知识篇：含碳材料的浓度及其对湿型砂排放物影响的 检测方法
研究显示，型砂中含碳材料通过热裂解，在铸造过程中会生成空气污染物（HAPs）和挥发性有机化合物（VOCs）。
通常，有机物在热裂分解后会产生挥发性气体，并产生富含碳的固体沉积物。这种含碳材料的热裂解，在湿型砂铸造工艺中的作用，已经被普遍认同，最早可追溯于1980年的出版物中。
其主要作用概括如下：
含碳材料的热裂解作用
01、含碳材料生成的挥发性气体可促进砂模型腔中的还原性气氛，帮助抑制铁液氧化。
02、挥发性气体产生的压力，以及含碳材料热裂解后沉积的富含碳的余留物，有助于防止金属渗透，并且有助于铸件凝固后从砂模中剥落出来，从而得到光滑的铸件表面。
03、曝露于高温下的砂模中的含碳材料，释放的气体包含挥发性有机化合物和有害空气污染物，被证实是铸造厂气体排放的主要来源。
因此，对含碳材料的浓度及其对湿型砂排放物影响的研究就非常有必要！
本文将着重介绍具体的检测方法。
所有型砂为粒度60目的硅砂，使用辛普森42110实验室混砂机混和，混砂时间480 s。单批次混砂量为3 kg。实验设计中，膨润土预混材料质量含量为7%。在商用铸铁厂案例研究中，膨润土预混材料的质量含量为13.3%，以满足铸造厂对有效土的要求。
01、 型砂混制
首先制备膨润土预混材料（以干基计），加入混砂机的干砂中。向混砂机中加水，调试硅砂和粘土的混合物。加水量以在8 min混砂时间结束时，型砂达到紧实率40%计。如果8 min后，混合物的紧实率过低，补充加水，再混砂2 min，总混砂时间不超过10 min。达到目标紧实率后，将砂样装入塑料袋，从砂样中分出50 g的子样。将子样在碳化钨振动研磨仪中研磨30 s，粉碎成粉末状，以达到解析细度[大约99%穿过140目筛（106 µm）]。将粉末物质转移至密封玻璃罐，等待使用实验室热裂解器进行排放物检测。剩余型砂，按照“美国铸造协会砂模和砂芯手册第四版”中概述的检测程序，检测其力学性能。
02、热裂解器逸出气体分析
将研磨成细粉的子样从玻璃罐移出，放入实验室搅拌器，混合60 s，使其均匀并打散结团。均化步骤之后，将大约25 mg样品装入一个小的石英试管，再放入热裂解器中。热裂解器的试样室温度设置达到650 ℃，在设定温度保持90 s，同时将任何逸出的气体直接收集至气相色谱柱（HP-5MS UI）进行分离并结合使用质谱仪鉴定并量化化合物，传输线的温度维持在305 ℃。热裂解器试样室和GC-MS传输线维持在惰性氦气的环境下。气相色谱仪的升温开始于40 ℃，每分钟升温12 ℃，到160 ℃后，每分钟升温30 ℃至305 ℃后，保持8 min。通过热裂解器/GC-MS得出的逸出化合物的流程如图1所示。含有9种不同挥发性有机化合物/有害空气污染物的分析标准如图2所示。图3显示了商用湿型砂的气相色谱结果。
图1 使用热裂解器/GC-MS连用检测排放物的示意图
图2 含有9种化合物的分析标准的气相色谱响应
图3 湿型砂样品热裂解产物的气相色谱响应结果
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