如何挑選高安全性能的微波消解儀——幾大安全技術探討

如何挑選高安全性能的微波消解儀——幾大安全技術探討

 倪晨杰   張楷   馬曉玲    （上海屹堯微波化學技術有限公司  上海  201108）
E-mail：chenjieni@eu-chem.com  zhangkai@eu-chem.com
             
    引言
                 
      隨著人類生活品質的提高，有害元素限量的規定將涉及到越來越多的領域，人們越發意識到微波消解是配合元素分析高效、環保的前處理手段，微波消解的使用領域正在不斷拓寬，越來越多的工作者將接觸到微波消解儀。基于此，介紹微波消解儀器的幾大安全技術是十分必要的，方便工作者有目的性的挑選高安全性能的微波消解儀。
             
     一、微波諧振腔
                 
     提到安全性，首先要關注的非常重要的一點就是：微波消解儀器的主體——微波諧振腔（我們俗稱的微波爐腔）。在用戶誤操作的情況下，國內外這么多品牌的微波消解儀廠商，沒有一家敢說自己的消解罐不會爆罐。而一旦發生爆罐，那么微波爐腔將是安全連鎖中最后的防線。

        目前國內外微波消解儀器采用的微波爐腔無外乎二種：（1）為微波消解專業設計定做的工業級別諧振腔；（2）民用微波爐改裝。

        就像汽車在發生碰撞時，車身是否能抵御外來沖擊而保護車內人員安全一樣，工業級腔體在消解罐發生爆炸時能抵御氣浪的沖擊，而民用爐腔在發生爆炸時爐門就會炸飛。而一旦出現這種情況，那就非常危險了。

       現在我們來解釋一下原因：

1、微波爐腔采用的材質不同
                 
       民用微波爐本身設計是應用于食物加工中，其不涉及安全問題，為了降低成本，大多采用厚度為0.6毫米以下的普通鍍鋅板制成。而專用腔體為了安全而且考慮到實驗室的弱酸性環境，采用的大多為2mm以上的316L不銹鋼制成。
                 
      當發生爆罐時，民用爐腔的腔體完全不能低于氣浪的沖擊，基本上是會炸成球體，腔體直接損壞。而專業腔體由于采用高質量的材質和先進的制造工藝從而能抵御沖擊。

2、爐門結構不同
                 
        民用微波爐爐門在設計時只需考慮微波屏蔽功能，因此并不具備防爆性能。而其主體材料是與爐腔同等的普通鍍鋅網狀板，外側配合塑料框架制成。一旦發生爆罐，爐門根本無法抵擋氣浪的沖擊，爐門開裂、變形甚至整體脫落時有發生。而工業級專用腔體，其爐門主體結構都是整塊高強度、高承載力的316L不銹鋼，并結合多層復合材料整體壓制而成，可完全抵御氣浪甚至罐體碎片的沖擊。

3、門鉤
                 
      民用爐腔采用的是塑料門鉤，完全無法抵御任何爆罐的情況。這也是“爐門炸飛”的根本原因。而專用爐腔從門到門鉤采用的全部是不銹鋼整體焊接制成，完全能抵御爆罐時產生的氣浪。這些設計在民用爐腔上是無法實現的。

4、浮動門設計
                 
       民用微波爐爐腔與爐門連接采用的是固定式連接軸，爐腔與爐門只靠兩根金屬轉軸連接，一旦爆罐連接軸受氣浪沖擊易發生變形或斷裂，直接導致微波泄漏甚至“爐門炸飛”。

        而專用爐腔上所采用的大多是浮動式連接軸，其結構是在不銹鋼轉軸上加配雙高強度不銹鋼拉簧，一旦有爆罐后氣浪沖擊爐門，爐門會彈出縫隙，釋放掉腔內高壓氣體，減壓后會自動復位。此設計可大大降低爆罐后氣浪對爐門的沖擊力，保證了實驗安全，現已廣泛應用于國外多家微波消解制造商（如：A、C、M公司）的微波消解儀器中，可謂是微波消解專用工業級諧振腔的標配，而這也是在民用爐腔上是無法實現的。見圖1浮動門示意圖。

圖1 浮動門示意圖

5、腐蝕問題

         也是因為材質原因，民用爐腔無法噴涂聚四氟乙烯，而只能噴涂普通的涂層。而專用爐腔內壁都噴涂有聚四氟乙烯涂層。
                
            在消解過程中，或多或少都會有些酸霧泄漏，如果遇到安全膜破裂，或者爆罐，那熱強酸都會噴濺在爐壁上，只有聚四氟乙烯的涂層才能抵御這些熱強酸。所以正常使用，在很好保養的前提下，民用爐腔也差不多2-3年就會開始生銹腐蝕，腐蝕后腔體的耐沖擊性將變得更差。而專用爐腔，因為316L不銹鋼材質本身就能抵御弱酸的腐蝕，再加上聚四氟乙烯涂層，其壽命遠遠長于民用爐腔。見圖2工業級微波爐腔示意圖。
                
            從上述五點可以看出專用爐腔相比民用爐腔更適合微波消解實驗，更適合在苛刻的前處理實驗室環境中工作。那么為什么民用爐腔改造而成的微波消解儀還有不小的市場呢？
               
            民用爐腔的優勢——成本低廉。民用爐腔和專業爐腔的制造成本相差幾十倍。在中國目前的經濟狀況下，低價的微波消解儀器仍然有很大的需求。如果用戶在符合操作規范的前提下，5、6萬的微波消解儀器也是安全的。在保證消解結果相同的情況下，民用爐腔的微波消解儀器在消耗品和售后服務上成本低，致使不少客戶考慮選用。
               
            但是就我們多年的微波消解儀器研發，制造和銷售經驗而言，專用爐腔是必定會取代民用爐腔的。目前，國內微波消解廠商也都自主研發了工業級微波諧振腔的微波消解儀，比如上海屹堯的“WX-8000”和“EXCEL微波化學工作平臺”；北京美誠公司的WR-MD，上海新儀公司的MDS-10。相信經過我們國產微波消解廠家的不斷努力，國產微波消解必定能給廣大國內用戶帶來全新的感受！                 
                                                                        
           

圖2 工業級微波爐腔示意圖 
            

       二、 微波消解罐

        如果說微波爐腔好比汽車的車體，那么我們接下來要討論的微波消解儀器核心技術部分——微波消解罐，就好比汽車的引擎了。

        為什么這么說呢？因為樣品是否能被徹底消解，消解實驗是否安全，完全取決于消解罐的性能。所有的消解反應都是在密閉消解罐內完成的，密閉容器反應和微波加熱這兩個特點，決定了微波消解完全、快速、高回收及低空白等優點，但同時不可避免地帶來了高溫、高壓（可能有超溫、超壓的隱患）、消解樣品量較小的不足。而高溫（通常180-240℃）、高壓（最高可達40～60atm /600～900psi）及強酸環境對消解罐的安全性、工作性能要求極為苛刻，直接影響了使用的安全性、數據的重現性、工作效率等諸多方面。

            那么判別消解罐的安全性能及工作性能的優劣主要有以下幾個方面：罐體材料；罐體的最高耐受溫度、最高耐受壓力；罐體的最高工作溫度、最高工作壓力；罐體的結構設計及安全保護措施。具體分析如下：

1、罐體材料
                 
       當前大部分品牌的消解罐都采用內、外罐（護套）分離設計，內罐用于放置樣品及酸以擔當反應容器；外罐用于承受、抵擋樣品反應所產生的壓力以保證罐體及實驗安全。

       內罐材料一般分為：氟塑料類（PTFE、PFA、TFM）和石英（陶瓷）。

        其中PTFE（聚四氟乙烯）最為常見，而TFM、PFA 都稱為改性聚四氟乙烯。TFM最高使用溫度不低于PTFE，表面光潔度、高溫高壓下的抗滲透性、高溫高壓下的抗形變性均優于PTFE。PFA盡管半透明，但其最高使用溫度不如PTFE。因此，TFM是超高壓消解容器的首選材質，而PTFE一般用作中壓消解容器。此外，石英材料：具有很好的熱穩定性，其熔點＞1665℃，但是抗沖擊性能差（跌落易碎），也不能耐受HF，且價格昂貴，實際應用較少。

             外罐（護套）材料一般分為：PSF（聚砜）、PEEK（聚醚醚酮）、復合纖維。

            此類材料強度高，力學性能均遠大于氟塑料類（如：TFM）。
                
            其中PSF（聚砜）是略帶琥珀色非晶型透明或半透明聚合物，力學性能優異，但存在耐溫性能低的明顯缺陷，長期使用溫度僅為160℃，對于微波消解來說，使用溫度一般都在180—220℃，聚砜材料無法滿足長期使用，極易出現罐體開裂及鼓包現象，用戶后期更換費用高，而且如果不能及時發現罐裂，還存在爆炸危險！目前此類罐體已逐漸淘汰。
                
            PEEK（聚醚醚酮）及復合纖維具有高耐熱性能（熱變形溫度≥300℃），同時更具有耐疲勞、耐蠕變性、耐輻射、阻燃性、機械強度及電絕緣性好等特點，因此成為當今微波消解罐最為適合的外罐材料。但目前全球只有少數幾家公司研制、生產此類材料，因此高等級的PEEK罐體價格仍然較高。

 2、罐體的最高耐受溫度、最高耐受壓力
                
            最高耐受溫度、壓力的高低，完全取決于此罐體所采用的材料和結構設計。當然所用材料越好、結構設計越完善，則此性能參數就越高！客戶也越來越多的將此項參數作為挑選微波消解的重要依據。目前性能最為出眾的消解罐最高耐受溫度可達到：

            280～300℃，最高耐受壓力可達到：100～150atm（1500～2200psi）。

3、罐體的最高工作溫度、最高工作壓力
                
            罐體的最高工作溫度、壓力是一項實際工作性能參數，指在實際消解過程中消解罐可達到最高溫度及壓力。而此項參數不少廠商是回避的，畢竟最高耐受溫度、壓力在罐體實際使用過程中是無法實現的，其只是指在一特定環境下的最高耐受值，或可理解成一個理論值（如：之前所提及的300℃、2200psi在實際消解過程中是不可能實現的，更不用說是同時實現）。

目前市場上消解罐按不同的最高工作溫度、壓力可分為：

        （1）中低壓消解罐（實際最高工作溫度：200℃、壓力：20atm/300psi）
                 ——可實際應用于對工作條件要求較低的樣品處理中，如水、污水、血樣、尿樣、蔬菜類、碳水化合物等；

      （2）高壓消解罐（實際最高工作溫度：220℃、壓力：40atm/600psi）
                 ——可實際應用于對工作條件要求較高的樣品處理中，如中草藥、 生物材料、食物、高脂食品、土壤、地質材料、玻璃、石英、金屬、合金等；

     （3）超高壓消解罐（實際最高工作溫度：250℃、壓力：60atm/900psi）
                 ——可實際應用于對工作條件要求極高的樣品處理中，如塑料、纖維、油、脂、煤、化學品 、陶瓷、礦石、灰燼、爐渣、耐火材料、貴金屬等。 
                 
     由此可見，如采用中低壓消解罐是無法消解塑料、油等只有超高壓消解罐才能處理的樣品。因此對用戶來講，考核罐體的最高工作溫度、壓力更具實際意義，其直接關系到用戶可處理的樣品種類、消解效果和做樣量。

4、罐體的結構設計及安全保護措施

        目前比較多見的罐體結構為內外罐結構和框架式結構兩大類：

（1）內外罐結構
                 
     微波消解儀在國內剛剛起步時，大多數廠家都采用此結構，采用上下旋蓋式的外罐（采用聚砜或者PEEK材料）直接將內罐固定在其中，從而進行反應。設計利用內罐耐酸，外罐耐壓的特性，曾經一度成為國內微波消解罐體的主流。但是隨著技術的進步，該結構慢慢暴露出來了一系列的缺陷：

（a）由于全封閉式外罐的存在，該罐體需要一個小時以上的冷卻時間，影響了工作效率。
                 
（b）外罐材料的均一性，產生了安全方面的隱患。假如發生爆罐意外，不可能限制爆破力的方向，破碎的罐體會以同樣的幾率向周圍方向飛濺，可能對實驗人員造成比較大的傷害。
                
（c）泄壓過程中酸氣不可避免會侵蝕外罐，由于外罐的材料耐酸性并不是很強，所以長期使用，外罐的老化速度是非常之快的，在外罐受到腐蝕老化的情況之下，外罐的強度會大大降低，進而無法保證實驗的安全性。

（2）框架式結構
                 
     現在框架式結構的應用已經成為趨勢，和原先的內外罐結構相比，由于采用了不同材料的框架和護套分別承受橫向和縱向的壓力，可以在發生危險的情況下，將爆破的主要沖擊力限制在豎直方向上，保證操作人員安全。同時該設計增大了內罐與空氣的接觸面積，大大縮短了冷卻時間。
                 
      此外，每一家微波消解儀的生產廠家，都會在罐體上設計多重的安全保護措施，常見的有：安全膜破裂泄壓、密封碗破裂瀉壓、裙邊破裂釋壓、彈簧帽自動瀉壓、縱向爆破技術等等。每一家廠商的安全保護措施都有自己的特點，面對種類繁多的安全保護措施，我們需要考慮每一項安全保護措施的實用性、操作過程的方便與否、是否會對實驗引入誤差、是否會使罐體損壞或者存在昂貴的消耗品等，結合自己的需要，挑選安全而又方便耐用的罐體。

         最后對于用戶來說，在選購儀器的時候還有非常重要的一點：消解罐的使用壽命及成本。
                 
     消解罐是一個長期消耗品已經是眾所周知的事情了。但是用戶在選購之前還是會忽略其使用壽命和成本。對于使用壽命而言，由于實驗條件的不同（即消解溫度和壓力的不同），而造成壽命不同，各廠商很難有一個精確的數字提供。但是用戶在購買前可以多咨詢其他已經使用的用戶予以了解。至于成本，則可以在購買儀器之前可以和廠家約定以后購買消解罐的價格。
            
三、溫度、壓力及微波控制系統

1、溫度、壓力監測系統
                 
       之前我們說到微波諧振腔（微波爐腔）就好比汽車的車體，消解罐好比汽車的引擎，那么接下來我們說的溫度、壓力及微波控制系統就好比汽車的操控系統，一部車硬件部分再出色，如不配合優良的操控系統，一樣不能達到理想的速度。
                 
      眾所周知，能量供給是所有化學反應的必要條件，我們控制能量的供給就能控制反應的進程，而溫度就是反應能量多少的最直觀的數據，我們通過控制反應溫度的高低，就能準確的控制反應的進程及結果；更重要的是，當能準確控制罐內消解溫度時，消解的重現性就會大大提高；此外如消解不同成分的樣品，由于分子結構不同，分解所需要的能量（溫度）也有所差異，為了確保不同樣品都能被消解徹底，精確的溫度控制就愈顯重要。如果不能精確的控制溫度，不能實時的監測到實際溫度的狀況，怎么可能使每次消解的效果都保持良好？怎樣保證不出現超溫熔罐的現象？溫度測控的重要性可見一斑。
                 
     壓力監控系統的目的是：能實時監控密閉消解罐內化學反應的壓力變化進程，讓化學反應始終在安全的可控壓力范圍內進行，保證了消解實驗的安全。
                 
        目前各廠商所采用的溫度測控技術有：紅外非直接測溫，鉑金電阻（熱電偶）直接測溫，光纖測溫。壓力測控技術有：理想氣體直接測壓，彈性體間接測壓、水線測壓、光纖測壓。各廠家采用的測溫測壓技術各有特點，作為微波化學儀器生產廠商之一，在此就不做評價了。
                

 2、微波控制系統
                 
        光有高精度的檢測手段，沒有良好的控制手段一樣不能很好的控制住反應的進程。微波行業經過幾十年的發展，控制系統的設計也越來越完善。現在業內公認的最佳的方式是非脈沖連續微波發射配合高頻閉環反饋控制（PID技術）。
                 
      微波的供給量大小是按照消解罐內當前工作溫度、壓力的大小自動調整的。即：消解儀剛開始工作時，微波以額定最大功率工作，當前溫度接近或達到設定溫度時，則微波供給量自動減小，CPU會根據溫度壓力上升的速率來自動調整微波的供給量，以此實現恒溫、恒壓的狀態，這樣既保證的樣品在所需的目標溫度下能被徹底分解，又保證了試驗過程中罐內壓力不會超出安全壓力范圍。
                 
       或許有人會問，消解反應本身就是一個過熱反應，只要罐內工作溫度高于樣品分解所需臨界溫度，則樣品就能徹底分解，如此高精度的控溫真的有必要嗎？ 

             
     絕對有必要！在材料學如此發達的今天，出現了許多日常難分解的物質（如：油品、高聚物、貴金屬等），消解這些樣品所需要的溫度往往會接近儀器設備的工作極限，高溫往往伴隨著高壓，如果沒有超高精度的控制手段，輕則罐體使用壽命縮短，重則帶來安全隱患（如爆罐）。所以盡管消解反應是一個過熱反應，但是高精度的控制手段確實是極其必要的。
            
四、微波消解的應用
                 
      光學設備運用在檢測領域已長達百年，現有的分析儀器亦是越來越精密，元素分析中常用的有AAS、AFS、ICP-OES、ICP-MS，而高精度的分析設備必然對前處理的要求也越來越高。目前微波消解儀已是元素分析中極為重要的前處理工具，它可在半小時內完成絕大多數有機/無機/液體/固體樣品的消解過程，隨著檢測精度要求的提高以及檢測樣品的多樣性，人們對于微波消解儀在樣品種類以及處理量上的要求也越來越高。
                 
    不同種類樣品消解所需溫度和產生的壓力亦不同，可配合使用不同性能的消解罐。對工作條件要求較低的樣品處理中，如水、污水、血樣、尿樣、蔬菜類、碳水化合物等可選擇中低壓罐；對工作條件要求較高的樣品處理中，如中草藥、生物材料、食物、高脂食品、土壤、地質材料、玻璃、石英、金屬、合金等可配合使用高壓罐；對工作條件要求極高的樣品處理中，如塑料、纖維、油、脂、煤、化學品、陶瓷、礦石、灰燼、爐渣、耐火材料、貴金屬等可配合使用超高壓罐。
                 
     消解罐和所選用爐腔是密不可分的，對于民用爐腔，由于空間和材質的限制，一般配合的是中低壓、中小溶劑量的消解罐，每次的批處理量以及單個消解罐可處理樣品量無法滿足部分客戶的需求。而工業級爐腔，腔體采用的是不銹鋼制造而且空間大，可配合高壓和超高壓、大溶劑量的消解罐，大大提高了用戶在樣品處理量上的要求，同時在消解樣品種類上的限制也大大降低。這樣帶給用戶實際應用上的便捷有哪些呢？
                 
     首先，因為超高壓、大溶劑的消解罐大大提高了做樣量，對于同樣一個樣品，可以是中低壓消解罐做樣量的2-3倍，如果采取相同的稀釋倍數用于后續元素檢測，那么用超高壓消解罐進行消解起到了元素富集的作用，放寬了對儀器檢測限的要求，增加了元素被檢出的可能性。
                 
      其次，由于工業爐腔空間大，增加了樣品的批處理量，如今市面上推出的最大批處理量達到40個/批，有效地節約樣品前處理時間，大大提高效率，對于食品和環保領域而言，是一大技術的改進，有效地解決批量處理的問題。
                 
      再次，針對目前一些熱門的檢測，比如RoHS檢測，一般多是一些含有添加成分的塑料和貴金屬組成的電子電氣類產品，在消解時需要高溫度和長保溫時間，產生相對高的壓力；在人們生活條件不斷改善的同時，生活質量不容忽視，化妝品、日用品、食品、藥品中危害元素含量就需要嚴格把關，此類化合物含高有機質，消解時亦會產生高的壓力；配合使用超高壓的消解罐此類問題就能迎刃而解，大大簡化了前處理，節約了成本和時間，亦能得到很好的檢測效果。
                
            工業爐腔配合超高壓罐使用的優勢是顯而易見的，加寬應用范圍的同時提高應用的效率，相信在科技不斷發展的時代，配合后續的高精度檢測設備，其前景也會越來越好。