王建娥,陳建梅,龔柳柳,周麗華,楊 玲
(1. 中國石化儀征化纖有限責(zé)任公司,江蘇儀征 211900; 2. 江蘇省高性能纖維重點實驗室,江蘇儀征 211900)
分析測試
濕法消解-電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定聚酯中的銻
王建娥1,2,陳建梅1,2,龔柳柳1,周麗華1,2,楊 玲1
(1. 中國石化儀征化纖有限責(zé)任公司,江蘇儀征 211900; 2. 江蘇省高性能纖維重點實驗室,江蘇儀征 211900)
本文研究了聚酯的濕法消解條件,確定了樣品消解溫度和預(yù)處理操作條件,細化了電感耦合等離子體的實驗條件和標(biāo)準曲線的制作方法,建立了濕法消解-ICP-OES法測試聚酯中銻含量的方法。本方法適合于聚酯中銻含量為2~300 mg/kg的準確測定。
濕法消解 聚酯 電感耦合等離子體發(fā)射光譜法 銻
目前,90%以上聚酯產(chǎn)品的生產(chǎn)采用價格較為低廉的三氧化銻、醋酸銻、乙二醇銻三種銻系催化劑,其在PET中的含量至少為150~300 mg/kg。不可避免地在聚酯產(chǎn)品加工過程中會殘留部分銻,而在其使用過程中銻的溶出與遷移將會對人體和環(huán)境造成潛在危害。隨著人類對健康、環(huán)保理念的日益提升,聚酯類產(chǎn)品應(yīng)用時需要了解聚酯產(chǎn)品中銻的添加量以及聚酯類產(chǎn)品中銻的殘留量。由于聚酯產(chǎn)品的存在形式都為固體,而常用的銻元素分析儀器都要求試樣以液態(tài)形式引入,因此必須將固定于聚酯中的重金屬銻轉(zhuǎn)移到適宜的溶液體系中。GB/T 17593.1[1]、GB/T 17593.2[2]、GB/T 5009.101[3]通過溶劑萃取提取,測定能遷移的銻,但不是樣品中的總銻含量。
瑞士伊文達(EMS-INVENTA)公司,用分光光度法測試聚酯中銻的總含量,測試時顯色反應(yīng)隨著溶液中酸度的變化而無法保持一致,其測試結(jié)果的準確度和重復(fù)性都很不理想[4]。電感耦合等離子體發(fā)射光譜具有多元素同時快速檢測等特點,近幾年已發(fā)展成元素分析的主流,但用于聚酯中銻的檢測尚未見報道,筆者以濕法消解-ICP-OES檢測技術(shù),建立了聚酯中銻元素的分析方法,并對檢測下限進行了探討,該方法和分光光度法相比,降低了方法檢出限、提高了方法靈敏度和重復(fù)性,能滿足聚酯類產(chǎn)品中不同銻含量的檢測需求。
1.1儀器與試劑
1.1.1 儀器
美國珀金埃爾默Optima 8000等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)。
超純水機,The Lab D-24FV-B 美國澤拉布儀器科技有限公司。
電子天平,精度0.1 mg,瑞士梅特勒。
實驗室用電爐,1 000 W,可控溫。
1.1.2 材料與試劑
98%硫酸、30%雙氧水、70%硝酸均為電子級(SEMI Grade2級),蘇州晶瑞化學(xué)有限公司。
實驗室自制超純水,電子級、電阻率18.2 MΩ·cm,符合GB/T 6682-1992規(guī)定的一級水規(guī)格。
2%HNO3溶液,用電子級的硝酸和超純水配制。
2%H2SO4溶液,用電子級的硫酸和超純水配制。
銻元素標(biāo)準物質(zhì)儲備液1(100 μg/mL,基體20%HCl)中國計量科學(xué)研究院,帶有標(biāo)準物質(zhì)證書,有效期2年。
高純氬氣:純度大于99.99%(體積分數(shù)),南京特種氣體廠。
1.2實驗方法
1.2.1 樣品前處理方法—濕法消解
準確稱取 0.15~0.30 g聚酯樣品(如果聚酯樣品中銻元素含量≤20 mg/kg,準確稱取0.30 g聚酯樣品;如果聚酯樣品中銻元素>20 mg/kg,則準確稱取0.15 g聚酯樣品,精確到0.1 mg),置于三角燒瓶中,加入3 mL 98%硫酸,在通風(fēng)櫥內(nèi)將三角燒瓶置于可控溫電爐上緩慢加熱至溶液沸騰330~340 ℃,繼續(xù)加熱至樣品炭化完全,停止加熱,稍冷后(約280 ℃)分次加入3~5 mL 30%過氧化氫,消煮,至溶液變成無色或淺色澄清溶液,繼續(xù)加熱蒸發(fā)多余的溶液至1 mL,消解液轉(zhuǎn)移到刻度離心管或容量瓶中,用超純水少量多次洗滌,定容至50 mL,混勻,備用。在另一個三角瓶中加入等量酸溶液,不加入聚酯樣品,煮沸、稍冷、加入等量雙氧水同樣方法處理,為試劑空白溶液。
1.2.2 標(biāo)準溶液配制
銻標(biāo)準儲備液2:吸取1 mL銻標(biāo)準儲備液1于100 mL容量瓶中,用2%H2SO4稀釋至刻度,混勻。銻標(biāo)準儲備液2濃度為1 μg/mL。
銻標(biāo)準工作溶液:分別吸取0.00 mL、1.00 mL、2.50 mL、5.00 mL銻標(biāo)準儲備液2于4個100 mL容量瓶,吸取5.00 mL、10.00 mL銻標(biāo)準儲備液2于2個20 mL容量瓶,用2% H2SO4稀釋至刻度,混勻,獲得一系列已知濃度的銻標(biāo)準工作溶液。另外直接使用銻標(biāo)準儲備液2,因此該系列銻標(biāo)準工作溶液濃度分別是0.00 μg/mL(空白)、0.01 μg/mL、0.025 μg/mL、0.05 μg/mL、0.25 μg/mL、0.50 μg/mL、1.00 μg/mL。
1.2.3 定量分析
1.2.3.1 儀器工作條件
本試驗方法在以下儀器工作條件下進行,詳見表1。
表1 ICP-OES的參考工作條件
1.2.3.2 標(biāo)準曲線的繪制
儀器穩(wěn)定后,在表1的實驗條件下,按濃度由低到高的順序依次測試系列銻標(biāo)準工作溶液的譜線強度。以扣除空白后的各標(biāo)準工作溶液中銻元素的譜線強度(Y)為縱坐標(biāo),銻元素的質(zhì)量濃度(X)為橫坐標(biāo),進行線性回歸,曲線的線性相關(guān)系數(shù)應(yīng)不低于0.999。
1.2.3.3 樣品測定
在與標(biāo)準曲線相同條件下,分別測定試劑空白溶液和試樣溶液,根據(jù)扣除空白后的試樣溶液銻信號強度,在標(biāo)準曲線上查得試樣溶液中銻的質(zhì)量濃度(C)并計算聚酯樣品中銻元素總含量。
2.1樣品消解體系選擇
常用消解手段包括微波消解、濕法消解、干濕消解、干法消解等。參考GB/T 14190[5]《纖維級聚酯切片(PET)試驗方法》5.10灰分的試驗方法,進行了干法消解。將4個銻系催化劑聚酯樣品先在電爐上炭化,再在馬弗爐800~850 ℃高溫條件下灰化(聚酯在800 ℃左右才能灰化完全),灰化殘渣用2%HNO3溶液溶解,測試其溶液中的銻濃度計算聚酯中的銻含量,干法消解的測試數(shù)據(jù)見表2。
表2 銻系催化劑聚酯切片干法消解后銻的測試結(jié)果
干法消解過程中必須使用高溫(≥800 ℃)才能徹底分解聚酯樣品,再將剩余灰份酸容后定容測試,由于銻屬于高溫揮發(fā)或半揮發(fā)元素,表2數(shù)據(jù)說明,800 ℃高溫使聚酯中銻跑損嚴重,致使全銻聚酯中銻含量測試結(jié)果遠遠小于理論添加量,因此聚酯中銻含量測定樣品預(yù)處理不宜干法灰化。根據(jù)實驗室現(xiàn)有條件,本文選擇濕法消解聚酯樣品。
2.2濕法消解條件優(yōu)化
濕法消解,試樣通常在敞開容器中實現(xiàn)消解,一要考慮高溫下銻的逃逸,二要考慮試劑空白不能太高。前者參考GB17931-2003[6]的6.1制備,將樣品破碎成≤0.6 mm左右的小顆粒而縮短加熱時間,另外嚴格控制加熱溫度,炭化時緩慢加熱至硫酸沸點,保持溶液微沸狀態(tài),一般是330~340 ℃,完全炭化后,待消解液稍冷分幾次加入過氧化氫,以控制局部過熱避免過氧化氫逃逸不能達到二次氧化效果;后者因?qū)嶒炇页S玫姆治黾兞蛩帷?0%雙氧水中含有較高濃度的金屬雜質(zhì)元素,試劑空白偏高,影響分析方法的靈敏度,因此選擇電子級超純試劑,其中各金屬元素含量不高于0.010 mg/L,降低試劑空白中銻元素的含量,滿足聚酯中銻含量測試的要求。
2.3試樣濃度和樣品量的選擇
2.4定量方法
2.4.1 標(biāo)準曲線基體的選擇
ICP-OES定量方法常用的基體是硝酸或鹽酸等霧化效率高的酸,但由于聚酯樣品濕法消解過程中必須使用高沸點的濃硫酸,而濃硫酸本身粘度較大,直接影響ICP霧化器的霧化效果,因此定量時必須考慮硫酸帶入的基體效應(yīng)(或干擾)。ICP-OES外標(biāo)法定量分析,化學(xué)干擾少,但是溶劑和樣品背景產(chǎn)生的基體干擾不可以忽視。為了考察基體效應(yīng),用2%H2SO4配制銻標(biāo)準溶液,2% H2SO4作標(biāo)樣空白,樣品用硫酸-雙氧水濕法消解稱為(硫酸-硫酸)體系和用2%HNO3配制銻標(biāo)準溶液,2% HNO3作標(biāo)樣空白,樣品用硫酸-雙氧水濕法消解稱為(硝酸-硫酸)體系進行比較,數(shù)據(jù)見表3。
表3 不同基體條件下聚酯樣品中銻含量的測試結(jié)果 單位:mg/kg
表3說明,ICP-OES外標(biāo)法定量時,基體效應(yīng)明顯,硫酸-硫酸體系的結(jié)果高于硝酸-硫酸體系,測試結(jié)果更接近理論值,不同銻含量的聚酯樣品影響不一樣。因此聚酯中銻含量測定的試驗方法,推薦使用2% H2SO4體系,即標(biāo)液用2% H2SO4配制,2% H2SO4作標(biāo)樣空白,樣品用硫酸-雙氧水濕法消解,趕酸至1 mL定容至50 mL,不加聚酯樣品將等量的硫酸-雙氧水按濕法消解的相同條件消煮,該消解液作試劑空白,本文采用基本匹配法盡可能抑制因硫酸霧化效率低造成的基體效應(yīng)。
2.4.2 標(biāo)準曲線線性范圍的選擇
ICP-OES測試的是樣品溶液中銻的濃度,筆者按照非銻低銻含量聚酯和銻系催化劑高銻含量兩類聚酯產(chǎn)品,配制了兩組不同濃度的標(biāo)準溶液,測試其強度后,繪制強度和濃度的關(guān)系曲線,見圖1和圖2。圖1和圖2說明無論是適用于非銻低銻含量聚酯還是高銻含量銻系聚酯,溶液中銻的譜線強度和銻的質(zhì)量濃度的線性相關(guān)系數(shù)均大于0.999,滿足分析測試要求。
圖1 低含量銻元素的標(biāo)準曲線
圖2 高含量銻元素的標(biāo)準曲線
考慮到ICP-OES測試線性范圍寬,為了證實能否用一根標(biāo)準曲線同時測定高銻和低銻含量聚酯樣品,設(shè)計了以下實驗:以0.15 g樣品處理量、濕法消解后定容至50 mL計算,如果聚酯中銻含量為300 mg/kg,計算其消解液中銻的質(zhì)量濃度為0.9 μg/mL,以0.30 g樣品處理量、濕法消解后定容至50 mL計算,如果聚酯中銻含量為2 mg/kg,計算其消解液中銻的濃度為0.012 μg/mL,因此銻元素工作曲線范圍選擇0.01~1 μg/mL。在該線性濃度范圍內(nèi),選擇不同濃度梯度,按1.2.2方法配制銻標(biāo)準工作溶液,繪制標(biāo)準工作曲線如下圖3所示。圖3說明ICP-OES線性范圍寬,上限和下限達100倍時線性仍然良好。將每個標(biāo)準溶液的實測信號值重新代入繪制得到的工作曲線,反推計算其濃度,與理論濃度值作比較。結(jié)果表明低含量端實測值與理論值之間誤差≤7.57%,高含量端實測值與理論值之間誤差≤0.96%,在允許的誤差范圍內(nèi),被線性的可能性較小。因此,推薦一根工作曲線測定聚酯樣品中的低含量和高含量銻是合適的。
圖3 銻元素強度和濃度的關(guān)系圖
2.5儀器實驗條件的優(yōu)化
在Optima 8000 ICP-OES電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀上,以優(yōu)化樣品引入方式,提高等離子體穩(wěn)定性,提高靈敏度高,降低檢出限,譜圖峰形好,減少共存元素干擾,得到好的譜圖[7]作為儀器參數(shù)優(yōu)化依據(jù)進行儀器實驗條件的優(yōu)化,保證最佳的實驗條件。
2.5.1 銻元素測試波長的選擇
PE公司Optima 8000 ICP-OES儀上銻的測試波長有5個,分別是203.97 nm,204.957 nm,206.836 nm,217.582 nm,231.146 nm,252.852 nm,考慮到非銻系列聚酯中銻含量低,選擇兩個信噪比相對高的波長進行比較,如表4所示。從表4中分析,兩個波長差異不大,217.582 nm在半消光聚酯樣品中相對干擾大,因此選擇206.836 nm作為銻元素的測試波長,不同基體測試結(jié)果有差異,再次證實外標(biāo)法定量需要消除基體效應(yīng)。
表4 不同波長的銻測試結(jié)果 單位:mg/kg
2.5.2 儀器射頻功率的優(yōu)化
ICP-OES儀射頻功率變化時,譜線強度也發(fā)生變化。在通常的觀測高度上測量時,其強度隨功率的增大而增強,但背景也隨之增大,因此功率過高,信噪比不但不增高,反而下降。但過低的功率會使炬焰不穩(wěn)定,容易熄火,而且由于信號隨功率的降低而降低,使得低功率下的靈敏度也低,因此,每一臺儀器都要通過實驗來優(yōu)化射頻功率,使信噪比達到最佳。
用2%HNO3配制1 μg/mL的Mn標(biāo)準溶液進行試驗。分別測試不同射頻功率下2% HNO3的背景信號強度以及1 μg/mL的Mn標(biāo)準溶液信號強度,結(jié)果見圖4。
圖4 射頻功率對信號強度的影響
輔助氣流速正常;進樣泵速1.5 L/min;霧化氣流速0.65 L/min;等離子體氣流速13 L/min;波長為257.610 nm。
圖4表明,2%HNO3溶液背景在低射頻功率下基本不變,當(dāng)射頻功率增加到1 300 W時,2%HNO3溶液背景信號急劇上升,盡管Mn標(biāo)準溶液的信號強度隨著射頻功率增加而增加,但信噪比卻不增反降。另外當(dāng)射頻功率小于1 100 W時,該儀器噪音雖低,但等離子體熄炬風(fēng)險明顯增大。該儀器的最大射頻功率為1 500 W,因此綜合考慮儀器壽命、靈敏度和穩(wěn)定性,選定射頻功率1 300 W。
2.5.3 氣體流量的優(yōu)化
2.5.3.1 等離子體流速的優(yōu)化
該ICP-OES儀有三路氣體流路,即等離子體氣、輔助氣和霧化氣。等離子體氣流速選擇范圍為0~16 L/min,作用是使霧化樣品在石英炬管中離子化。等離子體流速越小,信號強度越大,但流速太小點不著炬,需要有穩(wěn)定流量才能點炬,太大則噪聲增加,信噪比降低,同時造成高純氬氣用量增多,增加測試成本。
同樣以2%HNO3配制1 μg/mL的Mn標(biāo)準溶液進行試驗。測試不同等離子體氣體流速下2%HNO3的背景信號強度以及1μg/mL的Mn標(biāo)準溶液信號強度,結(jié)果如圖5。實驗過程中,等離子體氣流小于9 L/min時,不能形成穩(wěn)定的等離子體,熄炬頻繁;等離子體氣流速在9~12 L/min時,信號強度大且穩(wěn)定,信噪比相對合適。另外,等離子體流速對譜線強度有較大影響。流速越高,形成等離子體的物質(zhì)越多,強度越大,但過高的流速會使炬溫降低,信號強度反而有所下降。圖5說明為保證較高的靈敏度和穩(wěn)定性,該ICP-OES儀選擇12 L/min的等離子體氣流速最為合適。
圖5 等離子體流量對信號強度的影響
輔助氣流速正常;進樣泵速1.5 L/min;霧化氣流速0.65 L/min;高頻功率1 300 W;波長為257.610 nm。
2.5.3.2 霧化氣流速的優(yōu)化
霧化氣是將蠕動泵送入霧化管的溶液用氣流霧化成小液滴,其流速選擇范圍一般為0~2 L/min。用2%HNO3配制1 μg/mL的Mn標(biāo)準溶液優(yōu)化霧化氣流速。測試不同霧化氣流速下2%HNO3的背景信號強度以及1 μg/mL的Mn標(biāo)準溶液信號強度,結(jié)果見圖6。
實驗條件:輔助氣流速正常;進樣泵速1.5 L/min;等離子體氣流速13 L/min;高頻功率1 300 W;波長為257.610 nm。
圖6 霧化氣流速對信號強度的影響
結(jié)果說明,霧化氣流速較小時,信號強度隨著霧化氣流速的增加而增加,直至強度達到一個峰值,再繼續(xù)增加霧化氣流速,信號強度反而降低,可以說霧化氣流速是決定信號強度的一個重要因素。這可能是因為霧化氣流速較小時,流速增加導(dǎo)致進入霧化器的樣品量增加,從而激發(fā)的原子數(shù)增加,原子電離成離子后信號強度自然增加。但過大的霧化氣流速,會使樣品在炬管中停留時間變短,原子來不及激發(fā)就從炬管中噴出,信號強度反而降低。因此,該儀器選擇霧化氣流速為0.65 L/min或0.70 L/min合適。
2.5.3.3 輔助氣流速的選擇
輔助氣吹掃噴射管上附著碳粒,防止積炭在噴射管口沉積,時刻保持噴射管干凈。濕法消解將聚酯樣品處理成硫酸的水溶液,有機物含量很少,并不會產(chǎn)生太多的碳粒沉積,所以只要采用較小的輔助氣流速即可。該型號儀器提供的輔助氣流速有三檔,一是off,二是normal,三是high;綜合考慮,選擇normal檔,輔助氣流速為0.5 L/min,正常吹掃,同時有利于銻元素206.836 nm波長的穩(wěn)定。
2.5.4 進樣泵速的優(yōu)化
用2%HNO3配制1 μg/mL的Mn標(biāo)準溶液。測試不同進樣泵速下2%HNO3的背景信號強度以及1 μg/mL的Mn標(biāo)準溶液信號強度,結(jié)果見圖7。
圖7 進樣泵速對信號強度的影響
輔助氣流速正常;等離子體氣流速13 L/min;霧化氣流速0.65 L/min;高頻功率1 300 W;波長257.610 nm。
圖7說明,當(dāng)進樣泵速較小時,信號強度隨進樣泵速的提高而大幅增加,但進樣泵速過快,信號強度反而降低。這可能是由于在進樣泵速較小時,提高進樣泵速,單位時間內(nèi)進入霧化器的樣品量增加,信號強度增大,但進樣量過大時,大量樣品降低了炬焰溫度反而降低了等離子化效率,使得信號強度降低。因此該儀器選擇進樣泵速度為1.5 mL/min。
2.5.5 觀測方向的選擇
Optima 8000ICP儀有軸向和徑向兩個觀測方向,在不同觀測方向測試2%HNO3和1 μg/mL的Mn標(biāo)準溶液的信號強度,結(jié)果見表5。說明徑向觀測再現(xiàn)性好,而軸向觀測靈敏度高,一般是徑向觀測的8倍左右??紤]某些聚酯樣品中銻含量低,選擇軸向觀測。
表5 不同觀測方向的信號強度
2.6方法檢出限
2%H2SO4體系中:
=0.000 363 636+3×0.001 787 402
=0.005 7 mg/L
該濃度為聚酯樣品消解液的檢出限,按照本方法的樣品預(yù)處理方式換算,樣品的最低檢出限為1.4 mg/kg。建議該方法最低檢測限推薦為 2 mg/kg。
2.7樣品回收率
收集到的聚酯和纖維樣品按照1.2.1消解處理。每一個聚酯樣品,同一天處理兩個平行樣,在不同的3天重復(fù)實驗,共試驗6次;每次試驗同時制作標(biāo)準曲線;每次測試時,每一個樣品消解液設(shè)定連續(xù)讀取6次,儀器軟件自動扣試劑空白,自動取平均值,自動計算測試結(jié)果。測試結(jié)果見表6,聚酯中銻含量在2~300 mg/kg時,按理論添加量計算回收率,回收率在96%~101%,準確度較好,滿足測試要求。此外,銻系聚酯樣品多次重復(fù)測試的RSD<5%,再現(xiàn)性好;當(dāng)聚酯中銻含量≤5 mg/kg時,RSD<10%,再現(xiàn)性較好。
表6 實際聚酯樣品的測定結(jié)果 單位:mg/kg
2.8儀器的重復(fù)性實驗
選擇試樣1#、2#的兩個平行樣品的消解液和試樣3#、試樣5#、三個單樣的樣品消解液,ICP-OES儀上連續(xù)讀取12次,數(shù)據(jù)見表7。結(jié)果表明,銻系聚酯其銻含量測試結(jié)果的RSD值<5%,重復(fù)性好;而聚酯中銻含量≤5 mg/kg時,RSD值<12.8%,儀器重復(fù)性較好,與實際樣品的測試再現(xiàn)性相匹配。
表7 聚酯樣品消解液中銻含量測定ICP-OES儀連續(xù)讀取12次的結(jié)果
a) 通過優(yōu)化濕法消解條件和電感耦合等離子體發(fā)射光譜測試條件,建立了聚酯中重金屬元素銻含量測試的濕法消解-電感耦合等離子發(fā)射光譜法,適用于銻系與非銻系聚酯切片和聚酯纖維產(chǎn)品中銻含量的測定。
b) 該方法采用濃硫酸首先炭化聚酯樣品,再以過氧化氫二次氧化,將聚酯處理成澄清透明的硫酸水溶液,最后用ICP-OES外標(biāo)法定量,既縮短了操作時間又提高了測試準確度。
c) 該方法最低檢測限基本可達2 mg/kg,測試結(jié)果接近理論值,多次重復(fù)實驗的RSD值小于12.8%,數(shù)據(jù)準確,重復(fù)性良好,適用于聚酯樣品中2~300 mg/kg銻含量的準確測定。
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Wetdigestion-determinationofantimonycontentinpolyesterbyICP-OES
Wang Jiane1,2, Chen Jianmei1,2, Gong Liuliu1, Zhou Lihua1, Yang Ling1
(1.SinopecYizhengChemicalFibreCo.,Ltd.,YizhegJiangsu211900,China; 2.JiangsuKeyLaboratoryofHighPerformanceFiber,YiZhengJiangsu211900,China)
Wet digestion method was researched in polyester. We decided the digestion temperature and operating conditions for samples. We also refined the experimental conditions for inductively coupled plasma optical emission spectrometer(ICP-OES) and manufacturing method for standard curve. In the way, we built up the wet digestion-ICP-OES method for testing antimony in polyester. This method was applied to accurate determination of antimony between levels of 2~300 mg/kg in polyester.
wet digestion; polyester; inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES); antimony
O657.3
B
1006-334X(2017)03-0048-07
2017-04-27
王建娥(1965-),女,江蘇江陰人,高級工程師,主要從事理化測試工作。