1、红外光谱法测定粉尘中游离二氧化硅含量分析摘要：游离二氧化硅是煤矿呼吸性粉尘中主要的污染物，长期接触这些粉尘对人体的呼吸系统有极大的损害，甚至会诱发对人体有生命威胁的矽肺病。检测和控制煤矿呼吸性粉尘中的游离二氧化硅含量是贯彻煤矿安全生产的主要内容。鉴于煤矿呼吸性粉尘中游离二氧化硅的主要成分是 -石英，本文参照国家标准运用标准曲线法测定煤矿粉尘中样品游离二氧化硅的含量。 关键字：红外光谱法呼吸性粉尘游离二氧化硅 定量检测 标准曲线 中图分类号： O433 文献标识码： A 文章编号： 引言 红外光谱是由物质分子振动产生的，不同的物质分子具有不同频率的振动频率，可以形成不同的红外光谱图。分析比较被测
2、样品红外光谱的特征峰值，是比较和辨别物质的依据之一。傅里叶变换红外光谱法是一种操作简便、快速灵敏、重复性好以及价格低廉的一种检测技术，可以用于快速、定性的检测出煤矿呼吸性粉尘中游离二氧化硅的含量。 1 试验原理 煤矿呼吸性粉尘中游离二氧化硅和主要成分是 -石英，可以使用标准 -石英建立标准曲线，然后将样品的吸收峰值在 -石英标准曲线中比照，进而得到样品中游离二氧化硅的含量。 2 试验仪器和试剂 2.1 试验仪器 傅里叶变换红外光谱仪；压片机以及压片模具；红外烘烤箱；玛瑙研钵；电子感应天平；高温电炉；干燥器；瓷坩埚 2.2 试验试剂 标准 -石英，纯度在 99%以上；溴化钾 KBr，光谱纯,研磨
3、后经过74 微米筛孔筛 3 试验方法 3.1 样品的采集以及采样的处理 煤矿呼吸性粉尘样品的采集参照工作场所空气中有害物质监测采样规范的国家标准执行。 对于沉降尘，可以将粉尘放在红外烘烤箱中在 105 摄氏度的条件下烘烤 2 个小时，使其灰化，冷却 5 分钟后，放在干燥器内备用。对于粉尘颗粒较大的样品，必须在玛瑙研钵对其研磨，然后使用 74 微米筛孔筛进行筛分，用电子感应天平准确称取筛分后的粉尘样品质量，然后将其放入高温电炉上灰化 30 分钟，待其冷却之后，放在干燥器中待用。对于滤膜上的样品，使用差减法准确称取采样前后滤膜上粉尘的质量，计算出样品质量。将其放到瓷坩埚上置于温度低于 600 摄氏
4、度的高温电炉上灰发半个小时，冷却后放入干燥器内备用。 3.2 样品的制备 称取一定质量的溴化钾和灰化之后的样品充分混合，保证其质量和为 250 克。把他们一同放入玛瑙研钵中研磨均匀，和压片模具一同放入红外烘烤箱在 110 摄氏度（误差允许范围为正负 5 摄氏度）烘烤 10 分钟。然后将干燥之后的混合样品置于压片模具中，在 15 到 20 兆帕的压力条件下，放置 1 分钟。经上述处理后的制备出的锭片就是用于傅里叶变换红外光谱仪测量的样品。对于在滤膜上采集的样品，还需取空白滤膜一张，对其做同样的处理，作空白对照。 3.3 标准曲线的建立 准确称取标准 -石英与溴化钾的混合样（保证标准 -石英的含量
5、为 10 微克/毫克）10 毫克、30 毫克、50 毫克、80 毫克、以及 100 毫克，分别加入溴化钾粉末 240 毫克、210 毫克、200 毫克、170 毫克和 150 毫克。置于玛瑙研钵中研磨混合均匀之后转移到压片模具中，在压片机中压片。制成锭片，记录其在 900600cm-1 的红外光谱谱图。以827628cm-1 作为一条基线，记录在 800cm-1 的红外光谱峰值，以标准-石英的相对质量为纵坐标，以对应的红外光谱峰值为横坐标建立标准曲线，求出曲线方程以及 R2。可以得出曲线方程为y=2023.8x+15.183，R2 为 0.9992。如下面的表和图所示： 表一标准 -石英样在
6、800cm-1 对应的红外光谱峰值 图一标准 -石英的标准曲线及曲线方程 3.4 样品测定以及结果计算 分别将样品锭片和空白锭片在傅里叶变换红外光谱仪上进行扫描，记录其在 800cm-1 的红外光谱峰值。比照标准 -石英的标准曲线，得出样品中游离二氧化硅的含量以及空白的游离二氧化硅含量。煤矿呼吸性粉尘中游离二氧化硅含量按照下列的算式计算：w=(m1-m2)/m100%。其中，w 是粉尘中 -石英的含量，单位是%；m1 为测得煤矿呼吸性粉尘中-石英的质量，单位为 mg；m2 是测得空白样中 -石英的质量，单位是mg，当样品为沉降粉尘时，m2 取值为 0；m 是煤矿呼吸性粉尘样品质量，单位为 mg
7、。 4 试验结果与讨论 4.1 标准 -石英的红外光谱图 煤矿呼吸性粉尘中游离二氧化硅的种类比较多，且晶型复杂。常见的有 -石英、-石英以及无定型石英等等。但是，-石英是煤矿呼吸性粉尘中游离二氧化硅的主要成分。并且只有 -石英在 800cm-1、780cm-1、694cm-1 波数下具有较强、较明显的吸收带。标准 -石英的红外光谱图如下图所示： 图二标准 -石英的红外光谱图谱 4.2 试验样品质量的选取 用红外光谱法测定煤矿呼吸性粉尘中游离二氧化硅的含量要选取适量的样品质量。样品质量过小的话，游离二氧化硅的量可能接近或者小于傅里叶变换红外光谱仪的检测下限，得不出测定其含量所需要的图谱。样品质量
8、过大的话，一方面增加了试验的干扰物质，另一方面定量吸收峰可能超出线性范围进而造成检测的结果偏低。在试验中按照 -石英含量高取样少的原则进行取样。具体试验样品质量选取标准如下图所示： 表二煤矿呼吸性粉尘中游离二氧化硅样品质量选取范围 4.3 红外光谱法测量煤矿呼吸性粉尘中游离二氧化硅方法的加标回收试验 安装试验样品选取质量标准准确称取一定的样品质量（精确到0.001g） ，加入溴化钾粉末至总质量为 250 克，将其全部转移至压片模具中压片。以空气为背景使用傅里叶变换红外光谱仪扫描制得的锭片。记录其在在 900600cm-1 的红外光谱谱图。将其在 800cm-1 的吸光光度值代入标准曲线方程，计
9、算出红外光谱法测量煤矿呼吸性粉尘中游离二氧化硅方法的加标回收率。如下图所示： 表三外光谱法测量煤矿呼吸性粉尘中游离二氧化硅方法的加标回收率 4.4 煤矿呼吸性粉尘中游离二氧化硅测定方法的比较 比较红外光谱法和焦磷酸法可以发现在测定煤矿呼吸性粉尘中游离二氧化硅的含量，可以发现两只方法在测定结果上差别不大。红外光谱法的相对误差范围大致在 0.99%2.98%之内，而焦磷酸法的相对误差范围在 2.56%4%之内。红外光谱法的精确度比焦磷酸法高，同时具备操作简单、省时省力以及节省试剂等优点。值得在煤矿企业推广应用。 5 结论 红外光谱法测定煤矿呼吸性粉尘中游离二氧化硅含量的样品处理、标准曲线绘制以及样
10、品质量的选择都会对测定结果的精确性造成影响。此外，样品中粉尘颗粒的粒度大小也是造成试验结果偏差的一个重要因素。要保证粉尘样品中粒度小于 5 微米的占样品总量的 97%以上。因为，若是粉尘颗粒的粒度大于波长粒子，就会对入射的红外光产出散射现象，造成游离二氧化硅含量测定结果偏低。锭片的均匀程度也是影响样品测定结果的一个重要因素，在测定时要将样品的粉末研磨均匀，对锭片进行 3 次以上的扫描取其平均值，借以消除锭片不均匀造成的偏差。 参考文献 1刘雨.红外光谱法与焦磷酸消化法测定粉尘中游离二氧化硅含量的比较J.职业与健康，2010（08）. 2姚科伟，陈云飞，章巧林等.红外分光光度法测定粉尘中游离二氧化硅的含量J.化学分析计量，2009（08）. 3韩小红.粉尘中游离二氧化硅含量测定过程中的质量控制J.山西化工，2011（06）. 4李凤苏.影响粉尘中游离二氧化硅含量测定的主要因素及改进J.中国卫生检验杂志，2008（09）. 5吉莉丽.作业场所粉尘中游离二氧化硅含量的分析与研究J.现代测量与试验室管理，2007（02）. 6王振全，王培江，连素琴.甘肃省省属煤矿煤尘中游离二氧化硅含量调查J.卫生职业教育，2005（09）.
