火焰原子吸收光譜法測定炭素陽極殘極中多種金屬元素的含量

衛(wèi)莉婷，原敏杰，武洋仿

(運城學院 應用化學系，山西 運城 044000)

引言

炭素陽極材料的好壞是影響電解鋁工業(yè)經(jīng)濟、環(huán)保指標的主要因素。從理論上講每生產(chǎn)一噸鋁要消耗炭量333 kg，而鋁廠實際消耗的炭量為500～600 kg，約占總成本的15%左右[1]。在此過程中產(chǎn)生的大量的炭素陽極殘極(約占陽極總量的15%)[2]，能夠作為再次生產(chǎn)陽極的原料，降低成本，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

然而陽極殘極中的微量元素對陽極炭質(zhì)量產(chǎn)生非常大的影響[3]，例如Na、Ca、Fe進入炭素生產(chǎn)系統(tǒng)，不但不能改善產(chǎn)品質(zhì)量，還會加速陽極在電解過程中的消耗。其中Fe元素直接影響鋁液的品位；Na、Ca元素加速炭的化學反應，造成了陽極易掉渣、掉塊。因此對殘極中微量元素的檢測分析和清洗尤為重要。

目前，固態(tài)樣品中微量金屬元素的測定方法種類繁多，主要有電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP)[4-6]和火焰原子吸收光譜法[7～9]。原子吸收光譜法可同時測定多種金屬元素含量，具有精密度高、讀數(shù)穩(wěn)定、操作簡單快捷等優(yōu)勢。為此，本文利用火焰原子吸收光譜法來測定殘極中Na、Ca、Fe這三種元素的含量。由于殘極中除了要測定的三種元素以外，還共存其它多種金屬元素(Si、Al、K、Pb、Ni)[10]，因此選擇加入SrCl2或CsCl作為干擾抑制劑，來準確測定Na、Ca、Fe這三種元素的含量。

1. 實驗部分

1.1 儀器與試劑

TAS-990型原子吸收分光光度計(北京普析通用儀器公司)，MX-51D型氣體壓縮機(沈陽市氣體壓縮機廠)，ACS-C200G型精密電子分析天平(天津天馬衡基儀器有限公司)，微孔過濾器及孔徑為0.45 μm的微孔濾膜(寧波鴻譜儀器科技有限公司)，202-OBS型臺式干燥箱(重慶試驗設備廠)，ETHOS 1型微波消解儀(萊博泰克科技有限公司)。

Na、Ca、Fe單標準溶液(北京北方偉業(yè)計量技術(shù)研究院，含量：0.1 mg/mL)，SrCl2(優(yōu)級純，國藥集團化學試劑有限公司)，CsCl藥品(分析純，鄭州市金水區(qū)富佳化工商行)。

Na、Ca、Fe系列標準溶液：取適量的3種金屬元素單標準儲備溶液用蒸餾水進行稀釋。配制Na系列標準溶液時加入CsCl溶液；配制Ca系列標準溶液時加入SrCl2溶液。

實驗用水為超純水。

1.2 儀器工作條件

原子吸收光譜儀的工作條件如表1所示：

表1 儀器設置一覽表

1.3 實驗過程

首先配制6 mol/L的鹽酸溶液。取50 mL濃鹽酸置于燒杯中，加少量水稀釋，冷卻至室溫后轉(zhuǎn)移到100 mL容量瓶中定容，擰緊瓶塞搖勻。稱取0.5174 g炭素陽極殘極粉末于燒杯中，然后分3次加入6 mol/L的稀鹽酸50 mL，一邊滴加一邊攪拌，使其充分反應，直到無氣泡產(chǎn)生。然后將樣品放入微波消解儀中，在1000 W的功率下，200 ℃進行消解，直至消解罐中的液體至澄清透明后取出冷卻至室溫，將溶液轉(zhuǎn)移至50 mL容量瓶定容。在儀器工作條件下測定。

2. 結(jié)果分析與討論

2.1 釋放劑及消電離劑用量

空氣-乙炔火焰會對鈉、鈣、鎂元素含量的測定產(chǎn)生干擾，可加入CsCl和SrCl2等物質(zhì)加以消除[11,12]。在測定鈣元素含量時，Ca與共存元素Al、Si形成穩(wěn)定的酸性氧化物，從而降低Ca的原子化率，使結(jié)果偏低。加入SrCl2既可作為離子釋放劑，又可消除電離干擾。但是，SrCl2的加入量也不是越多越好。圖1(a)為添加不同濃度的SrCl2的樣品溶液所測的Ca的吸光度值。結(jié)果表明：當在樣品中滴加的SrCl2的濃度不斷增加時，吸光度A值顯著增加。但當SrCl2濃度超過40 μg/mL時，隨著SrCl2濃度的升高吸光度值反而降低。因此，加入過量的消電離劑反而會產(chǎn)生負面的影響，不利于金屬元素含量的測定，使得測量靈敏度和準確度都會降低。

在測定Na元素含量時，CsCl作為消電離劑用來消除電離干擾[13]，可以較大程度抑制電離，使大部分原子處于基態(tài)。圖1(b)為添加不同質(zhì)量分數(shù)的CsCl的樣品溶液所測的Na的吸光度值。結(jié)果表明：在待測樣品中加入CsCl的濃度較低時，溶液中的Na由于受到電離干擾的影響，所測的Na質(zhì)量濃度較低，隨著待測液中CsCl加入量的增加，溶液的吸光度呈現(xiàn)先增加后趨于穩(wěn)定的趨勢。當溶液中CsCl的加入量超過3.0%時，待測溶液的吸光度趨于穩(wěn)定，說明電離干擾已基本消除，CsCl的最佳加入量為3.0%。一般元素不影響鐵的測定，故測鐵時可不加。

圖1 不同濃度添加劑的樣品溶液的吸光度值

2.2 標準曲線

由于試驗測定的3種金屬元素在樣品中的含量差別較大，要使原子吸收光譜儀能夠同時測定這3種元素，除了需要對樣品定容體積進行調(diào)整，還需要對各元素的線性范圍進行優(yōu)化，使樣品和標準曲線的吸光度都在原子吸收光譜儀的線性范圍內(nèi)。各元素標準曲線的線性范圍、線性回歸方程和相關(guān)系數(shù)如表2所示，可以發(fā)現(xiàn)四種元素的吸光度在較寬的濃度范圍內(nèi)呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系。

表2 線性參數(shù)

2.3 精密度和加標回收試驗結(jié)果

在向空白樣品中添加已知含量的標準溶液進行加標回收試驗，每種元素設置5個加標平行樣，每個加標平行樣重復測試3次，計算回收率和測定值的相對標準偏差(RSD)，結(jié)果見表3，可知3種金屬元素的回收率為98.1%～100.9%，滿足實驗室檢測要求。RSD為0.16%～1.03%，說明該方法的精密度較高，測量結(jié)果穩(wěn)定，單次測定結(jié)果真實可靠。

表3 精密度和加標回收試驗結(jié)果

2.4 樣品分析

按照試驗方法對樣品進行測定，炭素陽極殘極中鈉、鈣、鐵的含量分別為475.7 ppm、1187.9 ppm、2383.7 ppm。殘極需要后續(xù)的進一步處理來降低炭殘極中微量元素含量，確保炭素陽極的質(zhì)量。

3. 結(jié)論

(1)采用火焰原子吸收光譜法實現(xiàn)對炭素陽極殘極中的微量金屬元素Na、Ca、Fe進行測定，該方法的準確度高、精確度好、快速簡便，為殘極利用提供指導性數(shù)據(jù)。

(2)用火焰原子吸收光譜法測定Ca元素含量時，加入適量的離子釋放劑SrCl2可消除Al、Si等元素的干擾，加入CsCl則可有效消除測定Na元素過程中的電離干擾。當SrCl2加入量為40 μg/mL，CsCl溶液濃度為3.0%時，抗干擾效果最好。