ICP-OES法測定PPR管材料中的金屬含量

郭換如

(中國石化揚子石油化工有限公司研究院,江蘇 南京，210048)

無規共聚聚丙烯(PPR)管材具有質量輕、耐腐蝕、不結垢、使用壽命長等特點,是冷熱水輸送管的極佳選材[1-2]。在PPR管材料研發過程中,通過加入氫氣，調節物料的熔體流動速率(MFR),通過改變聚合條件，控制分子鏈上乙烯鏈節分布和相對分子質量。除MFR和乙烯含量是過程產品一個重要的控制指標外,適時檢測各個反應釜粉料中特定金屬元素含量也可以為工藝參數調節提供數據支撐,通過金屬元素含量的大小可以推斷催化劑在每個反應器內的停留時間,反應活性及金屬殘留對后續反應和產品質量的影響。由此可見,金屬元素含量的檢測在PPR管材料研發中對工藝控制具有一定的數據指導意義。

而在金屬元素含量檢測方面,電感耦合等離子體發射光譜儀(ICP-OES)分析方法由于步驟簡單,一次性測定全部待測元素,是一個花費少、污染少、流程短的環保性方法,有著寬廣的發展前景[3]。ICP-OES在微量元素同時測定方面成為其他分析技術如原子吸收光譜、X射線熒光光譜等方法無法比擬的一種分析手段。下面介紹了用ICP-OES測定PPR管材粉料中金屬元素的方法。

1 試驗部分

1.1 儀器及試劑

ICP-OES, OPTIMA8000, 美國珀金埃爾默公司;馬弗爐, CWF11/13B, 英國CARBOLITE公司;(雙蒸餾水)自動純水蒸餾器,A4000D,英國STUART公司;鹽酸及硝酸, 優級純,南京化學試劑有限公司;鐵、鎂、鋁、鈦單元素標準溶液,1 000 mg/L,國家標準物質研究中心。

1.2 ICP-OES工作條件

高頻發生器入射功率,1 300 W;輔助氣流量,0.3 L/min;等離子氣流量,15 L/min;霧化氣流量,0.8 L/min;觀察高度,15 mm;蠕動泵泵速,1.5 mL/min。

1.3 樣品預處理

準確稱取15 g左右PPR樣品于石英坩堝中,放置于電爐上加熱至有煙氣產生時,用定性濾紙將其引燃,燃燒至燼,隨后將坩堝移至馬弗爐(箱式電阻爐)內,550 ℃煅燒3 h;冷卻后取出加入10 mL 按1∶1(體積比)稀釋后的鹽酸,在140 ℃電熱板上加熱至剩余1～2 mL,最后用二次蒸餾水定容至10 mL。同時制備空白樣品。

1.4 元素最佳分析線

將Fe,Mg,Al,Ti各單元素標準溶液配制出濃度分別為0,2,10 mg/L的混合標準溶液,以體積分數5%的硝酸溶液為空白樣品測得校準曲線,利用ICP-OES自帶軟件所提供的背景校正功能,依次檢查上述各元素波長的情況,得到各金屬元素Fe,Mg,Al,Ti的最佳分析線分別為238.204,285.213,396.153,334.940。

1.5 樣品中元素的測定

開啟ICP-OES,建立標準工作曲線,將被測樣品信息分別輸入其工作軟件。在與制作標準曲線相同的工作條件下依次測試樣品及空白樣品,計算機將分別自動計算出樣品中的所測金屬元素含量。

2 結果與討論

2.1 共存元素的影響

PPR管材料生產過程金屬元素主要來源于設備、催化劑、助劑或添加劑,有Fe,Mg,Al,Ti等,隨著各反應釜內反應程度的不同,其中含有的金屬元素也會有相應地變化。通常在樣品處理過程中,通過取樣量、最后溶液定容量將各元素的含量控制在0.1～100.0 μg/g。在這種情況下,試驗考察共存元素間的干擾,結果見圖1。

圖1 共存元素發射光譜分析

從圖1可以看出Fe,Mg,Al,Ti這4種共存元素間并無相互干擾現象,各元素譜圖清晰無干擾,其中Ti元素除在波長334.940 nm處有一個峰,在334.903 nm處還有一小峰,但兩峰也并無干擾。

2.2 樣品溶液酸度的影響

在樣品溶液中,由于樣品的酸度等物理性質對提升量、霧化效率的影響導致的化學干擾造成光譜強度值發生變化。本試驗分別取含有Fe,Mg,Al,Ti元素濃度均為10 mg/L的標樣于試管中,分別加入0.1,0.2,0.3,0.4,0.5 mL的硝酸,配制成其酸度(體積分數)分別為1%,2%,3%,4%,5%的溶液。在完全相同的儀器操作條件下分別測定5組溶液中各元素的譜線強度。測試結果見表1。

表1 溶液酸度對被測元素譜線強度的影響

由表1可知,隨著酸度增大,各個元素的譜線強度呈減弱的趨勢。因為酸的解離消耗能量而降低等離子體的溫度,所以總體效應使譜線強度減弱。在等離子體發射光譜分析中,大量酸的存在會影響噴霧器的噴霧效率,而使測得結果產生誤差,且還考慮到儀器對酸的承受情況,故樣品溶液應采用1%的酸度。另外注意在試驗中應盡量保持標準、空白和樣品溶液酸度的一致,也能消除溶液酸度對測試結果的影響。

2.3 加標回收率及準確度

為了考察測試結果的準確性,取已知元素含量的PPR管材料樣品15 g,加入濃度為2 mg/L混合標準溶液后,按1.3方法進行樣品預處理后,并對同一樣品重復測定3次其結果見表2。

表2 加標回收結果

由表2可知,回收率在98.5%～101%,儀器精密度均小于1.00%,說明方法的準確度很好、儀器精密度高,能夠滿足測試的要求。

2.4 方法的檢出限

方法的檢出限是指可檢測的待測元素的最小濃度或含量分析物能夠被識別和檢測的最低濃度。一般是采用樣品全流程空白連續10次測定值的3倍標準偏差作為分析物濃度。Fe,Mg,Al,Ti元素的檢出限分別為0.004,1.87,2.03,0.918 μg/L。

2.5 方法的精密度

取同一PPR管材料樣品(與2.3所用樣品相同)5份,分別按照試驗部分中樣品預處理、建立方法和元素測定的全過程,依次測定各金屬元素含量,測定結果見表3。

表3 樣品金屬含量 μg/g

由表3數據計算出,Fe,Mg,Al,Ti元素的相對標準偏差分別為0.50%,1.23%,2.00%,1.50%，均不大于2.00%,表明方法的精確度高,重現性好。

3 結論

采用ICP-OES測定PPR生產過程中的金屬元素含量,金屬共存元素間無互相干擾現象、方法的準確度高、回收率在98.5%～101.0%,儀器的精密度高、檢出限低,是一種簡單快捷地測定PPR管材料中的金屬含量方法,能夠很好的為最終生產出滿足產品質量要求的PPR管材料提供保障。