NOWOCZESNE TECHNIKI BADAWCZE W INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ Beata Grabowska, pok. 84A, Ip

Transkrypt

1 NOWOCZESNE TECHNIKI BADAWCZE W INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ Beata Grabowska, pok. 84A, Ip

2 Dobór materiałów

3 Własności materiału jako kryteria doboru Klasy kryteriów Ogólne Mechaniczne Cieplne Własności Względny koszt Zapotrzebowanie Moduł sprężystości Wytrzymałość Odporność na pękanie Wskaźnik zmęczeniowy Przewodniość cieplna Dyfuzyjność Pojemność cieplna Temperatura zeszklenia Współczynnik rozszerzalności cieplnej Odporność na udary cieplne Odporność na pełzanie METODY BADAWCZE

4 Wybór techniki badawczej

5 POBIERANIE PRÓBEK OBRÓBKA POBRANEJ PRÓBKI TRANSPORT I PRZECHOWYWANIE PRÓBEK PRZYGOTOWANIE PRÓBEK DO BADAŃ Wybór techniki badawczej WYKONANIE POMIARU ANALIZA WYNIKÓW

6 Próbka

7 Co to jest próbka? Próbka część materiału, który podlega bezpośrednio badaniu ze względu na daną cechę i na podstawie którego orzeka się o kształtowaniu się wartości tej cechy w całym materiale; Próbka reprezentatywna próbka, której struktura pod względem danej cechy nie różni się zasadniczo od struktury całości materiału; Próbka pierwotna część partii materiału pobrana jednorazowo z jednego miejsca; Próbka jednostkowa część materiału złożona ze wszystkich próbek pierwotnych pobranych z określonego miejsca; Próbka ogólna - część partii materiału złożona ze wszystkich próbek pierwotnych pobranych z danej partii; Próbka złożona sekwencyjnie próbka powstała na skutek pobierania próbek jednostkowych do jednego pojemnika według ustalonego programu.

8 Rodzaje próbek Próbka laboratoryjna próbka przygotowana z próbki ogólnej, reprezentująca właściwości materiału przeznaczona do prowadzenia analiz; Próbka do badań próbka przygotowana z próbki laboratoryjnej, z której pobiera się próbkę analityczną; Próbka analityczna część pobrana z próbki laboratoryjnej, przeznaczona w całości do jednego oznaczenia; Próbka wzorcowa próbka o dokładnie znanym składzie; Próbka rozjemcza próbka mająca na celu ustalenie zawartości składników, których oznaczenia wykonane przez różne laboratoria nie są zgodne; wyniki analizy próbki rozjemczej wykonane w instytucji przyjętej przez zakłady są obowiązujące dla obu stron.

9 Rodzaje próbek STAŁE SYPKIE MAZISTE PÓŁCIEKŁE CIEKŁE

10 Pobieranie próbek Pobrana do badań próba musi odpowiadać materiałowi, z którego została pobrana zarówno pod względem ilościowym, jak i jakościowym; Dla danego typu próbki należy stosować techniki pobierania odpadów podane w normach. W normach opisane są również przyrządy do pobierania próbek materiałów sypkich, ciekłych, półciekłych, mazistych; Norma Polska regulująca pobieranie i przygotowanie próbek chemicznych PN-68/C ; Całość materiału należy ocenić na podstawie analizy partii materiału; Pobiera się próbki pierwotne w celu ustalenia zakresu stężenia analizowanego składnika.

11 Pobieranie do analizy ilościowej Próbka ogólna, jednostkowa lub pierwotna powinna być większa im bardziej niejednorodny jest skład produktu! gdyż większe i bardziej niejednorodne są bryły produktu, mniejsza jest zawartość poszukiwanego składnika oraz próbka powinna być tym większa im większa jest partia produktu! Wielkość próbki pierwotnej w zależności od wielkość ziarna: Wielkość ziaren lub kawałków [mm] Pierwotna próbka (minimum) [g] do Ponad UWAGA! Objętość próbki pierwotnej produktu ciekłego, półciekłego lub mazistego powinna wynosić co najmniej 100ml.

12 Masa próbki Masa próbki ogólnej zależy od wielkości partii produktu. Materiały ciekłe, półciekłe, maziste Materiały sypkie i w kawałkach Wielkość partii Wielkość próbki Wielkość partii Wielkość próbki <8 t 8-60 t t t 1% całej partii 80 kg 120 kg 160 kg <4 t 4-50 t t t 5% całej partii 200 kg 400 kg 600 kg Wielkość próbki laboratoryjnej zależy od rodzaju i liczby przewidywanych do wykonania badań oraz rodzaju stosowanych metod analitycznych.

13 Pobór próbek pierwotnych Pobieranie próbki pierwotnej powinno odbywać się możliwie szybko i w takich warunkach, które nie wpływają na właściwości badanego produktu. Do pobierania próbek pierwotnych należy stosować przyrządy umożliwiające pobór próbki z całej warstwy produktu. ALE! 1. Pobór próbek materiału sproszkowanego i miału. 2. Pobór próbek materiałów ciastowatych i półciekłych. 3. Pobór próbek cieczy jednorodnej lub cieczy dokładnie wymieszanej 4. Pobór próbek ciekłych gromadzonych w pojemnikach.

14 Pobór próbek pierwotnych Zalecane techniki poboru próbek pierwotnych w zależności od sposobu składowania. Sposób składowania Bęben zaczopowany z jednej strony Punkt poboru Pobór próbki przez otwór czopowy. Bęben zaczopowany z boku Należy położyć bęben na boku z czopem do góry. Pobór próbki przez otwór czopowy. Beczka, bęben, kubły, worki, torby Pobór próbki przez otwór z góry beczek, wiader i tym podobnych pojemników. Pobór próbek przez otwory wsypowe do worków i toreb. Pobór próbek ze środkowego punktu pojemników po przekątnej naprzeciwko otworu. Autocysterna próżniowa i podobne pojemniki Pobór próbki przez górny właz. Pobór próbek ze wszystkich innych włazów.

15 Pobór próbek pierwotnych Zalecane techniki poboru próbek pierwotnych w zależności od sposobu składowania. Sposób składowania Baseny, doły, laguny Punkt poboru Należy podzielić powierzchnię na urojoną siatkę. Pobór trzech próbek z jednego oczka siatki: jednej blisko powierzchni, jednej z połowy głębokości, jednej z dna. Powtórzyć pobór z każdego oczka sieci wzdłuż całego basenu lub składowiska. Stos odpadów Pobór próbki przynajmniej z trzech różnych punktów po przekątnej naprzeciw punktu wprowadzania odpadów. Zbiornik magazynowy Pobór próbek od góry poprzez otwór próbnikowy. Gleba Podzielić powierzchnię na urojoną siatkę. Pobrać próbkę zkażdego oczka.

16 POBIERANIE PRÓBEK DO ANALIZY ILOŚCIOWEJ

17 Próbniki Próbniki muszą być wykonane z materiału nie oddziałującego z pobieraną próbką produktu. Głównymi czynnikami determinującymi wybór sprzętu do pobierania próbek stałych są: granulacja, ilość produktu, a także to, czy produkt znajduje się w spoczynku, czy w ruchu. Najprostszym przyrządem do poboru próbek stałych jest łopata. Najpowszechniej stosowanymi próbnikami do pobierania próbek materiałów drobnoziarnistych (do 20mm), granulowanych oraz sproszkowanych są zgłębniki metalowe o różnych rozwiązaniach konstrukcyjnych. Próbniki do pobierania próbek materiałów sypkich i w kawałkach (jednorurowe i dwururowe). Próbniki do pobierania próbek mazistych i ciastowatych. Próbniki do pobierania próbek ciekłych (czerpaki, batomery).

18 Próbniki jednorurowe Próbniki jednorurowe do poboru próbek materiałów sypkich Składają się z otwartej metalowej rury, ściętej na jednym końcu pod kątem 45 o, z lekko zaokrąglonymi krawędziami. Na drugim końcu znajduje się rękojeść zamykająca rurę.

19 Próbniki dwururowe Próbniki dwururowe do poboru próbek materiałów sypkich Składają się one z dwóch rur, z których jedna wchodzi w drugą nie pozostawiając szczeliny, ale z możliwością wykonywania ruchów, zarówno obrotowego jak i wzdłużnego. Koniec zewnętrznej rury, zagłębiany w materiał sypki, jest zazwyczaj zakończony lekko zaokrąglonym stożkiem. Koniec wewnętrznej rury jest obcięty, płasko zamknięty i powinien dochodzić do połowy stożka. Drugi koniec obu rur posiada uchwyty umożliwijące manipulację próbnikiem.

20 Próbniki do próbek mazistych Próbniki do pobierania próbek Materiałów mazistych i ciastowatych Wykonany jest z dwóch połówek rury przeciętej wzdłuż i połączonej zawiasami. Do górnej części obu połówek rury przymocowana jest rączka, umożliwjającą zagłębienie i zamknięcie próbnika. Dolny koniec próbnika ma zakończenie stożkowe. Otwarty próbnik wbija się w materiał, a po osiągnięciu wymaganej głębokości zamyka, obracając go o 180 o, a następnie wyciąga. W celu napełnienie próbnika wykonuje się niewielkie obroty w obie strony.

21 Przyrządy do pobierania próbek wody a) Czerpak Patalasa do pobierania próbek wody: 1)sprężyna i zatrzask, 2)uchwyt, 3)otwór wlotowy. b) Przyrząd do pobierania próbek wody z dowolnej głębokości: 1)linka gumowa, 2)wąż gumowy, 3)naczynie ołowiane z umieszczonym wewnątrz naczyniem szklanym na próbkę.

22 Zmniejszanie próbki Zmniejszanie próbki ogólnej do wielkości próbki laboratoryjnej Próbka ogólna musi być możliwie szybko poddana zmniejszeniu do wielkości laboratoryjnej, aby nie zmieniła zawartości wilgoci lub nie uległ wpływom atmosfery. Próbka ogólna w kawałkach zawiera zwykle około 1000kg i przed zmniejszeniem musi być rozdrobniona. Kawałki rozbija się na mniejsze, wielkości orzecha włoskiego.

23 Techniki zmniejszania próbki Techniki zmniejszania próbki ogólnej materiałów sypkich: 1. Technika ćwiartkowania. 1. Technika przemiennego sypania dwóch stożków. 1. Technika przesypywania frakcjonowanego.

24 Technika ćwiartkowania Proces operacji ćwiartkowania prowadzi do zmniejszenia masy próbki o połowę. Składa się ona z trzech faz: 1. Faza 1 - usypanie stożka; 2. Faza 2 - przekształcanie stożka w placek i jego podział na cztery części; 3. Faza 3. pobranie dwóch ćwiartek do dalszej operacji.

25 Technika przemiennego usypywania Technika przesypywania frakcjonowanego jest zmodyfikowaną techniką sypania dwóch stożków. Proces operacji przemiennego usypywania dwóch stożków jest złożony: 1. Całą ilość materiału stanowiącą próbkę ogólną przesypuje się na określoną ilość identycznych stosów (frakcji), a następnie w sposób przypadkowy wybiera się jedną z frakcji do dalszej operacji; 2. Całą próbkę ogólną przesypuje się na dwa stosy, przy czym pierwszy stos powstanie z zawartości np. co czwartej łopaty, a stos drugi z zawartości pozostałych łopat; dalszym operacjom będzie poddawany stos pierwszy.

26 Oznakowanie pobranych próbek Etykiety powinny zawierać następujące dane: 1. Miejsce poboru próbki, 1. Data, godzina pobrania próbki, 1. Rodzaj wstępnej obróbki, 1. Nazwisko i imię pobierającego próbkę.

27 Protokół PROTOKÓŁ POBORU PRÓBY POWINIEN ZAWIERAĆ: 1. Cel i powód poboru próby, 2. Gmina /miejsce/powiat/zakład, 3. Data/godzina/oznaczenie próby, 4. Osoba pobierająca/firma/stanowisko, 5. Przewidywane substancje szkodliwe, 6. Pochodzenie materiału, 7. Charakterystyka materiału przy pobieraniu: 1. Obecne osoby, spostrzeżenia z poboru próby, 2. Transport, 3. Laboratorium, 4. Wskazówki dla dokonującego analizy, 5. Miejsce/data/podpis. kolor, zapach, konsystencja, homogeniczność/uziarnienie, rodzaj składowania, sposób pobrania próby, rodzaj naczynia na próbkę, wielkość próbki,

28 Przygotowanie prób do badań Etapy przygotowania prób odpadów stałych: 1. Wstępne suszenie do stanu powietrznie suchego 2. Suszenie termiczne/liofilizacja 3. Rozdrabnianie 4. Przesiewanie 5. Mineralizacja i roztwarzanie 6. Ekstrakcja.

29 Suszenie Suszenie wstępne w celu usunięcia wilgoci przemijającej. Suszenie termiczne w suszarkach elektrycznych w temperaturze 105 o C. Produkty odpadowe z przemysłówsiarkowego, celulozowopapierniczego w temp. 70 o C. Suszarki laboratoryjne z naturalnym/wymuszonym obiegiem powietrza Niektóre rodzaje próbek/odpadów metalurgicznych suszy się w temperaturze 200 o C (odpady o dużej zawartości chlorków). Odpady metalurgiczne zawierające kwas siarkowy suszy się na łaźni piaskowej w temperaturze 350 o C. Suszarka laboratoryjne próżniowe eko.com.pl

30 Liofilizacja Sposób suszenia materiałów stałych w temperaturze pokojowej lub poniżej zera pod zmniejszonym ciśnieniem. Metoda hermetyczna, w której próbki są izolowane od otoczenia, nie są więc narażone na zabrudzenie, co ma istotne znaczenie przy oznaczaniu zawartości składników śladowych. Liofilizator Alpha firmy DONSERW

31 Rozdrabnianie Stopień rozdrobnienia powinien być tymwiększy,imniższesązawartości oznaczanego składnika. Przy rozdrabnianiu próbek należy zachować odpowiednie warunki: 1. Rozdrabnianie próbek należy prowadzić w laboratoryjnych urządzeniach rozdrabniających, odpowiednich do materiału próbki; 2. W czasie operacji rozdrabniania skład próbki nie może ulegać zmianie 3. Próbki materiałów włóknistych łatwiej jest rozdrabniać w obniżonej temperaturze. W przypadku rozdrabniania próbek do oznaczania składników śladowych należy dobrać materiał, z którego wykonane są części trące rozdrabniarek, aby próbki nie były narażone na zanieczyszczenie materiałem młynka.

32 Rozdrabnianie Stopień rozdrobnienia powinien być tymwiększy,imniższesązawartości oznaczanego składnika. Rozdrabnianie prowadzi się w moździerzach lub młynach. Młyny tarczowe oraz kulowe np. młynek PULVERISETTE z misą porcelanową. Młyny wibracyjne - schładzanie w ciekłym azocie, można rozdrabniać materiały włókniste. Młyny koloidalne proces mielenia zachodzi na mokro, rozdrabnianie cząstek próbki do wielkości ułamków mikrona. młyn firmy Molinari Rodzaju materiału: Twardy, kruchy, średnio twardy Max. uziarnienie początkowe (zależny od rodzaju materiału): 20 mm Uziarnienie końcowe: 0,1 12 mm

33 Przesiewanie Czynność przesiewania ma na celu osiągnięcie jednorodności próbki. Do przesiewania używane są sita o znormalizowanych otworach. Przy badaniu odpadów zazwyczaj wystarczy stosować sita o wielkości oczek 10 i 0,5 mm. Przy oznaczaniu składników śladowych zalecane są wielkości oczek 0,1 mm. W celu ujednorodnienia prób o złożonym składzie stosuje się następujące zabiegi: 1. Intensywne mieszanie zmielonej i przesianej próbki bezpośrednio przed wykonaniem odważek, 2. Zastosowanie homogenizatorów laboratoryjnych, najczęściej wibracyjnych. przesiewacz laboratoryjny LPzE 2e dla sit o średnicy 200 mm firmy ALAB

34 Mineralizacja polega na zniszczeniu zazwyczaj trudnorozpuszczalnych w wodzie związków organicznych i umożliwieniu przez to przeprowadzenia do roztworu składników, jakie chcemy oznaczyć. Mineralizacja powinna zapewnić całkowite utlenienie substancji organicznych oraz zapewnić ilościowy odzysk oznaczanych substancji mineralnych. Roztwarzanie próbek stosuje się kwasy mineralne HNO 3, HCl, H 2 SO 4, woda królewska, HCLO 4,HF.

35 Mineralizacja Mineralizacja na sucho: Polega na wyprażeniu próbki w piecu (poniżej 500 o C) po jej poprzednim spopieleniu na palniku gazowym lub płytce elektrycznej. Mineralną pozostałość rozpuszcza się w niewielkiej ilości kwasu mineralnego i następnie w wodzie. Mineralizacja na mokro: Polega na utlenieniu materii organicznej za pomocą kwasów utleniających lub ich mieszanin. Prowadzenie procesu stapiania zależy od właściwie dobranego topnika, od dokładnego sproszkowania próbki, dokładnego wymieszania jej z topnikiem oraz doboru odpowiedniego tygla. Prowadzić można mineralizację promieniowaniem UV lub mineralizację kwasami.

36 Oznaczanie wilgoci wilgoć przemijająca W p, która jest tracona podczas suszenia na powietrzu osiągając stan równowagi z wilgocią atmosferyczną wilgoć próbki powietrzno-suchej W s,którajest tracona podczas suszenia w suszarce (105 o C) wilgoć całkowita W c: W c = W p + W s (100-W p /100) Wydzielanie wody przeprowadza się dwiema metodami: 1. bezpośrednią, polegającą na ekstrakcji etanolowym roztworem chlorku wapnia 2. pośrednią, polegającą na oddestylowaniu wody w postaci mieszaniny azeotropowej wodabenzen-etanol. elektroniczne.pl

37 Oznaczanie wody 1. Metoda suszarkowa polega na wysuszeniu próbki do stałej masy w temperaturze 105 o C, stosowana gdy woda jest głównym składnikiem lotnym próbki i jeżeli w czasie suszenia substancje zawarte w próbce nie zmieniają swej postaci. 2. Metoda destylacyjna polega na dodaniu do badanego produktu cieczy azeotropującej (ksylen, chloroform) i oddestylowaniu wraz z cieczą azeotropującą zawartej w produkcie wody do wykalibrowanego odbieralnika. Po rozdzielaniu się w odbieralniku wody i ksylenu odczytuje się objętość wydzielonej wody. 3. Metoda Fischera metoda chemiczna miareczkowa. Podstawą tej metody jest reakcja: J 2 +SO 2 +2H 2 O=2HJ+H 2 SO 4 Odczynnik Fischera: roztwór J 2 iso 2 w pirydynie i metanolu.

38 Utrwalanie próbek Dla uzyskanej maksymalnej wiarygodności wyników analizy próbki najlepiej przeprowadzać analizę zaraz po pobraniu. W próbkach mogą następować w miarę upływu czasu reakcje chemiczne. Ochłodzenie próbki do temperatury 4-6 o C. Dodawanie odpowiednich środków utrwalających.

39 Zalecenia dotyczące sposobu zapobiegania zmianom składu i właściwości oraz dopuszczalnego czasu przechowywania próbek w podanych warunkach w odniesieniu do oznaczania wybranych parametrów odpadów niebezpiecznych. Wskaźnik Sposób utrwalania próbki Dopuszczalny okres przechowywania Kwasowość Schłodzenie do temperatury 4 C 24 h Chrom (VI) Dodatek 6 ml stężonego H 2 S0 4 /l 24 h Cynk Dodatek 5 ml stężonego HCI/I 24 h Żelazo (II) Dodatek 2,2' dwupirydyny 24 h Cyjanki Metale rozpuszczone Dodatek 2,5 ml 50% NaOH/l schłodzenie do temp. 4 C Sączenie w miejscu pobrania, dodatek 5 ml stężonego HN0 3 /l 24 h 6 miesięcy Metale zawieszone Sączenie w miejscu pobrania 6 miesięcy Metale ogólne Dodatek 5 ml stężonego HN0 3 /l 6 miesięcy

40 Badanie wyciągów wodnych Badanie wyciągów wodnych: 1. Oznaczenie odczynu 2. Oznaczenie suchej pozostałości lub substancji rozpuszczonych 3. Oznaczenie biochemicznego zapotrzebowania tlenu BZT 5 lub chemicznego zapotrzebowania tlenu ChZT 4. Oznaczanie chlorków 5. Oznaczanie siarczanów 6. Oznaczanie metali ciężkich 7. Pozostałe oznaczenia wykonuje się w zależności od rodzaju odpadu i spodziewanych w nim zanieczyszczeń. Badania te można przeprowadzić wieloma metodami różniącymi się między sobą dokładnością oznaczenia, zakresem stężenia oznaczanego składnika, stopniem oprzyrządowania danej metody.

41 Analiza śladowa Definicja IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) składnik śladowy to każdy związek, którego średnie stężenie jest mniejsze od 100ppm lub 100mg/g Jednostki służące do wyrażania stężenia w zakresie analizy śladowej Podstawowe źródła zanieczyszczeń próbek Straty składników śladowych

42 Analiza śladowa Schemat ten obejmuje wszystkie operacje, które mają znaczenie dla przeprowadzenia oznaczenia składnika występującego na poziomie śladów w określonej matrycy - od pobrania próbki do oznaczenia końcowego.

43 Bibliografia [1] Poradnikgospodarowania odpadami Podręcznik dla specjalistów i referentów ds. ochrony środowiska, pod redakcją Skalmowskiego K., Verlag Dashofer [2] Czechowicz B., Pobieranie próbek, Polskie Centrum akredytacji, Prezentacja Warszawa [3] Rudnik S. Metaloznawstwo, PWN, Warszawa 1997.