電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定陶瓷原料的化學(xué)成分＊

王春金

(唐山惠達(dá)陶瓷(集團(tuán))股份有限公司 河北唐山 063020)

電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定陶瓷原料的化學(xué)成分＊

王春金

(唐山惠達(dá)陶瓷(集團(tuán))股份有限公司 河北唐山 063020)

應(yīng)用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)對陶瓷原料的化學(xué)組成中常量及微量元素Si、Al、Ca、Mg、K、Na、Fe、Ti、B、Zn、Zr、Sr、S、P、M n、Pb、Ge等進(jìn)行檢測。

ICP-OES 陶瓷原料 常量 微量元素

電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀簡稱ICP-AES(英文：Inductively Coup led Plasma-A tom ic Em ission Spectrometer的縮寫,由于它不僅能測原子狀態(tài)下的元素,也能測電離狀態(tài)下的元素,后來人們又給了它一個名稱：ICP-OES),具有靈敏度高、精確度好、基體效應(yīng)小、同時快速測定多種元素、檢出限低、標(biāo)準(zhǔn)曲線線性范圍寬等優(yōu)點,國內(nèi)引進(jìn)ICP-OES已有30多年的歷史,被廣泛應(yīng)用于包括金屬與合金的地質(zhì)樣品、環(huán)境樣品、生物和醫(yī)學(xué)臨床樣品、農(nóng)業(yè)和食品樣品、電子材料及高純化學(xué)試劑等,而在硅酸鹽行業(yè)應(yīng)用較少,尤其是陶瓷行業(yè),一般分析方法都是采用化學(xué)法、分光法,這些方法周期長、操作繁瑣、微量元素測定準(zhǔn)確性差,對于一些組成復(fù)雜的原料如含硼、鋅、鋯、鍶等測定困難。筆者所在公司在2009年購買了賽默飛世爾的ICP-6300型光譜儀,通過大量的實驗,總結(jié)出測定 Si、A l、Ca、M g、K、Na、Fe、Ti、B、Zn、Zr、Sr、S、P、M n、Pb、Ge等元素的一套方法,該方法操作簡便、快捷、準(zhǔn)確。下面就以組成復(fù)雜的一組樣品為例介紹其檢測方法。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

ICP光譜儀：ICAP6300型,美國 Thermo Fisher科技;電子天平：北京 Sartorius BP61型,分辨率 0.0001 g;單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液：1 000μg/m l,國家鋼鐵材料測試中心鋼鐵研究總院;鹽酸、硫酸、氫氟酸、碳酸鈉、氫氧化鈉、碳酸鈣：優(yōu)級純試劑;超純水：優(yōu)譜純水機;氬氣：純度不小于99.996%。

1.2 儀器工作原理及工作條件

1.2.1 工作原理

經(jīng)化學(xué)處理后的待測樣品溶液由蠕動泵輸入霧化器,成為細(xì)小均勻的氣溶膠,與惰性氣體氬氣一同載入經(jīng)高頻電流產(chǎn)生的具有8 000～10 000℃的等離子體炬焰中,熾熱的等離子體作為激發(fā)光源使溶液中各種元素電離、激發(fā),各元素在激發(fā)過程中產(chǎn)生特征譜線,經(jīng)光柵分光系統(tǒng)分解成代表各元素的單色光譜,由檢測器檢測這些光譜能量,分析軟件自動顯示出溶液中待測元素的含量。

1.2.2 開機前準(zhǔn)備工作

①確認(rèn)有足夠的氬氣用于連續(xù)工作,(儲量≥1瓶);②確認(rèn)廢液收集桶有足夠的空間用于收集廢液;③打開穩(wěn)壓電源開關(guān),檢查電源是否穩(wěn)定,觀察約1 min,電阻小于5Ω;④打開氬氣并調(diào)節(jié)分壓在0.60～0.70 M Pa;⑤打開主機電源,(左側(cè)下方黑色刀閘)注意儀器自檢動作,此時光室開始預(yù)熱;⑥儀器室溫度為20～25℃,溫度值變化小于2℃。

1.2.3 點火后設(shè)置等離子體工作條件

①清洗泵速和分析泵速一般設(shè)定在40～60 rpm;②泵穩(wěn)定時間0S;③RF功率通常設(shè)定為950～1 150 W;④霧化器壓力根據(jù)需要一般設(shè)定在24～32 PSI;⑤輔助氣流量一般設(shè)定為0.5 L/min。

1.3 試樣溶液及標(biāo)準(zhǔn)液的制備

1.3.1 酸溶樣品

稱取約0.05 g經(jīng)(105±5)℃烘干的樣品,精確至0.000 1 g,置于鉑坩堝中,少許水潤濕,加入5滴硫酸(1∶1)和5 m l氫氟酸,置電爐上低溫加熱蒸發(fā)近干,升高溫度直至白煙冒盡,冷卻。然后加入4 m l鹽酸和15m l水,置低溫電爐上加熱至殘渣完全溶解,冷卻后將其移入100m l容量瓶中,用水稀釋至刻度,此溶液即為待測樣品,可以測除Si、B以外的其他元素。

按上述過程同時制備 GBW 03132酸標(biāo)準(zhǔn)溶液和酸空白溶液。往 GBW 03132酸標(biāo)準(zhǔn)溶液中加入單元素標(biāo)準(zhǔn)液(1 000μg/m l),5m l Zn,3m l Ba,3m l Sr,0.3 m l Zr,0.3 m l Pb,稀釋至刻度,搖勻。GBW 03132溶液里加入5m lZn,3m lBa,3㎎Sr,0.3m lZr,0.3m lPb,根據(jù)所稱的 GBW 03132的質(zhì)量算出上述5種元素所占百分比,同時 GBW 03132的各元素標(biāo)準(zhǔn)值也隨五種元素的加入需要重新計算,計算后的值為新標(biāo)液的標(biāo)準(zhǔn)值。

1.3.2 堿融樣品

稱取約0.05 g經(jīng)(105±5)℃烘干的樣品,精確至0.000 1 g,置于鋪有1 g碳酸鈉鉑坩堝中,將樣品與碳酸鈉攪拌均勻,再在表面上加入約1 g的碳酸鈉,蓋上坩堝蓋,先低溫加熱,逐漸升高溫度至1 000℃,熔融至透明狀,繼續(xù)熔融約15 min,搖動坩堝,使熔融物均勻附于坩堝四周,冷卻。將坩堝放入250 m l塑料燒杯中,加水浸泡約4 h以上,待熔融物全部浸泡下來,用水洗出鉑坩堝,一次性加入10～15m l濃鹽酸,將渾濁溶液溶解至清亮,然后移入500 m l容量瓶中,稀釋至刻度,此溶液即為堿融的待測Si、B的樣品液。

按上述過程同時制備 GBW 03132堿標(biāo)準(zhǔn)溶液和堿空白溶液。以上酸溶、堿融的樣品溶液中固溶物含量要求≤1.0%。

1.4 測定過程

圖1 開機操作顯示圖

打開操作軟件(iTEVA)主窗口包括兩個應(yīng)用程序：分析和報告生成。編輯分析方法：選擇所需的元素及其譜線,輸入標(biāo)準(zhǔn)值,設(shè)置分析參數(shù),設(shè)置等離子源工作參數(shù),保存方法。查看連鎖保護(hù)是否正常,若有紅燈警示,需做相應(yīng)檢查,若一切正常點擊等離子體開啟,待等離子體穩(wěn)定15～30min后,即可開始測試樣品。

1)分析。選擇分析方法,點擊標(biāo)準(zhǔn)化圖標(biāo),依次運行空白、標(biāo)準(zhǔn)溶液,點擊完成。雙擊樣品名稱,即可打開Subarray譜圖(樣品譜圖可疊加),查看譜峰是否有干擾,某些干擾可通過移動譜峰和背景的位置來消除干擾。通過方法→元素→譜線和級次→擬合,查看譜線的線性關(guān)系和相關(guān)系數(shù)。以確定該譜線是否可用。各元素譜線確定好之后,點擊未知樣圖標(biāo)依次對樣品進(jìn)行分析;先分析酸溶樣品,后分析堿融樣品。分析完畢后,將進(jìn)樣管先放入稀鹽酸中,后放入蒸餾水中沖洗進(jìn)樣系統(tǒng)10min。

表1 酸溶標(biāo)準(zhǔn)溶液檢測結(jié)果

2)熄火。打開iTEVA軟件中的等離子狀態(tài)對話框,點擊等離子熄火。2 min后關(guān)閉循環(huán)水;松開泵夾及泵管,將進(jìn)樣管從蒸餾水中取出;關(guān)閉排風(fēng)。待CID溫度升至20℃以上時,驅(qū)氣20min后,關(guān)閉氬氣。

2 結(jié)果與討論

從表1中可以看出,對標(biāo)準(zhǔn)溶液的12種元素在波長選定的情況下進(jìn)行了兩次分析,它們的標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于0.20%,RSD除 K2.86%其余均小于1.50%,而且測量值與標(biāo)準(zhǔn)值相差很小,可見檢測結(jié)果的精密度、準(zhǔn)確度都很高。那么在同一條件下檢測的待測溶液的各元素含量也是真實可靠的,見表2。

堿融溶液檢測結(jié)果的平均標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.50%,RSD小于2.00%。

綜上所述,可以看出,無論是常量、還是微量元素的檢測,此套檢測方法符合 ICP-OES對試樣的要求,檢測結(jié)果符合實驗室對數(shù)值準(zhǔn)確度和精確度的要求,此法測定陶瓷原料中各常量、微量元素的含量,快速、簡便、準(zhǔn)確,但是它同時存在著一定的局限性：①該儀器都是進(jìn)口的,價格較貴;②單獨的電源、接地、排風(fēng)系統(tǒng),前期投入較大;③對化驗室環(huán)境要求高,溫度20～25℃,濕度40%～60%,無灰塵;④高純氬氣約每4 h消耗一瓶。所以電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀檢測法在企業(yè)作為控制生產(chǎn)流程的檢驗手段,它的普及和推廣還需要一段時間。

TQ174.4

B

1002-2872(2010)09-0026-03

王春金(1971-),大專,助理工程師;研究方向為硅酸鹽工程。E-mail：huidawcj@163.com

表2 待測溶液的檢測結(jié)果