直接有機進樣-電感耦合等離子體串聯質譜法測定加氫裂化尾油中痕量Na，Ni，V，Pb，As，Hg

王小雨，姜麗燕，李繼文，王 川

（中國石化 上海石油化工研究院，上海 201208）

加氫裂化尾油是加氫裂化裝置中未轉化的循環油［1-2］，以加氫裂化尾油為原料生產的乙烯的品質對裂解爐的安全穩定運行有著至關重要的影響［3-5］。某些金屬或非金屬元素包括Na，Ni，V，Pb，As，Hg等能滲透到裂解爐管壁內，當爐內溫度超過這些元素的熔點時極易導致爐內管壁出現裂紋或凹陷，縮短爐管的使用壽命并且加快爐管結焦。因此，為了裂解爐和下游設備的安全穩定運行，必須建立相應的分析方法對加氫裂化尾油中Na，Ni，V，Pb，As，Hg等有害元素加以嚴格控制。目前，尚未有文獻對乙烯裝置加氫裂化尾油中痕量Na，Ni，V，Pb，As，Hg進行詳細研究，需開發新方法以滿足需求。電感耦合等離子體串聯質譜（ICP-MS/MS）是一種先進的復雜試樣中超痕量元素分析技術，采用ICP-MS/MS技術，既可以提高測試精度，又可以對多種元素進行統一測試提高效率［6］。

鑒于部分尾油試樣常溫下為固態［7-8］，本工作采用有機溶劑將尾油直接溶解，使尾油的預處理實驗步驟大大縮短，降低了由于實驗環節過多引入的實驗污染和偏差，提高了測試結果的重復性和準確性。同時采用ICP-MS/MS先進測試技術的統一元素測試方法，對痕量雜質的測試水平能達到ng/kg級，可作控制乙烯裝置原料加氫裂化尾油痕量有害元素含量的分析技術。

1 實驗部分

1.1 主要儀器和材料

8890型電感耦合等離子體串聯質譜儀：Agilent公司；V-Solv ICP溶劑、釔（Y）單元素油標樣（1 000 mg/kg）：Agilent公司；S-21多元素混合油標樣（包含Na，Ni，V，Pb）、As和Hg單元素油標樣：100 mg/kg，Conston公司；加氫裂化尾油實際試樣來自中國石化天津石化等多家企業。

1.2 測試條件

ICP-MS/MS測試條件如表1所示。

表1 ICP-MS/MS測試條件Table 1 ICP-MS/MS test conditions

1.3 實驗步驟

試樣以V-Sol ICP專用溶劑稀釋，Y油標樣作為內標，采用有機進樣-ICP-MS/MS法直接進樣測定。

Y內標溶液的配制：準確稱量1 000 mg/kg Y油標樣0.01 g，放入一次性50 mL離心管中，添加V-Sol ICP溶劑，總重25 g，放入50 ℃的烘箱混合均勻，Y含量400 μg/kg。

試樣的制備：將實際試樣1#～7#放入50 ℃的烘箱加熱至均勻的液態，準確稱量1 g試樣，加入Y內標溶液 0.25 g，放入一次性50 mL離心管中，添加V-Sol ICP專用溶劑，總重10 g，放入50 ℃的烘箱混合均勻，內標Y含量為10 μg/kg。

系列標準溶液的配制：準確稱量100 mg/kg Hg單元素油標樣0.2 g，放入一次性50 mL離心管中，添加V-Sol ICP溶劑，總重10 g，放入50 ℃的烘箱混合均勻，得Hg含量2 000 μg/kg，記為Hg1。準確稱量100 mg/kg S-21多元素混合油標樣0.06 g、100 mg/kg As單元素油標樣0.015 g、Hg1樣0.15 g，放入一次性50 mL離心管中，添加V-Sol ICP溶劑，總重30 g，放入50 ℃的烘箱混合均勻，得到含 有 Na，Ni，V，Pb 200 μg/kg，As 50 μg/kg，Hg 10 μg/kg的混合標樣，記為混標1。分別準確稱量0，0.002 5，0.005，0.025，0.05，0.10，0.20，0.40，1.00，2.00，5.00 g混標1試樣，放入一次性50 mL離心管中，加入Y內標溶液0.25 g，添加V-Sol ICP專用溶劑，總重10 g，放入50 ℃的烘箱混合均勻，內標Y的含量為10 μg/kg。由于各元素的含量水平和環境易污染程度不同，繪制標準曲線使用的各目標元素實際稱量質量分數梯度分別是Na：0，2.11，4.28，20.19，40.28 μg/kg，Ni，V，Pb：0，0.05，0.12，0.46，0.92，4.28 μg/kg，As：0，0.01，0.03，0.23，0.52，1.99 μg/kg，Hg：0，0.006，0.020，0.110，0.220 μg/kg。

對實際試樣1#進行了重復實驗和加標回收率測試，重復實驗6次，Na，Ni，V，Pb，As，Hg換算到實際試樣中的加標量分別為：24.9，24.9，24.9，24.9，6.15，1.30 μg/kg。

上述稱量方案為理論值，實驗中應準確記錄稱量質量，精確到0.000 1 g，數據計算過程中按實際稱量質量計算。稱量采用移液槍將試劑或試樣直接加入到一次性離心管，向試樣或標樣中添加內標的質量采用差減法計算。

2 結果與討論

2.1 有機溶劑的篩選

ICP-MS/MS有機進樣常用的有機溶劑有甲醇、乙醇、異丙醇、甲基吡咯烷酮、二甲亞砜、四氫呋喃、正己烷、5號白油、異辛烷、V-Sol ICP專用溶劑、二甲苯。其中甲醇、乙醇、異丙醇、甲基吡咯烷酮和二甲亞砜是半導體行業常用的高純溶劑，但實驗發現由于尾油試樣的極性較小，無法溶解于極性較大的這些溶劑，即使50 ℃加熱或者增加稀釋比后能形成均一的溶液，但室溫靜置10 min后仍會有絮狀沉淀。尾油在四氫呋喃、正己烷、異辛烷、二甲苯和5號白油中的溶解性較好，但市場上無法找到基體比較干凈的這幾種溶劑，而且前4種溶劑的揮發性相對較強，容易造成等離子體熄火，不太適合ICP-MS/MS直接有機進樣測試。

V-Sol溶劑是美國Agilent公司生產的ICP專用溶劑，初期實驗證實尾油試樣在V-Sol ICP專用溶劑中的溶解性較好，而且基體中目標元素的干擾較小，因此對不同生產企業的尾油試樣進行了溶解性實驗。實驗結果表明，試樣4#的溶解性能最差，完全溶解的最低稀釋比（溶劑與試樣的質量比）為9；試樣2#的最低稀釋比為6；其余試樣均可在稀釋比為2時完全溶解。不同試樣的溶解能力差異與尾油試樣的組成差異有關，這也可以體現在尾油試樣的沸程范圍明顯不同上。為了統一試樣預處理方法，選擇稀釋比為9進行溶解制樣。

2.2 內標元素考察

由于尾油試樣與市售的油標樣之間有黏度等物性上的差異，擬建立內標定量方法以校正基體效應。ICP-MS/MS法有機進樣常用的內標元素有In，Bi，Y。In元素115的質量數易受到Sn（質量數115）的干擾，而且所用的S-21多元素油標樣中有Sn，故排除In。另外實驗過程中也發現Hg油標樣對內標Bi的信號穩定性有一定影響，推測是油標樣中混有較高含量的Bi，因此選擇Y為內標。

2.3 檢測模式選擇

對于大部分元素，He碰撞模式足以消除多原子干擾，但對某些存在強烈干擾的元素則無法完全消除［9］。V 和 As測試需采用［O2］模式［10-11］，選擇O2為反應氣，V+與As+與O2的反應為放熱過程，自發生成VO+和AsO+，利用O2的質量轉移法消除質譜干擾。Hg元素所受質譜干擾可忽略，采用無氣方式進行測定。因此，Na，Ni，V，Pb，As，Hg的檢測模式分別選擇［He］，［He］，［O2］，［He］，［O2］，［No Gas］模式。

2.4 標準曲線

測定系列標準溶液，以待測元素與內標元素的含量比為橫坐標，待測元素與內標元素的信號比為縱坐標獲得各元素的標準曲線，如圖1所示。由圖1可知，當配制的待測元素標樣含量小于50 μg/kg時，各元素標準曲線相關系數大于0.99，線性良好，可用于準確定量。

圖1 鈉、鎳、釩、鉛、砷、汞標準曲線Fig.1 Standard curves of Na，Ni，V，Pb，As and Hg.

2.5 最低檢測限

表2為方法的最低檢測限。由表2可知，除Na以外的其他元素溶劑空白信號較低，分別配制了接近于空白信號10倍的Ni，V，Pb，As，Hg的標樣，利用標準曲線計算標樣的加標回收率，為80%～120%，說明當稀釋比為9時，應用該方法可以準確定量。以空白信號的10倍計算最低檢測限，Ni，V，Pb，As，Hg元素在試樣中的最低檢測限分別為13.0，0.3，0.1，0.3，0.2 μg/kg。空白V-Sol ICP專用溶劑中Na的初始信號較高，為2 299 mPa·s，重復3次相對標準偏差（RSD）為4.9%；配制Na標樣含量為2.11 μg/kg時，Na的信號為2 835 mPa·s，重復3次RSD為3.1%；利用標準曲線計算2.11 μg/kg的Na標樣的加標回收率為84.8%，該方法能夠準確測定試樣中21 μg/kg的Na；再降低Na標樣的配制含量，回收率將超過150%，說明由于環境中Na元素的污染使配制的較低含量Na標樣無法準確測量，出現回收率偏高的現象，為此Na的最低檢測限推薦使用利用標準曲線可以準確測定的（回收率在80%～120%）最低含量，并考慮試樣稀釋比，推薦為21 μg/kg。

表2 方法的最低檢測限Table 2 The minimum detection limits of the method

2.6 方法重復性

采用1#試樣進行方法重復性考察，整個過程包括試樣配制與儀器重復測試6次，扣除試樣空白后換算到試樣中元素含量的結果如表3所示。由表3可知，Na元素的含量平均值為94.8 μg/kg，RSD為9.6%；Pb元素的含量平均值為0.51 μg/kg，RSD為9.8%，說明該方法的重復性較好。1#試樣Ni，V，As，Hg的含量均小于最低檢測限。

表3 方法重復性Table 3 Repeatability of the method

其余實際試樣進行兩次重復實驗，測試結果見表4。由表4可知，其中Na元素含量相對較高，相對偏差在0.4%～5.4%，說明該方法重復性較好，對于痕量Na的測定，引入的誤差較容易控制或避免。大部分試樣的Ni含量均小于最低檢測限13 μg/kg。V，Pb，As，Hg 的含量均小于 10 μg/kg，相對偏差可以控制在20%以內，對于痕量元素含量測試重復性較好。

表4 實際試樣測試結果Table 4 Test results of actual samples

2.7 加標回收率

向1#試樣添加一定量的標樣，根據加標回收率的計算公式［12］計算加標回收率，計算結果如表5所示。由表5可看出，6種元素的加標回收率在84.6%～117.9%之間，說明該方法準確可靠。

表5 有機進樣-ICP-MS/MS法的加標回收率測試結果Table 5 Recovery rate test results of organic sample-ICP-MS/MS method

3 結論

1）建立了直接有機進樣-ICP-MS/MS測定加氫裂化尾油中痕量Na，Ni，V，Pb，As，Hg的方法。試樣中Na，Ni，V，Pb，As，Hg的最低檢測限 分 別 為 21.0，13.0，0.3，0.1，0.3，0.2 μg/kg。當各元素含量低于10 μg/kg，相對偏差控制在20%以內；各元素含量高于10 μg/kg，相對偏差控制在10%以內，對于痕量元素的測定重復性好。6種元素的試樣加標回收率在84.6%～117.9%之間，測試方法準確可靠。

2）該方法采用ICP-MS/MS先進測試技術統一元素的測試方法，對痕量雜質的測試水平達到ng/kg級，可作為控制乙烯裝置原料加氫裂化尾油痕量有害元素含量的分析技術。