電感耦合等離子體原子發射光譜于鍋爐管道垢樣分析中的應用

郭琳媛，張睿

(中國鍋爐水處理協會 國家鍋爐水處理與有機熱載體質量監督檢驗中心，北京 100013)

在特種設備行業，鍋爐的安全運行與人們的生活息息相關。鍋爐投運以后，在某些條件下，會在受熱面上結垢，這不僅會降低鍋爐和熱交換設備的傳熱效率，增加熱損失和燃料的消耗量，而且會使金屬發生沉積物下腐蝕，引起鍋爐水冷壁過熱，導致鼓包或爆管［1-3］，甚至引起停產、鍋爐報廢，嚴重危害了熱力設備的安全、經濟運行。所以，在鍋爐檢修中，都要進行割管和測定垢量，為了解垢的成分類型和形成原因，以便根據垢量及其組成采取正確的處理措施，必須對它們進行化學實驗分析，提供可靠的數據。

電感耦合等離子體原子發射光譜(ICP-AES)在垢樣分析中擁有多元素同時檢測能力、分析速度快、選擇性好、精度和準確度較高、ICP 光源校準曲線線性范圍寬等特點［4］。為此，利用ICP-AES 進行鍋爐管道中垢樣的組成分析，為清垢防垢提供有效數據與參考資料。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

鐵、鋁、鈣、銅、鉀、鎂、鈉、硅、磷單元素標準溶液1 000 μg/mL(鋼鐵研究總院、國家鋼鐵材料測試中心);鹽酸，優級純;去離子水。

Thermo Scientific ICAP-6000 型電感耦合等離子體原子發射光譜儀。

1.2 校準曲線

由于ICP-AES 可以多元素同時進行測定，所以把待測元素配制于同一標準溶液中。金屬元素易于被氧化，標準溶液需用1%HNO3溶液定容至100 mL容量瓶中，而非金屬元素標準溶液直接用去離子水定容，故配制金屬元素標準溶液系列和非金屬元素標準溶液系列兩個系列。其中，由于樣品中主要含量為鐵，故配制標準溶液濃度見表1。

表1 配制校準曲線溶液時各元素標準溶液的濃度(μg/mL)Table 1 The standard solution concentration of elements for calibration curve

1.3 樣品處理

從割下的爐管上截取長為10 cm 的一段，在車床上切割其外壁，使管樣壁厚為0.5 ～1.0 mm。稱重及測定內表面積。

將試樣浸入鹽酸(1 +1)溶液，加熱至60 ℃，用塑料棒攪動，直至試樣內表面的垢均已清洗掉為止。用定量濾紙過濾，殘渣稱重為酸不溶物含量;濾液稀釋至1 L 容量瓶中。

如分析試液中某種元素的含量比較高，將試液稀釋后，在原試液測定的同一個界面條件下，用同一條曲線進行測定，結果不受影響。實驗中所有玻璃器皿使用前均用鹽酸(1 +1)浸泡24 h，用去離子水沖洗干凈。

2 結果與討論

2.1 儀器工作條件的選擇

分析樣品中所含元素較多，被測元素Fe、Al、Ca、Cu、K、Mg、Na、Si、P 中，K、Na 較易激發，所需功率較低，但考慮到其它元素的整體影響，最終選擇功率為1 150 W。為了提高霧化效率，霧化器壓力、輔助氣流量和泵速的選擇見表2。經過實驗，再將這三項指標上調，檢測結果的精度提高不明顯。故實驗選擇表2 的工作條件。

表2 ICP 儀器最佳工作條件Table 2 The best working conditions of ICP

2.2 分析線的選擇

為了選擇最適宜的譜線作為分析線，每個元素的測定都選擇了多條譜線，根據各元素譜線的干擾情況，選擇了靈敏度高、光譜干擾小且光譜干擾易被扣除的譜線作為分析線［5］。從校準曲線可知，Fe、Al、Ca、Cu、K、Mg、Na、Si、P 的多條譜線線性均較好，考慮到分析時間和工作強度，綜合考慮元素間的干擾、各譜線線性及峰形，選擇了以下譜線作為分析線，見表3。

2.3 混合標準溶液的校準曲線

混合型標準溶液校準曲線相關系數見表3。

表3 元素分析線及校準曲線相關系數Table 3 Elemental analysis and correlation coefficient of the calibration curve

2.4 精密度與準確性

使用本方法對同一樣品中Fe、Al、Ca、Cu、K、Mg、Na、Si、P 進行3 次測定，計算其標準偏差與相對標準偏差，精密度及加標回收率結果見表4。

表4 方法精密度測定結果(μg/mL)Table 4 Measurement result of method precision

由表4 可知，回收率在98.4% ～101.6%，說明本方法的結果是準確可靠的。

2.5 實際垢樣分析

某鍋爐廠定期檢驗取水冷壁管，向火側位置，樣品處理后經ICP-AES 測量，結果見表5。

表5 樣品中元素含量測定結果Table 5 The measurement results of element contents in the sample

考慮到具體元素在垢樣中的氧化物形式，轉換成對應氧化物含量，見表6。

表6 樣品中各種氧化物含量Table 6 Various oxide content in the sample

3 結論

通過對鍋爐管道垢樣主要元素的測定方法研究，建立了以前處理為酸溶，利用ICP-AES 法測定垢樣中主要元素Fe、Al、Ca、Cu、K、Mg、Na、Si、P 含量的方法。結果表明，該方法操作方便快捷、結果準確度高，能快速準確測定鍋爐管道中垢樣的上述成分的含量，更能滿足于現今高效率垢樣成分分析。唯一缺點為ICP-AES 儀器昂貴，操作費用高，在工業分析中需結合各方要求進行方法選擇。

［1］ 阮桂色.電感耦合等離子體原子發射光譜(ICP-AES)技術的應用進展［J］.中國無機分析化學，2011，1(4):15-18.

［2］ 趙玉珍，呂佩德.ICP-AES 法測定釹鐵硼永磁材料中常量及微量元素［J］.分析實驗室，1997，16(6):25-28.

［3］ 郭立靖，張鐵斌. 火力電廠熱力設備上垢樣成分分析［J］.內蒙古電力技術，2006，24:102-103.

［4］ 王婷.火力發電廠垢樣的分析方法［J］.中國特種設備安全，2010(10):61-64.

［5］ 呂琦，崔雋，郭芳，等. 電感耦合等離子體原子發射光譜法測定煤粉助燃劑中7 種主要氧化物［J］. 冶金分析，2013，33(5):67-71.