電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法測(cè)定白炭黑中12種雜質(zhì)元素含量

鐘堅(jiān)海，陳 權(quán)，張艷燕，葉華欣，陳金鳳，林亞妹，劉明健

（1.龍巖出入境檢驗(yàn)檢疫局，龍巖364000； 2.福建中檢礦產(chǎn)品檢驗(yàn)檢測(cè)有限公司，福州350008）

近年來，白炭黑優(yōu)異的補(bǔ)強(qiáng)性能使其在橡膠、塑料制品中的用量大幅增長(zhǎng)，我國(guó)白炭黑產(chǎn)量出現(xiàn)高速增長(zhǎng)趨勢(shì)［1］。白炭黑的生產(chǎn)受原料、設(shè)備、生產(chǎn)工藝等諸多因素的影響，產(chǎn)品中往往含有一定量的鐵、錳、銅、鋁、鈦等雜質(zhì)元素，這些雜質(zhì)元素對(duì)白炭黑的性能有著重要影響，是衡量白炭黑質(zhì)量的重要指標(biāo)。因此，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)除了對(duì)白炭黑的物理指標(biāo)如比表面積、粒度等有要求外，對(duì)主量成分二氧化硅及雜質(zhì)元素的含量也有明確的規(guī)定［2－5］。

白炭黑中雜質(zhì)元素的測(cè)定方法主要有紫外－可見分光光度法、原子吸收光譜法、原子熒光光譜法等［4－7］，上述方法操作過程冗長(zhǎng)、復(fù)雜，且只能對(duì)各個(gè)元素單獨(dú)進(jìn)行測(cè)定，不能實(shí)現(xiàn)多元素的同時(shí)測(cè)定，耗時(shí)長(zhǎng)、成本高。因此，建立白炭黑中以上相關(guān)元素的快速、準(zhǔn)確且多元素同時(shí)測(cè)定的方法具有非常重要的意義。電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法（ICPAES）因具有多元素同時(shí)測(cè)定的特點(diǎn)，在化工、礦產(chǎn)品、金屬材料等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用［8－12］。本工作采用氫氟酸消解，實(shí)現(xiàn)白炭黑中鐵、錳、銅、鋁、鈦、鉛、鉻、鈣、鎂、鋅、鉀、鈉等12種元素的電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法同時(shí)測(cè)定。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

ULTIMA 2掃描型電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀，配耐氫氟酸進(jìn)樣系統(tǒng)。

鐵、錳、銅、鋁、鈦、鉛、鉻、鈣、鎂、鋅、鉀、鈉有證標(biāo)準(zhǔn)溶液，氫氟酸、高氯酸、鹽酸等試劑均為優(yōu)級(jí)純，試驗(yàn)用水為超純水。

1.2 儀器工作條件

功率1kW，冷卻氣流量12L·min－1，載氣流量0.7L·min－1，積分時(shí)間3s，觀測(cè)高度15mm。

1.3 試驗(yàn)方法

稱取樣品2.000 0g置于100mL聚四氟乙烯燒杯中，加入適量水潤(rùn)濕樣品，再加入氫氟酸10mL和高氯酸0.5mL。將聚四氟乙烯燒杯置于電熱板中，加熱至高氯酸煙冒盡，取出冷卻。加入鹽酸2.5mL，用少量水沖洗燒杯壁，加熱使殘余物溶解。冷卻至室溫，移至50mL塑料容量瓶中，用水稀釋至刻度，搖勻。按儀器工作條件進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 前處理?xiàng)l件的優(yōu)化

2.1.1 消解用酸

由于白炭黑由二氧化硅組成，試驗(yàn)采用氫氟酸浸煮處理樣品，其中硅以四氟化硅的形式揮發(fā)。為降低氫氟酸對(duì)設(shè)備系統(tǒng)的損害，通常采用硫酸趕酸除去殘留的 氫 氟 酸［4－5］。由 于 硫 酸的沸 點(diǎn) 較高（338℃），試驗(yàn)采用沸點(diǎn)較低的高氯酸（203℃）趕酸。

2.1.2 氫氟酸用量

為進(jìn)一步確定消解樣品所需酸量，試驗(yàn)分別考察了使用4，6，8，10，12mL氫氟酸時(shí)樣品消解情況。結(jié)果表明：當(dāng)氫氟酸大于8mL時(shí)，樣品基本消解完全。試驗(yàn)選擇氫氟酸的用量為10mL。

2.2 儀器工作條件的優(yōu)化

2.2.1 分析譜線

ICP－AES對(duì)每個(gè)元素的測(cè)定都可以同時(shí)選擇多條特征譜線，應(yīng)盡可能選擇靈敏度高而干擾少的分析譜線進(jìn)行測(cè)定。試驗(yàn)中除含量較高的鈉元素選擇靈敏度較低的譜線外，其余元素均選擇靈敏度較高的譜線作為分析譜線，見表1。

表1 12種元素分析譜線Tab.1 Analytical spectral lines of 12elements

2.2.2 高頻發(fā)生器功率

高頻發(fā)生器功率增大時(shí)，等離子體溫度升高，電子密度也增大，元素特征譜線的強(qiáng)度增強(qiáng)，但此時(shí)的背景也隨之增強(qiáng)，信背比隨著功率的增大先增大后減小。鉀、鈉屬于易電離元素，宜采用較低的功率，且高功率時(shí)需用到相對(duì)較大的冷卻氣流量，也嚴(yán)重影響矩管使用壽命。綜合考慮，試驗(yàn)選擇高頻發(fā)生器功率為1kW。

2.2.3 載氣流量

載氣流量直接影響霧化效率和氣溶膠的流量，當(dāng)流量增大時(shí)，進(jìn)入ICP的分析物量增大，譜線增強(qiáng)，并有助于ICP環(huán)狀結(jié)構(gòu)的形成。但流量過大將導(dǎo)致樣品過分稀釋且縮短分析物的滯留時(shí)間，并降低軸向通道內(nèi)的溫度，從而減弱譜線強(qiáng)度。綜合考慮，試驗(yàn)選擇載氣流量為0.7L·min－1。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線與檢出限

通過逐級(jí)稀釋配制各元素的標(biāo)準(zhǔn)溶液系列，按照質(zhì)量濃度從低到高的順序，依次測(cè)定各元素的光譜強(qiáng)度，重復(fù)測(cè)定3次，取平均值。以元素質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)、對(duì)應(yīng)的光譜強(qiáng)度為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，線性范圍、線性回歸方程和相關(guān)系數(shù)見表2。

以3s／k（s為6次空白響應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差，k為標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率）計(jì)算方法的檢出限，結(jié)果見表2。

表2 線性參數(shù)與檢出限Tab.2 Linearity parameters and detection limits

2.4 回收試驗(yàn)

按試驗(yàn)方法測(cè)定樣品和加標(biāo)樣品中各元素的含量，計(jì)算加標(biāo)回收率，結(jié)果見表3。

由表3可知，各元素的加標(biāo)回收率在92.9%～111%之間。

2.5 精密度試驗(yàn)

按試驗(yàn)方法對(duì)2個(gè)樣品分別進(jìn)行6次平行測(cè)定，計(jì)算測(cè)定結(jié)果的平均值和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD），結(jié)果見表4。

本工作將白炭黑用氫氟酸和高氯酸浸煮處理，使硅以四氟化硅的形式揮發(fā)，將殘余物溶于鹽酸溶液中，試液用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀分析，實(shí)現(xiàn)了白炭黑中鐵、錳、銅、鋁、鈦、鉛、鉻、鈣、鎂、鋅、鉀、鈉等12種元素的同時(shí)測(cè)定。該方法具有檢出限低、結(jié)果準(zhǔn)確、精密度高的特點(diǎn)，大大縮短了白炭黑雜質(zhì)元素的測(cè)定周期。

表3 回收試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Results of test for recovery

表4 精密度試驗(yàn)結(jié)果（n＝6）Tab.4 Result of test for precision（n＝6）

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