石墨爐原子吸收分光光度法在電廠水質檢測中的應用

鄭琳琳，姜聚凱

（華電萊州發電有限公司，山東 萊州 261400）

石墨爐原子吸收分光光度法在電廠水質檢測中的應用

鄭琳琳，姜聚凱

（華電萊州發電有限公司，山東 萊州 261400）

電廠機組容量和參數越高，對熱力系統的水汽品質要求越高。以發電機組水汽中銅、鐵元素質量濃度的測定為例，從原子吸收分光光度法的基本原理、實驗條件、儀器的使用維護及注意事項等方面進行分析，使用石墨爐原子吸收分光光度法得到更加準確的水質數據，保障發電機組的安全經濟運行。

水質檢測；原子吸收分光光度法；質量濃度

0 引言

1 000 MW超超臨界變壓直流型鍋爐，要求水汽中的銅質量濃度≤1.0 μg／L，鐵質量濃度≤3.0 μg／L。普遍應用的分光光度法銅、鐵質量濃度的測量范圍為5.0～200.0 μg／L，在低濃度測量時精確度較低，在分析過程中要經過加熱濃縮，實驗過程所加反應試劑多達4種，分析速度慢、干擾大。石墨爐原子吸收分光光度法銅、鐵質量濃度的測量范圍為0～100 μg／L，不但能滿足水汽品質的監督要求，還能使單個樣品的分析時間縮短至3～5 min，極大地提高了檢測效率和工作效率［1］。

原子吸收分光光度法是將待測元素的化合物在高溫下進行原子化，即在高溫下使其離解成為基態原子，并形成原子蒸汽。當使用與待測元素相同的空心陰極燈發射出的特征線穿過一定厚度的原子蒸汽時，光的一部分被原子蒸汽中待測元素的原子所吸收，透過光經單色器將其非特征吸收線分離去，經檢測系統測量出吸收后的光強度。根據朗伯—比耳定律，吸光度與原子化器中待測元素原子的濃度成正比，用標準溶液求出吸收系數，就能計算出待測元素的含量［2］。

1 實驗儀器和試劑

實驗儀器。島津AA-7000G型原子吸收儀；島津ASC自動進樣器；島津GFA-7000A石墨爐原子化器；AC-2600制冷循環機；銅、鐵空心陰極燈；熱解涂復石墨管；聚丙烯取樣瓶及進樣管。化學試劑如下。

1）高純水。除鹽水經純水儀處理后，電阻值大于18.2 MΩ的高純水。

2）（1＋1）硝酸溶液。用ρ＝1.42 g／mL的優級純硝酸配制。

3）（1＋199）硝酸溶液。用ρ＝1.42 g／mL的優級純硝酸配制。

4）銅標準貯備液。質量濃度為1 000 μg／mL，市售。

5）銅標準中間液（Ⅰ）。質量濃度為100 μg／mL：準確移取銅標準貯備液1.0 mL于100 mL容量瓶中，用（1＋199）硝酸溶液稀釋至標線。

6）銅標準中間液（Ⅱ）。質量濃度為1.0 μg／mL：準確移取銅標準中間液 （Ⅰ）1.0 mL于100 mL容量瓶中，用（1＋199）硝酸溶液稀釋至標線。

7）銅標準工作液。質量濃度為10 μg／L：準確移取銅標準中間液（Ⅱ）1.0 mL于100 mL容量瓶中，用（1＋199）硝酸溶液稀釋至標線。此標準工作液應于分析當天配制。

8）鐵標準貯備液。質量濃度為1 000 μg／mL，市售。

9）鐵標準中間液（Ⅰ）。質量濃度為100 μg／mL：準確移取鐵標準貯備液1.0 mL于100 mL容量瓶中，用（1＋199）硝酸溶液稀釋至標線。

10）鐵標準中間液（Ⅱ）。質量濃度為1.0 μg／mL：準確移取鐵標準中間液 （Ⅰ）1.0 mL于100 mL容量瓶中，用（1＋199）硝酸溶液稀釋至標線。

11）鐵標準工作液。質量濃度為10 μg／L：準確移取鐵標準中間液（Ⅱ）1.0 mL于100 mL容量瓶中，用（1＋199）硝酸溶液稀釋至標線。此標準工作液應于分析當天配制。

12）高純氬氣。純度99.998%或更高。

2 實驗條件

2.1 樣品的預處理

選用高品質聚丙烯材質的小口瓶，容量為100 mL，事先用20%的硝酸溶液浸泡24 h以上，用除鹽水清洗干凈。取樣前需在每個取樣瓶內加入1.0 mL（1＋1）硝酸溶液。加入硝酸的目的是使水中銅或鐵以硝酸鹽的形式存在，在石墨管2 000℃以上的原子化溫度下，產生較為穩定的原子蒸汽。

2.2 石墨管的選擇

石墨爐法中，根據元素和樣品的不同，區別使用石墨管。現在被廣泛使用的石墨管有高密度石墨管、熱解涂復石墨管以及平臺型石墨管3種。高密度石墨管通常是由石墨制成，使用也最廣泛。從石墨的特征來看，由于多孔，所以注入的樣品溶液在某種程度上會滲入到石墨的壁面內。熱解涂復石墨管的特點是它的表面有金屬光澤，與高密度石墨管相比由于表面密度高，所以樣品溶液的滲入會減少。平臺型石墨管是在石墨管內安裝含有石墨成分的凹陷板 （平臺），其特點是將樣品溶液注入平臺中再進行加熱。在電廠銅、鐵元素質量濃度測定時，廣泛應用的是熱解涂復石墨管。

2.3 進樣量

加入石墨管中的試樣體積是根據選擇的石墨管的類型和待測離子濃度范圍來確定的，進樣量的多少也直接影響測定的靈敏度。可以選擇的進樣范圍是5～100 μL，只要測定靈敏度能滿足要求，進樣量不需要很大，在電廠銅、鐵元素測定中選擇的進樣量是20 μL。

2.4 分析線的波長

波長選擇的原則是待測元素在該吸收線上具有高的靈敏度，并且和其他元素的譜線沒有重疊，因此銅元素的測定選擇324.8 nm，鐵元素的測定選擇248.3 nm，均能滿足靈敏度的要求。

2.5 燈電流

燈電流是點燈時的電流，空心陰極燈的外包裝盒上標識了該燈的最大電流，要求燈電流的設置不能超出該燈的最大電流，以最大電流的80%為宜。燈電流過小，易造成燈能量的不穩定，會引起漂移和噪聲；燈電流過大，會加重燈的損耗，縮短燈的壽命，因為空心陰極燈的壽命與電流與時間的乘積相關，燈電流越大，燈的壽命就越短。經過多次試驗，銅元素測定時的燈電流選擇8 mA，鐵元素測定時的燈電流選擇10 mA，此電流強度完全能滿足測量的需要。

2.6 點燈方式

EMISSION方式：用于火焰發射分析。通過單色器選擇分析元素在火焰中原子化產生的光譜，用光度電路測量其強度。

NON-BGC方式：用于無需扣背景原子吸收方式。氘燈不亮，只有用脈沖點亮的空心陰極燈的光才通過原子化器，然后通過單色器選擇只用于分析的譜線（分析線）。分析線的一部分被原子化器生成的分析元素的原子吸收，此時通過測量光的吸收，測量分析元素的濃度。

BGC-D2方式：用于氘燈扣背景原子吸收方式，波長范圍在185～430 nm內。空心陰極燈的脈沖光和氘燈的脈沖光同時通過原子化器，空心陰極燈光的吸收是待測元素的原子吸收和共存元素背景吸收的總和，而氘燈的光只有背景吸收。在光度測量電路中，經過信號的對數轉換，測得上述信號的差。從而校正共存物背景并準確測量分析元素的吸收。

BGC-SR方式：用于SR燈（自吸收法）扣背景原子吸收方式，可用于全波長。SR燈在交替脈沖的高、低電流作用下產生的光通過原子化器，低電流產生的光被待測元素和共存物背景吸收，而高電流產生的光只有背景吸收。兩個信號在光度測量電路中經過對數轉換，測量信號的差，從而校正共存元素背景并準確測量分析元素的吸收。其特點是不受鄰近線的干擾，且不受波長限制，但是必須使用適合此方式的SR燈。所以SR燈可以代替普通空心陰極燈，而普通空心陰極燈卻不能代替SR燈。銅、鐵元素的測量波長均在BGC-D2方式允許范圍內，并且此方式的靈敏度高于其他方式，故測量時的點燈方式選擇BGC-D2。

2.7 狹縫

選擇單色器狹縫的寬度時，既不能過寬，也不能過窄。狹縫過寬會使當所需要的共振線通過的同時也有其他譜線通過，會導致待測元素測試靈敏度降低；狹縫過窄，會使光源強度減弱，信噪比降低，測試的穩定性較差。因為鐵的譜線數比銅的要復雜，所以鐵元素選擇狹縫為0.20 nm，銅元素選擇的狹縫是0.70 nm。

2.8 升溫程序

樣品置于石墨管內，用強電流通過石墨管，產生3 000℃以下的高溫，使樣品蒸發和原子化。石墨爐的升溫程序如下。

干燥：此階段是將溶劑蒸發掉，加熱的溫度控制在溶劑的沸點左右，但應避免暴沸和發生濺射，否則會嚴重影響分析精度和靈敏度。

灰化：這是比較重要的加熱階段，其目的是在保證被測元素沒有明顯損失的前提下，將樣品加熱到盡可能高的溫度，破壞或蒸發掉基體，減少原子化階段可能遇到的元素間干擾，以及光散射或分子吸收引起的背景吸收，同時使被測元素變為氧化物或其他類型物。

原子化：在高溫下，把被測元素的氧化物或其他類型物熱解和還原成自由原子蒸汽。

清潔：用于消除石墨管內的殘渣。

不同待測元素的石墨爐升溫步驟，以及每個步驟的溫度和時間的設定，可參考儀器手冊的推薦值。最好能根據試樣的實際情況，通過實驗進行優化。表1、表2分別是銅、鐵元素測定經優化后的石墨爐升溫程序。

表1 銅元素測定石墨爐升溫程序

表2 鐵元素測定石墨爐升溫程序

3 實驗過程

3.1 標準工作曲線的繪制

以（1+199）硝酸溶液為空白溶液和稀釋溶液，質量濃度10 μg／L的銅、鐵標準工作液為最高濃度，設置5個校正標準工作溶液，質量濃度分別為：0 μg／L、2.5 μg／L、5.0 μg／L、7.5 μg／L、10.0 μg／L，自動進樣器將自動進行稀釋配制校正標準工作溶液，測定空白值和校正標準工作溶液的吸光度。以濃度為橫坐標，吸光度為縱坐標，繪制銅、鐵標準工作曲線或求得回歸方程，線性相關系數應大于0.995。為保證工作液的穩定性，銅、鐵標準工作液應該在當天分析時配制。由于儀器狀態、環境變化等多方面的因素影響，應該在每次測量前重新進行標準曲線的繪制。

3.2 樣品測定

水樣注入清洗干凈的進樣管內，在與測定銅、鐵元素標準工作溶液相同的條件下，由自動進樣器將水樣注入石墨管中，測得吸光度，由銅、鐵標準工作曲線得出水樣中銅、鐵的含量。

4 注意事項

4.1 工作環境的要求

原子吸收分光光度儀應放在附近無強電磁場和強熱輻射源的地方，不宜放在會產生劇烈振動的設備附近，應避免日光直射、煙塵、污濁氣流及水蒸氣的影響；實驗室內應經常保持清潔和溫度、濕度適宜。空氣相對濕度應小于70%，溫度應控制在15～30℃。

4.2 開機前檢查

分析前，檢查供氣、供水、供電、排水系統是否正常，將石墨管上方的防塵罩拿掉，以免儀器工作時碰觸進樣針頭。保證良好的工作條件，嚴格按儀器的操作規范執行。

4.3 石墨管的維護

石墨管是石墨爐原子吸收分光光度計中昂貴的消耗品。1只進口涂復石墨管正常壽命在600～700次，如果使用不當，少的只有400多次就報廢。正確合理的使用和維護能使石墨管的壽命延長到2 000多次。石墨管的使用壽命，除了自身的質量以外，還和以下因素有關。

氬氣在石墨爐中的作用是防止石墨管在高溫下氧化，氬氣的純度越高對石墨管的保護就越好 ，一般要求在99.998%或更高。氬氣的壓力一般控制在0.35～0.40 MPa，流量過小石墨管表面易與殘留的氧氣高溫氧化，影響石墨管的壽命，流量過大，被檢測樣品易揮發影響結果的準確性。

被測樣品的濃度越大，清潔度越差，經過高溫化后在石墨管和石墨錐中沉積的碳化物就越多，加大了石墨爐升溫的電流，加速了石墨管的損耗。所以應經常用無水酒精棉球清潔石墨錐和石墨管上的石墨粉和碳化物等雜質。

試驗的用酸量不宜過大，在保證酸化效果的基礎上盡量少一些，減少對石墨管的腐蝕。通常不適用鹽酸，而用1%以下的硝酸，因為鹽酸具有較強的滲透性，對石墨管會造成腐蝕直至斷裂。

進樣時針頭不能碰到石墨管進樣口的邊緣部分，樣品落到進樣口的周圍，會造成石墨管外部涂層的快速損壞。

當石墨管的表面出現明顯的磨損蜂窩狀或蛻皮現象時，說明石墨管需要更換，或者當吸收峰的峰高降低，峰寬加大，數據值偏小，此時也可以判斷需要更換石墨管。

4.4 空心陰極燈

在原子吸收分析中，空心陰極燈的性能直接影響分析結果。

在打開燈電源開關時，應慢慢將電流調至規定值，驟然將燈電流升至規定值會使陰極表面發生噴射，影響燈的使用壽命，嚴重時還會使陰極遭到破壞。空心陰極燈如長期擱置不用，將會因漏氣、氣體吸附等原因而不能正常使用，甚至不能點燃。所以，每隔3～4個月，應將不常用的燈通電點燃2～3 h，以保持燈的性能并延長其使用壽命。

空心陰極燈的使用壽命不超過5 000 h，使用一段時間以后會衰老，致使發光不穩，強度減弱，噪聲增大和靈敏度下降。在這種情況下可用激活器加以激活。或者把空心陰極燈的陰極和陽極反接后在規定的最大工作電流通電0.5 h。多數空心陰極燈在經過激活處理后其使用性能在一定程度上得到恢復，延長燈的使用壽命。

取放或裝卸空心陰極燈時，應拿燈座，不要拿燈管，更不要碰燈的石英窗口，以防止燈管破裂或窗口被沾污，導致光能量下降。如發現窗口有油污、手印或其他污垢，可用脫脂棉沾上1∶3的酒精和乙醚的混合液來輕輕擦拭（潮濕天氣可加大乙醚比例）。

4.5 氘燈

氘燈的使用壽命不超過500 h，當系統提示“背景信號太小”或“氘燈能量太低”時，可考慮是氘燈損耗老化，光強度不夠造成的，此時可更換氘燈。

更換氘燈應注意，拿新燈時要戴干凈的手套，以免指紋沾在光速窗上，當燈升至高溫時，指紋等污點會留在石英窗上阻礙光發射，影響氘燈的使用壽命。如有污垢可用酒精擦拭干凈。

5 結語

隨著科技的不斷發展和進步，原子吸收分光光度法在電廠水質檢測中自動化越來越高，操作上更趨向簡便，省時省力，具有其他分析方法無可比擬的優勢。

［1］陳穎.石墨爐原子吸收分析法在電廠水質檢測中的應用［J］.浙江電力，2005，24（5）：60-62.

［2］DL／T 955-2005火力發電廠水、汽試驗方法 銅、鐵的測定石墨爐原子吸收法［S］.

Application of Graphite Furnace Atomic Absorption Spectrophotometry in the Power Plant Water Test

ZHENG Linlin，JIANG Jukai
（Huadian Laizhou Power Generation Co.Ltd.，Laizhou 261400）

The higher the power plant unit capacity and the parameter are，the higher the water quality of the thermal system requires.Taking the determination of mass concentration of copper element and iron element in steam as an example，the basic principle of atomic absorption spectrophotometric method，experimental conditions，the use of the instrument maintenance and matters needing attention，etc，are analysed.It is showed that it can get more accurate data of water quality by using graphite furnace atomic absorption spectrophotometry，which can guarantee the safety and economic operation of generating unit.

water quality test；atomic absorption spectrophotometry；mass concentration

TM621.8

B

1007-9904（2017）03-0066-04

2016-09-19

鄭琳琳（1976），女，工程師，從事電廠化學化驗方面的工作；

姜聚凱（1976），男，從事電廠集控運行方面工作。