电感耦合等离子体发射光谱法测定陶瓷原料的化学成分＊

王春金

(唐山惠达陶瓷(集团)股份有限公司 河北唐山 063020)

电感耦合等离子体发射光谱法测定陶瓷原料的化学成分＊

王春金

(唐山惠达陶瓷(集团)股份有限公司 河北唐山 063020)

应用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)对陶瓷原料的化学组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等进行检测。

ICP-OES 陶瓷原料 常量 微量元素

电感耦合等离子体发射光谱仪简称ICP-AES(英文：Inductively Coup led Plasma-A tom ic Em ission Spectrometer的缩写,由于它不仅能测原子状态下的元素,也能测电离状态下的元素,后来人们又给了它一个名称：ICP-OES),具有灵敏度高、精确度好、基体效应小、同时快速测定多种元素、检出限低、标准曲线线性范围宽等优点,国内引进ICP-OES已有30多年的历史,被广泛应用于包括金属与合金的地质样品、环境样品、生物和医学临床样品、农业和食品样品、电子材料及高纯化学试剂等,而在硅酸盐行业应用较少,尤其是陶瓷行业,一般分析方法都是采用化学法、分光法,这些方法周期长、操作繁琐、微量元素测定准确性差,对于一些组成复杂的原料如含硼、锌、锆、锶等测定困难。笔者所在公司在2009年购买了赛默飞世尔的ICP-6300型光谱仪,通过大量的实验,总结出测定 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,该方法操作简便、快捷、准确。下面就以组成复杂的一组样品为例介绍其检测方法。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

ICP光谱仪：ICAP6300型,美国 Thermo Fisher科技;电子天平：北京 Sartorius BP61型,分辨率 0.0001 g;单元素标准溶液：1 000μg/m l,国家钢铁材料测试中心钢铁研究总院;盐酸、硫酸、氢氟酸、碳酸钠、氢氧化钠、碳酸钙：优级纯试剂;超纯水：优谱纯水机;氩气：纯度不小于99.996%。

1.2 仪器工作原理及工作条件

1.2.1 工作原理

经化学处理后的待测样品溶液由蠕动泵输入雾化器,成为细小均匀的气溶胶,与惰性气体氩气一同载入经高频电流产生的具有8 000～10 000℃的等离子体炬焰中,炽热的等离子体作为激发光源使溶液中各种元素电离、激发,各元素在激发过程中产生特征谱线,经光栅分光系统分解成代表各元素的单色光谱,由检测器检测这些光谱能量,分析软件自动显示出溶液中待测元素的含量。

1.2.2 开机前准备工作

①确认有足够的氩气用于连续工作,(储量≥1瓶);②确认废液收集桶有足够的空间用于收集废液;③打开稳压电源开关,检查电源是否稳定,观察约1 min,电阻小于5Ω;④打开氩气并调节分压在0.60～0.70 M Pa;⑤打开主机电源,(左侧下方黑色刀闸)注意仪器自检动作,此时光室开始预热;⑥仪器室温度为20～25℃,温度值变化小于2℃。

1.2.3 点火后设置等离子体工作条件

①清洗泵速和分析泵速一般设定在40～60 rpm;②泵稳定时间0S;③RF功率通常设定为950～1 150 W;④雾化器压力根据需要一般设定在24～32 PSI;⑤辅助气流量一般设定为0.5 L/min。

1.3 试样溶液及标准液的制备

1.3.1 酸溶样品

称取约0.05 g经(105±5)℃烘干的样品,精确至0.000 1 g,置于铂坩埚中,少许水润湿,加入5滴硫酸(1∶1)和5 m l氢氟酸,置电炉上低温加热蒸发近干,升高温度直至白烟冒尽,冷却。然后加入4 m l盐酸和15m l水,置低温电炉上加热至残渣完全溶解,冷却后将其移入100m l容量瓶中,用水稀释至刻度,此溶液即为待测样品,可以测除Si、B以外的其他元素。

按上述过程同时制备 GBW 03132酸标准溶液和酸空白溶液。往 GBW 03132酸标准溶液中加入单元素标准液(1 000μg/m l),5m l Zn,3m l Ba,3m l Sr,0.3 m l Zr,0.3 m l Pb,稀释至刻度,摇匀。GBW 03132溶液里加入5m lZn,3m lBa,3㎎Sr,0.3m lZr,0.3m lPb,根据所称的 GBW 03132的质量算出上述5种元素所占百分比,同时 GBW 03132的各元素标准值也随五种元素的加入需要重新计算,计算后的值为新标液的标准值。

1.3.2 碱融样品

称取约0.05 g经(105±5)℃烘干的样品,精确至0.000 1 g,置于铺有1 g碳酸钠铂坩埚中,将样品与碳酸钠搅拌均匀,再在表面上加入约1 g的碳酸钠,盖上坩埚盖,先低温加热,逐渐升高温度至1 000℃,熔融至透明状,继续熔融约15 min,摇动坩埚,使熔融物均匀附于坩埚四周,冷却。将坩埚放入250 m l塑料烧杯中,加水浸泡约4 h以上,待熔融物全部浸泡下来,用水洗出铂坩埚,一次性加入10～15m l浓盐酸,将浑浊溶液溶解至清亮,然后移入500 m l容量瓶中,稀释至刻度,此溶液即为碱融的待测Si、B的样品液。

按上述过程同时制备 GBW 03132碱标准溶液和碱空白溶液。以上酸溶、碱融的样品溶液中固溶物含量要求≤1.0%。

1.4 测定过程

图1 开机操作显示图

打开操作软件(iTEVA)主窗口包括两个应用程序：分析和报告生成。编辑分析方法：选择所需的元素及其谱线,输入标准值,设置分析参数,设置等离子源工作参数,保存方法。查看连锁保护是否正常,若有红灯警示,需做相应检查,若一切正常点击等离子体开启,待等离子体稳定15～30min后,即可开始测试样品。

1)分析。选择分析方法,点击标准化图标,依次运行空白、标准溶液,点击完成。双击样品名称,即可打开Subarray谱图(样品谱图可叠加),查看谱峰是否有干扰,某些干扰可通过移动谱峰和背景的位置来消除干扰。通过方法→元素→谱线和级次→拟合,查看谱线的线性关系和相关系数。以确定该谱线是否可用。各元素谱线确定好之后,点击未知样图标依次对样品进行分析;先分析酸溶样品,后分析碱融样品。分析完毕后,将进样管先放入稀盐酸中,后放入蒸馏水中冲洗进样系统10min。

表1 酸溶标准溶液检测结果

2)熄火。打开iTEVA软件中的等离子状态对话框,点击等离子熄火。2 min后关闭循环水;松开泵夹及泵管,将进样管从蒸馏水中取出;关闭排风。待CID温度升至20℃以上时,驱气20min后,关闭氩气。

2 结果与讨论

从表1中可以看出,对标准溶液的12种元素在波长选定的情况下进行了两次分析,它们的标准偏差均小于0.20%,RSD除 K2.86%其余均小于1.50%,而且测量值与标准值相差很小,可见检测结果的精密度、准确度都很高。那么在同一条件下检测的待测溶液的各元素含量也是真实可靠的,见表2。

碱融溶液检测结果的平均标准偏差小于0.50%,RSD小于2.00%。

综上所述,可以看出,无论是常量、还是微量元素的检测,此套检测方法符合 ICP-OES对试样的要求,检测结果符合实验室对数值准确度和精确度的要求,此法测定陶瓷原料中各常量、微量元素的含量,快速、简便、准确,但是它同时存在着一定的局限性：①该仪器都是进口的,价格较贵;②单独的电源、接地、排风系统,前期投入较大;③对化验室环境要求高,温度20～25℃,湿度40%～60%,无灰尘;④高纯氩气约每4 h消耗一瓶。所以电感耦合等离子体发射光谱仪检测法在企业作为控制生产流程的检验手段,它的普及和推广还需要一段时间。

TQ174.4

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1002-2872(2010)09-0026-03

王春金(1971-),大专,助理工程师;研究方向为硅酸盐工程。E-mail：huidawcj@163.com

表2 待测溶液的检测结果