒，準(zhǔn)備成為世界各地每天使用的眾多塑料制品之一。塑料代表了石化工業(yè)的利潤(rùn)中心，并將繼續(xù)在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)繼續(xù)如此。

3 材料和方法

儀器

BLADE是CEM公司生產(chǎn)的一款自動(dòng)微波消解系統(tǒng)，用于制備各種石化樣品。(圖1) BLADE是一款高性能系統(tǒng)，結(jié)合了速度、簡(jiǎn)單性和自動(dòng)化，可以順序處理樣品。將樣品稱入60毫升石英容器中并加入酸。使用簡(jiǎn)單的卡扣式蓋子，簡(jiǎn)化了容器的組裝。然后將容器裝入兩個(gè)消解架之一。系統(tǒng)然后自動(dòng)將容器加載到腔體中進(jìn)行消解和冷卻，并將其返回到原始架位。一旦完成，下一個(gè)樣品將被處理。每個(gè)樣品都在單獨(dú)的溫度和壓力控制下，這些信息被記錄并存儲(chǔ)。一個(gè)獨(dú)牛寺的攝像頭功能允許對(duì)消解過(guò)程進(jìn)行視覺(jué)監(jiān)測(cè)，這是確認(rèn)消解或方法開(kāi)發(fā)的一個(gè)很好的工具。由于樣品是順序處理的，可以將任何樣品和酸類型的組合放入架子中進(jìn)行消解。樣品在Agilent 7850 ICP-MS（安捷倫科技公司，加利福尼亞州圣克拉拉）上進(jìn)行分析。

圖1. BLADE系統(tǒng)與石英容器
 

樣品制備

本研究的樣品包括各種油和塑料。油的范圍從較輕的餾分如礦物油，到最重的物質(zhì)如船用燃料油。塑料包括易于消化的聚乙烯的樣品，以及更堅(jiān)固的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）。這種熱塑性塑料的結(jié)構(gòu)如圖2所示。PET在工業(yè)中廣泛應(yīng)用，特別是用于塑料飲料瓶�？偣灿腥齻�(gè)標(biāo)準(zhǔn)參考材料被消解以驗(yàn)證方法。這些標(biāo)準(zhǔn)包括潤(rùn)滑油中的磨損金屬（NIST SRM 1085c）以及聚乙烯中的添加劑元素（NIST SRM 2855 II和III）。樣品重量約為0.25克，所有樣品都進(jìn)行了三次重復(fù)消解。所有的消解參數(shù)列于表1中。樣品在消解前后如圖3所示。消解后的樣品在稀釋至最終體積為50毫升的DI水中都是透明、無(wú)色且無(wú)顆粒的。

圖2. PET的分子結(jié)構(gòu)

表1. 各種類型油和塑料的消解參數(shù)

圖3. 消解前后的樣品（稀釋后）
 

分析

感興趣的金屬是根據(jù)SRMs的可用性以及行業(yè)對(duì)微量金屬污染物的關(guān)注而選擇的。樣品在Agilent 7850 ICP-MS上進(jìn)行分析，分析條件列于表2中。除了Ca以外，表中列出的條件用于分析所有元素，Ca使用“H₂”調(diào)諧模式進(jìn)行分析。以下元素用作內(nèi)標(biāo)：Li、Sc、Ge、In、Rh和Tb。本研究未使用氣體稀釋技術(shù)。

表2. Agilent 7850 ICP-MS儀器條件

4 結(jié)果與討論

NIST SRM 2855 II和III的結(jié)果如表3所示。兩者的認(rèn)證元素相同，但鋅和鈣的濃度水平大約是兩倍。與認(rèn)證值相比，所有結(jié)果都非常出色。對(duì)于NIST SRM 1085c也是如此，它被認(rèn)證為額外的元素。這些結(jié)果如表4所示。

表3. NIST SRM 2855 II和III的百分比回收率

表4. NIST SRM 1085c的百分比回收率

5 結(jié)論

BLADE被證明是一種有效且多功能的儀器，可用于制備各種石化產(chǎn)品。它能夠在同一支架中消化所有類型的塑料和油類（包括船用燃料油），為最終用戶提供無(wú)與亻侖比的靈活性和更快的處理速度，相比其他樣品制備方法更具優(yōu)勢(shì)。BLADE還有助于簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)室工作流程，讓技術(shù)人員將支架加載到系統(tǒng)中，然后處理其他任務(wù)。除了油類和塑料，石化實(shí)驗(yàn)室還可以使用BLADE制備催化劑和其他無(wú)機(jī)材料。

引用

1 U.S. Energy Information Administration. United States Crude Oil Production. (accessed November 07, 2022).

2 Statista Research Department. Products Produced from One Barrel of Crude Oil Breakdown. [Online] January 1, 2010. (accessedDecember 1, 2022).

3 Prevented Ocean Plastic. The Relationship Between Oil and Plastic and What That Means for Recycling. (accessed November 7, 2022).