Методы аналитического контроля производств ЖЕРИН Иван Игнатьевич, д-р хим. наук, профессор

ВВЕДЕНИЕ За последние десятилетия в ряде стран возникла новая крупная отрасль промышленности, связанная с добычей и переработкой атомного, а также редкометаллического и редкоземельного сырья. Налажено производство ядерного топлива, конструкционных материалов, необходимых в реакторостроении, а также ряда вспомогательных материалов, используемых в атомной промышленности. Не менее важным является переработка сырья с целью извлечения ценных сопутствующих элементов. На всех этапах ядерных топливных циклов (добыча руды и гидрометаллургическая переработка концентратов, разделение изотопов, изготовление тепловыделяющих элементов и других изделий, переработка отработавшего ядерного топлива, захоронение радиоактивных отходов), а также при изготовлении, хранении и переработке оружейных материалов, весьма актуальной является проблема качественного и количественного определения различных ядерных материалов (ЯМ). Процессы производства редких, рассеянных и радиоактивных металлов относятся к области тонкой технической технологии. Физико- химические свойства этих металлов резко ухудшаются при наличии даже микроскопически малых количеств примесей. 2

Так, например, принято считать, что в ядерно-чистом уране содержание нейтронно-активных примесей (бор, кадмий, редкие земли) не должно превышать (10 –5 – 10 –6 ) %; содержание примесей, в меньшей степени захватывающих нейтроны (железо, кремний, ванадий и др.), должно составлять (10 –3 – 10 –4 ) %. В свою очередь процессы получения ядерного топлива отличаются значительной сложностью технологии и современным оборудованием. В подобных условиях получение высоких технологических показателей, в первую очередь, по извлечению и чистоте металлов, зависит от совершенства организации производства. Уже на первом этапе переработки руд ведется апробирование руд с производством их полного химического и минералогического анализа. Технологические процессы требуют контроля за режимом операций (температурой, расходом реагентов, концентрацией, давлением и прочими технологическими параметрами). Требования исключительной чистоты, применяемые к ядерному топливу, к редким, рассеянным и радиоактивным элементам, могут быть соблюдены только при проведении тщательных контрольных анализов каждой партии материалов, поступающей в производство и на каждой стадии. Вследствие способности к делению при переработке плутония и обогащённого урана для устранения опасности критических явлений контрольные анализы необходимо производить с высокой точностью. - 3-

При таком большом объёме работ (и росте промышленности) работники контроля производства встречаются с возрастающими техническими затруднениями. Чтобы решить эти проблемы, необходимо использовать современные методы аналитического разделения и определения концентраций продуктов; особенно нужно расширять применение новейших приборов в лабораториях и на заводах. Осуществление этих задач на производстве возлагается на органы контроля, и, в первую очередь, на центральные заводские лаборатории и отделы технического контроля. Глава 1. Принципиальные основы контроля производства Весь контроль за технологическим контролем на предприятиях осуществляется отделами технологического контроля (ОТК) и заводскими лабораториями. Надлежащий контроль за ходом процесса, учёт результатов работы позволяют вскрыть и устранить дефекты в работе, выявить резервы производства и узкие места по отдельным фазам производственного процесса и в целом наладить согласованную работу всех аппаратов на оптимальных качественных и количественных показателях с минимальными затратами труда, энергии, реагентов и т.д. -4-

Современным направлением на предприятиях является наиболее полная автоматизация производственных процессов и контроль за технологическими показателями, внедрение новой техники, обеспечивающей более высокую производительность труда и позволяющей значительно увеличить наработку продукции на существующих производственных площадях и мощностях. В связи с этим современное производство невозможно без исследовательской работы, поставленной на высоком научно-техническом уровне. В результате значительно улучшается техника физико-химического анализа. На помощь химикам пришли современные электронные приборы, спектрографы с большой разрешающей силой и ряд других приборов, позволяющих проводить исследования с высокой точностью на современном научном уровне. В настоящее время нельзя представить себе современное предприятие без оснащённой аналитической лаборатории. -5-

Контроль за ходом технологического процесса ведётся не одной лабораторией, а целым комплексом лабораторий и отделов предприятия. Как правило, наиболее важные исследования и анализы проводятся в центральных заводских лабораториях (ЦЗЛ), а непосредственный контроль за ходом процесса осуществляется цеховыми лабораториями и отделами технического контроля. В целом развитость органов контроля предприятия зависит от объёма структуры производства, а также стоимости продукции. В этой связи различаются также и задачи органов технического контроля и заводских лабораторий. Однако можно выделить типовые задачи, которые выполняются органами контроля предприятий. -6-

1.1. Задачи органов технического контроля В задачи ОТК входят: 1) контроль сырья, полуфабрикатов и продуктов с точки зрения их качества, соответствия их техническим условиям и стандартам; 2) контроль за сохранением сырья, полуфабрикатов и продуктов в течение всего технологического процесса; 3) контроль за подготовкой тары для транспортировки; 4) контроль за правильностью упаковки и маркировки; 5) контроль за подготовкой транспорта, за погрузкой и выгрузкой продукции. Штаты ОТК составляются в зависимости от объема и специфики производства с тем условием, чтобы охватывать все необходимые места контроля. Они включают в себя начальников ОТК и контролеров. Начальник ОТК имеет очень большие права на предприятии. На контролеров ОТК возложен весь контроль за качеством продукции на местах. Они определяют сортность и годность продукции. -7-

1.2. Заводские лаборатории и их задачи Задачей цеховой лаборатории является текущий контроль за ходом технологического процесса. В некоторых отдельных случаях перед цеховыми лабораториями ставятся исследовательские задачи, но они не являются её основной работой. Перед центральной заводской лабораторией стоят следующие задачи: 1) изучение действующих производств как с технической, так и с экономической стороны с целью всестороннего его улучшения; 2) изучение передового опыта как иностранной, так и отечественной техники и внедрение его на производство; 3) обобщение опыта своего предприятия, систематическое обследование завода и работающей аппаратуры, выявление узких мест производства; 4) проведение научно-исследовательских работ; 5)подготовка аналитических данных и методик для предлагаемых заводу проектов; 6) выполнение всех анализов, не предусмотренных схемой цехового контроля, а также проведение арбитражных анализов; 7) методическое руководство цеховыми лабораториями, ОТК, КИП и др. отделами контроля; 8) подбор и подготовка кадров для цеховых лабораторий. -8-

В состав ЦЗЛ входят следующие типовые отделы: 1. аналитический; 2. отдел организации контроля; 3. научно-исследовательский; 4. оперативно-исследовательский. В задачи аналитического отдела входят: 1) анализ сырья, реагентов, поступающих на предприятие; 2) анализ полупродуктов, предназначенных для передачи из цеха в цех; 3) анализ готовой продукции всех цехов предприятия; 4) выполнение внеплановых анализов. В задачи отдела организации контроля входят: 1) организация контроля производства в новых цехах, на новых установках, подбор кадров для них; 2) методическое регулярное наблюдение за цеховыми лабора-ториями, составление инструкций, обеспечение реактивами, решение спорных вопросов. В задачи научно-исследовательского отдела входят: изучение существующих производств, поиски путей их улучшения, повышение производительности труда; внедрение в практику завода новых видов сырья, новых методов производства; проверка изобретений и рационализаторских предложений. -9-

В задачи оперативно-исследовательского отдела входит систематическое обследование производств, накопление материала по ходу технологического процесса, выявление узких мест, уточнение расходных коэффициентов, выявление причин нарушения технологии Классификация методов контроля В условиях производства методы контроля следует различать в отношении целевого назначения по производственной и научно-методической сущности Производственная классификация С этой точки зрения следует различать маркировочные, экспрессные, контрольные и арбитражные методы. Маркировочные методы применяются для установления химического состава различных материалов, сырья, продуктов предприятия. Маркировочные методы должны отличаться повышенной точностью, поскольку их результаты входят в основу различных технологических расчётов, денежных расчётов с поставщиками сырья, материалов и потребителями продукции. Применяются также для установления соответствия сырья, материалов и продукции определенным ГОСТам и ТУ. -10-

Скорые (экспрессные) методы применяются преимущественно для контроля за течением технологического процесса в отдельных и наиболее ответственных его фазах. Важнейшей особенностью этой группы анализов является повышение скорости их выполнения (в отдельных случаях даже за счёт снижения точности результатов анализа в пределах допустимого). Контрольные методы применяются в тех случаях, когда возникает необходимость проверки и уточнения результатов, полученных с помощью маркировочных методов, или же когда надлежит установить содержание того или иного компонента для каких-либо ответственных целей. Отличительная особенность этих методов – повышенная точность. В некоторых случаях эти методы стандартизируются. Арбитражные анализы. Многие случаи контрольного анализа, встречающиеся на практике во взаимоотношениях между поставщиком и потребителем продукции, вызываются арбитражем, т.е. проведением объективного и авторитетного анализа с целью наиболее правильного установления состава продукта, соответствия его кондиции, ГОСТа или ТУ. Арбитражные анализы применяются для разрешения официальных рекламаций, они должны быть «гостированы» и обладать повышенной точностью. Арбитражный анализ ведётся обычно нейтральной, незаинтересованной стороной. -11-

Научно-методическая классификация Классификация видов анализа может быть основана на природе обнаруживаемых или определяемых частиц; в этом случае говорят об анализе элементном (атомно-ионном), изотопном, структурно-групповом (функциональном), молекулярном, вещественном, фазовом. Элементный анализ образца позволяет установить, из каких элементов состоит данный объект, каковы их концентрации или количество. В изотопном анализе определяют изотопный состав химического элемента. В вещественном анализе определяют, в каких формах присутствует интересующий компонент в анализируемом объекте и каково содержание этих форм (например, оксидов, нитридов, фторидов и т.д.). Вещественный анализ имеет много общего с молекулярным и фазовым. Молекулярный анализ – это обнаружение и определение химических соединений; типичным примером является анализ смеси газов. Фазовый анализ – анализ включений в неоднородном объекте, например, оксиды и нитриды не распределены в металле гомогенно, а образуют отдельные фазы. Анализ вещества может проводиться с целью установления качественного или количественного его состава. В соответствии с этим различают качественный и количественный анализ. -12-

Качественный анализ позволяет установить, из каких химических элементов состоит анализируемое вещество и какие ионы, группы атомов или молекулы входят в его состав. При исследовании состава неизвестного вещества качественный анализ всегда предшествует количественному, так как выбор метода количественного определения составных частей анализируемого вещества зависит от данных, полученных при его качественном анализе. Количественный анализ позволяет установить количественные соотношения составных частей данного соединения или смеси веществ. В отличие от качественного анализа количественный анализ дает возможность определить содержание отдельных компонентов анализируемого вещества или общее содержание определяемого вещества в исследуемом продукте. Отличительной особенностью ЯМ и большинства продуктов их распада является их радиоактивность. Это обстоятельство обуславливает специфику всех аналитических методов и методик на всех этапах аналитических исследований ядерных материалов и требует применения радиохимических методов. Радиохимический анализ – это совокупность качественного и количественного методов определения радионуклидов в природных и специально облученных материалах. -13-

Радиохимические методы основаны на принципах и методах аналитической химии, включая отбор проб и предварительную обработку образцов, выполнение различных операций концентрирования и выделения радиохимически чистых радионуклидов и аналитические определения, в том числе включая измерение их радиоактивности (радиометрический анализ). Все методы аналитической химии принято классифицировать следующим образом: I – апробирование материалов (отбор проб и подготовка проб к анализу); II – разделение и концентрирование компонентов; III – обнаружение (идентификация), т.е. качественный анализ; IV – определение. -14-

Именно в таком порядке обычно и проводят аналитические исследования, при этом необходимо иметь в виду, что здесь нет главных и второстепенных стадий; все они равноценны, поскольку общая погрешность анализа является аддитивной величиной. Вполне очевидно, что наиболее наукоемкой является стадия собственно аналитического определения, требующая применения дорогостоящего оборудования и высокой квалификации персонала. В соответствии с указанными общими принципами аналитической химии мы и будем рассматривать методы анализа урана. Перед проведением любого анализа необходимо четко сформулировать цель анализа, задачи, которые при этом нужно решить, и только после этого приступить к выбору метода анализа. Именно возможности и особенности конкретного метода будут определять все последующие этапы (количество материала для анализа, необходимость и степень концентрирования, очистки от мешающих примесей и т.д.). -15-

1. Выбор метода анализа. Выбирая метод анализа в соответствии с целями и задачами необходимо оценить достоинства и недостатки доступных методов анализа. Рассмотрим основные факторы, которые определяют выбор метода и методики анализа. 1) Содержание компонента. При выборе метода анализа необходимо учитывать ожидаемое содержание обнаруживаемого или определяемого компонента. Концентрация определяемого компонента и количество образца, предоставляемого на анализ, могут меняться в широких пределах. Количество образца, предназначенного для анализа, в одних случаях может быть не лимитировано, а в других – очень малó (до долей миллиграмма). 2) Чувствительность метода или методики определяется тем минимальным количеством вещества, которое можно обнаруживать или определять данным методом, по данной методике. Сопоставляя чувствительность различных методов и оценивая примерное содержание компонента в образце, выбирают тот или иной метод анализа. 3) Природа (особенности) анализируемого вещества. При проведении анализа выбор метода и методики анализа определяется не только задачей анализа, но также свойствами и особенностями образца. Необходимо учитывать физические свойства анализируемого объекта: его агрегатное состояние, летучесть, гигроскопичность, механическую прочность и т. д. Определяющими при выборе метода анализа являются химические свойства образца. При этом важно знать и принимать во внимание химические свойства основы образца, часто называемой матрицей анализируемого объекта; качественный химический состав образца; химические свойства определяемого компонента и сопутствующих примесей. -16-

4) Избирательность метода. Зная химические свойства основы и ожидаемых компонентов анализируемого объекта, оценив возможные помехи, выбирают как можно более избирательный метод, т. е. метод, с помощью которого в данных условиях можно обнаружить или определить нужные компоненты без помех со стороны других присутствующих компонентов. 5) Точность анализа – это собирательная характеристика метода или методики, оценивающая их правильность и воспроизводимость. Когда говорят о высокой точности, предполагают, что результаты правильные и разброс данных анализа незначителен. Точность часто характеризуют относительной погрешностью (ошибкой) определения в процентах. Требования к точности анализа обычно определяются целью и задачами анализа. Необязательно всегда стремиться к высокой точности. Неоправданное требование высокой точности определения обычно удлиняет и удорожает химический анализ. Так, при увеличении точности определения ряда компонентов с 2 до 0,2% время анализа увеличивается более чем в 20 раз. -17-

6) Экспрессность метода. Требование к экспрессности, т.е. быстроте проведения анализа, часто является основным при выборе метода или методики анализа. Задачи анализа иногда диктуют необходимость выбора экспресс-метода. Некоторые методы позволяют проводить анализ очень быстро. Так, методы атомно-эмиссионной спектроскопии позволяют определять 15– 20 элементов за несколько секунд. Следует отметить, что в большинстве методик измерение сигнала, связанного с содержанием, как правило, довольно быстрая стадия. Основное время при проведении химического анализа затрачивается на подготовку пробы. Поэтому для уменьшения времени анализа при прочих равных условиях следует выбирать наиболее избирательные, не требующие специальной подготовки проб, методики. -18-