微波消解-ICP-AES用于硅溶胶中杂质元素测定

王月娜，韩建新，高 玲，铉 烨

（1. 中国石化 催化剂有限公司抚顺分公司，辽宁 抚顺 113122； 2. 中国寰球工程公司 辽宁分公司，辽宁 抚顺 113006）



微波消解-ICP-AES用于硅溶胶中杂质元素测定

王月娜1，韩建新2，高 玲2，铉 烨2

（1. 中国石化 催化剂有限公司抚顺分公司，辽宁 抚顺 113122； 2. 中国寰球工程公司 辽宁分公司，辽宁 抚顺 113006）

摘 要：采用微波消解方法处理硅溶胶样品，通过设计正交实验研究消解温度、保留时间和消解溶剂对消解效果的影响，优化了微波消解硅溶胶样品的消解参数。并采用电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES）法测定硅溶胶中Fe、Na、K杂质元素的含量。结果表明，优化的硅溶胶消解参数为：消解温度为160 ℃，保留时间为4 min，盐酸及氢氟酸用量分别为2.0和1.0 mL。该方法Fe、Na、K元素的检出限依次为：0.002、0.002 和0.003μg/mL，Fe、Na、K的加标回收率均在97%～103%之间，相对标准偏差（RSD）均小于2%，具有较好的准确度和精密度。方法快速简便、准确可靠，完全能够满足分析要求。

关 键 词：ICP-AES；硅溶胶；微波消解；正交设计

硅溶胶是一种以纳米级的SiO2颗粒溶解水中或溶剂中而形成的分散液。由于硅溶胶中的SiO2含有大量的水及羟基，硅溶胶通常以mSiO2·nH2O表示。硅溶胶的硅胶粒子分布均匀，一般为10～100 nm，其孔容和孔径较大，具有较大的比表面积和良好的粘合性能［1，2］，是制备催化剂载体的最佳原料之一。Fe、Na、K等金属杂质的含量是影响硅溶胶性质的众多因素之一，若硅溶胶中Fe、Na、K等金属杂质的含量过高，会使硅溶胶的性能，如稳定性、耐水性和机械强度等方面的性能变差［3］。若将其应用到催化剂的生产中，制备得到的催化剂其性能也将受到很大的影响。目前国内各种元素的分析标准大多是基于经典化学分析而制定的分析方法，即在较长的时间内，通过复杂的实验步骤对各种元素进行逐项分析，其过程繁琐、消耗试剂量相对较大，既费时费力又增加实验成本。更重要的是，当生产任务紧，急需样品分析数据时，经典化学分析方法很难满足生产需要。本文采用微波消解方法对硅溶胶的样品进行消解，首先通过实验获得微波消解硅溶胶样品各项参数的粗略数值，然后通过正交设计进行正交实验，再通过显著分析实验优化组合各项参数，从而得到微波消解硅溶胶样品的最优消解参数。采用电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES）对硅溶胶样品中Fe、Na、K进行同步测定，快速、准确、简便，切实可行。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

仪器：MARS微波消解仪（美国CEM公司）；iCAP6300型电感耦合等离子体发射光谱仪（美国Thermo Fisher公司）；CAP224S 电子天平（德国Sartorius公司）。

试剂：1000μg/mL铁标准溶液（国家有色金属及电子材料分析测试中心）、1 000μg/mL钠标准溶液（国家有色金属及电子材料分析测试中心）、1 000μg/mL钾标准溶液（国家有色金属及电子材料分析测试中心）；盐酸（优级纯）、氢氟酸（优级纯）、硼酸（分析纯，4%）；去离子水，电阻率为18.25 M Ω·cm；载气，高纯氩气（纯度不低于99.999%）。

1.2 仪器的分析条件

同时测定Fe、Na、K三种杂质，通过实验选择如下分析条件，见表1。

表1 仪器的分析条件Table 1 The analytic conditions of the instrument

1.3 分析线的选择

Na元素和K元素都是碱金属元素，它们的灵敏谱线大部分都分布在长波区，这就给元素含量的测量增加了一定的困难。本研究参照了相关文献［4-6］，从仪器分析线数据库中选取Fe、Na、K三种元素分析线灵敏度较高的2～3条分析谱线，从谱线强度、元素含量、谱线峰形及共存元素之间相互干扰等诸多方面进行分析考察，合理扣除背景，遴选出谱线强度高、干扰小并且峰形好的分析谱线作为分析谱线。表2为遴选出的分析谱线。

表2 遴选出的分析谱线Table 2 The selection of analytical spectral lines

1.4 样品的消解处理

称取约0.3 g左右样品（精确至0.000 1 g）于消解罐中，加入盐酸和氢氟酸，摇匀密闭后放入微波消解仪中消解。消解完毕后，由于试液中含有氢氟酸，为消除氟离子（F-）对容器和仪器系统的腐蚀，加入过量的硼酸（H3BO3）使其转化成稳定的消除其对以后分析的影响。定量转移到100 mL容量瓶中，用去离子水定容，待测。

2 实验结果与讨论

2.1 优化微波消解参数

2.1.1 正交实验设计

消解溶剂、消解温度和保留时间是微波消解的主要因素。由于硅溶胶是一种以二氧化硅为主要成分的胶体。因此，在处理硅溶胶样品时，需要加入氢氟酸才能使样品充分溶解。本方法采用盐酸-氢氟酸的混酸溶液做溶剂来处理硅溶胶样品。首先采用实验法粗略地确定采用微波消解法处理硅溶胶样品的各项消解参数，然后设计正交实验对消解参数进行优化。选定消解温度、保留时间、盐酸用量和氢氟酸用量4个参数为考察因素，每个因素选3个不同的水平，以Fe、Na、K三种元素含量为指标，安排了4因素3水平L9（34）的正交实验［7］。各因素水平见表3。

表3 正交实验因素水平表Table 3 The factor levels table of orthogonal experiment

根据表3确定的因素水平情况列出正交实验表，然后对各实验方案进行实验测定，得出各组实验的实验结果。通过直观分析可知，消解温度和保留时间对微波消解硅溶胶样品的影响最为显著，而消解温度是最大的影响因素，其次是保留时间。微波消解是一个密闭加热处理样品的过程，随着消解温度的升高，硅溶胶样品分解加速，进而减少了消解时间，提高了工作效率。因此对微波消解硅溶胶样品影响最大的因素是消解温度。在保持消解温度不变的情况下，保留时间越长，消解效果就越好，不过当硅溶胶样品被完全消解后，再增加保留时间则对消解效果没有影响。

2.1.2 微波消解硅溶胶样品最优参数的确定

分析正交设计实验结果可得，消解效果较好的参数组合为：消解温度为160 ℃，保留时间为4 min，盐酸用量为2.0 mL，氢氟酸用量为1.0 mL。为进一步优化对微波消解硅溶胶样品有显著影响的消解参数，对影响显著的消解参数逐一进行了显著性分析实验。首先考察了消解温度对微波消解硅溶胶样品的影响，在保持其他条件不变的情况下，消解温度改为170 ℃，与原来的结果比较，测定的结果无明显变化，说明参数160 ℃为最佳消解温度。方法同上，得出最佳保留时间为4 min。经过上述显著性分析实验，结果可知，利用正交设计对微波消解硅溶胶样品的消解参数进行正交实验，用其实验结果所得出的微波消解参数来处理硅溶胶样品，消解效果良好。该参数可认定为微波消解硅溶胶样品的最优参数。

2.2 分析方法的检出限

根据国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）对检出限的规定［8］：以空白测定不少于20次的测量值的标准偏差的3倍所对应的浓度即为各元素的检出限（D.L）。本方法用空白连续测定20次，以所得结果3倍的标准偏差计算检出限，即D.L=3 SD/a（SD为标准偏差；a为方法的灵敏度，即校准曲线的斜率），得到Fe元素的检出限为0.002 μg/mL、Na元素的检出限为0.002 μg/mL、K元素的检出限为0.003μg/mL。

2.3 分析方法的准确度

将硅溶胶样品按1.4方法进行处理后，加入不同量的Fe、Na、K标准溶液，以硅溶胶样品为空白，测定各元素的回收量，计算回收率的结果分别列于表4中。由表4可以看出，Fe、Na、K的回收率均在97%～103%之间。

表4 回收率实验Table 4 The recovery experiment

2.4 分析方法的精密度

对消解后的硅溶胶样品重复测定8次，考察方法的精密度。分析结果见表5。由表5可以看出，在选定的测定条件下，方法的精密度较好，Fe、Na、K的相对标准偏差（RSD）均小于2%，可以满足分析精度的要求。

表5 方法精密度实验Table 5 The precision experiments　 　 　 　 　 μg/g

3 结 论

本文采用微波消解方法处理硅溶胶样品，用正交设计优化得到了处理硅溶胶样品的微波消解参数：消解温度为160 ℃、保留时间为4 min、盐酸及氢氟酸用量分别为2.0和1.0 mL，并采用ICP-AES法同步测定硅溶胶中Fe、Na、K的含量。实验表明，其准确度与精密度均能满足要求。在生产过程中，应用微波消解-ICP-AES法同步测定硅溶胶中Fe、Na、K的含量，可以大大提高分析速度，消除常规化学分析方法带来的瓶颈。该方法快速简便、准确可靠。

参考文献：

［1］万其进，张传越. 硅溶胶的开发及其应用［J］.湖北师范学院学报，1994，14（3）：24-27.

［2］马纯超，郑典模. 硅溶胶的制备与应用［J］.山东化工，2008， 37（5）：26-29.

［3］翟丽莉，王珍，鲍慧，季晓玲. 硅溶胶中钠离子含量的准确测定［J］.有机硅材料，2011，25（1）：36-39.

［4］杜米芳. 电感耦合等离子体发射光谱法同时测定玻璃中铝钙铁钾镁钠钛硫［J］. 岩矿测试，2008，27（2）：146-148.

［5］张遴，赵收创.电感耦合等离子体发射光谱法同时测定奶粉中钙铜铁钾镁锰钠锌和磷［J］.理化检验-化学分册，2007，43（6）：465-467. ［6］杜米芳，任红灿，岑治宝，王树喜.微波消解-电感耦合等离子体发射光谱法同时测定白云石中铁铝钙镁钾钠硫［J］. 岩矿测试，2006，25（3）：276-278.

［7］梅长林，周家良.实用统计方法［M］.北京：科学出版社，2002：224 -245，336-337.

［8］吕涛，冯奇，史利涛，王新.分析方法检出限的确定［J］.漯河职业技术学院学报，2007，6（4）：191-192.

Determination of Impurity Element Contents in Silica Sol by Microwave Digestion-ICP-AES

WANG Yue-na1，HAN Jian-xin2，GAO Ling2，XUAN Ye2
（1. SINOPEC CATALYST Fushun Division， Liaoning Fushun 113122，China；2. China Huanqiu Constructing&Engineering Corp. Liaoning Subcompany， Liaoning Fushun 113006，China）

Abstract:Silica sol samples were treated by microwave digestion method. Influences of digestion temperature，retention time and solvent on the digestion effect were investigated by designing orthogonal test， and the digestion parameters of the microwave digestion were optimized. And then the contents of three impurity elements， including Fe，Na and K in silica sol were determined by atomic emission inductively coupled plasma spectrometry（ICP-AES）. The results show that the optimum digestion parameters are as follows:the digestion temperature 160 ℃，the retention time 4 min and the dosages of the digestion solvent 2 mL HCl and 1 mL HF. The element detection limits of Fe，Na and K are 0.002， 0.002 and 0.003μg/mL respectively， and the recovery rates of ICP-AES method are between 97%～103%， the relative standard deviations （RSD） are lower than 2% . These figures show that the microwave digestion-ICP-AES method has good accuracy and precision. This method is accurate， simple and reliable， which can meet the analysis requirement completely.

Key words:ICP-AES； Silica sol； Microwave digestion； Orthogonal design

中图分类号：O 657

文献标识码：A

文章编号：1671-0460（2016）02-0435-03

收稿日期：2015-12-05

作者简介：王月娜（1982-），女，辽宁省抚顺市人，工程师，工学硕士，2008年毕业于中国石油大学（北京）应用化学专业，研究方向：从事催化剂技术质量及管理工作。E-mail：yuenawang@163.com。