布魯克 ALPHA II FT-IR光譜儀對煤礦粉塵的分析
2024-08-12
布魯克 ALPHA II FT-IR光譜儀可檢測并定量分析煤礦粉塵中的有害二氧化硅。這種方法可實現粉塵的快速分析，從而長期改善礦工的工作環境。
一、煤礦粉塵 – 潛在健康風險
礦工在工作中暴露于不同的呼吸危害中。硅塵是主要呼吸危害因素之一。粉塵中含有可吸入的結晶二氧化硅，會引發癌癥或硅肺病等肺部疾病。
二、煤塵的FTIR分析
當前煤礦粉塵的樣品采集和制備過程冗長而繁瑣，不利于對過量暴露作出快速反應。
因此，需要開發一種更快更簡單的方法。它可以使用紅外光譜法直接測量來自于濾膜基質的樣品。二氧化硅的臨界值為每立方米吸入空氣100ug。這意味著儀器必須能夠測定極低濃度的二氧化硅含量，并且該方法必須能夠區分樣品與容納樣品的PVC濾膜。
三、安全生產需要卓越的分析能力
帶透射模塊的ALPHA II FT-IR光譜儀
布魯克 ALPHA II FT-IR光譜儀非常適合這一目的。在一項使用ALPHA II進行的研究中，在PVC濾膜上分析了15個樣品。二氧化硅含量為3-231 μg，碳塵含量為0.1-0.4 mg。碳塵樣品的譜圖以4 cm-1的光譜分辨率進行記錄。
純PVC濾膜（紅色）以及帶有1.299 mg煤炭/70 mg二氧化硅（藍色）和3.982 mg煤炭/230 mg二氧化硅（黑色）的PVC濾膜的譜圖。
圖中所示為帶有二氧化硅和碳塵的PVC濾膜的譜圖。830 ~ 760 cm-1波段的譜帶屬于二氧化硅和碳塵譜帶。它們不與PVC濾膜的譜帶重疊。但1036、543和473 cm-1處的碳和二氧化硅譜帶與PVC譜帶重疊。
因此，使用偏最小二乘（PLS）模型對二氧化硅和碳含量進行初始化標定。利用布魯克OPUS Quant 2軟件包進行PLS分析。該軟件包允許自動優化模型。經確定，1485-405 cm-1波段的一階導數加矢量歸一化，對于處理特定數據集是最佳的方法。
二氧化硅的交叉驗證預測值vs.實際值（左）；煤炭的交叉驗證預測值vs.實際值（右）
上圖所示為煤碳與二氧化硅的交叉驗證結果。即使如此小的樣本集也實現了精確的校準，煤炭的測定系數（R2）為95.61，二氧化硅的測定系數為97.13。這一有限的樣本數據集表明，布魯克ALPHA II-T儀器可對煤塵樣品進行透射光譜分析。參考資料[3,4]中描述了利用更大數據集進行的詳細分析。
四、結論
布魯克ALPHA II-T FTIR光譜儀可以用于PVC濾膜上的煤塵中碳和二氧化硅的定量分析。由于該方法靈敏度高，他可以對低于規定的吸入限值的二氧化硅進行快速定量。
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