ICP-OES檢測(cè)單質(zhì)硼粉中的鋁鎂鐵雜質(zhì)

徐惠敏

摘? 要：硼為非金屬元素，是缺電子原子，可以形成缺電子化合物。硼的熔點(diǎn)為2303K，沸點(diǎn)4203K;硼的最外層有三個(gè)電子只能形成+3價(jià)的化合物，成鍵時(shí)進(jìn)行sp2軌道雜化形成共價(jià)鍵，其化學(xué)性質(zhì)不夠活波。單質(zhì)硼主要用來(lái)制造硼鋼，硼鋼用作原子反應(yīng)堆的挖制棒。單質(zhì)硼主要用鈉、鎂或鋁等活潑金屬在高溫下還原氧化硼制得，會(huì)有鋁、鎂、鐵等雜質(zhì)的引入。根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)采用ICP-OES檢測(cè)硼粉中的鋁鎂鐵雜質(zhì)，這種檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，分析速度快，準(zhǔn)確度高、選擇性好、應(yīng)用范圍廣等。文章對(duì)實(shí)驗(yàn)的前處理、建標(biāo)、檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理等進(jìn)行闡述和說(shuō)明。

關(guān)鍵詞：電感耦合等離子發(fā)射光譜儀（ICP-OES）;單質(zhì)硼粉;鋁鎂鐵雜質(zhì);雜質(zhì)檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TQ127.2? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）23-0116-03

Abstract： Boron is a non-metallic element and is an electron-deficient atom， which can form electron-deficient compounds. The melting point of boron is 2303K and the boiling point is 4203K. Three electrons in the outermost layer of boron can only form +3 valence compound. When bonding， the sp2 orbital hybrid forms covalent bond， and its chemical property is not enough to live wave. Boron is mainly used to make boron steel， and boron steel is used as the digging rod of atomic reactor. Boron is mainly prepared by reduction of boron oxide at high temperature by active metals such as sodium， magnesium or aluminum， with the introduction of impurities such as aluminum， magnesium and iron. According to the working experience， ICP-OES is used to detect aluminum， magnesium and iron impurities in boron powder. This method has the advantages of high sensitivity， fast analysis speed， high accuracy， good selectivity， and wide range of application. In this paper， the pre-processing， standard establishment， detection and data processing of the experiment are described and explained.

Keywords： inductively coupled plasma emission spectrometer （ICP-OES）; elemental boron powder; aluminum， magnesium and iron impurities; impurity detection

引言

硼在元素周期表里處于第3主族，最外電子層有三個(gè)電子，屬于較為穩(wěn)定的元素。但是硼單質(zhì)在地殼中很少存在，所占百分比為0.001%。單質(zhì)硼可分為黑色、銀灰色的粉末狀，結(jié)構(gòu)不同，其物理性質(zhì)也表現(xiàn)不同。例如：晶體硼表現(xiàn)為黑色并且硬度非常大，只有金剛石的硬度大于它。單質(zhì)硼是一種礦物，用途非常廣泛，尤其是在化工原料方面。硼酸就是用硼制得的，硼還被用于合成別的化合物?，F(xiàn)在許多冶金工程材料、家用電器和醫(yī)院藥物等都是以硼作為原材料，其中日常生活中常見(jiàn)的洗滌劑、玻璃、陶瓷以及化肥工業(yè)中的用途大概占據(jù)總硼使用量的四分之三，由此可見(jiàn)其重要性。

硼作為微量元素存在于石英礦中。高純石英砂的提純工藝中，如何盡量的降低硼含量成為關(guān)鍵工藝。硼的存在使得石英的熔點(diǎn)降低，制得的石英坩堝使用次數(shù)降低，使單晶硅生產(chǎn)成本升高。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 外觀檢測(cè)

采用目測(cè)法對(duì)硼粉進(jìn)行外觀檢測(cè)，硼粉應(yīng)為灰色至黑色的粉末。

1.2 純度98%-99.5%的硼粉中鋁鎂鐵雜質(zhì)分析

1.2.1 儀器

本實(shí)驗(yàn)用到以下儀器設(shè)備：AGILENT 710-ES水平矩管的電感耦合等離子發(fā)射光譜儀、電子天平、燒杯、電熱板、容量瓶、移液管。

1.2.2 試劑和溶液

濃硝酸;濃硫酸（上海麥克林生化科技有限公司）;高純硼粉（99.9999%）（廣東廣試試劑科技有限公司）;鋁、鎂、鐵的單標(biāo)溶液100mg/l（國(guó)家有色金屬及電子材料分析測(cè)試中心）;蒸餾水。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

準(zhǔn)確稱取6份高純硼粉和3份樣品0.1000（±0.0001）g，精確到0.0001g，將樣品置于100ml的燒杯中;配置濃硫酸與濃硝酸為3：1的混合液酸;分別將8～10ml的混酸裝入有樣品的燒杯中，再把加好酸的樣品燒杯放到電熱板上進(jìn)行加熱溶解（先設(shè)置溫度為80℃，加熱一小時(shí)，再調(diào)至溫度為110度，加熱直至完全溶解，最后把溫度調(diào)到125攝氏度加熱至混合酸冒煙），然后冷卻;分別往燒杯中加入20ml蒸餾水，將燒杯中溶液轉(zhuǎn)移至100ml的容量瓶中。

配置標(biāo)準(zhǔn)曲線：在高純硼的溶液中分別加單標(biāo)鋁、鎂、鐵標(biāo)液，分別配置混標(biāo)濃度為0.0mg/l、1.0mg/l、2.0mg/l、5.0mg/l、10.0mg/l、25.0mg/l，定容至100ml，樣品直接定容至100ml待檢測(cè)。

2 結(jié)果與分析

2.1 樣品與硼基體標(biāo)液的處理

溶解硼粉時(shí)需要注意混酸的量和比例（單獨(dú)的濃硝酸或濃硫酸雖然也能將硼粉溶解，但是需要更高的條件）。通過(guò)平時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果綜合得出濃硝酸與濃硫酸在1：3的條件下為最優(yōu)狀態(tài)，反應(yīng)時(shí)間將大大縮短;濃硫酸的量不易過(guò)多，因?yàn)闈饬蛩嵊姓吵硇裕瑫?huì)對(duì)進(jìn)樣的流速有一定的影響，所以在處理過(guò)程中要注意冒硝酸煙和硫酸煙，減少溶液對(duì)儀器以及分析過(guò)程帶來(lái)的負(fù)面影響。

2.2 選擇最佳分析波長(zhǎng)

用高純硼粉（99.9999%）作基底可以有效控制基體效應(yīng)（高純硼粉作為樣品的背景，這樣保證基體條件相同從而減少了基體干擾）。選擇鋁、鎂、鐵的最佳波長(zhǎng)要考慮硼線本身的干擾大小，還要注意鋁、鎂、鐵之間的干擾。應(yīng)用自動(dòng)擬合譜線技術(shù) （FACT），F(xiàn)ACT是對(duì)標(biāo)樣進(jìn)行測(cè)定（包過(guò)對(duì)需要檢測(cè)的元素及干擾元素），用檢測(cè)出來(lái)的圖譜數(shù)據(jù)進(jìn)一步的分析，最終將待測(cè)分析譜線附近有干擾的波長(zhǎng)譜線剝離出去，最后選擇最佳的分析波長(zhǎng)。選擇波長(zhǎng)如表2所示。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立

選擇好待測(cè)元素的波長(zhǎng)后，用儀器ICP-OES進(jìn)樣測(cè)試。建立的曲線保證相關(guān)系數(shù)R2≥0.998，否則需要重新配置標(biāo)準(zhǔn)曲線。測(cè)試結(jié)果分別如表3和圖1、表4和圖2、表5和圖3。

2.4 樣品分析

標(biāo)準(zhǔn)曲線建立后直接測(cè)定樣品。測(cè)得的樣品分別記錄各種元素的強(qiáng)度值（c/s），軟件會(huì)得出數(shù)據(jù)（ICP Expert II），即得到各雜質(zhì)在樣品中所占的質(zhì)量百分比。

3 討論與注意事項(xiàng)

3.1 結(jié)果討論

此次實(shí)驗(yàn)使用的是用高純硼粉作基底，配置混標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)溶液，然后按照繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線的步驟測(cè)定，繪制強(qiáng)度-濃度曲線，直接測(cè)試得樣品溶液中鋁、鎂、鐵的含量。

檢測(cè)樣品之前可以先進(jìn)行EDX初描雜質(zhì)含量，或者進(jìn)行ICP初測(cè)得出需要元素的強(qiáng)度，從而配置相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)溶液。結(jié)果數(shù)據(jù)的記錄需遵從以下規(guī)則：當(dāng)尾數(shù)≤4時(shí)則舍去，尾數(shù)≥6時(shí)則入;尾數(shù)等于5時(shí)，若5前面為偶數(shù)則舍，為奇數(shù)時(shí)則入;當(dāng)5后面還有非零的任何數(shù)時(shí)，無(wú)論5前面是偶數(shù)或奇數(shù)都入。以此來(lái)記錄需要的有效數(shù)字。

3.2 注意事項(xiàng)

3.2.1 樣品前處理注意事項(xiàng)

（1）稱取樣品時(shí)，應(yīng)先清潔電子天平的天平箱內(nèi)外灰塵，檢查天平的水平和零點(diǎn)是否合適、砝碼是否齊全;確保樣品的溫度與電子天平室中天平箱內(nèi)的溫度相同，要不然容易使氣流上升或下降，推動(dòng)天平盤使稱得的質(zhì)量不準(zhǔn)確，導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。

（2）配置混合酸時(shí)，硝酸和硫酸都是濃酸，需要用250ml的燒杯，因?yàn)榕渲没焖釙?huì)產(chǎn)生大量的熱量。注意先加硝酸，然后慢慢沿著燒杯壁加入濃硫酸，待冷卻至室溫后分別量取8～10ml的混酸加入到需要溶解的樣品里。（保證溶劑一樣，這樣也就保證了酸度基體一致）

（3）樣品溶解，將加好酸的燒杯蓋好玻璃蓋（玻璃皿）放到電熱套或電熱板上加熱，先設(shè)置溫度為80℃加熱一段時(shí)間使其反應(yīng)，再調(diào)制溫度為110℃下加熱至完全溶解，最后把溫度調(diào)制到125℃加熱，冒混合酸煙;冷卻、清洗玻璃皿至燒杯中、加20ml蒸餾水、冷卻并轉(zhuǎn)移至容量瓶中待操作。

3.2.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線和樣品的配置

（1）在轉(zhuǎn)移好的容量瓶中分別移取100mg/l的單標(biāo)鋁、鎂、鐵標(biāo)液配置成所需濃度，移好標(biāo)液后用蒸餾水定容至刻度，搖勻待檢測(cè)。

（2）由于吸量管的容量精度低于移液管，所以移取標(biāo)準(zhǔn)時(shí)使用經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后的移液管;同時(shí)容量瓶也用校準(zhǔn)后的。

3.2.3 ICP-OES檢測(cè)

電感藕合等離子發(fā)射光譜儀（ICP-OES）的優(yōu)點(diǎn)在于靈敏度高、選擇性好、準(zhǔn)確度高、分析速度快、應(yīng)用范圍廣等，能檢測(cè)幾乎所有的金屬離子。

儀器運(yùn)行時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：氣體為Ar（氬氣）;運(yùn)行時(shí)輔助氣為1.5L/min ，等離子氣為15.0L/min 、霧化氣開(kāi)、冷卻水開(kāi)、每次測(cè)試運(yùn)行時(shí)間為3min（手動(dòng)進(jìn)樣）。其中氬氣純度≥99.999%儀器必須先通氣，冷卻水壓力40-45（psi）。

測(cè)樣前先對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)（波長(zhǎng)校準(zhǔn)：用5mg/l的波長(zhǎng)校準(zhǔn)液對(duì)167-765nm的波長(zhǎng)進(jìn)行校準(zhǔn)）;矩管準(zhǔn)直：5mg/l的Mn（257.61nm）標(biāo)液，強(qiáng)度值在60萬(wàn)-100萬(wàn)c/s之間。一切就緒后檢測(cè)樣品，記錄和處理數(shù)據(jù)。

3.2.4 檢出限

測(cè)量高純硼粉（99.9999%）基體溶液20次，從而得出檢出限D(zhuǎn)L（3倍的SD）鋁：0.0008%;鐵：0.0009%;鎂：0.0013%。注意要連續(xù)測(cè)試此溶液。

4 結(jié)束語(yǔ)

用ICP-OES檢測(cè)硼粉中雜質(zhì)鋁鎂鐵的含量，ICP-OES檢測(cè)無(wú)機(jī)離子或原子的含量，可以定性也可以定量，在試劑檢測(cè)方面有廣泛的應(yīng)用，是必不可少的檢測(cè)儀器。本實(shí)驗(yàn)單質(zhì)硼雜質(zhì)的檢測(cè)前處理是關(guān)鍵，因?yàn)榕鹱陨淼幕瘜W(xué)性質(zhì)就不活波，需要用濃硝酸或濃硫酸來(lái)溶解，但是在實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)用硝酸和硫酸的混酸溶解效果不錯(cuò)，既減少了處理時(shí)間也能完全溶解樣品。用高純硼粉作基底建標(biāo)線可以有效控制基體效應(yīng)，使結(jié)果的真實(shí)性和可靠性得到保證;建好標(biāo)準(zhǔn)曲線（R2≥99.8%），直接在曲線上檢測(cè)樣品能快速得到結(jié)果。此方法為硼粉原料及成品的常用檢測(cè)手段。

參考文獻(xiàn)：

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