離子色譜法在鍋爐水質(zhì)檢測中的應(yīng)用

李 銳

(廣州特種承壓設(shè)備檢測研究院，廣東 廣州 510000)

0 引言

鍋爐是工業(yè)、電力、化工生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛的設(shè)備之一，其主要是將熱能轉(zhuǎn)化為動能的載體。現(xiàn)代鍋爐在大型化與高參數(shù)化下對運(yùn)行穩(wěn)定性提出了更高的要求，而鍋爐原水通常會含有很多不同種類的雜質(zhì)，尤其鍋爐原水中所含有的鈣離子和鎂離子使得原水的硬度較高，在鍋爐運(yùn)行中極易發(fā)生結(jié)垢問題，而一旦出現(xiàn)結(jié)垢，就會導(dǎo)致鍋爐壁過厚，從而使鍋爐水發(fā)生進(jìn)一步濃縮，同時會降低鍋爐受熱面熱傳導(dǎo)效果與效率，不但會造成熱能的浪費(fèi)和成本的提升，也會帶來很大的危險性，嚴(yán)重時甚至?xí)霈F(xiàn)鍋爐爐筒部分發(fā)生鼓包，造成筒管爆裂出現(xiàn)事故。而且這些隱患也會造成鍋爐水質(zhì)不合格，達(dá)不到國家現(xiàn)行《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》《火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動力設(shè)備水汽質(zhì)量》的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。因此，須重視鍋爐水質(zhì)檢測，以保證鍋爐運(yùn)行安全。傳統(tǒng)鍋爐水質(zhì)檢測技術(shù)大多是進(jìn)行離子含量測定，整體操作難度較高且工序眾多，靈敏度不足，還會增加人力成本與時間成本，且會產(chǎn)生超量的化學(xué)試劑廢液，對環(huán)境也會產(chǎn)生不小的污染影響。而離子色譜法的應(yīng)用則能夠提升工業(yè)循環(huán)冷卻水或鍋爐用水檢定的靈敏度，尤其可進(jìn)行鍋爐水中氯、氟、亞硝酸根、硫酸根等物質(zhì)含量的準(zhǔn)確檢測，整體操作難度較低，自動化操作水平好，能夠大幅度提升整體檢測效率與效果。

1 離子色譜法基本原理

離子色譜法是一種較為高效的檢測技術(shù)方法，屬于高效液相色譜，主要對水質(zhì)中的陰離子與陽離子常數(shù)以及含量進(jìn)行準(zhǔn)確測試，通常采用樹脂材料作為檢測原材料，其能夠?qū)α艹鲆哼M(jìn)行在線自動連接的電導(dǎo)檢測[1]。

離子色譜法原理較為簡單，首先使用某些離子，使其在特定檢測條件下進(jìn)行自發(fā)交換，在離子交換后容易被檢測離子分離，再定性分離離子或定量分析。離子色譜法檢測原理如圖1所示。

圖1 離子色譜法檢測原理

在對離子進(jìn)行分離過程中，檢測人員常會應(yīng)用促進(jìn)離子交換的樹脂材料，樹脂容量相對較低，應(yīng)用較多，所以通常被稱為離子交換樹脂。

離子交換樹脂在實(shí)際的水質(zhì)檢測過程中進(jìn)行測定時，主要利用其柱填料性能，鍋爐水質(zhì)檢測人員采用離子強(qiáng)度較低且容易實(shí)驗的溶液，溶液主要被作為流動相時，就能夠采用觀察手段近距離查看溶液電阻，用于檢測和評定水中陰陽離子含量。如果檢測人員對待檢測水質(zhì)使用不同分離原理，則水會發(fā)生3種相應(yīng)分離模式，分別被稱為離子排斥色譜、高效電子交換圖色譜、離子對色譜。這3種高效離子交換色譜有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)，如何進(jìn)行這3種色譜的選擇需要依據(jù)實(shí)際要求，確保其能夠滿足鍋爐水質(zhì)檢測相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)需求[2]。

其具體原理為：選擇淋洗液，使用氫氧根體系或碳酸根體系對陰離子作出檢測，使用甲烷磺酸分析陽離子，取樣后利用泵作用，淋洗液沖洗定量環(huán)帶樣品進(jìn)入色譜柱進(jìn)行分離。

進(jìn)行陰離子分析時，由抑制器裝置電解鍋爐水后產(chǎn)生氫離子，以陽離子交換膜與淋洗液氫氧根離子結(jié)合生成水。碳酸氫根/碳酸根體系和氫離子結(jié)合后生成碳酸，再分解為CO2和水。

分析陽離子時，利用抑制器裝置電解生成氫氧根，以陰離子交換膜和淋洗液氫離子結(jié)合后產(chǎn)生水，降低電導(dǎo)后增強(qiáng)待測離子相應(yīng)，再檢測電導(dǎo)檢測器。

2 傳統(tǒng)鍋爐水質(zhì)檢測項目基本內(nèi)容及具體步驟

傳統(tǒng)鍋爐水質(zhì)檢測項目中檢測技術(shù)主要是針對水質(zhì)硬度和氯離子進(jìn)行檢測。

在鍋爐水質(zhì)的硬度檢測方面主要為樣品提取，再加入氨-氯化銨緩沖溶液，融入指示劑，鍋爐檢測水樣發(fā)生顏色變化，即顏色呈現(xiàn)藍(lán)色后，說明其不具備硬度，如顏色呈現(xiàn)紫紅色，則代表著鍋爐水樣存在一定硬度，在確定硬度后，要使用EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液來滴定水樣，水樣顏色轉(zhuǎn)變?yōu)樗{(lán)色后，準(zhǔn)確記錄EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液的使用量，再依據(jù)使用量參數(shù)來確定鍋爐水樣硬度含量計算的相關(guān)數(shù)據(jù)，以獲得硬度數(shù)值[3]。

氯離子檢測：鍋爐水取樣后滴入酚酞試劑，如水樣呈現(xiàn)紅色，則滴入硫酸溶液，鍋爐檢測水樣變?yōu)闊o色后則加入氫氧化鈉溶液，直至鍋爐水樣顏色轉(zhuǎn)為微紅色，再加入硫酸溶液后水樣會逐漸成為無色，變?yōu)闊o色后加入指示劑，并使用硝酸根標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定到鍋爐水樣中，至其顏色變?yōu)槌燃t色后記錄硝酸根標(biāo)準(zhǔn)溶液的使用量，并采用公式進(jìn)行氯離子濃度的推算。

3 離子色譜法在鍋爐水質(zhì)檢測中的應(yīng)用

現(xiàn)階段，對鍋爐水質(zhì)的檢測項目主要包括pH值、溶解固形物、氯離子、堿度、含氧量、硬度等。其中堿度代表著鍋爐水可接受氫離子程度，含有一定堿度不僅能夠預(yù)防酸性腐蝕，還能夠?qū)⒂须s質(zhì)的污垢排出并提高速度。但也要注意不能堿度過高，否則會被堿腐蝕。因此，鍋爐水需要有一定的pH值與堿度。而氯離子是水中常見陰離子，極化度極強(qiáng)，會加速腐蝕，所以須測定氯離子含量，以反映鍋爐水品質(zhì)。另外，水中還會有氧元素導(dǎo)致氧腐蝕，測定的指標(biāo)中有氧含量。縱觀鍋爐水質(zhì)測定指標(biāo)的關(guān)鍵為硬度，硬度是鈣離子與鎂離子總和，其與鍋爐結(jié)成水垢概率與水硬度相關(guān)，硬度越大，概率越高，工作人員要重點(diǎn)檢測硬度。

以ICS-2000型賽默飛離子色譜儀設(shè)備進(jìn)行鍋爐水質(zhì)檢測為例，檢測過程中主要使用陰離子淋洗液發(fā)生器、泵、柱溫箱、4 mm陽離子抑制器、4 mm陰離子抑制器、電導(dǎo)檢測器等，陰離子色譜柱則選用IonPac AG19保護(hù)柱、IonPac AG19分析柱，而陽離子色譜柱則采用IonPac CG12保護(hù)柱、IonPac CG12分析柱，主要控制項包括流速設(shè)定為1.0 mL/min、定量環(huán)為25 μL、柱溫控制在30℃，氫氧根濃度則控制在12 mmol/L，陽離子淋洗液為16 mmol/L甲烷磺酸，取1.0 mL，并使用18.2 Ωcm去離子水定容在1 000 mL，其中需要重視的是要保留時間定性，外標(biāo)法定量。

樣品檢測前還要作預(yù)處理，主要進(jìn)行鍋爐原水的稀釋，將其處理成為1倍鍋爐原水和5倍鍋爐水，以0.22 μm濾膜來分析樣本。

關(guān)于離子色譜分析驗證方面須取1 000 mg/L的Ca2+、Mg2+標(biāo)準(zhǔn)的儲備液，分別對其配置0.1、0.5、2.0、5.0與10.0 mg/L濃度的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，吸取一定量1 000 mg/L C1-標(biāo)準(zhǔn)儲備液，針對這些色譜條件來進(jìn)行分析并依次進(jìn)樣，相對應(yīng)的現(xiàn)行方程分別為y=0.558 3x、y=0.263 3x，相對系數(shù)為0.999 6、0.999 8、0.999 3，再進(jìn)行3倍信噪比檢出限的計算。

在分析后需要進(jìn)行對比試驗，取鍋爐原水與鍋爐水樣各1份，利用離子色譜法和滴定法進(jìn)行氯離子、鎂離子、鈣離子的測定，再進(jìn)行結(jié)果對比，可發(fā)現(xiàn)測定結(jié)果差異并不明顯。

在操作方面，離子色譜法在自動化方面有著很高的技術(shù)支持，且有著較高的準(zhǔn)確度指標(biāo)，鍋爐水有一定概率干擾離子滴定終點(diǎn)，致使終點(diǎn)變色不明顯，存在滴定誤差，表明離子色譜法準(zhǔn)確性較高。

離子色譜法能夠一次進(jìn)行不同離子含量的測試，且可在很短時間內(nèi)獲取陽離子、陰離子和樣品組成成分的全部數(shù)據(jù)信息，還可同時多次進(jìn)樣，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗操作過程的自動化，提高檢測便利性，有著較高的實(shí)驗穩(wěn)定性，最大程度上防止因人為因素而導(dǎo)致滴定誤差的變大和讀數(shù)誤差的產(chǎn)生對實(shí)驗結(jié)果精準(zhǔn)度造成影響。

4 結(jié)語

鍋爐水質(zhì)檢測是保證鍋爐運(yùn)行可靠性與安全性的關(guān)鍵保障，由于現(xiàn)代行業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的快速提升，鍋爐開始向大型化與高參數(shù)化層面邁進(jìn)，對鍋爐運(yùn)行安全與穩(wěn)定極為關(guān)鍵，這就需要增加鍋爐水質(zhì)檢測的頻次，精準(zhǔn)掌握鍋爐水質(zhì)的實(shí)際情況，做好鍋爐運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控，降低鍋爐安全風(fēng)險的發(fā)生概率。離子色譜法水質(zhì)檢測技術(shù)準(zhǔn)確性較高，而且有利于縮短鍋爐水質(zhì)檢測時間，加快檢測效率，而且離子色譜法檢測鍋爐水質(zhì)有著較高的操作便利性，自動化水平較高，節(jié)約成本，有著較為明顯的應(yīng)用優(yōu)勢。因此，相關(guān)技術(shù)部門要積極研究離子色譜法在鍋爐水質(zhì)檢測方面的應(yīng)用方法并予以改進(jìn)，使技術(shù)水平更加先進(jìn)，實(shí)現(xiàn)行業(yè)的快速發(fā)展。