重量法测定固体硝酸铵的爆炸性能研究＊

李桂莲 王永强 廖阳 杨攀 王莹 刘心强 冉杰

（1.西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳 621010；2.中国工程物理研究院化工材料研究所，四川 绵阳 621999；3.四川美丰化工科技有限责任公司，四川 绵阳 621000）

0 引言

硝酸铵不仅是固体火箭推进剂和工业炸药的主要成分，也是一种高效氮素固体化肥，在农资肥料中占有不可替代的地位。但其具有强氧化性，与有机物接触易引起燃烧和爆炸［1-3］。近年来国内外多起生产安全事故都与固体硝酸铵相关，例如天津港爆炸事故、贝鲁特港爆炸事故，因此国内对固体硝酸铵的生产、存放、使用等提出了更多要求；但由于固体硝酸铵用途广泛，将其全面按照爆炸物管理不现实［4-6］。结合固体硝酸铵中常见可燃物质的情况，《硝酸铵》（GB/T 2945—2017）等相关标准中没有明确固体硝酸铵可燃物质含量的测定方法，而且近年来随着社会经济的发展，危险化学品管控越来越严，迫切需要在现有基础上，建立一种简单的方法，实现对固体硝酸铵爆炸性的有效分析和确定［7-10］。

重量法是通过称量物质的质量确定被测物质组分含量的一种分析方法。在石蜡包覆高氯酸铵的成分分析中，利用重量法检测实现了高氯酸铵、石蜡的成分分析；李兴林等［11］探索出通过重量法测定含硫湿法磷酸中单质硫含量的方法；宁骏斌等［12］利用硫酸钡溶度积极低的特点，使用盐酸-氟化氢铵-硝酸/氯酸钾饱和溶液溶解硫酸钡的共存物质，提出用重量法测定铜阳极泥中硫酸钡的含量。

在硝酸铵生产、储运和使用过程中可能接触到各种杂质，如在生产过程中，工业原料并非纯净物，有些杂质如铁离子、油脂类可能会加速其热分解，引起热积累进而导致爆炸事故。本试验借鉴重量法测定固体硝酸铵中水分的含量和灼烧残渣，利用固体硝酸铵可溶于水、不溶于石油醚的特点，针对可能混入的大多数可燃物质，分别采用水和石油醚进行溶解分离，通过定量过滤后恒重称量，获得相关成分数据，以达到检测目的。

因此，本文结合国内相关企业实际情况，根据优化固体硝酸铵产品的取样方法和前处理要求，采用重量法为主要研究手段，建立一套固体硝酸铵产品爆炸性鉴定的简易方法，能快速、有效地明确固体硝酸铵产品是否属于爆炸物。

1 材料与方法

1.1 试验原理

石油醚可溶解固体硝酸铵中的有机物质，如生产设备中的油类。多次用石油醚冲洗固体硝酸铵中的有机物质，直至完全溶解，烘干、冷却后称重，并计算出可燃物质和游离水总含量。

硝酸铵易溶于水，但其中的有机物如油类、纸屑等不溶于水。将硝酸铵完全溶于水并过滤、烘干、冷却后称重，可计算出可燃物质含量。

1.2 主要仪器和试剂

1）试验仪器。①固体硝酸铵取样器；②4 号玻璃坩埚式过滤器，容积30 mL，滤板孔径4 ～7m，长春市玻璃仪器厂生产；③真空烘箱1 台内腔最大工作温度不低于75 ℃，温度波动度不大于±2 ℃，绝对真空值≤8 000 Pa，天津市泰斯特仪器有限公司生产；④水浴恒温器1 套，最大工作温度不低于50 ℃，温度波动度不大于±1 ℃，上海智城分析仪器制造有限公司生产；⑤分析天平1 台，最大量程不低于200 g，精度0.000 1 g，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司生产；⑥循环水式真空泵，最大真空度0.098 MPa，巩义市予华仪器有限责任公司生产。

2）试验试剂。①固体硝酸铵，符合《硝酸铵》（GB/T 2945—2017）标准，成都市科隆化学品有限公司生产；②石油醚，符合《化学试剂石油醚》（GB/T 15894—2008）标准，沸程60 ～90 ℃，四川美丰化工股份有限公司生产；③水，符合《分析实验室用水规格和试验方法》（GB/T 6682—2008）中二级水的标准。

1.3 试验步骤

1）取样。任意选取同一批次固体硝酸铵，按照GB/T 2945—2017 中规定的方法取样和缩样，保留约1 kg 样品。

2）溶解与过滤。将玻璃坩埚式过滤器放入真空烘箱中干燥0.5 h 以上，冷却至室温后称量（m1，精确至0.000 1 g）。称取不同量级的试样（m2）置于玻璃坩埚式过滤器中；把装有试样的过滤器放于真空泵抽滤瓶上，将25 mL溶剂缓慢倒入过滤器中并抽滤，直到样品完全溶解。分别用15 mL 溶剂清洗3 次。

3）干燥与称重。将过滤后的玻璃坩埚式过滤器放入真空烘箱中干燥2 h以上，至称量结果恒定（2 次称量的差值不超过0.000 1 g），记录数据（m3）。

同样条件下做空白试验，每批样品量级的试验重复7 次以上。

4）计算（保留4 位有效数字）。水不可溶物质含量计算：

式中，m1为玻璃坩埚式过滤器质量；m2为固体硝酸铵试样质量；m3为过滤物+G-4 号坩埚式过滤器质量为固体硝酸铵不溶于水的含量为固体硝酸铵不溶于石油醚的含量。

2 结果与分析

2.1 试验数据

依据《硝酸铵》（GB/T 2945—2017），固体硝酸铵的质量分数≥99.5%，且游离水和灼烧残渣的质量分数总和不大于0.55%，可达到安全要求。

表1—表6 为水和石油醚溶解不同量级样品的重量法测试结果。其中，表1—表3 分别代表水溶解5、10、20 g 样品所测得的可燃物质含量。表4—表6分别代表石油醚溶解5、10、20 g 样品所测得的可燃物质含量，分别增加了1 个对照试验组，添加固体硝酸铵、不过滤，其他步骤同1.2 节，计算出游离水的含量，从而求得可燃物质含量。

表1 水溶解5 g 样品测得的可燃物质含量

表2 水溶解10 g 样品测得的可燃物质含量

表3 水溶解20 g 样品测得的可燃物质含量

表4 石油醚溶解5 g 样品测得的可燃物质含量

表5 石油醚溶解10 g 样品测得的可燃物质含量

表6 石油醚溶解20 g 样品测得的可燃物质含量

从表1—表3 可以看出，采用本文方法测定的硝酸铵样品中可燃物质含量小于GB/T 2945—2017 规定的灼烧残渣含量，其结果均约等于0.01%，硝酸铵的质量分数也达到GB/T 2945—2017 规定，其中可燃物质含量从大到小依次为：5g样品＞10g样品＞20g样品。

从表1—表6 可以看出，石油醚可溶物质含量远大于水不可溶物质含量，因为在石油醚溶解硝酸铵过滤操作后，烘干过程将硝酸铵中的游离水全部带走，因此石油醚可溶物质含量是硝酸铵中游离水和可燃物质的总含量，5、10、20 g 样品中 石油醚均小于GB/T 2945—2017 中游离水和灼烧残渣质量分数的总和。

通过进一步计算得出，在不同量级下水与石油醚溶解所测得出的可燃物质含量均约为0.01%，且游离水含量和可燃物质含量都符合GB/T 2945—2017规定，表明重量法测定固体硝酸铵中可燃物质含量可行。

2.2 精密度与准确度

2.2.1 相对误差与绝对误差

图1—图4 分别为水溶解相对误差、绝对误差，石油醚溶解相对误差、绝对误差。

图1 水溶解相对误差

由图1 可以看出，水溶解20 g 样品相对误差较平缓，水溶解5 g样品的相对误差波动较大，但其相对误差较小。说明在检测可燃物质含量时，水溶解5 g样品可信度高，水溶解20 g样品次之，水溶解10 g样品可信度最低。

由图3 可以看出，石油醚溶解20 g 样品相对误差最大，是因为样品量较多，石油醚不能将可燃物质完全溶解，因此较溶解5 g、10 g 样品的相对误差大。

由图1、图3 可以看出，水溶解较石油醚溶解的相对误差平缓，是因为水能溶解硝酸铵，而硝酸铵具有严重的吸潮性，易结块，石油醚不能充分溶解其中的可燃物质。由图2、图4 可以看出，水溶解和石油醚溶解检测结果的绝对误差都接近0，说明其准确度较高。

图2 水溶解绝对误差

图3 石油醚溶解相对误差

图4 石油醚溶解绝对误差

2.2.2 偏差

如表7 所示，水溶解不同量级样品的平均偏差和标准偏差都比较小，具有一定代表性的固体硝酸铵样品中可燃物质含量测定结果的相对标准偏差为1.411 4%～2.222 6%（n=7）。

表7 水溶解偏差计算数据

石油醚溶解不同量级样品的平均偏差和标准偏差都比水溶解的大，由表7—表8 可知，经过高温烘干后的固体硝酸铵吸潮速率比室温中的硝酸铵快，而石油醚的滤出产物主要为硝酸铵，会增大吸水量，成为试验中的不可控因素。因此，平均偏差、标准偏差较大，其可燃物质含量测定结果的相对标准偏差为1.614 1%～2.558 7%（n=7），表明重量法测定固体硝酸铵中可燃物质含量的精密度、准确度均较高，而不同量级样品的可燃物质含量接近，基于节约成本原则，可选用5 g 样品做进一步试验。

表8 石油醚溶解偏差计算数据

2.3 验证试验

不同量级下所测得硝酸铵中可燃物质含量相差不大，选用5 g样品，对不同批次的样品进行测定，进一步验证方法的准确度，结果见表9—表12。

表9 水溶解第1 批

表10 石油醚溶解第1 批

表11 水溶解第2 批

表12 石油醚溶解第2 批

由表9—表12可知，2批样品均采用重量法分析，水溶解与石油醚溶解的结果非常接近，符合GB/T 2945—2017 规定含量，相对标准偏差为1.903 3%～2.670 1%，进一步表明该方法是可靠的。

3 结论

利用硝酸铵溶于水、不溶于石油醚的特点，以GB/T 2945—2017 为最低要求，通过重量法测定固体硝酸中可燃物质含量，得到以下结论：

1）不同量级下水溶解与石油醚溶解所测得出可燃物质含量均约为0.01%，且游离水含量和可燃物质含量都符合GB/T 2945—2017 规定，可通过水溶解和石油醚溶解相互验证的方式，达到检测可燃物质含量的目的。

2）水溶解和石油醚溶解检测结果的相对误差、绝对误差、偏差都接近0，说明其准确度较高，重量法测得5、10、20 g 样品（同一批）得到的可燃物质含量高度相似，可选择5 g 做进一步的验证试验。

3）选中不同批次样本进行验证，其结论与以上2点一致，可以通过重量法与爆轰试验结果对比验证重量法是否可以鉴定硝酸铵爆炸性。