電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法測定白炭黑中 銅、錳、鐵元素含量
摘要:采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀測定白炭黑中銅、錳、鐵元素的含量。用濃鹽酸代替常 用的氫氟酸處理白炭黑試樣,既可以有效避免氫氟酸殘留對設(shè)備進樣系統(tǒng)的損害,也可以起到減少霧化、去除溶劑干擾的作用。本方法實現(xiàn)了3種待測元素的同時測定,線性關(guān)系好,精密度高,加標回收率和線性 范圍較好,結(jié)果可靠。
白炭黑是白色粉末狀無定形硅酸和硅酸鹽產(chǎn)品的總稱,主要有沉淀法白炭黑、氣相法白炭黑、凝膠法超細白炭黑等。白炭黑是多孔性物質(zhì),能 溶于苛性堿和氫氟酸,不溶于水、溶劑和酸(氫氟酸除外)。白炭黑是優(yōu)良的白色補強劑,能賦予膠料較高的拉伸強度、拉斷伸長率、撕裂強度、彈性 和耐熱性能,因此作為橡膠和塑料制品的補強材 料被廣泛應用[1-2] 。白炭黑中往往含有一定量的 銅、錳、鐵等雜質(zhì)元素,雜質(zhì)元素含量是衡量白炭 黑品質(zhì)的重要指標。這些雜質(zhì)元素對白炭黑的性 能有重要影響,同時也會影響橡膠和塑料制品的 物理性能、導電性能和外觀等。白炭黑中銅、錳、鐵元素的測定方法有原子吸收光譜法、紫外可 見分光光度法和原子熒光光譜法等,以上方法過 程繁瑣、復雜,只能對單一元素進行測定,不能實現(xiàn)多種元素的同時測定,耗時長、成本高。電感耦合等離子體原子(ICP)發(fā)射光譜法以惰性氣體氬氣為載氣,試樣溶液經(jīng)霧化系統(tǒng)霧化后形成氣溶 膠,由載氣將待測樣品帶入等離子炬焰中,在高溫和惰性氬氣氣氛中被充分蒸發(fā)、原子化、激發(fā)和電 離,發(fā)射出元素的特征譜線,根據(jù)不同元素特征譜 線強度不同的特點,可以同時對多種元素進行定 量分析,且具有快速、準確的特點。 本工作采用ICP發(fā)射光譜法測定白炭黑中銅、 錳、鐵元素含量。
儀器
ICP發(fā)射光譜儀
電子天平
可調(diào)式電砂浴鍋
250 mL瓷蒸發(fā)皿
50 mL量筒、 移液管(2,20和100 mL)、100 mL容量瓶和150 mL 漏斗
超純水機
試劑
濃鹽酸(優(yōu)純級)
乙酸酐(分析純)
1 mg·mL-1 銅標準儲備液、 錳標準儲備液和鐵標準儲備液
鹽酸(體積分數(shù)為50%)
試樣制備
白炭黑試樣溶液
用天平準確稱取20. 000 8 g白炭黑樣品,如果樣品呈塊狀或大顆粒狀,需在研缽中研磨至無顆粒。將白炭黑置于250 mL瓷蒸發(fā)皿中,向蒸發(fā)皿中緩慢加入50 mL濃鹽酸,同時不斷攪拌,以免樣品迸濺,待濃鹽酸完全加入后用玻璃棒攪拌均勻, 在80 ℃沙浴上蒸干至樣品呈白色粉末狀,將蒸干 后的樣品置于通風櫥內(nèi)冷卻至室溫。向冷卻后的樣品中緩慢加入40 mL乙酸酐,放在80 ℃沙浴上 蒸干至樣品呈淺黃色粉末,然后再加入40 mL乙酸酐,重復此過程2次,待樣品完全蒸干后冷卻至室溫。用移液管在樣品中精確加入100 mL體積分數(shù) 為50%的鹽酸,加入過程中用玻璃棒不斷攪拌,停放約5 min后用中速濾紙和玻璃漏斗進行過濾,濾液置于100 mL容量瓶,用體積分數(shù)為50%的鹽酸定容,此時溶液中鹽酸濃度過高,故再移取10 mL 濾液至100 mL容量瓶中,用超純水定容至刻度,即得到試樣溶液。
標準溶液
將銅、錳、鐵元素的標準儲備液配制成混合標樣,同時配制空白試樣。標準工作曲線由空白溶液和各元素的混合標樣共7個點建立,通過ICP發(fā)射光譜儀自帶工作站自動制作而成,其線性相關(guān)因數(shù)在0. 999以上即滿足使用要求。
標準溶液的質(zhì)量濃度范圍必須覆蓋樣品溶 液的質(zhì)量濃度范圍,標準溶液按照質(zhì)量濃度由高到低分別編號為STD-1,STD-2,STD-3,STD-4,STD-5和STD-6,配制過程如下。
STD-1:用移液管分別移取2 mL的銅、錳、鐵 標準儲備液至100 mL容量瓶中,用1%鹽酸溶液 定容至刻度。其中,待測元素的質(zhì)量濃度均為20 mg·L-1 。
STD-2:用移液管移取STD-1溶液25 mL至 100 mL容量瓶中,用5%鹽酸溶液定容至刻度。其 中,待測元素的質(zhì)量濃度均為5 mg·L-1 。
STD-3:用移液管移取STD-2溶液20 mL至 100 mL容量瓶中,用5%鹽酸溶液定容至刻度。其 中,待測元素的質(zhì)量濃度均為1 mg·L-1 。
STD-4:用移液管移取STD-3溶液20 mL至 100 mL容量瓶中,用5%鹽酸溶液定容至刻度。其中,待測元素的質(zhì)量濃度均為0. 2 mg·L-1 。
STD-5:用移液管移取STD-4溶液25 mL至 100 mL容量瓶中,用5%鹽酸溶液定容至刻度。其中,待測元素的質(zhì)量濃度均為0. 05 mg·L-1 。
STD-6:用移液管移取STD-5溶液20 mL至 100 mL容量瓶中,用5%鹽酸溶液定容至刻度。其中,待測元素的質(zhì)量濃度均為0. 01 mg·L-1 ??瞻自嚇硬捎?span>5%鹽酸溶液。
試驗條件
經(jīng)過多次測試確認,采 用ICP發(fā)射光譜儀檢測待測元素使用的最佳測定波長分別為銅 324. 756 nm,錳 257. 611 nm,鐵 238. 204 nm。
ICP發(fā)射光譜儀工作條件為:功率 1. 2 kW, 等離子體氣體流速 15 L·min-1 ,霧化器氣體流 速 1. 5 L·min-1 ,泵速 15 r·min-1 ,沖洗時間 30 s。
測試步驟
(1)開啟ICP發(fā)射光譜儀和軟件,打開氣源,待設(shè)備穩(wěn)定后進行點火,然后選擇設(shè)定的條件,沖洗 設(shè)備5 min。
(2)首先進行空白測試,然后從低質(zhì)量濃度到高質(zhì)量濃度樣品依次進樣,建立標準工作曲線,線 性相關(guān)因數(shù)達到0. 999以上,方可進行樣品測試。
(3)將試樣溶液放入進樣管,點擊測試,設(shè)備自動進樣。試樣溶液檢測完畢,設(shè)備顯示元素檢測質(zhì)量濃度。
數(shù)據(jù)分析和處理
本試驗中ICP發(fā)射光譜儀顯示結(jié)果可自動扣除空白試樣中待測元素的濃度,將測試所得的元素質(zhì)量濃度代入以下公式即可計算得到白炭黑中 銅、錳、鐵元素的含量X(mg·kg-1 )。
式中:
C為試樣溶液中元素i的質(zhì)量濃度,mg·L-1;
V為試樣溶液的定容體積,mL;
m為白炭黑的質(zhì)量,g;
n為溶液稀釋倍數(shù),本次試驗中n取10。
結(jié)果與討論
方法的選擇
由于白炭黑主要由二氧化硅組成,一般情況下用氫氟酸處理樣品,二氧化硅以四氟化硅的形 式揮發(fā),處理后的樣品有氫氟酸殘留,但氫氟酸對玻璃制品具有較強的腐蝕性,ICP發(fā)射光譜儀的進樣系統(tǒng)中維持ICP持續(xù)放電的等離子矩管是由3層 同心石英管組成的裝置 ,樣品中殘留的氫氟酸會對設(shè)備的進樣系統(tǒng)造成損害。本試驗采用濃鹽酸對白炭黑進行酸化,并多次加入乙酸酐,用沙浴進行加熱處理蒸干,既可以避免對設(shè)備的損害,也起到減少霧化、去除溶劑干擾的作用。 另外,本試驗用混合標準溶液測定各元素的 含量,3種元素的出峰情況和線性范圍良好,未出現(xiàn)相互干擾現(xiàn)象。同時還采取設(shè)備自動扣除空白的方式檢查在目標分析物出現(xiàn)的區(qū)域是否有干擾信號和峰等,排除了化學干擾。
檢出限和定量限
本試驗方法的檢出限和定量限用空白標準偏 差法進行評估,即通過分析大量的空白樣品或 加入蕞低可接受質(zhì)量濃度元素的空白樣品來確定 檢出限,獨立測試的次數(shù)應不小于10,計算測試結(jié) 果的標準偏差(s),3s即為該方法的檢出限,檢出限 的3倍即作為該方法的定量限。本方法測定檢出 限和定量限時,加入蕞低可接受質(zhì)量濃度為0. 01 mg·L-1 的待測元素,分別進行10次獨立測試,測定的檢出限和定量限如表2所示。
精密度
本試驗的精密度用試樣溶液測試結(jié)果的相對 標準偏差表示[10] 。取1個白炭黑樣品,經(jīng)酸化、過濾、移取、定容制成試樣溶液,對該試樣溶液進行7 次獨立測試,分別計算7次測試結(jié)果的平均值、s和 相對標準偏差(RSD),結(jié)果如表3所示。
由表3可以看出,3種元素的質(zhì)量濃度均小于 10 mg·L-1 ,RSD均小于7. 5%,精密度符合要求。
加標回收率
向試樣溶液中加入接近等質(zhì)量濃度的標準 溶液(加標),測定試樣溶液和加標溶液中3種元素的質(zhì)量濃度,計算加標回收率,試驗結(jié)果如表4 所示。
由表4可以看出,加標溶液中3種元素的質(zhì)量濃度均小于10 mg·L-1 ,加標回收率在90%~110%之間,準確度符合要求。
線性范圍
線性范圍采用校準曲線法定量,設(shè)置銅、錳、 鐵元素的測試波長分別為324. 756,257. 611和 238. 204 nm,3種元素的校準曲線的線性相關(guān)因數(shù) 均在0. 999 9以上,以±0. 06 nm為積分寬度,3種元素均可得到良好的峰形。
方法依據(jù):
牛飛,袁桂真,高明等.電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法測定白炭黑中銅、錳、鐵元素含量[J].橡膠科技, 2024, 22 (01): 53-56.
儀器參數(shù)
ICP-6800電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(標準機)
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美析主營光譜類儀器可見分光光度計、紫外可見分光光度計、原子吸收光譜儀、超微量分光光度計、原子熒光光度計、ICP 電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀、ICP 電感耦合等離子體質(zhì)譜儀,目前,我們的產(chǎn)品已廣泛應用于有機化學、無機化學、生物化學、醫(yī)藥、環(huán)保、冶金、石油、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。同時美析利用在產(chǎn)品機械結(jié)構(gòu)、光學設(shè)計、電氣應用和軟件開發(fā)方面積累的豐富經(jīng)驗,結(jié)合市場的需求,近期將陸續(xù)推出一批分析類儀器。美析的總部及生產(chǎn)基地設(shè)在上海,營銷中心設(shè)在北京,并在江蘇、上海、山東三地建有研發(fā)基地。為充分利用各地的智力資源,美析與國內(nèi)外的部分科研單位也進行了深層次的科研合作,不斷將科研成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。為更好的服務于廣大客戶,美析儀器國內(nèi)設(shè)有 12家辦事機構(gòu),度身定制符合您需求的應用解決方案,提高產(chǎn)品的附加值。在不斷服務國內(nèi)用戶的同時,美析也與 20 多個國家的分銷機構(gòu)建立了深度的戰(zhàn)略合作關(guān)系。
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