ICP–AES法测定硼铝复合材料中的硼

李新政，刘东彬，陈云明，李兵，严文超

(中国核动力研究设计院，成都 610005)

ICP–AES法测定硼铝复合材料中的硼

李新政，刘东彬，陈云明，李兵，严文超

(中国核动力研究设计院，成都 610005)

建立电感耦合等离子体发射光谱法(ICP–AES)测定辐照后硼铝复合材料中元素的方法。用氢氧化钠将辐照后的硼铝复合材料溶解过滤，滤纸和滤渣采用碱熔法制样。采用基体匹配法消除基体干扰，仪器工作条件：RF发生器功率为1 150 W，雾化器压力为151.7 kPa，辅助气流量为0.5 L／min，硼元素的分析线为249.678 nm，积分时间为5 s。硼的质量浓度在15～28 mg／L范围内与光谱强度呈良好的线性关系，线性相关系数为0.999 7。方法的回收率为99.1%～100.8%，测定结果的相对标准偏差为0.76% (n=10)。该方法快速，准确度和精密度高，能够满足样品测量需要。

电感耦合等离子体发射光谱法；硼铝复合材料；辐照；碳化硼；硼

随着我国核事业的快速发展，核电站等核设施在运行过程中产生的乏燃料数量急剧增加。从反应堆中卸除后，乏燃料的链式反应仍将持续较长时间，还有可能重返核临界。因此使燃料组件维持在次临界状态是降低其反应性的重要一环，而在其贮存和运输过程中，使用中子吸收材料是常用方法之一。

作为核工业中常用的中子吸收元素，B在中子吸收领域应用最广［1–2］。硼铝复合材料是由B4C粉弥散在铝基体中制备而成，具有高中子吸收截面、优良力学性能和耐酸碱性能等优点，是乏燃料贮运容器的备用选材之一［3–8］。硼铝复合材料是否满足设计要求，必须经过许多实验，其中在反应堆中进行材料的辐照考验是其应用前的重要实验之一。材料经过辐照后，其关键指标之一就是其中B4C的含量是否在设计范围内，因此对辐照后硼铝复合材料中B4C的准确测量就变得尤为重要，这也是进行B–10面密度计算的重要参数。

目前，硼的传统测量方法主要为分光光度法和酸碱滴定法［9–12］，但因其操作繁琐、分析速度慢，已经难以满足现代材料分析的需要。辐照后的材料一般均具有放射性，长时间操作也为辐射防护带来许多难题。电感耦合等离子体发射光谱法(ICP–AES)具有操作简单、检出限低、分析速度快、线性范围宽、结果准确可靠等特点，已经迅速发展为一种应用广泛的分析方法。ICP–AES用于铝合金、铝–钛–硼合金、低合金钢等材料中的硼检测已经见诸相关文献［13–25］，而用于BC4–Al复合材料中硼的测量未见报道。笔者采用碱溶和酸溶相结合的方法，成功除去了样品中的基体铝并制得了可测量样品，在此基础上建立了BC4–Al复合材料中B的高效准确测量方法。

1 实验部分

电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP–AES)：IRIS–HR–DUO型，美国TJA公司；

电子天平：AG245型，感量为0.01 mg，瑞士梅特勒公司；

超纯水机：Milli-Q型，美国密理博公司；

超声波清洗机：YQ220型，上海易净超声波仪器有限公司；

硝酸、氢氧化钠、丙酮、过氧化氢、无水碳酸钠、硝酸钾：优级纯；

氩气：纯度为99.999 5%；

基准硼酸：含量为99.95%～100.05%，国药集团化学试剂有限公司；

表面上看，宴会设计课程采用项目化小班化教学，教师的讲授任务貌似减轻了不少。但是实际上要保证课程的有序开展，相关教师需要在前期投入大量的时间和精力进行课程设计和班级设计。在授课过程中，教师要不断关注并解决学生能完成项目随时发生的各种问题，这在一定程度上，对任课教师的能力和素质提出了更高的要求。教师需要转变观念，探索研究新的教学方法才能胜任本课程项目化小班化教学的任务。

核级碳化硼：纯度不小于99%；

实验用水为超纯水。

1.2 仪器工作条件

RF发生器功率：1 150 W；雾化器压力：151.7 kPa；辅助气：氩气，流量为0.5 L／min；冷却气：氩气，流量为15 L／min；蠕动泵转速：100 r／min；观测方向：水平方向；分析谱线：249.678 nm；积分时间：5 s。

1.3 样品处理

试样经超声波机清洗后，烘干，称重后置于100 mL聚四氟乙烯烧杯中，加入10 mL水和15 mL 8 mol／L氢氧化钠溶液，完全反应至无微小气泡产生。加入20 mL去离子水，稀释后过滤，用温水洗至中性。将滤渣及滤纸转移至刚玉坩埚中，于400℃炭化1 h，于500℃灰化1 h。冷却后加入3 g碳酸钠、0.2 g硝酸钾，使之与试样混匀，再加入2 g碳酸钠均匀覆盖其上，于马弗炉中600℃熔融1 h，850℃熔融0.5 h，冷却后取出。然后加入25 mL硝酸和10滴过氧化氢溶解熔融物，溶解完全后置于电炉上加热至无气泡产生，将溶液转移至100 mL石英容量瓶中，混匀，用水定容后转移至塑料瓶中。同试样的制备方法制作空白样品溶液。

2 结果与讨论

2.1 分析谱线的选择

根据待测样品中B的浓度，配制合适浓度的标准溶液。从仪器软件谱库中选择3条B的谱线，进行谱线的校准和背景扣除。由于试样中主要是待测元素B及其大量的干扰元素Na和K，其它元素含量很低，可不予考虑。测量中尽量选择强度大、峰型小、灵敏度高的谱线作为分析线，通过对B元素扫描图的考察，选择249.678 nm谱线作为分析线。分析谱线的光谱图见图1。

图1 分析谱线图

2.2 仪器工作条件的优化

在ICP分析中，除了选择合适的分析谱线外，影响仪器分析性能的其它指标有高频发生器功率、雾化器压力、积分时间、蠕动泵转速等。

高频发生器功率对测量有很大影响，试验发现当功率设置为950 W时，测量中容易熄火；当功率设置为1 150 W时，样品测量信噪比较好；功率继续增大至1 350 W时，信号值和背景均增大，信噪比降低。因此选择高频发生器功率为1 150 W。雾化器压力为137～206 kPa范围内呈倒U型变化，在151～179 kPa范围内有比较高的信号强度，因此选择雾化器压力为151.7 kPa。辅助气流量从0.5 L／min增加到1.5 L／min时，信号仅有微弱的降低，影响甚小，实验选择辅助气流量为0.5 L／min。

2.3 基体干扰及消除

基体干扰主要分为光谱干扰和物理干扰。光谱干扰主要是对待测元素谱线强度有抑制作用，存在谱线的重叠干扰，可使背景增强、信背比变小、精密度和检出限变差。物理干扰主要是由分析样品溶液黏度、表面及密度差异引起的谱线强度变化。实验采用基体匹配法消除样品测量中的基体干扰，即在标准溶液的配制中，采用了与试剂空白同样的方法来配制标准溶液，使所配制的标准溶液的酸度、K、Na等杂质元素浓度与样品尽量一致，以消除基体干扰，从而保证雾化效率一致。

2.4 工作曲线方程

为了消除样品制作过程中引入的大量钠和钾等元素的基体影响，采用向空白样品溶液中准确添加相应的基准硼酸配制标准溶液，高纯水定容，配制成B质量浓度分别为15，20，23，26，28 mg／L的系列标准溶液，所得标准溶液的基体与样品基本一致，可消除基体对B测量时产生的干扰。以质量浓度X(mg／L)为横坐标，信号值Y为纵坐标绘制标准曲线，并进行线性回归，计算得线性方程为Y=37.600X–195.972，线性相关系数为0.999 7。对样品空白溶液连续测定10次，计算标准偏差，以3倍标准偏差为检出限，计算得检出限为0.082 μg／L。

2.5 精密度试验

选择已经制好的样品为代表样品，连续测定10个平行样品，进行精密度计算，结果见表1。由表1可知，该方法具有良好的精密度。

表1 精密度试验结果

2.6 准确度试验

准确称取适量核级碳化硼样品6份，按1.3方法进行样品处理后，测量样品中的B量，结果见表2。

表2 准确度试验结果

由表2可知，硼的回收率在99.1%～100.8%之间，表明该方法具有较高的准确度。

2.7 比对试验

分别用该法与滴定法测定待测样品中的B含量，结果见表3。由表3可知，该方法测定结果与滴定法测定结果相一致。

表3 比对试验结果 %

3 结语

对于B–Al复合材料，用氢氧化钠溶解、过滤，除去铝，含碳化硼的滤渣用碱熔法制样。溶液样品利用ICP–AES法测定，采用基体匹配法消除干扰。该方法简便、稳定，具有良好的准确度和精密度，满足B–Al复合材料中硼含量分析测量的要求。

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Determination of Boron in B–Al Composite Material by ICP–AES

Li Xinzheng， Liu Dongbin， Chen Yunming， Li Bing， Yan Wenchao
(Nuclear Power Institute of China， Chengdu 610005， China)

The Boron content in B-Al composite material after irradiation in the reactor were determined by ICP–AES. Boron aluminum composite material after irradiation was dissolved with sodium hydroxide and then filtered, and the filter residue were prepared by using alkali fusion method. The matrix matching method was used to eliminate matrix interference, the instrument working conditions was followed: the RF power generator was 1 150 W, analysis line was 249.678 nm, integration time was 5 s, atomizer pressure was 151.7 kPa, the flow rate assistant gas was 0.50 L／min. The mass concentration of boron was linear with the spectral intensity in the range of 15–28 mg／L, the linear correlation coefficient was 0.999 7. The recovery was 99.1%–100.8%, the RSD was 0.76% (n=10). The method is accurate and simple with satisfactory precision, it can meet the needs of the sample measurement.

ICP–AES; B–Al composite material; irradiation; boron carbide; boron

O657.31

A

1008–6145(2016)06–0088–03

10.3969／j.issn.1008–6145.2016.06.021

联系人：李新政；E-mail: lixzh03@126.com

2016–08–03