羽毛羽絨微波消解方法的研究

蒙冉菊

(嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院紡織與藝術(shù)設(shè)計(jì)分院，浙江 嘉興 314036)

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羽毛羽絨微波消解方法的研究

蒙冉菊

(嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院紡織與藝術(shù)設(shè)計(jì)分院，浙江 嘉興 314036)

運(yùn)用微波消解技術(shù)對(duì)羽毛羽絨樣品消解，探究了消解試劑的種類和比例，樣品粉碎的程度，消解前放置的時(shí)間，消解時(shí)間、消解功率和壓力等微波消解的工藝條件。綜合節(jié)省資源、減小污染、提高效率以及消解效果良好的要求，可確立較佳的消解工藝。結(jié)果表明：將羽毛羽絨樣品粉碎至5mm以下，在室溫下于4mLHNO3和1mLH2O2混合試劑中浸泡2h后進(jìn)行微波消解，消解功率采用梯度升高的模式，消解總時(shí)間取15min，可獲得較好的消解效果。

微波消解技術(shù)；羽毛羽絨；消解工藝

羽毛羽絨屬于天然蛋白質(zhì)纖維，具有良好的保暖隔熱性，而且結(jié)構(gòu)蓬松，質(zhì)地輕柔，是大眾最為喜愛(ài)的防寒用品原料之一[1]。羽毛羽絨產(chǎn)自鵝鴨體表，羽毛羽絨在生長(zhǎng)過(guò)程中，因禽類食物、水質(zhì)及生存環(huán)境等因素影響，容易導(dǎo)致許多金屬元素通過(guò)血液循環(huán)而沉積。由于重金屬離子與羽毛羽絨蛋白中的一些活性基團(tuán)(如巰基)有較好的結(jié)合力，有利于螫合物的形成，因此金屬元素是以一定的化學(xué)形態(tài)存在于羽毛羽絨中[2]。眾所周知，紡織品中重金屬含量過(guò)高，會(huì)對(duì)消費(fèi)者身體健康帶來(lái)危害，紡織服裝中重金屬含量若達(dá)不到生態(tài)標(biāo)準(zhǔn)要求，將可能被迫退出國(guó)際或國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。作為紡織工業(yè)中特色產(chǎn)品的羽絨及制品也必須要達(dá)到相應(yīng)生態(tài)標(biāo)準(zhǔn)要求，羽毛羽絨中微量元素尤其是重金屬離子的含量必須控制在一定范圍以內(nèi)。

羽毛羽絨由大量的有機(jī)物質(zhì)組成，若不能將這些有機(jī)物質(zhì)在測(cè)試樣品前進(jìn)行有效的溶解，將會(huì)對(duì)重金屬含量的測(cè)定產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾。因此，有效地制備測(cè)試樣品，將有利于提高羽毛絨重金屬元素準(zhǔn)確度。目前在重金屬含量分析研究和檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中，常使用的樣品消解方法有微波消解法、濕法消解、高壓罐消解法、馬弗爐干法灰化等。微波消解，是指樣品和消解溶液(各種酸、堿、鹽)在密閉的容器中被微波能加熱，從而在高溫高壓下能夠快速消解。微波消解法有著樣品分解完全、溶解速度快、劑量消耗少、操作簡(jiǎn)單方便、對(duì)環(huán)境和人員的污染少等優(yōu)點(diǎn)，是目前較為先進(jìn)的消解方法之一[3-6]。

本研究分析了羽毛羽絨的微波消解工藝，在節(jié)省資源、節(jié)省時(shí)間、減小污染以及消解完全且測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確可靠的前提下，選擇較佳消解條件對(duì)羽毛羽絨樣品進(jìn)行消解，為羽毛羽絨及其制品中重金屬元素含量的測(cè)定提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

材料：樣品為含絨量65%的白鵝絨(杭州中羽制衣有限公司)，雙氧水(分析純，杭州高晶精細(xì)化工有限公司)，硝酸(分析純，杭州高晶精細(xì)化工有限公司)，實(shí)驗(yàn)用水為超純水，其電導(dǎo)率為18.2MΩ·cm。

儀器：7500a型電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS，美國(guó)AGILENT公司)，QWave2000微波消解爐(加拿大QUESTRON公司)，Milli-Q純水儀(美國(guó)MILLIPORE公司)，AuY120天平(日本SHIMADZU公司)，DHG9030A烘箱(上海精宏公司)。

1.2 試樣的預(yù)處理

用超純水將樣品分別洗3次，在80℃的烘箱進(jìn)行烘干后放入干燥器中待用。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求將羽毛羽絨樣品剪碎到所需要的尺寸，稱取試驗(yàn)樣品每份0.3g，精確至0.001g。

2 結(jié)果與討論

2.1 消解試劑的選擇及用量

消解試劑主要以強(qiáng)酸劑為主，常用的微波消解試劑有：硝酸、高氯酸、濃鹽酸及雙氧水等。羽毛羽絨的有機(jī)物與高氯酸混合在一起時(shí)有可能會(huì)產(chǎn)生爆炸的危險(xiǎn)；濃硫酸不可單獨(dú)使用，因?yàn)槠浞悬c(diǎn)有339℃，當(dāng)消解劑達(dá)到沸點(diǎn)時(shí)，濃硫酸能熔化聚四氟乙烯溶樣杯；濃鹽酸易揮發(fā)形成酸霧且氧化性不強(qiáng)；硝酸具有較強(qiáng)的氧化能力和較高的酸度，作為消解劑具有優(yōu)良的溶解性，可消解絕大多數(shù)有機(jī)物和無(wú)機(jī)物，是羽毛羽絨微波消解的首選試劑。在能夠滿足測(cè)試樣品完全消解的前提下，盡可能降低樣品空白值和酸度，減少硝酸的用量，本實(shí)驗(yàn)酌情加入過(guò)氧化氫制作混合消解試劑[7]。在消解試劑比例的實(shí)驗(yàn)中，稱取羽毛羽絨樣品0.3g一式5份，使用ICP-MS設(shè)備測(cè)量Cu、Pb含量，討論硝酸和過(guò)氧化氫作為消解試劑的混合比例，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 消解試劑及比例選擇

HNO3/mLH2O2/mL消解液性狀Pb含量/(mg·kg-1)Cu含量/(mg·kg-1)20有沉淀1.4427.74230略有沉淀1.5879.21240略有微黃1.63312.12641無(wú)色澄清1.72212.35950無(wú)色澄清1.71712.35651無(wú)色澄清1.71112.367

如表1所示，當(dāng)混合消解試劑量少于5mL時(shí)，樣品有沉淀或者微黃，不能完全消解。這是由于消解試劑量過(guò)少，難以浸潤(rùn)全部樣品，故一般取總體積不小于5mL的混合消解試劑。當(dāng)混合消解試劑大于5mL時(shí)，各種配比消解液均勻無(wú)色澄清，樣品消解完全，且測(cè)定結(jié)果基本一致。當(dāng)HNO3與H2O2混合試劑比例為4∶1時(shí)，雖然HNO3的用量減少了，但并沒(méi)有影響樣品消解的效果，還降低了重金屬測(cè)定時(shí)的空白值，為較佳配的比值。

2.2 樣品粉碎程度的影響

羽毛羽絨主要由絨子和毛片組成，成熟絨子蓬松、輕柔，長(zhǎng)度10～30mm，三維結(jié)構(gòu)，所占體積很大；而成熟毛片是平面結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度一般在10～160mm[8]。在消解時(shí)需要根據(jù)羽毛羽絨樣品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，酌情進(jìn)行粉碎處理，羽毛羽絨樣品的粉碎可以直接剪碎。以4mL的HNO3和1mL的H2O2作為混合消解試劑，稱取0.3g一式5份的羽毛羽絨樣品進(jìn)行消解，消解功率壓力和時(shí)間的配比為400W(1.0MPa)功率下消解6min，800W(1.5MPa)功率下消解5min，1600W(2.0MPa)功率下消解4min，考察羽毛羽絨各粉碎長(zhǎng)度對(duì)消解效果影響的結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 羽毛羽絨粉碎長(zhǎng)度與消解效果比較

粉碎長(zhǎng)度/mm絨子消解液性狀毛片消解液性狀3無(wú)色澄清無(wú)色澄清4無(wú)色澄清略有微黃5無(wú)色澄清略有微黃6無(wú)色澄清略有沉淀8無(wú)色澄清略有沉淀10無(wú)色澄清略有沉淀12略有微黃有沉淀

由表2可見(jiàn)，在相同的消解劑、消解時(shí)間、消解壓力的前提下，羽毛羽絨的粉碎長(zhǎng)度對(duì)消解效果具有一定的影響，羽毛羽絨在消解時(shí)，絨子在長(zhǎng)度10mm以下均可以完全消解，而毛片在長(zhǎng)度6mm以上則較難以完全消解。因此，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果選定羽毛羽絨樣品粉碎至5mm以下較為合適。

2.3 樣品微波消解前放置時(shí)間的選擇

由羽毛羽絨結(jié)構(gòu)分析可知，羽毛羽絨結(jié)構(gòu)蓬松，體積較大，完全浸潤(rùn)難度較大，且羽毛羽絨為蛋白質(zhì)物質(zhì)，消解時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量氣體，易導(dǎo)致密閉消解罐內(nèi)產(chǎn)生過(guò)大的壓力，給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)危險(xiǎn)。因此，為了使羽毛羽絨充分、快速的消解，進(jìn)行微波消解前需要放置一段時(shí)間，以使羽毛羽絨消解樣品能夠被充分浸潤(rùn)并釋放出部分氣體。用上述相似的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，考察加入消解試劑后立即消解和加入消解試劑后放置一段時(shí)間再進(jìn)行消解的消解情況見(jiàn)表3。

表3 羽毛羽絨消解放置時(shí)間與消解效果比較

放置時(shí)間/h絨子消解液性狀毛片消解液性狀0.25略有微黃略有沉淀0.5無(wú)色澄清略有沉淀1無(wú)色澄清略有微黃1.5無(wú)色澄清略有微黃2無(wú)色澄清無(wú)色澄清2.5無(wú)色澄清無(wú)色澄清

從表3中可以看出，羽毛羽絨在微波消解前需要靜置一段時(shí)間，絨子靜置的時(shí)間只需要0.5h及以上就可以消解完全，而毛片需要放置2.0h及以上才能完全消解。由于目前的生產(chǎn)工藝很難大批量地把羽毛羽絨里的絨子和毛片完全分離，因此樣品的靜置時(shí)間必須滿足毛片的靜置時(shí)間，故樣品的靜置時(shí)間選擇2h較為合理。

2.4 樣品消解功率與時(shí)間配比的選擇

消解功率和消解時(shí)間的合理配合，能夠節(jié)省資源和時(shí)間，并達(dá)到良好的消解效果。在設(shè)計(jì)消解功率和消解時(shí)間時(shí)，既要保證消解的效果及效率，又要保證消解的平穩(wěn)進(jìn)行，同時(shí)還要盡量降低能耗的使用。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)梯度升高功率和升壓的方式，探討不同消解時(shí)間對(duì)消解效果的影響，確立合理的消解功率和消解時(shí)間。用相似的實(shí)驗(yàn)參數(shù)(如前所述)，探索樣品較優(yōu)的消解功率和消解時(shí)間。設(shè)定在400W功率下密閉消解高壓罐內(nèi)的壓力設(shè)置為1.0MPa，在800W功率下密閉消解高壓罐內(nèi)的壓力設(shè)置為1.5MPa，在1600W功率下密閉消解高壓罐內(nèi)的壓力設(shè)置為2.0MPa，設(shè)計(jì)10個(gè)消解功率和時(shí)間的方案，測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 羽毛羽絨消解時(shí)間與消解功率的選擇

序號(hào)各功率下的消解時(shí)間/min400W(1.0MPa)800W(1.5MPa)1600W(2.0MPa)消解液性狀Pb含量/(mg·kg-1)Cu含量/(mg·kg-1)1532微黃有沉淀1.35776.8542542微黃有沉淀1.4637.9683543微黃有沉淀1.5449.4824553微黃有沉淀1.59210.8895554略有微黃1.63511.8366653略有微黃1.62711.6127663略有微黃1.67612.0968555無(wú)色澄清1.71412.3669654無(wú)色澄清1.72212.35910664無(wú)色澄清1.73112.324

由表4可見(jiàn)，在序號(hào)1—7的消解功率和時(shí)間的條件下羽毛羽絨樣品微黃有沉淀或略有微黃，樣品消解不完全；采用序號(hào)8—10的消解功率和時(shí)間，樣品無(wú)色澄清，消解完全。依據(jù)實(shí)驗(yàn)的具體目的和合理使用資源的原則，羽毛羽絨樣品較佳消解功率和時(shí)間選擇方案9，即400W(1.0MPa)功率下消解6min，800W(1.5MPa)功率下消解5min，1600W(2.0MPa)功率下消解4min。

3 結(jié) 論

本文根據(jù)羽毛羽絨的結(jié)構(gòu)特性，在合理的使用資源的原則下，討論了羽毛羽絨微波消解的工藝參數(shù)，確立了較優(yōu)的微波消解工藝為：羽毛羽絨樣品消解試劑選用優(yōu)級(jí)純的HNO3和H2O2混合液，兩者的混合比例為4mLHNO3和1mLH2O2。將羽毛羽絨樣品粉碎至5mm以下，放在消解劑中充分浸潤(rùn)，室溫靜置2h后微波消解，在消解功率(壓力)為400W(1.0MPa)下消解6min，在800W(1.0MPa)功率下消解5min，在1600W(1.0MPa)功率下消解4min。

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(責(zé)任編輯：唐志榮)

Study on the Processing of Feather by Microwave Digestion Technology

MEMGRanju

(The Department of the Textile and Art Design, Jiaxing Vocational Technical College, Jiaxing 313000, China)

In this paper, the microwave digestion technology is used to digest feather samples, and processing conditions are investigated such as the types and proportions of digestion reagents, sample pulverized degree, the time of placement, digesting time, digesting power and pressure etc. Considering the goal of saving energy, reducing emissions, improving efficiency, bettering digestion effect, preferred digestion process is then selected. The results show that better digestion effect can be achieved by microwave digestion soak 2 hours in 4mL HNO3and H2O21mL of mixing reagent at room temperature, digestion power adopt increasing gradient mode and digesting 15 min.

microwave digestion technology; feather; digestion process

2015-12-03

蒙冉菊(1981-)，女，廣西梧州人，講師，主要從事為紡織材料與技術(shù)方面的研究。

TS102.319

A

1009-265X(2016)06-0010-03