任务三 固体样品的采集与制备
任务要求
1.掌握固体样品采集的相关要求、设计和方法；
2.能够根据固体样品特点和测试项目要求制订采样方案；
3.会根据采样方案，正确使用采样工具，正确选择样品采集的器皿；
4.能准确使用采样方法采集固体样品；
5.能做好样品采集安全防护；
6.能在采样过程中进行现场采样记录；
7.能根据测试要求对固体样品进行制备。
一、怎样采集固体样品
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固体物料是最常见的物料，所处状态与场景也是复杂的。总结起来主要有原始自然状态下固体样品采集（如土壤样品采集、岩矿样品采集）、块状（颗粒状）堆积状态下固体样品采集（如煤样采集、化肥样品采集）、包装状态（袋装、桶装）下固体样品采集、运输车上固体样品的采集、流动状态下固体样品采集（矿车、传运带上固体物料采集）。
1.原始自然状态下固体样品采集
原始自然状态下固体样品采集主要有土壤样品采集、岩矿样品采集。土壤样品采集详见操作项目1 土壤样品的采集与制备。岩矿（山）坝的取样，常用的取样方法是钻孔取样，可以是机械钻孔，也可以是人工钻孔。矿山取样一般采用刻槽取样、钻孔取样、炮眼取样、拣块取样或沿矿山开采面分格取样等方法。取样的精确度主要取决于取样网的密度。一般可沿整个尾矿场表面均匀布点，然后钻孔取样；若待处理的老尾矿数量很大，可考虑首先在近期要处理的地点取样。各点的样品应先分别缩取化学分析样，然后再根据取样要求配成选矿试样。
2.块状（颗粒状）堆积状态下固体样品采集
成批矿石原料（如石灰石、白云石、长石、菱镁石、煤、砂子等）进厂后（如果在运输过程中没有取样），可在分批存放的料堆上取样。其方法如图1-15所示。最下层采样部位应距离地面0.5m。每个采样点的0.2m表层物料应除去，然后沿着和物料堆表面垂直的方向边挖边采样。在取样点取样时，用铁铲将表面刮去0.1m，深入0.3m挖取一个子样的物料量，每个子样的最小质量不小于5kg，最后合并所采集的子样。在每个取样点挖取100～200g子样。如遇块状物料，则用铁锤砸碎再取。大约每100t原料堆需取出5～10kg矿样，作为实验室样品送到化验室，供制备分析试样用。
图1-15 料堆布点
矿石堆或废石堆是在生产过程中逐渐堆积起来的，沿料堆的长、宽、深，其物料的性质都有差异，再加上物料的堆积度大，不便挖取，因而其取样工作比较麻烦，可供选择的方法有舀取法和探井法两种。
（1）舀取法（挖取法） 舀取法的实质是在物料表面一定地点挖坑舀取样品。
显然，当物料是沿长度方向逐渐堆积时，通过合理布置取样点即可保证总样的代表性；反之，当物料是在一定地点沿高度方向逐渐堆积时，沿高度方向物料的组成和性质可能变化很大，此时采用表层舀取法则试样代表性很差，只能增加取样坑的深度，或改用探井法。但无论采用哪一种方法，工作量都将很大。
（2）探井法 探井采样法是在料堆的一定地点挖掘浅井，然后从挖掘出来的物料中缩取一部分作为试样，其做法与砂矿床用的浅井取样法类似，但此处取样对象是松散物料，在挖井时井壁必须支撑，因而费用较大，非必要时一般不用。
探井法的主要优点是可沿料堆全厚取样，但由于工程量大，取样点的数目不能太多，因而沿长度方向和宽度方向的代表性不及舀取法。为此，在用探井法取样时，取样点的选择必须慎重，应事先访问老工人和老工程技术人员，了解料堆堆积的历史，借以估计料堆组成的变化情况，必要时还可先用舀取法采集少量试样进行化学分析，作为选择取样点的依据。
3.包装状态（袋装、桶装）下固体样品采集
固体化工产品一般都使用袋（桶）包装，每一袋（桶）称为一件。采样单元可按抽样方案来确定。
如对于袋装化肥，通常规定：50件以内抽取5件；51～100件，每增10件，加取1件；101～500件，每增50件，加取2件；501～1000件以内，每增100件，加取2件；1001～5000件以内，每增100件，加取1件。将子样均匀地分布在该批物料中，然后用采样工具进行采集。
在确定子样数目后，即可用取样钻或双套取样管和采样探子取样，如图1-16和图1-17所示。对每个采样单元分别进行采样。自袋、罐、桶中采集粉末状物料样品时，通常采用取样钻。取样钻为钻身750mm，外径18mm，槽口宽12mm，下端30°角锥的不锈钢管或铜管，取样时，将取样钻由袋（罐、桶）口的一角沿对角线插入袋（罐、桶）内的1/3～3/4处，旋转180°后抽出，刮出钻槽中的物料作为一个子样。化工产品总样量一般不少于500g，其他工业产品的总样质量应够分析用。
图1-16 取样钻和固体粉末取样金属探子
图1-17 双套取样管和采样探子
4.流动物料的取样
流动物料是指运输过程中的物料，例如用矿车运输的原矿，也可以是用胶带运输机和其他运输机械运输的料流，给矿机和溜槽中的料流，以及流动中的矿浆。最常用、最精确的采集流动物料试样的方法是横向截流法，即每隔一定时间，在垂直于料流的方向，截取少量物料作为样品，然后将一定时间内截取的许多小份单样累积起来作为总样供试验用。取样精确度主要取决于料流组成的变化程度和取样频率。
（1）抽车取样 当原矿石是用小矿车运到选矿厂时，可用抽车法取样。一般每隔5车、10车或20车抽一样。间隔大小主要取决于取样期间来矿的总车数，而在较小程度上取决于所需的试样量，因为每次所需试样量不多，抽取的车数也不能太少，抽车太少代表性不好。抽车法取得的试样量超1t时，可进一步用抽铲法或堆锥四分法缩取。
对原矿抽车取样实质上是从矿床取样，抽车只是一种缩分方法。取样的代表性不仅取决于抽车法的操作，而且取决于自矿山运来的矿石本身是否能代表所研究的矿床或矿体。因而在抽车前必须同矿山地质部门联系，不能盲目从事。
从小型车辆中采集固体物料时，子样的数目应按具体规定执行。对于商品煤，子样的数目应按前述的规定来确定，子样点可按沿斜线采样的原则来布置，但由于汽车等小型车辆容积较小，可装车数远远超过应采集的子样数目，所以不能从每一辆车中采集子样。一般是将采集的子样数目平均分配于所装的车中，即每隔若干车采集一个子样。例如，1000t商品煤，按规定应采取60个子样，如果汽车的载运量为4t，应装250车，则每隔大约4车采集一个子样。
如图1-18所示，在火车车厢内沿斜线方向在1、2、3、4、5位置上按五点循环采集子样。对于原煤、筛选煤，不论车厢容量大小，均按图1-19，在车厢内沿斜线方向采集3个子样。斜线的始末两点距离车角应为1m，其余各点应均匀地分布在始末两点之间，各车皮的斜线方向应一致。
图1-18 火车车厢5点布点法
图1-19 火车车厢3点布点法
（2）运输胶带上取样 在物料流中采样，通常采用舌形铲，一个横断面采集一个子样。采样应按照左、中、右进行布点，采集质量按有关公式计算。在横截皮带运输机采样时，采样器必须紧贴皮带，而不能悬空铲取物料。
在陶瓷厂中，对于松散固体物料，特别是原矿，经常是在运输胶带上取样。
陶瓷试样可用人工采样，即利用一定长度的刮板，每隔一定时间，垂直于料流运动方向，沿上层全宽和全厚均匀地刮取一份物料作为试样。取样间隔一般为15～30min，取样总时间为一个班至几个班。
二、怎样制备固体样品
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固体样品由于不均匀需要特殊样品制备过程，样品制备目的是从大量的原始样品中获取最佳量的能满足检验要求、待测性能能代表总体物料特性的样品。制备的这些单份检测样和试验样，不仅在数量上和粒度上应满足各项具体检测和试验工作的要求，而且必须在物质组成特性方面仍能代表整个原始试样。
1.固体试样的干燥
干燥是指除去附在固体或混杂在液体或气体中的少量水分，也包括除去少量溶剂。干燥的类型可分为物理方法和化学方法两种。如风干、烘干、蒸发等属于物理方法，而化学方法则是使用干燥剂，使其与水作用形成水合物或与水起反应，从而除去试样中的水分。下面分别就试样不同状态介绍试样的干燥方法。
可采用蒸发和吸附的方法来干燥，蒸发可采用自然干燥、加热干燥和减压干燥。吸附的方法是使用装有各种类型干燥剂的干燥器进行干燥。
（1）自然干燥 这是最经济、方便的方法。应注意被干燥的固体应该稳定、不分解、不吸潮。干燥时要把被干燥固体放在表面皿或其他敞口容器中，薄薄摊开，让其在空气中慢慢晾干。
（2）加热干燥 对热稳定的化合物，可用烘干的方法使其干燥，常使用电热干燥箱（烘箱）或红外灯来烘干。要严格控制加热温度，不要高于有机物的熔点并要随时翻动被干燥的物质，防止出现结块的现象。
红外灯的温度控制，可利用功率的不同，悬放高度的不同予以调节。若用的是电热干燥箱，可在50～300℃的温度范围内，根据需要任意选定温度，借助于箱内的自动控制系统保持温度恒定，温度计应插入箱顶的排气阀上孔中。
（3）干燥器干燥 对于易分解或升华固体，不能用上述方法干燥，应放在干燥器内干燥，常见的干燥器有普通干燥器（图1-20）、真空干燥器（图1-21）、真空恒温干燥器（图1-22）。
图1-20 普通干燥器
图1-21 真空干燥器
图1-22 真空恒温干燥器
①使用普通干燥器干燥 普通干燥器通常用变色硅胶或无水氯化钙作干燥剂，干燥样品所费时间较长，干燥效率不高，一般适用于保存易吸潮药品。干燥器是磨口的，并涂有一层很薄的凡士林以防止水汽进入，开启或关闭干燥器时，应用左手朝里（或朝外）按住干燥器下部，用右手握盖上的圆顶反方向平推器盖。搬动干燥器，不应只捧着下部，而应同时用拇指按住盖子，以防盖子滑落。
②使用真空干燥器干燥 某些易分解、易升华、易吸湿或有刺激性的物质，需在真空干燥器中干燥。干燥时，根据样品中要除去的溶剂选择好干燥剂，放在干燥器的底部。如要除去水可用五氧化二磷；要除去水或酸可选生石灰；要除去水和醇可选无水氯化钙；要除去乙醚、氯仿、四氯化碳、苯等可选用石蜡片。
真空干燥器上配有活塞，可用来排气，抽气通常采用水泵，在抽气过程中，其外围最好能用布裹住，以保安全。
真空干燥器干燥效率较高，使用时真空度不宜过高，以防止干燥器炸裂。一般用水泵抽气，抽气时应有防止倒吸的安全装置。取样放气时不宜太快，以防止空气流入太快将样品冲散。
③使用真空恒温干燥器干燥 真空恒温干燥器也称干燥枪，其干燥效率较高，适用于除去结晶水或结晶醇。但这种方法只能用于小量样品的干燥，如果干燥化合物数量多，可采用真空恒温干燥箱。
使用干燥器时，先将装有样品的小瓷盘放入夹层内，连接盛有干燥剂（一般常用五氧化二磷）的曲颈瓶，然后用水泵减压，抽到一定真空度时，将活塞关闭，停止抽气。根据被干燥化合物的性质，选用适当的溶剂进行加热（溶剂的沸点切勿超过样品的熔点），溶剂蒸气充满夹层外面，而使夹层内样品在减压和恒定的温度下进行干燥。整个过程中，每隔一定时间应再抽一次气，以保持一定的真空度。
2.试样加工操作
固体试样加工操作包括四道工序，即破碎（粉碎）、筛分、掺合、缩分。为了保证试样的代表性，必须严格而准确地进行每一项操作，决不允许粗心大意。
（1）粉碎 粉碎试样可用人工或机械（碎样机）加工的方法，见图1-23。试样经粗碎、中碎和细碎以及使用研钵研磨至所需粒度。由于分解不同试样的难易程度不同，要求磨细的程度也不同。为控制试样粒度均匀，常采用过筛的办法，即让粉碎的试样通过一定筛孔的筛子。必须注意，每次粉碎后要通过相应筛孔的筛子，将不能通过筛孔的部分反复破碎，直至全部过筛。切不可随意弃去，否则影响试样的代表性。将破碎至一定程度的试样仔细混匀后，再进行缩分。
图1-23 固体样品粉碎工具
对于软、高水、高脂样品如鱼、肉、果、蔬菜的粉碎，可以用人工切碎和机械打碎。机械打碎通常有组织捣碎机、绞肉机、打浆机。
在样品粉碎时要注意下列事项：
①依据样品性质和检验项目正确选择粉碎方法。如纤维素多的样品，不宜用研钵、药碾粉碎，而宜用切削式粉碎机粉碎；测金属元素样品，不宜用金属器具粉碎而宜用瓷钵粉碎。固态高脂、高水样品用切片或剪碎的方法处理。
②样品细度应合乎检验要求，过粗，被测组分难以分离，且难以均匀；过细，常会造成被测组分中的低沸点成分的损失。
（2）筛分 筛分是按规定用适当的标准筛对样品进行分选的过程。化验室中使用的标准筛又称为分样筛或试验筛，如图1-24所示，筛子一般用细的铜合金丝制成，其规格以“目”表示，如表1-6所示。“目”的意义通常是指每英寸长度（2.54cm）中的筛孔个数。目数越小，标准筛的孔径越大；目数越大，标准筛的孔径越小。
图1-24 化验室中使用的标准筛
表1-6 筛号（网目）及其规格
破碎前，往往要进行预先筛分，以减少破碎工作量，破碎后还要检查筛分，将不合格的粗粒回收。对于粗碎操作，若试样中细粒不多，而破碎设备生产能力较大，就不必预先筛分。
粗粒筛分可用手筛，细粒筛分则常用机械振动，如图1-25所示。筛孔尺寸应尽可能与该类矿石生产习惯一致。一般应备有筛孔尺寸为150目、100目、70目、50目、30目、20目、18目、12目、6目、3目、2目的一整套筛子，供实验选用。
图1-25 手筛和机械振动
物料在破碎过程中，每次磨碎后均需过筛，未通过筛孔的粗粒再磨碎，直至样品全部通过指定的筛子为止（易分解的试样过170目筛，难分解的试样过200目筛）。
（3）掺合 掺合是按规定将样品混合均匀的过程。经破碎后的样品，其粒度分布和化学组成仍不均匀，须经掺合处理。对于粉末状的物料，可用掺合器进行掺合。对于块粒状物料和少量的粉末状物料，可用堆锥法进行人工掺合。以堆锥法掺合煤样时，将已破碎、过筛的煤样用平板铁锹在光滑平坦的厚钢板上铲起堆成一个圆锥体，再交互地从煤样堆两边对角贴底逐锹铲起堆成另一圆锥体，每次铲起的煤样应分数次自然撒落在新锥顶端，使之均匀地落在新锥四周。掺合操作重复三次后即可进行缩分。
（4）缩分 缩分的目的是使被粉碎试样的量减少，同时又不致失去其代表性。通常用所谓“四分法”进行缩分。即将粉碎混匀的试样先堆成锥形，然后压成圆饼状，通过中心均等分为四份，弃去对角的两份，其余对角的两份收集在一起混匀，如图1-26所示，保留的试样是否继续缩分，取决于试样的粒度与保证试样量的关系，它们应符合取样公式。例如有24kg原始试样粉碎至最大粒度的直径为4mm，试样的最小质量为：
Q=0.06×42=1（kg）
图1-26 四分法
所以24kg原始试样应缩分四次，方能保证试样质量等于1kg。若欲进一步缩分，必须将试样再度破碎至更细的颗粒，并通过较大号筛的筛选后再缩分。对于某些难溶解的试样，往往要将它们全部通过1～200目的细筛（粒度为0.07～0.15mm）。
任务实施
操作项目1 土壤样品的采集与制备
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一、项目目标
1.练习土壤采样布点设计方法。
2.掌握土壤采样工具的使用。
二、项目背景
受市政府环保局指示对某一镇区土壤进行环保生态调研，需要进行土壤的重金属污染调查，现需要现场采集这一镇区土壤样品。
三、项目准备
1.工具准备：采样用铲（木质或塑料）、皮尺。
2.容器的准备：采样袋（纸质或塑料）。
3.采样记录及标签准备：记录表及标签。
四、项目实施
1.采样点的数目
由于土壤本身在空间分布上具有较大的不均匀性，需要在同一采样地点进行多点采样，再混合均匀。当采样地点的面积不大（1000～2000m2以内）时，可在不同方位上选择5～10个有代表性的采样点。
2.采样点的布置方法
采样点的分布不能太集中，通常有对角线采样法、梅花形采样法、棋盘式采样法和蛇形采样法，如表1-7、图1-27所示。对土壤大面积采样定位，可采用GPS定位设点。
表1-7 土壤采样点的布点方法
图1-27 土壤采样点的布点方法
3.采样深度
采样深度视采样目的而定，一般采耕层0～20cm，取混合样1～2kg。
4.采样工具、容器、方法
用作化学分析（除重金属分析）的土壤样品可用土钻采样，用作容量测定的土壤样品，应用环刀法采样。将所采土样装入布袋或聚乙烯塑料袋中，内外均应附标签，标明采样编号、名称、采样深度、采样地点、日期、采集人。
5.土壤样品制备
（1）制样室要求 制样室应设在向阳（但严防阳光直射样品）、通风、整洁、无扬尘、无易挥发化学物质的房间，为便于晾样，面积最好不小于10m2。
（2）制样所需的工具与容器 晾样用白色搪瓷盘；敲样用木槌、压样用木棒（图1-28）；磨样用样品研磨机、玛瑙研磨机或玛瑙研钵、白色搪瓷研钵；过筛用尼龙筛，规格为20～100目；装样用具塞磨口玻璃瓶、具塞无色聚乙烯塑料瓶或特制牛皮纸袋（装样量不低于200g）；装样用牛角勺；还需要样品标签。
图1-28 木槌、木棒
（3）制样程序
①土样交接：采样人将样品送交管理人员后，样品管理人应进行样品登记，然后填写制样通知单交制样人员，制样人员按相应步骤制样。
②湿样晾干：在晾干室将湿样放置在晾样盘中，摊成2cm厚的薄层，并间断地用木槌敲碎、翻拌，拣出碎石、砂砾及植物残体等杂质。
③分样贴标签：一个样品准备四个装样瓶（或样品袋），把装样瓶洗净晾干，填好样品标签并贴好（20目两瓶，60目一瓶，100目一瓶），标签均一式两份，瓶外贴一份，瓶内装一份。
④样品缩分：将晾干敲碎的样品反复混合均匀，然后铺成一圆形，过圆心画十字线将圆分为四等份，取对角线的两份（另外两份弃去），照此方法继续缩分，最终留500g左右制样。
⑤样品粗磨：将风干的样品于白色搪瓷盘中用木槌、木棒再次压碎，全部过20目尼龙筛，过筛后的样品全部置于有机玻璃板上混匀。
⑥样品细磨：取粗磨样品100g，用磨样机或研钵磨至全部过60目尼龙筛；再取粗磨样品100g，用磨样机或研钵磨至全部过100目尼龙筛。
⑦样品分装：将过20目、60目和100目的样品分别装入相应的样品瓶中（各100g），作为检测样品，剩余的约200g样品过20目筛后装入另一个样品瓶中，作为自备库存样备用。过20目筛（孔径0.9mm）的粗磨样可直接用于土壤pH、土壤代换量、土壤速测养分含量、元素有效性含量分析；过60目筛（孔径0.25mm）的样品用于农药或土壤有机质、土壤全氮等分析；过100目（孔径0.149mm）的土样，用于土壤重金属和元素全量分析。
⑧填单交接：样品制完后，检查所有样品编号、标签、粒径，标签填写等应无误，将库存样和检测样一并交样品保管人，双方签字认可。若样品需外送检测，则将检测样送检测单位，库存样自己保存。
（4）含水量的测定（可选做） 无论何种土样均需测定土样的含水量，以便按烘干土为基准进行计算。可用百分之一天平称取土样20～30g，在105℃下烘干4～5h，干燥至恒重，计算含水量，以mg/kg表示。
土壤采样记录表
五、任务评价
想一想
若你到检测公司上班，你的第一岗位就是采样岗，公司派你到某一住宅小区采集某一住户室内空气样品，你要准备什么工具？到现场怎样采集？采集到的空气样品怎样处理？这一系列问题你知道吗？