聚氨酯泡沫塑料吸附-電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)法測定地球化學樣品中的痕量金

劉彤彤 黃登麗

(甘肅有色金屬地質(zhì)勘查局 張掖礦產(chǎn)勘查院，甘肅 張掖 734000)

前言

金在地殼中含量極低且分布不均勻，是區(qū)域地球化學調(diào)查樣品化學成分分析的必測元素之一，區(qū)域地球化學調(diào)查樣品的測定具有含量低、基體復雜、樣品量大等特點。因此首先要對試樣中的金進行分離富集，常用的金分離富集方法包括：火試金法、活性炭吸附法、泡沫塑料吸附法[1]、離子交換法、萃取法、共沉淀法等。測定方法包括火焰原子吸收光譜法、石墨爐原子吸收光譜法、電火花發(fā)射光譜法、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法、電感耦合等離子體質(zhì)譜法等。其中聚氨酯泡沫塑料吸附-硫脲解脫法操作流程短，工作效率高，成本低，可以大批量進行前處理，電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)法因具有方法檢出限低、線性范圍寬、分析速度快等優(yōu)點，被廣泛應用于痕量金的測定[2-8]。聚氨酯泡沫塑料富集法缺點在于吸附率比活性炭低，吸附率在80%～95%，不同型號，同一實驗條件下，泡沫塑料吸附率差異明顯。對泡沫塑料進行預處理、水洗條件、基體干擾等前處理的掌控是分析結果可靠性的基礎。以往論文對前處理的討論只得出最優(yōu)條件，這些實驗條件已成為行業(yè)常識，但是還沒有進行機理探索或?qū)嶒灛F(xiàn)象做出進一步的理論分析，以實現(xiàn)通過現(xiàn)象得出理論，用理論指導生產(chǎn)的目的。

1 實驗部分

1.1 主要儀器

iCAP-Q型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(美國賽默飛世爾科技有限公司)，ICP6300型電感耦合等離子體光譜儀(美國賽默飛世爾科技有限公司)，AA400型火焰原子吸收(美國珀金埃爾默公司)，SX2-8-10型高溫馬弗爐(沈陽市節(jié)能電爐廠)，HY-S型搖瓶機(金壇市盛威實驗儀器廠)。

1.2 主要試劑

金標準溶液(1 000 μg/mL，編號GSB 04-1715-2004，國家有色金屬及電子材料分析測試中心)，泡沫塑料(剪成約1.0 cm×0.5 cm×3.0 cm的小塊，每塊約0.1 g)。

實驗所用鹽酸、硝酸、硫脲等試劑均為分析純試劑，配制硫脲(2%)及標準溶液用去離子水，其它操作用水為普通自來水。

2 實驗結果及討論

2.1 泡沫塑料預處理對吸附率的影響

目前有較多聚氨酯泡沫塑料預處理方法的報道，主要有堿處理法、有機試劑處理法[9]、酸處理法、HCl溶液和NaOH溶液聯(lián)合預處理[10]、沸水-HCl處理等[11]。將裁剪好的小塊泡沫塑料分別用水、HCl(1+10)、NaOH(5%)、乙醇、洗衣粉水、洗潔精水浸泡0.5 h，用水清洗干凈備用。在250 mL 三角瓶中加入100 mL王水(10%)，加入2.00 mL 王水(10%)介質(zhì)的金標準溶液(50 ng/mL)，放1塊不同預處理的泡沫塑料，在振蕩頻率為200 r/min的揺瓶機上振蕩30 min。取出泡沫塑料，擠干殘留水分，放到已加入10.0 mL硫脲(1%)的25 mL比色管中，沸水浴30 min，趁熱取出泡沫塑料，用標準曲線法測定，實驗結果如表1所示。

表1 泡沫塑料的預處理Table 1 Pretreatment of foam plastics

從吸附率結果可以得出，無論何種預處理，干泡沫塑料的吸附率在81%～86%，用水浸透的吸附率明顯提高到95%左右。水浸透的泡沫塑料與干泡沫塑料吸附率差異顯著。聚氨酯泡沫塑料是由甲苯二異氰酸酯與多元醇反應而成，成分非常復雜，有些化學基團具有一定的親水性，可以與金屬元素的鹵配離子物質(zhì)結合，有些化學基團具有疏水性，對有機物也有一定的吸附性[12]。由于干泡沫塑料孔隙填滿空氣，在振蕩過程中，漂浮在溶液表面，阻礙了金向泡塑表面的擴散和交換，影響了吸附效果。

用t檢驗法對氫氧化鈉、鹽酸、乙醇、洗衣粉，洗潔精、水清洗后的泡沫塑料吸附率進行離群值的檢驗，不存在顯著性差異。這是由于泡沫塑料的飽和吸附容量在54 ～160 mg/g之間[13]，實驗溶液中的金含量為納克級，遠小于飽和吸附容量，不同預處理間的吸附差異性體現(xiàn)不出。因此對地球化學樣品來說，泡沫塑料的預處理只需要用水完全潤濕即可，減少空氣泡對吸附效果的影響，必要時可以用表面活性劑清洗一些吸附的油污性的雜質(zhì)。

2.2 泡沫塑料對不同濃度金標準溶液的吸附率

在烘干后的250 mL 三角瓶中加入一定量的標準溶液，再用100 mL滴定管加入王水(10%)，使溶液體積為100 mL，實驗條件同2.1，用ICP-MS法測定含金量小于5 000 ng/100 mL的樣品，含金量在5 000 ng/100 mL及以上的樣品用火焰原子吸收測定，母液殘留用ICP-MS法測定，實驗結果見表2。

表2 泡沫塑料的吸附率Table 2 Adsorption rate of foam plastics

結果表明泡沫塑料吸附的金量及母液殘留的金量之和，回收率在95%以上，隨著濃度的增加，泡沫塑料的吸附率逐漸下降，母液殘留越多。

對于地球化學樣品中金的分析，目的在于異常點普查，吸附率不足不影響異常點驗證分析，仍能滿足“DZ/T 0130.4—2006”地質(zhì)礦產(chǎn)實驗室測試質(zhì)量管理規(guī)范中金元素的分析要求。對于高品位的金礦石樣品來說，吸附率不足對測定的準確度影響較大，這種樣品一般要進行二次復核分析。復核時可以通過二次吸附的方法降低母液中金量，從而提高分析結果的準確性。還可以通過將樣品溶液分取一定體積，在有較高吸附率的濃度下振蕩吸附，最后乘以分取倍數(shù)計算出準確濃度。

2.3 水洗條件對泡沫塑料吸附率的影響

泡沫塑料吸附后，清洗礦渣的時候會損失一部分已吸附的金，損失量與水洗條件、時間、擠壓力度等操作手法有密切關系[14]。為了消除操作手法間的差異，采取加入100 mL洗液，振蕩3 min模擬水洗，取出泡沫塑料后擠干水份，放入干凈的三角瓶中，含鹽樣品需要用自來水或王水(10%)洗去鹽分，解脫同上，測定結果見表3。

表3 水洗損失的影響Table 3 Impact of washing

用用t檢驗法對吸附率進行離群值的檢驗，用水沖洗，NaCl洗液(5%)振蕩后泡沫塑料的中的鹽份，與水洗或王水洗，NaHCO3洗液(0.5%)振蕩后中的鹽份存在顯著性差異，去離子水、自來水、王水(10%)、鹽酸(7%)、硝酸(3%)、NaCl(5%)、王水去鹽間不存在顯著性差異。實驗結果表明，Na+、Cl-對泡沫塑料對吸附率影響不明顯，pH值對吸附率有顯著性的影響，堿性環(huán)境下水洗易造成損失。

用王水(10%)洗NaCl、NaHCO3中的鈉鹽時損失較少，用自來水洗鈉鹽時損失較多，這是由于AuCl4-在水溶液中存在以下化學平衡：

Au3++4Cl-=AuCl4-

Au3++3Cl-=AuCl3

Au3++3OH-=Au(OH)3

由化學平衡關系可得出：

可知AuCl4-的穩(wěn)定性正比于Cl-的濃度，反比于OH-的濃度。查詢金的物性數(shù)據(jù)，AuCl4-的穩(wěn)定常數(shù)K=4.0×1025(根據(jù)氧化電位計算得出)，Au(OH)3的溶度積Ksp(AuOH3)=5.5×10-46，AuCl3的溶度積Ksp(AuCl3)=1.25×10-25。自來水中Cl-的濃度通常大于10 mg/L，pH值 在7.5～8.5，用自來水洗泡沫塑料孔隙中的礦渣時，不會有AuCl3生成，由于泡沫塑料孔隙間有酸溶液，沖洗時整體上處于酸性環(huán)境下，損失量較少，長時間沖洗時，pH值 會上升，當pH>5.21時，會有Au(OH)3生成，元素形態(tài)的改變影響吸附效果，造成損失。因此用自來水清洗泡沫塑料時，沖洗掉大部分礦渣即可，不能長時間沖洗。

2.4 金屬離子及礦渣對泡沫塑料吸附率的影響

礦石的基體復雜，大量存在的金屬元素為Al、Fe、Ti、Ca、Na、Zn等，礦渣通常為硅酸鹽。在100 mL含Au量為100 ng的王水(10%)中加入相應的金屬鹽，礦渣用過75 μm篩孔的石英砂替代，其它操作同上，用ICP-MS 法測定硫脲解脫液中的Au，電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜(ICP-AES)法測定硫脲解脫液中其它金屬元素。實驗結果見表4。

表4 金屬離子及礦渣對泡沫塑料吸附率的影響Table 4 Effect of metal ions and slag on adsorption rate of foam plastics

實驗結果表明，硫脲解脫溶液中Al、Fe、Ti、Ca、Na、Zn等元素可以通過水洗除去，這些金屬元素不會大量帶入解脫液中。Fe、Ti均是地殼中大量存在的金屬元素，形成的金屬多氯配合物與氯金酸配合物相比，泡沫塑料的吸附能力較弱，易水洗除去，對泡沫塑料富集金有促進作用。鈉鹽、鈣鹽、鋅鹽及石英砂對泡沫塑料富集金影響不顯著，泡沫塑料能適用于碳酸鹽類樣品，鋅礦石中痕量金的測定。鋁鹽有微弱的抑制作用，機理不明，有待進一步研究。

2.5 質(zhì)譜干擾與校正

2.5.1 金的質(zhì)譜干擾與內(nèi)標元素的選擇

金只有197Au一個穩(wěn)定同位素，其氧化物質(zhì)譜干擾是181Ta+16O，由于Ta的難溶于王水中，氧化物質(zhì)譜干擾通常不考慮，氫化物質(zhì)譜干擾是比金豐度更低的196Pt+1H，1 000 ng/mL的Pt造成的質(zhì)譜干擾小于50 cps，可以忽略不計。

測定金的內(nèi)標元素應該選擇地殼中豐度比金更稀有的元素，通常用185Re和103Rh，185Re與197Au質(zhì)量數(shù)接近，質(zhì)量歧視效應較小，是DZ/T 0279.4—2016推薦使用的內(nèi)標元素。Re由于在焙燒過程中可以揮發(fā)除去，樣品引入的Re遠低于內(nèi)標濃度5 ng/mL，可以忽略不計。用Re作內(nèi)標時存在185Re+12C對197Au的質(zhì)譜干擾，Re的濃度為5 ng/mL時，這種干擾可以忽略不計。對于祁連山鎢異常區(qū)域，存在184W+1H的質(zhì)譜干擾，內(nèi)標185Re不穩(wěn)定，此時可以選用103Rh作為內(nèi)標元素。Rh只有103Rh一個穩(wěn)定的同位素，比Au更稀有，且大多數(shù)形態(tài)的Rh難溶于王水中，樣品中引入的Rh遠低于內(nèi)標濃度5 ng/mL。103Re的氧化物質(zhì)譜干擾元素是87Rb+16O，泡沫塑料對Rb沒有吸附作用，不會對103Rh造成干擾。

2.5.2 標準溶液介質(zhì)對測定的影響

配制王水(10%)介質(zhì)與硫脲介質(zhì)(1.5%)的Au標準溶液，濃度均為1.0 ng/mL，以含有5.0 ng/mL Rh、5.0 ng/mL Re的溶液為內(nèi)標，測得的離子計數(shù)(cps)如圖1所示。

圖1 介質(zhì)對離子計數(shù)的影響Figure 1 Effect of media on ion counting.

Au的離子計數(shù)(cps)，王水(10%)介質(zhì)<硫脲(1.5%)介質(zhì)；內(nèi)標元素的離子計數(shù)(cps)，王水(10%)介質(zhì)<硫脲(1.5%)介質(zhì)<純水，說明ICP-MS法對介質(zhì)比較敏感。

在25 ℃條件下，測定水、硫脲、王水(10%)的密度，用重量法測定進樣5 min時的體積，排廢體積，從而間接測得霧化率，實驗結果如表5所示。

表5 三種介質(zhì)的霧化率Table 5 Atomization rate of third medium

從實驗結果可以得出，三種介質(zhì)均是由蠕動泵引入霧化室，進樣體積是相等的，證明蠕動泵對介質(zhì)不敏感。霧化率差異顯著，水>硫脲>王水(10%)，與內(nèi)標離子計數(shù)強度差異為正相關?？梢缘贸觯嗤瑵舛鹊臉藴嗜芤?，不同介質(zhì)離子計數(shù)的差異主要是由于霧化率不同引起的，用ICP-MS法測定金時，應當使用與樣品基體相匹配的硫脲介質(zhì)為工作曲線。

2.6 準確度與精密度實驗

用國家一級標準物質(zhì)進行準確度與精密度實驗，每個標準物質(zhì)做12份，同時做空白實驗，測定結果見表6。

表6 方法精密度、準確度實驗Table 6 The test of precision，accuracy /(ng·g-1)

從測試結果來看，每份試樣測定結果均不超差，接近保證值。每個標準物質(zhì)平均值的相對標準偏差RSD均小于10%，用t檢驗法進行均值的顯著性檢驗分析可知，所有樣品的|t|值均小于臨界值t0.05，11=2.20，說明本方法得到的結果與保證值間沒有顯著性差異。準確度與精密度符合DZ/T 0130.4—2006 地質(zhì)礦產(chǎn)實驗室測試質(zhì)量管理規(guī)范中金元素的分析要求。

12份空白試樣的標準偏差為0.005 ng/g，按3倍標準偏差計算檢出限得儀器的檢出限為0.015 ng/g。

3 結論

對于地球化學樣品來說，泡沫塑料的不同預處理方法沒有顯著性差異，吸附率在95%以上。影響吸附率的重要條件是振蕩前要用水完全浸透，測定時可以用工作曲線校正吸附率不足引起的偏差。隨著溶液中金濃度的增加，泡沫塑料的吸附率逐漸下降，母液殘留越多，不影響地球化學樣品中金元素異常點查證的分析要求，對于高品位的金礦石，吸附率的下降值得注意。鐵、鈦離子對泡沫塑料富集金有促進作用，鈉鹽、鈣鹽、鋅鹽、氯離子及礦渣影響不顯著，鋁鹽有微弱的抑制作用。通過水洗，可以去除鐵、鈦、鋁、鈉、鈣等可溶性基體元素及礦渣等難溶基體，酸性條件下水洗損失量較少，堿性環(huán)境下容易造成水洗損失，用偏堿性的自來水清洗礦渣時需要注意沖洗時間不能過長。ICP-MS法對介質(zhì)比較敏感，這是由于不同介質(zhì)，霧化率不同引起的，因此應當使用與樣品基體相接近的標準溶液作工作曲線，高W含量樣品應當用103Rh作為內(nèi)標。用金標準物質(zhì)確認，方法的準確度與精密度符合DZ/T 0130.4—2006 地質(zhì)礦產(chǎn)實驗室測試質(zhì)量管理規(guī)范中金元素的分析要求。