微波消解-电感耦合等离子体发射光谱法测定含铁尘泥中钾钠

周桂海， 王德智， 胡宏卫

(上海梅山钢铁股份有限公司技术中心，江苏 南京 210039)

0 引 言

含铁尘泥是钢铁生产过程中产生的尘泥或粉尘，如高炉灰尘、转炉尘泥和氧化铁皮等，含铁尘泥约占钢产量的6%～10%。含铁尘泥含有铁、碳、钙、硅、镁、钾、钠、锌等元素，具有一定可利用价值，一般直接返烧结、高炉、转炉使用。但含铁尘泥中含有一定量钾、钠等有害元素，在返烧结、高炉等生产时使用时会影响生产正常开展。因此测定钾和钠含量对含铁尘泥返烧结、高炉等生产使用有着十分重要的意义。

钾和钠检测方法有火焰原子吸收光谱法[1-4]、X-射线荧光光谱法[5-7]、离子色谱法[8-9]、电感耦合等离子体原子发射光谱法[10-12]、高效毛细管电泳/非接触式电导[13]等。火焰原子吸收光谱法测定钾和钠含量是最经典的检测方法，已在钢铁冶金物料中广泛应用，方法具有检测准确度高的优点，但原子吸收光谱法一次仅能检测一个元素，且线性范围窄、检测效率低。X-荧光光谱法虽然操作简便，但基体干扰严重。离子色谱法操作相对较简便，但样品前处理要求较高，一般仅适合液体溶液中钾、钠含量的测定。近年来，有较多分析工作者提出采用微波消解-电感耦合等离子体发射光谱法测定样品中元素含量[14-16]，但在含铁尘泥中应用未见报道。本文提出了微波消解-电感耦合等离子原子发射法测定含铁尘泥中钾钠，方法具有操作简便，线性范围宽，检测数据准确度高，适合钢铁冶金中各种含铁尘泥中钾钠含量检测。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

ICAP 6 300 Radial电感耦合等离子体原子发射光谱仪（美国Thermofisher公司）；HN202-1烘箱（上海叶拓仪器仪表有限公司）；DC-B30-13智能箱式高温炉（北京独创科技有限公司）；MARS6微波消解仪（美国CEM公司）。

盐酸（优级纯）；硝酸（优级纯）；氢氟酸（优级纯）；高氯酸（优级纯）；钠标准溶液（1 000 g/L）：国家标准物质认证中心；钾标准溶液（1 000 g/L）：国家标准物质认证中心；实验用水均为一级去离子水。

1.2 仪器主要工作条件

RF功率：1 150 W；观测高度：10 mm；分析泵速：50 r/min；冲洗泵速：50 r/min；辅助气流量 0.5 L/min；分析时间：8 s；雾化压力：2.1×105Pa；钾分析谱线波长：766.490 nm；钠分析谱线波长：589.592 nm。

1.3 实验步骤

准确称取1.000 0 g试样置于550～600 ℃高温炉中，通氧燃烧去除含铁尘泥中碳和油泥，并计算灼烧减量。再准确称取0.200 g（精确到0.1 mg）已灼烧后试样置于100 mL消解罐中，加入15 mL盐酸 (优级纯)、10 mL 硝酸 (优级纯)、3 mL 氢氟酸 (优级纯)，设置消解压力1 000 psi(1 psi=6 895 Pa)，消解15 min，待消解罐冷却后，转移到聚四氟乙烯烧杯中，加入5 mL高氯酸，加热冒烟到溶液3～4 mL，取下稍冷。加20 mL去离子水，低温加热溶解盐类物质，取下冷却到室温，转移到100 mL容量瓶中，以去离子水稀释至刻度，摇匀。（若试样中钾、钠含量较高，按照逐级稀释原则，稀释待测溶液）用电感耦合等离子发射光谱仪，分别在波长 766.490 nm、588.995 nm处测定钾钠光谱强度，计算出试样中钾钠含量。

2 结果与讨论

2.1 样品溶解

含铁尘泥组分复杂，主要由矿石、焦粉、耐材、油泥等物料组成。样品先经过550～600 ℃灼烧处理后，可以去除样品中油泥、含碳物等物质，减少对钾钠元素吸附，同时有利于样品后续溶解。开展了以盐酸、硝酸、氢氟酸混酸作为消解酸，消解时间为15 min，不同消解压力实验，结果见表1。

表1 压力实验

由表1可见，当消解压力达到800 psi时，消解时间15 min，样品已经溶解完全。为了确保样品溶解完全，实验选择消解压力为1 000 psi。同时样品溶解完全后，采用高氯酸冒烟，去除盐酸、硝酸、氢氟酸，保证待测溶液中相同酸度值和酸类型，减少酸度对测定的影响。

2.2 分析波长选择

选择合适波长，既能保证待测元素有着合适的灵敏度，又可以避免样品中其他共存元素干扰。分别选择波长为766.490 nm、769.896 nm和404.721 nm作为钾分析谱线，波长为588.995 nm、589.592 nm和568.82 nm作为钠分析谱线，实验结果分别见图1。

图1 波长分析结果

含铁尘泥按照1.3实验步骤处理后溶液经过电感耦合等离子发射光谱仪扫描，比较不同波长下谱图、强度、背景轮廓，选择出低背景、无干扰、高信噪比的谱线作为待测元素分析波长。由图1可见，选波长766.490 nm为钾分析谱线，波长589.592 nm作为钠分析谱线，峰型好，样品中共存元素对钾钠无干扰，灵敏度高，有利于降低检出限。

2.3 仪器参数优化

2.3.1 高频功率

选择合适的高频功率，有利于提高样品检测灵敏度。开展了不同高频功率条件优化，实验结果见图2。

图2 高频功率实验

虽然钾钠谱线强度随功率增加而增加，但背景辐射也随之增强，过高的功率会导致信噪比变差，检出限反而会有所升高。由图2可见，在较低功率时，随着功率增加，钾钠信噪比随之增加，但功率增加到1 250 W，由于背景辐射增加，导致钾钠信噪比逐步降低，随之检出限降低，为了得到合适的光谱强度和较高信噪比，实验选择高频功率为1 150 W。

2.3.2 观测高度

待测元素的最佳激发区与待测元素的性质相关。实验选择了8～15 mm不同观测高度，考察待测元素光谱强度变化，实验结果见图3。

图3 观测高度实验

由于钾钠元素属于易激发又易电离的碱金属元素，当在通道较低位置时，会很难成为激发的离子状态。由图3可知，在观测高度在8～10 mm范围内，随着观测高度增加，钾和钠的光谱强度随之增加，但到11 mm后，随观测高度增加，钾钠的光谱强度逐步降低，故本次选择观测高度为10 mm。

2.3.3 分析时间

分析时间与光谱仪检测装置有关，各仪器之间差别较大。分析时间对检测检出限和精密度有一定影响。实验选择了积分时间3～20 s，测定钾和钠光谱强度，计算相对标准偏差（RSD，n=5），实验结果见图4。

图4 分析时间实验

由图4可知，增加分析时间会使精密度改善并在一定程度上降低检出限，有利于提高检测准确度。当积分时间达6 s时，钾和钠光谱强度相对标准偏差已经趋向稳定，故本次实验选择积分时间为8 s。

2.4 线性范围与检出限

2.4.1 线性范围

根据含铁尘泥中钾钠含量范围及含铁尘泥中主要成分铁含量，称取0.200 g三氧化二铁基准物质，按照实验方法处理后，加入钾、钠标准溶液制备成钾钠工作曲线待测液，用电感耦合等离子发射光谱仪在波长766.490 nm和588.995 nm处测定钾钠光谱强度。质量浓度在1.00～50.00 mg/L范围，其光谱强度与质量浓度呈良好线性关系，线性回归方程分别为YK=12 485XK+185;YNa=34 526XNa+4 529，线性相关系数分别为0.999 8、0.999 7。

2.4.2 检出限

选择氧化铁基体试剂空白溶液按照本文方法操作，测定钾钠光谱强度11次，取测定结果3倍标准偏差(s)所对应的浓度值为检出限，结果见表2。

表2 检出限实验(n=11)

本文采用微波酸法消解，避免了碱溶缺点，有利于降低检出限。本文方法钾钠检出限分别为0.008 1 mg/L、0.057 mg/L，满足含铁尘泥中低含量钾钠检测。

2.5 精密度和回收实验

对6个含铁尘泥样品进行分析，实验结果见表3。选择1#样品和2#样品进行加标回收实验，结果见表4。

表3 精密度实验(n=11)

表4 回收实验

由表3和表4可见，采用本文方法测定含铁尘泥中钾钠含量，钾钠检测相对标准偏差（RSD，n=11）分别是0.44%～1.59%，0.27%～1.79%，回收率分别是99.2%～101.4%，98.8%～101.4%，相对标准偏差均低于3%，回收率达到98%以上，方法准确可靠，满足含铁尘泥尘泥中钾钠检测准确度要求。

2.6 比对实验

采用本文方法和火焰原子吸收法测定含铁尘泥样品中钾钠，结果见表5。

表5 比对实验

由表5可见，本文方法测定含铁尘泥中钾钠含量与火焰原子吸收法相比，按照F-检验法和T-检验法计算F和t值，计算结果均小于置信度为95%时F值和t值（F8,8∶3.44;t0.05,16∶2.12），说明两种分析方法之间无显著性差异。

3 结束语

建立了微波消解-电感耦合等离子体原子发射光谱法测定含铁尘泥中钾钠含量的方法，方法具有前处理简便快速、分析时间短、自动化程度高等优点，检测数据精密度好、加标回收率高，与经典火焰原子吸收光谱法进行对比结果无显著性差异，满足含铁尘泥合理处理和返生产使用中钾钠检测分析要求。