ICP-OES法測定除塵灰中鋅、氧化鈣、氧化鎂含量

田小亭，王 凡，叢琳琳，溫鐵麗

(內(nèi)蒙金屬材料研究所，內(nèi)蒙古 包頭 014034)

除塵灰按照除塵設(shè)置的需要和性質(zhì)，大致可分成兩類：煙氣除塵灰和環(huán)境除塵灰。工業(yè)企業(yè)等排放的大氣污染物經(jīng)過布袋除塵器等除塵設(shè)備處理，大部分顆粒物廢氣經(jīng)收集得到的飛灰，其成分與所收集的顆粒物氣體有關(guān)，鋼鐵企業(yè)會產(chǎn)生大量除塵灰，這種產(chǎn)生物很好的利用價值。煙氣除塵灰中Zn元素富集危害燒結(jié)煉鐵生產(chǎn)，造成燒結(jié)臺車糊蓖條，風(fēng)機(jī)葉片掛泥，除塵器效率降低，煙塵污染加重，設(shè)備維護(hù)量加大，高爐因有害元素富集而影響順行和壽命甚至造成事故也是不乏先例的。定期收集除塵灰，對其含量進(jìn)行檢測，了解運行狀態(tài)，提高效率。

收集的除塵灰，根據(jù)鋅、鈣、鎂等元素含量，可以再回收利用。鋅元素以容量法[1-5]檢測，氧化鈣、氧化鎂有容量法和原子吸收法[6-8]，對同一個樣品，需要采取多種方法才能實現(xiàn)多元素的檢測。不僅繁瑣，而且速度較慢。

本文針對這一問題做了大膽而新穎的嘗試，即在所用儀器及器皿都經(jīng)過校準(zhǔn)的情況下選擇最佳分析線，配制合適的工作曲線溶液，ICP-OES法[9-10]快速測定除塵灰中的Zn、CaO、MgO含量。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

BLUE型全譜直讀電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀，德國斯派克。

儀器主要參數(shù)：工作高頻27.12 MHz，輸出功率1400 W，冷卻氣流量13 L/min，輔助氣流量1.00 L/min，霧化氣流量0.80 L/min，蠕動泵轉(zhuǎn)速30 rpm，樣品提升量2.00 mL/min，預(yù)沖擊時間15 s，分析時間45 s。

除塵灰國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：YSBC287104-2020；高純鐵：質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于99.98%；鋅標(biāo)準(zhǔn)溶液：1000 μg/mL；鈣標(biāo)準(zhǔn)溶液：1000 μg/mL；鎂標(biāo)準(zhǔn)溶液：1000 μg/mL；鹽酸：ρ約1.18 g/mL；硝酸：ρ約1.14 g/mL；氫氟酸：ρ約1.15 g/mL；高氯酸：ρ約1.77 g/mL。所用試劑均為分析純。

1.2 樣品溶液的制備

準(zhǔn)確稱量0.2000 g樣品于瓷皿中，瓷皿底部墊一層濾紙，防止高溫灼燒造成沾污，于高溫爐中在700 ℃灼燒2 h，樣品完成灰化，無黑色殘留物。放干燥器內(nèi)自然冷卻，轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯燒杯中，加少量蒸餾水潤濕，然后加入10 mL濃鹽酸、10 mL濃硝酸和5 mL氫氟酸，加熱溶液至近沸時，加入5 mL高氯酸，加熱冒大煙至近干，取下燒杯冷卻后，補(bǔ)加10 mL(1+1)鹽酸溶解鹽類，最后加水稀釋定溶于100 mL容量瓶。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線的配制

稱取0.1000 g高純鐵6份于200 mL燒杯中，加10 mL水，5 mL硝酸，蓋上表皿，緩緩加熱至停止冒泡，加5 mL鹽酸，繼續(xù)加熱至完成分解。冷卻至室溫，分別轉(zhuǎn)移至6個工作曲線容量瓶中。分取一定量的鋅標(biāo)準(zhǔn)溶液配制成50 μg/mL、100 μg/mL、200 μg/mL、300 μg/mL、400 μg/mL標(biāo)準(zhǔn)曲線溶液。分取一定量的鈣標(biāo)準(zhǔn)溶液配制成20 μg/mL、40 μg/mL、80 μg/mL、160 μg/mL、240 μg/mL標(biāo)準(zhǔn)曲線溶液。分取一定量的鎂標(biāo)準(zhǔn)溶液配制成10 μg/mL、20 μg/mL、30 μg/mL、40 μg/mL、60 μg/mL標(biāo)準(zhǔn)曲線溶液。

2 結(jié)果與討論

2.1 分析譜線的選擇

ICP靈敏度高，線性范圍寬，每個元素有很多條譜線，選擇合適的譜線非常重要，每個元素選取四條譜線。選取一個除塵灰標(biāo)樣YSBC287104-2020進(jìn)行試驗，結(jié)果見表1。

表1 分析譜線試驗結(jié)果

由表1結(jié)果可知，鋅、鈣、鎂譜線213.856 nm、183.801 nm、285.213 nm結(jié)果準(zhǔn)確度高于其他譜線。考慮被測元素含量及準(zhǔn)確度，分別選擇譜線213.856 nm、183.801 nm、285.213 nm、259.940 nm作為最佳分析譜線。

2.2 最佳譜線的線性范圍

圖1 Zn線性范圍圖Fig.1 The linear range chart of Zn

圖2 Ca線性范圍圖Fig.2 The linear range chart of Ca

圖3 Mg線性范圍圖Fig.3 The linear range chart of Mg

選取鋅、鈣、鎂譜線213.856 nm、183.801 nm、285.213 nm，設(shè)定儀器條件，對含基體工作曲線進(jìn)行測定，結(jié)果如圖1～圖3所示。

從圖1～圖3可知，Zn、Ca、Mg三個元素的線性相關(guān)系數(shù)均大于0.9999%，符合化學(xué)分析的一般要求。通過計算得出Zn、Ca、Mg的檢出限分別為0.013%，0.0047%，0.0036%。超出曲線最高點，工作曲線彎曲，不成線性。通過稱樣量計算Zn、Ca、Mg最高可測20%，12%，3%，CaO、MgO最高可測17%，5%。

2.3 試樣分解研究

試樣的消解是成分分析檢測試驗的關(guān)鍵。按試驗方法分別加入不同比例的鹽酸、硝酸、氫氟酸以及高氯酸對試樣的消解效果進(jìn)行試驗。試驗結(jié)果表明鹽酸用量10 mL、硝酸用量10 mL、氫氟酸用量5 mL、高氯酸用量5 mL，測定結(jié)果比較穩(wěn)定。溶樣時，電爐溫度不宜過高，否則酸蒸發(fā)過快，試樣來不及消解完全，造成測試結(jié)果偏低。消解狀態(tài)以試樣被分解成濕鹽狀為最佳。消解完畢后，補(bǔ)加(1+1)鹽酸溶解鹽類，與此同時也能達(dá)到試樣酸度大致統(tǒng)一的目的。

2.4 稱樣量的研究

在使用國標(biāo)的方法進(jìn)行檢測時，稱樣量往往是一個特定的值或者一個小區(qū)間的特定范圍。規(guī)定稱樣量是很有必要和道理的。稱樣量太小，雖然更有利于樣品的消解，但同時會導(dǎo)致所分析的樣品欠缺足夠的代表性；而稱樣量太大，則有必要增加消解酸的用量，且不利于樣品在酸溶液中的分散。在保證正確分析的前提下，選擇合適的稱樣量即有利于樣品消解又有利于節(jié)能減耗。本方法針對稱樣量的試驗結(jié)果如表2所示。

表2 稱樣量試驗結(jié)果

如表2所示，改變稱樣量所測試的結(jié)果均能夠保證樣品測試結(jié)果準(zhǔn)確度，稱樣量大，消解用酸量也會增加，檢測成本增加，稱樣量小，高溫灼燒后樣本量太小，代表性不好。為了控制成本和確保樣品代表性，此處建議稱樣量選擇為0.2000 g。

2.5 基體及干擾離子的影響研究

表3 干擾離子試驗

ICP存在基體干擾，除塵灰中鐵含量一般在50%左右，為最高含量，按照鐵含量50%加入工作曲線，消除基體干擾。ICP每個元素譜線較多，譜線之間會有干擾，模擬除塵灰組分，此處針對K3+(766.4 nm)、Mn2+(279.5 nm)、Na+(589.5 nm)、Cr2+(238.5 nm)、Cu2+(324.8 nm)等離子進(jìn)行了較簡單的干擾試驗。對同一標(biāo)準(zhǔn)樣品YSBC287104-2020分別加入不同量的干擾離子進(jìn)行試驗，測試結(jié)果如表3所示。

由表3結(jié)果可知，不同含量的上述離子加入Zn、CaO、MgO的測定結(jié)果準(zhǔn)確度都符合化學(xué)分析的一般要求。干擾離子的影響可以不予考慮。

2.6 測試結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

按照上述條件試驗選擇最優(yōu)方案，對鋅精礦國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)YSBC287104-2020進(jìn)行十一組數(shù)據(jù)測試，測試結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)值如表4測試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值對照表所示。

表4 測試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值對照表

經(jīng)過計算分析十一組測試結(jié)果，Zn、CaO、MgO元素的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD分別為0.224%、0.967%、0.275%。符合化學(xué)分析方法的一般要求，說明該試驗擬合的整套分析方法對于除塵灰中Zn、CaO、MgO的檢測具有很好的應(yīng)用潛力。

3 結(jié) 論

通過上述系列研究結(jié)果表明，準(zhǔn)確稱量0.2000 g除塵灰樣品于瓷皿中，700 ℃高溫爐灼燒2 h，冷卻轉(zhuǎn)入聚四氟乙烯燒杯中，依該試驗方法消解樣品后，選取Zn、Ca、Mg最佳分析譜線，利用德國斯派克全譜直讀等離子光譜儀能準(zhǔn)確、快速的進(jìn)行除塵灰中Zn、CaO、MgO含量的測定。同時該方法還具有操作簡易、抗干擾能力強(qiáng)，便于標(biāo)準(zhǔn)化和檢驗員操作的優(yōu)點。