紅外-熱導聯合法測定污泥中碳氫氮含量的研究

孫　倩，申曉曉，何俊寶（.天津市環境衛生工程設計院，天津　3000；.天津市市容環境工程設計研究所，天津3000）

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紅外-熱導聯合法測定污泥中碳氫氮含量的研究

孫倩1，申曉曉1，何俊寶2
（1.天津市環境衛生工程設計院，天津300201；2.天津市市容環境工程設計研究所，天津300201）

【摘要】對運用紅外-熱導聯合法測定污泥中碳氫氮含量的可行性做了相關研究性實驗，結果表明：運用該方法對國家有證煤標準物質進行連續3次測定，碳、氫、氮含量均在該標準物質認定值的用戶使用參考不確定度范圍之內；進而分別對2個污泥樣品進行6次測定，并計算結果的相對標準偏差，碳為0.22%、0.44%，氫為0.55%、0.61%，氮為1.13%、0.85%，符合方法中相對標準偏差碳≤2.7%、氫≤1.9%、氮≤4.4%的要求。

【關鍵詞】污泥；紅外-熱導聯合法；碳；氫；氮

污泥中碳、氫、氮元素是評定其焚燒性能的重要指標，其中碳和氫是熱量的主要來源，其含量決定了污泥熱值的高低，氮在污泥燃燒時大部分呈游離狀態，但也會生成少量氮氧化物，對環境造成一定程度的污染。因此，碳、氫、氮元素在污泥中的含量，成為污泥焚燒過程中選擇焚燒條件、設備選型及燃燒計算等方面的重要依據［1］。

CJ/T 221—2005城市污水處理廠污泥檢驗方法中規定了污泥中氮含量的測定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，但該方法操作復雜，測定周期長且不易掌握，難以滿足快速測定的需求，且未對污泥中碳、氫含量的檢測做出相關規定［2］，為有效提高污泥中碳、氫、氮含量的測定速度與準確度、縮短測定周期、提高自動化程度，筆者對紅外-熱導聯合法測定污泥中碳、氫、氮含量的可行性進行相關研究。

1　測定原理

紅外-熱導聯合法綜合使用光譜和熱導技術對樣品中的元素進行定量分析。其中，紅外法利用H2O、CO2因結構不同而對紅外光選擇性吸收的特性來進行碳、氫元素定性和定量分析；熱導法利用N2和He的熱導系數不同而引起電阻變化來進行氮元素定量分析。紅外-熱導聯合法測定污泥中碳、氫、氮含量的原理如圖1所示。

圖1　紅外-熱導聯合法測定污泥中碳氫氮含量原理示意

污泥樣品在氧氣流中充分燃燒，燃燒產物經燃燒爐中的爐試劑凈化后，去除其中的SOx、鹵素單質、鹵化氫等雜質，只留下CO2、H2O、少量的N2、NO及氧氣的混合物被收集在混氣罐中。經充分混勻后，定量抽取1份混勻后的氣體送入紅外檢測池分別測定H2O和C02的含量，從而計算出碳、氫元素的含量；定量抽取另一份混勻后的氣體由高純氦氣作為載氣攜帶在還原爐中去除氧氣，并將其中的NOx還原為N2，經堿石棉和高氯酸鎂分別除去CO2、H2O，然后進入熱導池測定N2含量，從而計算出氮元素的含量［3］。

2　儀器和試劑

儀器：5E-CHN2200元素分析儀（包括燃燒系統、處理系統、檢測系統和控制系統）、萬分之一電子分析天平。

試劑：國家有證煤標準物質、高純氧氣、高純氦氣、高純氮氣及堿石棉、高氯酸鎂等儀器用填充試劑。

3　實驗方法

3.1樣品準備

污泥樣品的制備按照《城市污水處理廠污泥檢驗方法》的相關規定進行［2］。將濕污泥樣品平鋪于瓷托盤上，用玻璃棒等壓散，除去污泥中石子和動植物殘體等異物后烘干，將干污泥樣品混勻后用四分法縮分至獲得所需樣品，研磨后混勻備用。

3.2樣品測定

參數設定：開機后在室溫下對儀器進行爐膛冷態氣密性檢查和氦氣氣路診斷，系統提示氣密性良好后進行溫度設置（主燃燒爐950℃，次燃燒爐850℃，恒溫室50℃，儲氣罐50℃，還原爐600℃），儀器自動升溫到設定溫度，一般恒溫2.5 h左右儀器穩定后可進行測試。

空白實驗：實驗前進行待機吹掃。一般用2.0 L/min的氧氣流量吹掃10 min，潮濕天氣或儀器閑置較長時間時，由于氣路內水分較多導致紅外池輸出電壓較低，可適當延長吹掃時間，使紅外池輸出電壓恢復正常，儀器穩定。吹掃完畢后馬上添加3～5個空白樣品進行測試，直至空白值穩定。對于空白樣品系統默認水分為零，質量為0.800 0 g。

漂移校正：待空白值穩定后，接著做2個廢樣，廢樣測試完成后，準確稱取2個國家有證煤標準物質（85 mg左右）包成水滴狀放入自動進樣裝置，選定測量用方法，輸入質量和水分。測定以供漂移校正，如果煤標樣測試數據結果準確，可以不必進行漂移校正。

樣品測定：準確稱取待測樣品（85 mg左右）于盛樣容器中，并包成水滴狀。為保證數據的準確性，每個樣品必須做2個平行樣。將稱好的樣品依次放入自動進樣裝置，選定測量方法，輸入質量和水分。點擊開始分析按鈕后，元素分析儀將自動開始第1個樣品的分析，分析結束后電腦直接計算出樣品中碳、氫、氮的含量，并依次進行其他樣品的測試。每個樣品分析周期約為7 min。

3.3注意事項

樣品測試應在儀器達到穩定狀態后進行。判斷儀器是否穩定的條件為：熱導池溫度達到（110± 0.05）℃恒溫，150 s內熱導池輸出電壓波動在1 mV左右；以中氣流吹掃C、H紅外池，H2O池電壓150 s內波動在10 mV左右。

應選擇合適的校正曲線。用于漂移校正的標樣和待分析試樣的碳、氫、氮含量應位于校正曲線的中央區域。

測試時應注意樣品是否燃燒完全。測試過程中注意監測池電壓，如果燃燒3階段的后期監測池電壓值與吹掃11階段的監測池電壓值基本一致，說明測試樣品燃燒完全，否則未燃燒完全。測試污泥樣品時，若燃燒1階段檢測電壓為下降，則可能為卡樣或樣品超出紅外池的響應范圍。

4　結果與討論

準確度與精密度是評價分析方法的2個重要指標。為評價運用紅外-熱導聯合法測定污泥中碳、氫、氮含量的準確性和可靠性，選取國家有證煤標準物質（GBW11111j）為標準樣品進行分析，以驗證該方法的準確度；同時選取天津市漢沽垃圾焚燒發電廠2個污泥樣品為測試樣品，分別多次測定樣品的碳、氫、氮含量，以驗證該方法的精密度。

4.1準確度檢驗

用建立的方法分析標準物質，是評價方法準確度最可靠的方法之一。用紅外-熱導聯合法對國家有證煤標準物質（GBW11111j）進行連續3次測定，所得結果如表1所示。

表1　煤標準物質碳氫氮含量測定結果

煤標準物質（GBW11111j）的認定值和用戶使用參考不確定度為：碳（Cd，%）63.15±0.47、氫（Hd，%）4.05±0.13、氮（Nd，%）1.10±0.07。由表1可知，3次測定所得煤標準物質的碳、氫、氮含量分別為63.18%～63.49%、4.06%～4.07%、1.09%～1.10%，均在其認定值的用戶使用參考不確定度范圍內。

4.2精密度檢驗

通常用相對標準偏差來量度方法的精密度。實驗室內用紅外-熱導聯合法對2個污泥樣品分別進行6次測定，并計算相對標準偏差，結果如表2所示。

表2　污泥樣品碳氫氮含量測定結果的相對標準偏差%

由表2可知，2個污泥樣品碳含量測定結果的相對標準偏差分別為0.22%、0.44%，氫含量測定結果的相對標準偏分別為0.55%、0.61%，氮含量測定結果的相對標準偏差分別為1.13%、0.85%，符合方法相對標準偏差的要求。

5　結束語

通過準確度檢驗和精密度檢驗可知，運用紅外-熱導聯合法測定污泥中的碳、氫、氮含量完全可行。該方法具有操作簡便、測試周期短、靈敏度高、準確度高等特點，能滿足污泥中碳、氫、氮含量快速測定的要求，在分析監測領域有較好的應用前景。

參考文獻：

［1］ 李曉東，岑宇虹.污泥流化床焚燒技術的研究及應用［J］.燃燒科學與技術，2002，8（2）：159-162.

［2］ 建設部給水排水產品標準化技術委員會.城市污水處理廠污泥檢驗方法：CJ/T 221—2005［S］.北京：中國標準出版社出版，2006.

［3］ 李婷，徐開群.紅外-熱導聯合法測定煤中碳氫氮含量的原理解析［J］.煤質技術，2012（1）：25-28.

中圖分類號：X705

文獻標識碼：A

文章編號：1005-8206（2016）02-0044-03

作者簡介：孫倩（1988—），主要從事生活垃圾的監測與分析。

收稿日期：2015-12-04

Contents Determination of Carbon，Hydrogen and Nitrogen in Sewage Sludge by Using Infraredthermo Conductive Method

Sun Qian1，Shen Xiaoxiao1，He Junbao2
（1.Tianjin Environmental Sanitation Engineering Design Institute，Tianjin300201；2.Tianjin City Appearance and Environmental Engineering Design&Research Institute，Tianjin300201）

【Abstract】The experiment to study the feasibility of using infrared-thermo conductive method to determine the content ofcarbon，hydrogen and nitrogen in sewage sludge wascarried out.The resultsshowed that the contentsof carbon，hydrogen and nitrogen in coal standard material were within the uncertainty range.The RSD of two sewage sludge samples were 0.22%，0.44%for carbon，0.55%，0.61%for hydrogen and 1.13%，0.85%for nitrogen respectively，which met the requirementsofthe method（≤2.7%for carben，≤1.9%for hydrogen，≤4.4%for nitrogen）.

【Key words】sewage sludge；infrared-thermo conductive method；carbon；hydrogen；nitrogen