堿熔-電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜(ICP-AES)法測定水泥標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中的氧化物含量

張慶華　崔金華　宋曉紅　王雅蘭

(1 中國建材檢驗認(rèn)證集團股份有限公司，國家水泥質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，北京 100024； 2 島津企業(yè)管理(中國)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，判定水泥質(zhì)量的好壞除了二氧化硅的指標(biāo)外，其它氧化物如氧化鋁、氧化鐵、氧化鎂等的指標(biāo)也很重要。目前，水泥中氧化物的檢測主要按照國家標(biāo)準(zhǔn)分析方法[1]，該標(biāo)準(zhǔn)是采用傳統(tǒng)方法，針對不同元素分別采用重量法、化學(xué)滴定法、原子吸收光譜法等測定，該法只能單元素分別測定，不能多元素同時測定，實驗周期長，操作步驟繁瑣。

電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法以其測定元素多、線性范圍寬、分析精密度高、干擾較少、樣品易制備、分析速度快且可以多元素同時測定等優(yōu)點受到廣大分析工作者的青睞[2-4]。目前，ICP-AES法已廣泛用于各行業(yè)中元素的測定[5-7]，但建材行業(yè)用于檢測水泥中元素含量的報告較少[8-10]。本文采用堿熔法消解水泥樣品，利用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜(ICP-AES)法測定水泥標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中高達28%的氧化硅主量元素含量及其它常量元素氧化物的含量。該方法操作簡單、省時、省力，為水泥標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)定值提供了一個全新的溯源方式。

1　實驗部分

1.1　儀器和試劑

ICPE-9820全譜發(fā)射光譜儀(島津企業(yè)管理(中國)有限公司)。

實驗所用玻璃器皿均用硝酸溶液(1+1)浸泡24 h后，用去離子水沖洗，干燥備用；實驗所用氫氧化鈉和鹽酸為優(yōu)級純試劑，實驗用水為去離子水。

各元素標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液(SiO2、Al2O3、TFe2O3、MgO、TiO2)濃度均為1 mg/mL，購于鋼研納克檢測技術(shù)有限公司。水泥標(biāo)準(zhǔn)樣品(GSB 08-1355-2014、GSB 08-1356-2014、GBW 03207a、GBW 03208a)購于中國建材檢驗認(rèn)證集團股份有限公司。

1.2　樣品的前處理

稱取0.4 g(精確至0.000 1g)試樣，置于銀坩堝中，加入5 g氫氧化鈉，蓋上坩堝蓋，放入高溫爐中，在650～700 ℃熔融20 min。取出冷卻，將坩堝放入已盛有約100 mL沸水的300 mL燒杯中，蓋上表面皿，在電爐上適當(dāng)加熱，待熔塊完全浸出后，取出坩堝。邊攪拌邊一次性加入50 mL鹽酸(1+1)，用熱鹽酸(1+5)洗凈坩堝和蓋。將溶液煮沸，冷卻至室溫，用純水定容至250 mL容量瓶中，用水稀釋至刻度，搖勻。

準(zhǔn)確移取25 mL上述溶液至100 mL容量瓶中，加入10 mL氧化鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液(100 μg/mL)，用水稀釋至刻度，搖勻，待測。

1.3　儀器參數(shù)

儀器工作條件如表1所示。

表1　儀器工作條件

2　結(jié)果與討論

2.1　標(biāo)準(zhǔn)溶液配制

分別準(zhǔn)確移取不同體積待分析標(biāo)準(zhǔn)溶液至100 mL容量瓶中，加入10 mL氧化鎘內(nèi)標(biāo)溶液(100 μg/mL)；稱取0.5 g氫氧化鈉置于塑料燒杯中，加水約25 mL，再加入5 mL鹽酸，待溶液冷卻后轉(zhuǎn)移至100 mL容量瓶中，用水稀釋至刻度，搖勻。配制多元素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液。各元素標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度如表2。

表2　各元素標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度

2.2　標(biāo)準(zhǔn)曲線

各元素的標(biāo)準(zhǔn)曲線見圖1-圖5。各元素標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性相關(guān)系數(shù)均大于0.999。

圖1　Al的標(biāo)準(zhǔn)曲線圖Figure 1　The standard curve of Al.

圖2　Fe的標(biāo)準(zhǔn)曲線Figure 2　The standard curve of Fe.

圖3　Mg的標(biāo)準(zhǔn)曲線Figure 3　The standard curve of Mg.

圖4　Si的標(biāo)準(zhǔn)曲線Figure 4 The standard curve of Si.

圖5　Ti的標(biāo)準(zhǔn)曲線Figure 5　The standard curve of Ti.

2.3　分析條件

ICP-AES原子發(fā)射光譜分析發(fā)射譜線數(shù)量非常多，所以元素譜線可能存在重疊(稱為光譜干擾)。當(dāng)樣品中含多種組分并存在光譜干擾時，利用島津獨特的“最佳波長優(yōu)化”功能ICPESolution軟件，可根據(jù)元素各波長靈敏度以及基體干擾情況，自動選擇最佳波長，如圖6所示。

樣品中SiO2的含量高達28%，為提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，采用內(nèi)標(biāo)法即在樣品中加入內(nèi)標(biāo)元素Cd，以克服長時間測定儀器漂移所帶來的誤差。表3為各元素的最優(yōu)波長和內(nèi)標(biāo)波長。圖7-圖11為各元素最優(yōu)波長的譜峰輪廓圖。

表3　分析條件

2.4　水泥標(biāo)準(zhǔn)樣品分析結(jié)果

利用ICPE-9820，對4種水泥國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GSB 08-1355-2014、GSB 08-1356-2014、GBW 03207a、GBW 03208a進行測定，同時對含有基體的樣品空白進行10次測定，3倍的空白標(biāo)準(zhǔn)偏差所對應(yīng)的濃度即為各元素的檢出限，Al2O3、Fe2O3、MgO、SiO2、TiO2的檢出限分別為0.032、0.009、0.005、0.014、0.002 mg/L。實驗結(jié)果見表4。

圖6　ICPESolution軟件“自動選擇最佳波長”功能示意圖Figure 6　ICPESolution software "automatic selection of the best wavelength" function diagram.

圖7　Al的譜峰輪廓圖　　　　　　　　　　　圖8　Mg的譜峰輪廓圖Figure 7　The profile of Al.　　　　　　　　　Figure 8　The profile of Mg.

圖9　Fe的譜峰輪廓圖　　　　　　　　　　　　　圖10　Si的譜峰輪廓圖　　Figure 9　The profile of Fe.　　　　　　　　　　　Figure 10　The profile of Si.

圖11　Ti的譜峰輪廓圖Figure 11　The profile of Ti.

Table 4　Results of cement reference materials /%

樣品的測定值與標(biāo)準(zhǔn)值基本吻合。

2.5　精密度實驗

分別稱取6份平行國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GSB 08-1355-2014，按照樣品前處理方法進行處理，每個樣品重復(fù)測定3次，求出6份樣品中各元素分析結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差，如表5所示，各元素6份平行樣品測定的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD在0.18%～1.4%。

表5　精密度實驗

3　結(jié)論

本實驗一次堿熔融消解樣品，采用ICP-AES-內(nèi)標(biāo)法一次同時測定了水泥中高達28%的SiO2主量元素含量及其它常量元素的含量。該方法精密度高，樣品測定分析結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值基本吻合，為水泥標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)定值提供了全新的溯源方式。

[1] 質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T 176—2008水泥化學(xué)分析方法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

[2] 馬麗.電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜(ICP-AES)法測定錫鉛焊料中11種微量元素[J].中國無機分析化學(xué)(ChineseJournalofInorganicAnalyticalChemistry),2017,7(3):51-54.

[3] 羅悠,鄧飛躍,孟時賢.濕法消解-電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜(ICP-AES)法測定魚飼料中19種微量元素[J].中國無機分析化學(xué)(ChineseJournalofInorganicAnalyticalChemistry),2017,7(2):72-77.

[4] 寶力道,烏蘭其其格,趙玉英.電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜(ICP-AES)法測定蒙藥巴特日中17種元素的含量[J].中國無機分析化學(xué)(ChineseJournalofInorganicAnalyticalChemistry),2016,6(4):1-3.

[5] 趙慶令.ICP-AES法測定石灰石、白云石中的Al2O3，CaO，TFe2O3，MgO，MnO，SiO2，TiO2[J].分析測試技術(shù)(AnalysisandTestingTechnology),2009,15(3):597-598.

[6] 王振華,李文軍,劉瑾.ICP-AES法測定鐵礦石中的CaO，SiO2，MgO，Al2O3，TiO2，Zn量[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(InnerMongoliaScienceTechnologyandEconomy),2014(14):43-44.

[7] 李獻華,劉穎,涂湘林,等.硅酸鹽巖石化學(xué)組成的ICP-AES和ICP-MS準(zhǔn)確測定：酸溶與堿熔分解樣品方法的對比[J].地球化學(xué)(Geochemistry),2002,31(3):289-294.

[8] 龍智翔,謝安杰,謝濤.ICP-AES法快速測定水泥中Al2O3、Na2O、K2O、CaO、MgO、SO3、TiO2含量[J].科技咨詢(ScientificandTechnologicalConsultation),2011(8):112-113.

[9] 張丹丹,邱月梅,曹瑞,等.ICP-AES法同時測定水泥中的鉀鈣鈉鎂鋁鐵鈦[J].水泥(Cement),2014(10):53-54.

[10] 任樹林,王肖,于浩.ICP-AES法快速測定水泥的化學(xué)成分[J].水泥(Cement),2011(4):52-53.