碱熔-电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)法测定水泥标准物质中的氧化物含量

张庆华　崔金华　宋晓红　王雅兰

(1 中国建材检验认证集团股份有限公司，国家水泥质量监督检验中心，北京 100024； 2 岛津企业管理(中国)有限公司 北京分析中心，北京 100020)

前言

水泥是建筑材料中必不可少的原料之一，判定水泥质量的好坏除了二氧化硅的指标外，其它氧化物如氧化铝、氧化铁、氧化镁等的指标也很重要。目前，水泥中氧化物的检测主要按照国家标准分析方法[1]，该标准是采用传统方法，针对不同元素分别采用重量法、化学滴定法、原子吸收光谱法等测定，该法只能单元素分别测定，不能多元素同时测定，实验周期长，操作步骤繁琐。

电感耦合等离子体原子发射光谱法以其测定元素多、线性范围宽、分析精密度高、干扰较少、样品易制备、分析速度快且可以多元素同时测定等优点受到广大分析工作者的青睐[2-4]。目前，ICP-AES法已广泛用于各行业中元素的测定[5-7]，但建材行业用于检测水泥中元素含量的报告较少[8-10]。本文采用碱熔法消解水泥样品，利用电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)法测定水泥标准物质中高达28%的氧化硅主量元素含量及其它常量元素氧化物的含量。该方法操作简单、省时、省力，为水泥标准物质定值提供了一个全新的溯源方式。

1　实验部分

1.1　仪器和试剂

ICPE-9820全谱发射光谱仪(岛津企业管理(中国)有限公司)。

实验所用玻璃器皿均用硝酸溶液(1+1)浸泡24 h后，用去离子水冲洗，干燥备用；实验所用氢氧化钠和盐酸为优级纯试剂，实验用水为去离子水。

各元素标准储备溶液(SiO2、Al2O3、TFe2O3、MgO、TiO2)浓度均为1 mg/mL，购于钢研纳克检测技术有限公司。水泥标准样品(GSB 08-1355-2014、GSB 08-1356-2014、GBW 03207a、GBW 03208a)购于中国建材检验认证集团股份有限公司。

1.2　样品的前处理

称取0.4 g(精确至0.000 1g)试样，置于银坩埚中，加入5 g氢氧化钠，盖上坩埚盖，放入高温炉中，在650～700 ℃熔融20 min。取出冷却，将坩埚放入已盛有约100 mL沸水的300 mL烧杯中，盖上表面皿，在电炉上适当加热，待熔块完全浸出后，取出坩埚。边搅拌边一次性加入50 mL盐酸(1+1)，用热盐酸(1+5)洗净坩埚和盖。将溶液煮沸，冷却至室温，用纯水定容至250 mL容量瓶中，用水稀释至刻度，摇匀。

准确移取25 mL上述溶液至100 mL容量瓶中，加入10 mL氧化镉标准溶液(100 μg/mL)，用水稀释至刻度，摇匀，待测。

1.3　仪器参数

仪器工作条件如表1所示。

表1　仪器工作条件

2　结果与讨论

2.1　标准溶液配制

分别准确移取不同体积待分析标准溶液至100 mL容量瓶中，加入10 mL氧化镉内标溶液(100 μg/mL)；称取0.5 g氢氧化钠置于塑料烧杯中，加水约25 mL，再加入5 mL盐酸，待溶液冷却后转移至100 mL容量瓶中，用水稀释至刻度，摇匀。配制多元素混合标准溶液。各元素标准溶液浓度如表2。

表2　各元素标准溶液浓度

2.2　标准曲线

各元素的标准曲线见图1-图5。各元素标准曲线的线性相关系数均大于0.999。

图1　Al的标准曲线图Figure 1　The standard curve of Al.

图2　Fe的标准曲线Figure 2　The standard curve of Fe.

图3　Mg的标准曲线Figure 3　The standard curve of Mg.

图4　Si的标准曲线Figure 4 The standard curve of Si.

图5　Ti的标准曲线Figure 5　The standard curve of Ti.

2.3　分析条件

ICP-AES原子发射光谱分析发射谱线数量非常多，所以元素谱线可能存在重叠(称为光谱干扰)。当样品中含多种组分并存在光谱干扰时，利用岛津独特的“最佳波长优化”功能ICPESolution软件，可根据元素各波长灵敏度以及基体干扰情况，自动选择最佳波长，如图6所示。

样品中SiO2的含量高达28%，为提高数据的准确性，采用内标法即在样品中加入内标元素Cd，以克服长时间测定仪器漂移所带来的误差。表3为各元素的最优波长和内标波长。图7-图11为各元素最优波长的谱峰轮廓图。

表3　分析条件

2.4　水泥标准样品分析结果

利用ICPE-9820，对4种水泥国家标准物质GSB 08-1355-2014、GSB 08-1356-2014、GBW 03207a、GBW 03208a进行测定，同时对含有基体的样品空白进行10次测定，3倍的空白标准偏差所对应的浓度即为各元素的检出限，Al2O3、Fe2O3、MgO、SiO2、TiO2的检出限分别为0.032、0.009、0.005、0.014、0.002 mg/L。实验结果见表4。

图6　ICPESolution软件“自动选择最佳波长”功能示意图Figure 6　ICPESolution software "automatic selection of the best wavelength" function diagram.

图7　Al的谱峰轮廓图　　　　　　　　　　　图8　Mg的谱峰轮廓图Figure 7　The profile of Al.　　　　　　　　　Figure 8　The profile of Mg.

图9　Fe的谱峰轮廓图　　　　　　　　　　　　　图10　Si的谱峰轮廓图　　Figure 9　The profile of Fe.　　　　　　　　　　　Figure 10　The profile of Si.

图11　Ti的谱峰轮廓图Figure 11　The profile of Ti.

Table 4　Results of cement reference materials /%

样品的测定值与标准值基本吻合。

2.5　精密度实验

分别称取6份平行国家标准物质GSB 08-1355-2014，按照样品前处理方法进行处理，每个样品重复测定3次，求出6份样品中各元素分析结果的相对标准偏差，如表5所示，各元素6份平行样品测定的相对标准偏差RSD在0.18%～1.4%。

表5　精密度实验

3　结论

本实验一次碱熔融消解样品，采用ICP-AES-内标法一次同时测定了水泥中高达28%的SiO2主量元素含量及其它常量元素的含量。该方法精密度高，样品测定分析结果与标准值基本吻合，为水泥标准物质定值提供了全新的溯源方式。

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