Teledyne Leeman Labs사 ICP-OES Prodigy Plus를 이용하여

Coal Fly Ash의 Dual-View 분석

 

 

 

 

 

 

Introduction

 

비산재(Coal Fly Ash)는 미세하게 분쇄된 석탄을 태우는 과정에서 발생하는 부산물로, 주요 구성물질이 실리카인 미세 분말형 물질입니다. 주로 석탄 화력 발전소에서 생산되며 석탄 연소 잔여물 (CCR)로 알려진 석탄 연소 부산물 중 하나입니다. 다른 CCR 물질에는 바닥재 (Bottom Ash), 보일러 슬래그 및 연도가스 (Flug Gas) 탈황 물질이 포함됩니다.

 

2014년에는 약 1억 3천만톤의 석탄이 미국에서 생산되어 가장 큰 산업 폐기물 유형 중 하나가 되었습니다. 이 폐기물의 대부분은 자원 절약 D조의 요구사항에 따라 매립지에 저장됩니다. 비산재는 콘크리트, 유동성 충전재, 클링커(Clinker), 골재 대체 재료, 토양 개조/안정화 등의 다양한 제품과 재료에도 사용될 수 있습니다. 비산재의 이러한 용도는 환경과 우리에게 매우 긍정적인 영향을 미칩니다.

 

비산재의 구성은 연소에 사용된 석탄의 특성과 직접적으로 관련있기 때문에 폐기 및 재사용 모두에서 미량 원소나 주요 원소가 침출되어 환경 위험을 초래할 수 있습니다. 따라서 비산재는 원소 조정을 확인해야하며 이를 위해 금속 결정의 테스트가 진행됩니다.

 

 

 

Instrumentation

 

Dual-view 토치와 Teledyne CETAC ASX-280 오토샘플러(120 position, Ohama, NE)가 장착된 Prodigy Plus Inductively Coupled Plasma (ICP) 분광계를 사용하여 이 응용노트의 데이터를 분석했습니다.

                        좌) ICP-OES Prodigy Plus    우) Teledyne CETAC ASX-280 Autosampler

 

 

Prodigy Plus는 Mega pixel의 대형 포맷 CMOS (L-CMOS) 검출기와 800mm 초점 거리 Echelle 광학 시스템을 결합시킨 탁상형 동시 ICP-OES입니다. L-CMOS의 활성 영역은 28x28mm로 현재 ICP-OES에서 사용되고 있는 다른 고체 검출기보다 훨씬 큽니다. 이 조합을 통해 Prodigy Plus는 다른 고체 검출기 기반 ICP 시스템보다 높은 광학 해상도를 얻을 수 있습니다. 검출기는 165nm에서 1100nm 사이의 연속적인 파장 범위를 제공하여 파장 범위나 분해능의 저하없이 한 번에 전체 ICP 스펙트럼을 측정할 수 있습니다. 염소 또는 브롬 측정이 필요한 응용 분야의 경우, 선택적 할로겐 검출 시스템을 사용할 수 있어 파장 범위를 135-1100nm까지 확장할 수 있습니다. 또한 카메라의 고속 판독은 사실상 검출기 부가시간 (Overhead time)을 제거하며, 판독 시간은 약 1초이므로 Random access, 비파괴 판독이 가능한 6자리 이상의 다이나믹 레인지를 제공합니다. Prodigy Plus는 40.68MHz의 강력한 Free-running RF 발생기를 사용하여 일반적인 유기 용제 뿐 아니라 가장 어려운 시료 매트릭스도 처리할 수 있습니다.

 

 

 

 

Sample Introduction

 

이 응용자료에는 Ryton® Spray Chamber와 Hildebrand Grid 네뷸라이저로 구성된 HF에 내성을 지닌 시료 주입 시스템이 사용되었습니다. (그림 4) 표준 석영 시료 주입기는 HF 내성 알루미나로 교체되었습니다. Hildebrand Grid는 예외적인 다용도의 분무기로서 HF 뿐만 아니라 수성, 유기물, 고용존 고형물 등 거의 모든 매트릭스에서의 시료에 사용할 수 있습니다. 이 제품의 설계는 우수한 검출 한계와 용해된 고형물에 의한 막힘에 대해 높은 효율을 제공합니다. Prodigy Plus 토치는 시료 유형이 더 높은 유량을 필요로 할 경우, 최대 20L/min에서 작동할 수 있는 착탈식, 저유량 설계입니다. (그림 4)

토치 수명을 향상시키이 위해 Prodigy Plus는 Radial, Axial and Dual view와 같은 모든 기구 구성에 짧은 방사형 토치를 사용합니다. Viewing ports, slots 및 확장된 토치 길이는 사용되지 않습니다.

 

 

 표2. Analytical Wavelenghths

Element	Wavelength, nm	View		Element	Wavelength, nm	View
Al	308.215	Radial		Mn	257.610	Axial
	396.152	Radial			259.372	Axial
As	189.042	Axial		Na	588.995	Radial
	193.759	Axial			589.592	Radial
Ba	233.527	Radial		Ni	231.604	Axial
	493.409	Radial			232.003	Axial
Ca	315.887	Radial		Pb	217.000	Axial
	317.933	Radial			220.353	Axial
Cr	267.716	Axial		Si	251.611	Radial
	283.563	Axial			288.158	Radial
Cu	324.754	Axial		Sr	407.771	Radial
	327.396	Axial			421.552	Radial
Fe	238.204	Radial		Ti	334.941	Radial
	259.940	Radial			336.122	Radial
K	766.491	Radial		V	292.401	Axial
	769.897	Radial			310.230	Axial
Mg	279.078	Radial		Zn	202.548	Axial
	285.213	Radial			206.200	Axial

 

 

 

 

Sample Preparation

 

NIST SRM 1633C Coal Fly Ash는 다음 절차대로 준비되었습니다.

 

1. 0.2000g의 시료를 칭량하고 Teflon™ 비이커에 첨가합니다.

2. 시료를 완전히 덮을만큼 풍분한 초순수(DI)를 첨가합니다.

3. 5mL의 왕수 (질산 : 염산 = 1 : 3 비율)와 2mL의 불산(HF)을 첨가합니다.

4. 비이커를 Teflon™ 커버로 덮고 95~100℃에서 2시간동안 가열합니다. 시료가 산분해되었으면 가열원에서 비이커를 제거하고 실온으로 냉각합니다.

5. Whatman®42 여과지를 사용하여 플라스틱 100mL 부피 플라스크에 걸러내고 초순수를 이용하여 100g으로 희석합니다.

 

 

 

Calibration Stansdards

 

교정 표준물은 VHG Labs (Manchester, NH)의 단일 원소 표준물을 사용하여 준비되었습니다. 표준 물질은 5mL의 왕수와 2mL의 HF를 첨가한 다음, 초순수를 이용해 100g으로 희석하여 시료와 동일한 매트릭스로 맞췄습니다. 교정 표준물 농도는 표 3에 나타내었습니다.

 

표3. Calibration Standard Concentrations, mg/kg

Element	Std0	Std1	Std2	Std3
Al	0	200	400	800
As, Cr, Cu, Mn, Ni, Zn	0	0.20	0.50	1.00
Ba, Sr	0	1.00	2.00	5.00
Ca, K	0	20.0	50.0	100
Fe	0	100	200	400
Mg	0	5.00	10.0	20
Na	0	2.00	5.00	10.0
Pb	0	0.10	0.20	0.50
Si	0	250	500	1000
Ti	0	10.0	20.0	50.0
V	0	0.50	1.00	2.00

 

 

 

 

 

Results and Discussion

 

NIST SRM 1633C Coal Fly Ash 시료는 표 2에 나열된 분석 파장 및 플라즈마 view 구성에서 표 1에 표시된 작동 파라미터를 사용하여 분석되었습니다. 분석 결과는 표 4에 나타냈으며 측정된 값은 인증된 NIST 값과 거의 일치합니다. 또한 2개의 서로 다른 파장에서 측정된 원소는 결과간에 우수한 일치를 나타내어 스펙트럼 간섭이 없음을 나타냅니다. (Both inter-element or intra-order)

 

표4. NIST SRM 1633 Results

Element	Concentration	SD	RSD	Units	Certified Value	% Recovery
Al 308.215 r	13.08	0.039	0.30	%	13.28	98.5
Al 396.152 r	12.98	0.061	0.47			97.8
As 189.042	186.2	3.347	1.80	mg/kg	186.2	100.0
As 193.759	178.7	1.86	1.04			96.0
Ba 233.527 r	0.111	0	0.20	%	0.1126	98.6
Ba 493.409 r	0.11	0.001	0.59			97.7
Ca 315.887 r	1.348	0.004	0.33	%	1.365	98.8
Ca 317.933 r	1.339	0.005	0.38			98.1
Cr 267.716	272.9	1.326	0.49	mg/kg	258	105.8
Cr 283.563	270.9	0.785	0.29			105.0
Cu 324.754	172.1	0.498	0.29	mg/kg	173.7	99.1
Cu 327.396	169.5	0.786	0.46			97.6
Fe 238.204 r	10.30	0.068	0.66	%	10.49	98.2
Fe 259.940 r	10.28	0.068	0.66			98.0
K 766.491 r	1.754	0.006	0.36	%	1.773	98.9
K 769.897 r	1.733	0.008	0.47			97.7
Mg 279.078 r	0.492	0.002	0.39	%	0.498	98.8
Mg 285.213 r	0.491	0.002	0.33			98.6
Mn 257.610	239.5	0.548	0.23	mg/kg	240.2	99.7
Mn 259.372	239.0	0.605	0.25			99.5
Na 589.592 r	0.163	0.001	0.89	%	0.1707	95.5
Na 588.995 r	0.167	0	0.06			97.8
Ni 231.604	133.0	0.254	0.19	mg/kg	132	100.8
Ni 232.003	130.8	2.129	1.63			99.1
Pb 220.353	94.40	0.803	0.85	mg/kg	95.2	99.2
Pb 217.000	94.29	3.824	4.06			99.0
Si 251.611 r	20.84	0.19	0.91	%	21.3	97.9
Si 288.158 r	20.95	0.133	0.63			98.4
Sr 407.771 r	892.4	2.641	0.30	mg/kg	901	99.0
Sr 421.552 r	889.8	6.791	0.76			98.8
Ti 334.941 r	0.709	0.003	0.45	%	0.724	97.   9
Ti 336.122 r	0.703	0.006	0.89			97.1
V 292.401	283.3	0.549	0.19	mg/kg	286.2	99.0
V 310.230	280.6	1.044	0.37			98.1
Zn 202.548	236.1	0.964	0.41	mg/kg	235	100.5
Zn 206.200	235.5	0.727	0.31			100.2

Sr 407.771 r	892.4	2.641	0.30	mg/kg	901	99.0
Sr 421.552 r	889.8	6.791	0.76			98.8
Ti 334.941 r	0.709	0.003	0.45	%	0.724	97.9
Ti 336.122 r	0.703	0.006	0.89			97.1
V 292.401	283.3	0.549	0.19	mg/kg	286.2	99.0
V 310.230	280.6	1.044	0.37			98.1
Zn 202.548	236.1	0.964	0.41	mg/kg	235	100.5
Zn 206.200	235.5	0.727	0.31			100.2

HF 내성 시료 도입 시스템은 뛰어난 감도와 정밀도를 제공하빈다. Hildebrand grid 네뷸라이저는 다른 많은 HF 내성 네뷸라이저보다 더 효율적이며 견고합니다. Hildebrand grid는 HF 내성 뿐만 아니라 막힘 현상이나 아르곤 가습기 없이도 높은 수준의 용해 고형물 (>10%)을 처리할 수 있습니다.

 

CMOS 검출기는 단일 판독값 및 각 플라즈마 view 구성에 대해 모든 시료의 원소 방사 레벨을 포착할 수 있어 분석 시간을 대폭 단축할 수 있었습니다. 원소 간의 강도 차이에 관계없고 필요한 강도로 파장을 분류하기 위한 사전 검사없이 한 번에 여러 파장을 적분할 수 있습니다. 검출기의 높은 판독 속도는 1초 이내에 150개 이상의 파장을 수집했습니다. Prodigy Plus는 낮은 유량의 토치와 결합된 진정한 저비용 분석을 제공하여 시료 처리량을 높이기 위해 전체 분석시간을 줄여서 아르곤 소비를 줄입니다. 이러한 모든 속성들이 결합디어 Prodigy Plus는 넓은 범위의 분석 농도를 가진 시료를 분석하는 실험실에 이상적인 시스템입니다.

 

[관련 문의]                                        

 

영인에스티 분광분석팀 (031-8033-0699)