布袋除塵灰、爐灰中氧化鉀和氧化鈉含量分析方法的研究

姚成虎，王 娟

(馬鞍山市產品質量監督檢驗所 安徽馬鞍山 243000)

布袋除塵灰和爐灰是冶金生產過程產生的副產物[1]、[2]，進行樣品分析對于指導冶煉過程，保證冶金產品質量具有重要意義。布袋除塵灰和爐灰中氧化鈉、氧化鉀這一類堿金屬有害物質的存在對爐灰的回收利用是有害的，導致高爐堿金屬循環富集嚴重，對高爐順行和生鐵質量等產生不利影響[3]、[4]，因此對其進行含量測定在冶金生產中具有重要指導作用。針對布袋除塵灰、爐灰樣品中多元素的分析問題，目前已有的文獻資料主要集中在利用火焰原子吸收法、X射線熒光光譜法和近年來發展比較快，分析測定效率較高的電感耦合等離子體原子發射光譜法測定。如張立新[5]、樊鑫[6]等人通過酸融解鐵礦石試樣，采用X射線熒光光譜法測定鉀鈉鋅錳硫鉻鎳等多種元素，測定結果與濕法認定值偏差較小，準確度高；郭玉坤[7]、張濤[8]等研究團隊通過采用火焰原子吸收法測定礦石中的多種化學元素含量，高效便捷；王彥芬[9]、趙二敏[10]等人采用電感耦合等離子體原子發射光譜法測定礦渣中鉀、鈉、鋰等元素成分，前處理簡單，測試準確性，可滿足同時測定多種化學成分的要求。通過對多種方法進行分析對照，綜合考慮，本實驗主要通過采用ICP法對布袋除塵灰、高爐灰兩種基體不同的樣品進行分析，并通過基體效應影響、不同方法之間的對比分析選定一種適合大批量樣品的測試方法。

1 實驗部分

1.1主要儀器與試劑

Optima 7000DV電感耦合等離子原子發射光譜儀，測量范圍為165 nm-850 nm。

鉀標準儲備液：1000 μg/ml；鈉標準儲備液：1000 μg/mL。高純鐵粉(質量分數≥99.98 %)，鹽酸、硝酸、氫氟酸、高氯酸為分析純，氬氣的純度不小于99.999 %，實驗室用水為二級水。

1.2儀器工作條件

射頻功率為1300 W；等離子氣體流量15 L/min；輔助氣流量0.2 L/min；霧化氣流量0.80 L/min；泵流量1.50 mL/min，等離子體觀測方向為軸向。K分析譜線為766.490 nm，Na分析譜線為589.592 nm。

1.3實驗方法

1.3.1 布袋除塵灰、爐灰樣品處理及測定

稱取0.1000 g樣品置于250 mL聚四氟乙烯燒杯中(平行樣兩份)，加水潤濕，依次加入15 mL鹽酸，2 mL氫氟酸低溫加熱溶解大部分試樣，然后加入10 mL硝酸氧化、5 mL高氯酸，加熱蒸發至冒高氯酸煙，蒸發至近干狀態，取下，稍冷。加入20 mL鹽酸(1+1)溶解鹽類，煮沸2 min，取下，冷卻至室溫。

將試樣溶液轉移至100 mL容量瓶中，用水稀釋至刻度，定容，混勻。如有殘渣則需進行干過濾處理。如測定結果超出線性范圍，則需對試樣進行稀釋處理，分取10 mL體積至100 mL容量瓶中，用水稀釋至刻度，定容，混勻。隨同試樣做空白實驗。

將處理好的樣品置于等離子體原子發射光譜儀按照儀器工作條件進行測定。

1.3.2 校準曲線繪制

為保證基體與試樣保持一致，選用純鐵加不同濃度梯度的氧化鉀、氧化鈉標準溶液，分別繪制氧化鈉和氧化鉀校準曲線。

先將鉀標準儲備溶液稀釋至40 μg/mL備用，鈉標準儲備溶液稀釋至20 μg/mL備用，然后分別按照下表移取相應鉀、鈉標準溶液體積繪制標準曲線。

表1 校準曲線繪制

空白校準曲線以純鐵校準，純鐵標準溶液配制方法：稱取0.1000 g純鐵，用10 mL鹽酸溶解后，滴加硝酸氧化，加3 mL高氯酸蒸發至冒煙并繼續蒸發至近干，冷卻。加入20 mL鹽酸(1+1)，加熱溶解鹽類，冷卻至室溫，移入100 mL容量瓶中，用水稀釋至刻度，混勻，此溶液1 mL含1 mg鐵。

2 結果與討論

2.1 儀器工作條件的選擇

等離子體原子發射光譜法在分析物質過程中的原子化、激發過程、電離行為、離子干擾等情況均與儀器設置的射頻功率、載氣流量、等離子體觀測方位高度等參數都有著密切關系。

為達到最優化的儀器工作條件，首先應找到滿足信噪比高、檢出限低、分析效率高的分析線。因此本試驗對儀器工作條件進行優化驗證，最終確定等離子體原子發射光譜法最佳工作條件為射頻功率為1300 W；等離子氣體流量15 L/min；輔助氣流量0.2 L/min；霧化氣流量0.80 L/min;泵流量1.50 mL/min，等離子體觀測方向為軸向。

在等離子體發射光譜儀分析過程中，元素分析譜線的選擇對測試結果有著至關重要的影響，直接關系到試驗結果的準確性和穩定性。鉀的推薦分析譜線有404.414 nm、404.720 nm、766.490 nm、769.896 nm，鈉的推薦譜線有330.232 nm、330.299 nm、588.995 nm、589.592 nm。結果表明當選擇波形較好、信號強度高、背景低、干擾最少的766.490 nm，589.592 nm分別作為鉀和鈉的分析譜線為最優工作條件。

2.2 基體效應研究試驗

在鐵礦石日常金屬元素含量分析過程中，樣品基體一般為鐵基，而本次布袋除塵灰和爐灰樣品組成部分含鐵差別大，因此為保證基體的一致性，則在樣品處理過程中適當補充適量的鐵基，使得基體含量在同一水平內，本實驗考察了基體對實驗結果的影響，分別對樣品進行了鐵基的研究分析。結果如表2所示。

表2 基體效應驗證試驗

結果表明：布袋除塵灰樣品中鐵基占比較高，爐灰樣品中鐵基占比較低。故在測試時需要補充適量的純鐵使基體保持基體一致，確保結果不受影響。結果表明，隨著鐵基含量的增加，氧化鉀、氧化鈉含量測定偏低，反之對于鐵基含量低的爐灰樣品，如果測定時不加鐵基，則會出現氧化鉀、氧化鈉測定結果偏高。因此，在對于不同基體的布袋除塵灰和爐灰樣品進行氧化鉀、氧化鈉含量測定時，樣品鐵基總量占比45%-65%之間時結果較為可靠。

2.3 校準曲線和檢出限

按照最優儀器工作條件對選定的系列標準溶液進行測定，并分別繪制氧化鉀、氧化鈉系列校準曲線，結果表明：該系列標準溶液均在一定范圍內與其對應的峰面積呈線性關系，線性范圍、線性回歸方程和相關系數如表3所示。

表3 測試結果線性關系

2.4 精密度和準確度實驗

按照試驗方法對標準物質W88306b和GSB 03-2853-2012中氧化鉀、氧化鈉分別平行測定11次，計算測定值的相對標準偏差(RSD)，結果見表4。

表4 精密度實驗結果(n=11)

結果表明，該方法測定氧化鉀、氧化鈉含量的相對偏差均小于1.00%，滿足精密度試驗要求。

2.5 不同儀器測定結果比對

采用火焰原子吸收光譜法和等離子體原子發射光譜法對待測樣品進行測定，結果見表5。結果表明，本試驗方法測試結果穩定可靠。

表5 不同儀器方法比對結果

2.6 樣品分析

應用本方法對布袋除塵灰樣品和爐灰樣品中氧化鉀和氧化鈉的測定結果，與火焰原子吸收法分別單個元素分別測定結果基本一致。

本試驗采用電感耦合等離子原子發射光譜法測定布袋除塵灰和爐灰樣品中氧化鉀、氧化鈉含量，解決了基體不同的樣品同時測試，該方法具有較高的選擇性，便捷、快速、高效，可適用于布袋除塵灰和爐灰大批量樣品的日常檢測。