Plasma2000測定碳化硅中的雜質(zhì)元素
關(guān)鍵詞：Plasma2000，ICP-OES，碳化硅，陶瓷，全譜瞬態(tài)直讀
前言
金剛砂又名碳化硅（SiC）是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑（生產(chǎn)綠色碳化硅時需要加食鹽）等原料通過電阻爐高溫冶煉而成。碳化硅由于化學(xué)性能穩(wěn)定、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性能好，廣泛用于耐火材料、脫氧劑、電熱元件等。由于粉體的純度與其成型、燒結(jié)、加工以至產(chǎn)品終性能密切相關(guān)，因此配合粉體的制備和應(yīng)用，進行碳化硅粉體組分分析和純度評定，是開發(fā)新產(chǎn)品的重要環(huán)節(jié)。隨著使用環(huán)境的苛刻要求，碳化硅的純度要求也越來越高，這就需要準(zhǔn)確測定碳化硅粉末中的雜質(zhì)。本實驗采用氫氧化鉀和硝酸鉀堿熔溶樣，使用鋼研納克生產(chǎn)的ICP-OES發(fā)射光譜儀準(zhǔn)確測定了碳化硅中的Ni、Cr、Mn、P、Si、Cu、Mo、V等元素。
儀器優(yōu)勢
Plasma 2000 電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（鋼研納克檢測技術(shù)股份有限公司）是一種使用方便、操作簡單、測試快速的全譜ICP-OES分析儀，具有良好的分析精度和穩(wěn)定性。儀器特點如下：
高效固態(tài)射頻發(fā)生器，超高穩(wěn)定光源；
大面積背照式CCD芯片，寬動態(tài)范圍；
中階梯光柵與棱鏡交叉色散結(jié)構(gòu)，體積小巧；
多元素同時分析，全譜瞬態(tài)直讀。
Plasma 2000型ICP-OES光譜儀
樣品前處理
準(zhǔn)確稱取0.1 g（精確至0.0001 g）試樣于鎳坩堝，加入1g氫氧化鉀和0.5g硝酸鉀，混勻置于馬弗爐內(nèi)，650℃恒溫反應(yīng)30min，中間取出搖動一次，到時取出冷卻。待不再反應(yīng)后加入1mL硝酸，加熱至反應(yīng)完全冷卻，加入1mL氫氟酸，轉(zhuǎn)移定容至100mL容量瓶待測。
樣品溶解圖解
儀器參數(shù)
儀器工作參數(shù) 設(shè)定值 儀器工作參數(shù) 設(shè)定值
射頻功率／W 1200 輔助氣流速／L·min-1 0.5
冷卻氣流速／L·min-1 13.5 蠕動泵轉(zhuǎn)速/rpm 20
載氣流速／L·min-1 0.5 進樣時間/s 35
樣品
未知樣品進行測試
典型元素譜線
標(biāo)樣 濃度 計算值 誤差
標(biāo)準(zhǔn)1 0.005 0.0048 4%
標(biāo)準(zhǔn)2 0.01 0.0101 -1%
標(biāo)準(zhǔn)3 0.05 0.0489 2%
標(biāo)準(zhǔn)4 0.2 0.2003 0%
標(biāo)樣 濃度 計算值 誤差
標(biāo)準(zhǔn)1 0.01 0.0098 2%
標(biāo)準(zhǔn)2 0.05 0.0482 2%
標(biāo)準(zhǔn)3 0.2 0.2118 -1%
標(biāo)準(zhǔn)4 0.5 0.5173 -1%
標(biāo)樣 濃度 計算值 誤差
標(biāo)準(zhǔn)1 0.005 0.0050 0%
標(biāo)準(zhǔn)2 0.01 0.0099 1%
標(biāo)準(zhǔn)3 0.05 0.0484 3%
標(biāo)準(zhǔn)4 0.2 0.2004 0%
準(zhǔn)確度及方法回收率
元素 平均值/% 加標(biāo)量% 加標(biāo)回收率%
Al 0.0081 0.01 95.8
Ca 0.0091 0.01 106.2
Fe 0.0513 0.05 108.6
Mg 0.0040 0.01 102.3
Na 2.2522 1 97.1
精密度
元素 平均值/% σ RSD/%
Al 0.0081 0.0009 10.9214
Ca 0.0091 0.0009 9.8007
Fe 0.0513 0.0023 4.4125
Mg 0.0040 0.0002 6.2415
Na 2.2522 0.1852 8.2237
方法檢出限
在儀器工作條件下對標(biāo)準(zhǔn)溶液系列的空白溶液連續(xù)測定11次，以3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差計算方法中各待測元素檢出限，以10倍標(biāo)準(zhǔn)偏差計算方法中各待測元素的測定下限。
各元素的線性回歸方程和檢出限
元素 譜線/nm 檢出限/%
Al 396.152 0.0013
Ca 396.847 0.0006
Fe 259.940 0.0008
Mg 280.271 0.0006
Na 589.592 --*
注：*溶樣使用的KNO3中雜質(zhì)鈉含量較高，Na檢出限受溶劑影響大
結(jié)論
利用Plasma 2000光譜儀對碳化硅中元素進行測定，檢出限在0.0006-0.0013%之間，回收率均在90%-110%之間，準(zhǔn)確性好，能夠適用于不銹鋼中元素的測定。

Plasma 1000 單道掃描ICP光譜儀可用于地質(zhì)、冶金、稀土及磁材料、環(huán)境、醫(yī)藥衛(wèi)生、生物、海洋、石油、化工新型材料、核工業(yè)、農(nóng)業(yè)、食品商檢、水質(zhì)等各領(lǐng)域及學(xué)科的樣品分析?？梢钥焖佟?zhǔn)確地檢測從微量到常量約70種元素。
Plasma 1000 單道掃描ICP光譜儀
1. 光路形式：Czerny-Turner型 單道掃描ICP光譜儀
2. 光室恒溫：(30±0.2)℃
3. 光柵類型：離子刻蝕全息平面光柵
4. 分辨率：不大于0.007nm
5. 刻線密度：3600g/mm
6. 高頻發(fā)生器震蕩頻率：40.68MHz 功率穩(wěn)定度：0.1%（長期25℃典型值）
7. 震蕩類型：自激式
8. 進樣方式：蠕動泵進樣 配有多種霧室（旋流霧室、雙筒霧室和耐氫氟酸霧室）
9. 霧化器：同心霧化器
10. 重復(fù)性：RSD ≤1.0%
11. 穩(wěn)定性：RSD ≤2.0%（2小時）
12. 冷卻氣：10-20L/min
13. 輔助氣：0-1.5 L/min
14. 載氣：0.4-1L/min
15. 尺寸：1550mm×759mm×1340mm（長×寬×高）
16. 重量：240公斤
Plasma 1000 單道掃描ICP光譜儀儀器特點：
1. 分析流程全自動化控制，實現(xiàn)軟件點火、氣路智能控制功能；
2. 輸出功率自動匹配調(diào)諧，功率參數(shù)程序設(shè)定；
3. 優(yōu)良的光學(xué)系統(tǒng)，先進的控制系統(tǒng)，保證峰位定位準(zhǔn)確，信背比優(yōu)良；
4. 極小的基體效應(yīng)；
5. 測量范圍寬，超微量到常量的分析，動態(tài)線性范圍5—6個數(shù)量級；
6. 檢出限低，大多數(shù)元素的檢出限可達ppb級；
7. 良好的測量精度，穩(wěn)定性相對標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD≤1.5%（5ppm），優(yōu)于國家A級標(biāo)準(zhǔn)（JJG768-2005）；
8. Rf輸出功率的范圍750-1500W，輸出功率穩(wěn)定性小于0.1%；
9. 光電倍增管的負高壓可在0-1000V范圍內(nèi)獨立可調(diào)，可根據(jù)不同元素的不同譜線單獨設(shè)置條件，和全譜儀器比較有更好的檢出限；
10. 納克儀器采用高屏蔽和良好接地保證操作者的安全；
11. 高精度的光室恒溫系統(tǒng)，保證儀器優(yōu)良的長短期精度；
12. 多通道蠕動泵進樣，保證儀器進樣均勻，工作穩(wěn)定；
13. 使用鈸銅彈片和特殊處理的屏蔽玻璃，在吸收紫外線同時使儀器輻射小于2V/m（JJG768-2005規(guī)定小于10V/m）。
14. 具有較高的譜線分辨率，能分出Hg313.154和313.183nm雙線譜線，能分出鐵的四重峰。
15. 人性化的軟件設(shè)計，操作方便，終身免費升級。功能強大、友好的人機界面分析軟件,可在測定過程中，進行數(shù)據(jù)處理，方法編制和結(jié)果分析，是真正的多任務(wù)工作軟件；該軟件數(shù)據(jù)處理功能強大，提供了多種方法，如內(nèi)標(biāo)校正、IECS和QC監(jiān)測功能等，可獲得合適的背景扣除點以消除干擾；對輸出數(shù)據(jù)可直接打印或自動生成Excel格式的結(jié)果報告。

Plasma 1000電感耦等離子體原子發(fā)射光譜儀(ICP—AES)主要用于液體試樣(包括經(jīng)化學(xué)處理能轉(zhuǎn)變成溶液的固體試樣)中金屬元素和部分非金屬元素的定量分析。將樣品溶液以氣溶膠形式導(dǎo)入等離子體炬焰中，樣品被蒸發(fā)和激發(fā)，發(fā)射出所含元素的特征波長的光。經(jīng)分光系統(tǒng)分光后，其譜線強度由光電元件接受并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柖挥涗?。根?jù)元素濃度與譜線強度的關(guān)系，測定樣品中各相應(yīng)元素的含量。
>> 儀器特點
1.分析流程全自動化控制，實現(xiàn)軟件點火、氣路智能控制功能；
2.輸出功率自動匹配調(diào)諧，功率參數(shù)程序設(shè)定；
3. 優(yōu)良的光學(xué)系統(tǒng)，先進的控制系統(tǒng)，保證峰位定位準(zhǔn)確，信背比優(yōu)良；
4.極小的基體效應(yīng)；
5.測量范圍寬， 超微量到常量的分析,動態(tài)線性范圍5—6個數(shù)量級；
6.檢出限低，大多數(shù)元素的檢出限可達ppb級；
7.良好的測量精度，穩(wěn)定性相對標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD≤1.5%（5ppm），優(yōu)于國家A級標(biāo)準(zhǔn)（JJG768-2005）；
8.功能強大、友好的人機界面分析軟件,可在測定過程中，進行數(shù)據(jù)處理，方法編制和結(jié)果分析，是真正的多任務(wù)工作軟件；該軟件數(shù)據(jù)處理功能強大，提供了多種方法，如內(nèi)標(biāo)校正、IECS和QC監(jiān)測功能等，可獲得的背景扣除點以消除干擾；對輸出數(shù)據(jù)可直接打印或自動生成Excel格式的結(jié)果報告.
>> 工作環(huán)境
1.儀器室內(nèi)無腐蝕性氣體；空中的塵埃粒子須保持。
2.室內(nèi)溫度18℃～26℃；室溫應(yīng)達到穩(wěn)定狀態(tài)，溫度變化率應(yīng)小于1℃/h，相對濕度不大于70％
>>尺寸和重量
1550mm（長）*759mm（寬）*1340mm（高）
重量： 240公斤

鋼研納克國產(chǎn)ICP光譜儀測定硅鐵中雜質(zhì)元素含量
（鋼鐵研究總院，北京，100081）
摘要：硅鐵標(biāo)準(zhǔn)樣品于250mL聚四氟乙烯燒杯中，150℃下加入10 mL 王水，并逐滴加入HF，至樣品全部溶解，利用電感耦合等離子體光譜法測定硅鐵中Al、Ca、Cr、Cu、Mn、Ni、P和Ti等8種雜質(zhì)元素含量。優(yōu)化了儀器工作條件，對比了不同元素各譜峰的相互干擾，選擇各元素的合適譜線。雜質(zhì)元素的檢出限在0.33μg/g ~ 22.92μg/g之間，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD，n=11）均小于5%，該方法適用于硅鐵樣品中痕量雜質(zhì)元素的測定。
關(guān)鍵字：硅鐵；電感耦合等離子體光譜法；雜質(zhì)元素
在硅鐵生產(chǎn)中，除了生成氣態(tài)組分外，隨爐料帶入到其他元素會被還原并作為硅鐵產(chǎn)品的組分而流出。因此，硅鐵產(chǎn)品中存在著多種雜質(zhì)元素，如Al、Ca等。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，煉鋼工藝的不斷革新和成熟，對硅鐵中雜質(zhì)元素的要求越來越嚴(yán)格。本實驗采用某一硅鐵標(biāo)準(zhǔn)樣品進行消解，并在自主研發(fā)的Plasma 2000型全譜電感耦合等離子體光譜儀上對硅鐵標(biāo)準(zhǔn)樣品中的Al、Ca、Mn、Cr、Ti、Cu、P和Ni 等8種雜質(zhì)元素進行測定，為硅鐵行業(yè)的持續(xù)發(fā)展保駕護航。
1 實驗部分
1.1 主要儀器及技術(shù)特點
Plasma 2000電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀（鋼研納克檢測技術(shù)有限公司）。
RF頻率：27.12 MHz
分析功率：1100W
工作氣體： 冷卻氣 13.5 L / min
輔助氣 0.50 L / min
載氣 0.45 L / min
1.2 主要試劑
Al、Ca、Mn、Cr、Ti、Cu、P和Ni標(biāo)準(zhǔn)溶液（國家鋼鐵材料測試中心）：1000 μg/ml；
鹽酸：優(yōu)級純，ρ=1.18 g/ml（北京化學(xué)試劑研究所）；
硝酸：優(yōu)級純，ρ=1.50 g/ml（北京化學(xué)試劑研究所）；
氫氟酸：優(yōu)級純，ρ=1.14 g/ml（北京化學(xué)試劑研究所）；
標(biāo)準(zhǔn)樣品：GBW 01432
實驗用水均為超純水，電阻率≥18 MΩ·cm3；
氬氣：純度ωAr > 99.999 %（北京誠維峰氣體有限公司）。
1.3 實驗方法
1.3.1 樣品制備
樣品消解：準(zhǔn)確稱取硅鐵標(biāo)準(zhǔn)樣品1.0000 g，置于250 mL聚四氟乙烯燒杯中，加入10 mL 王水，放在150℃的加熱板上加熱溶解，逐滴加入HF，至樣品全部溶解，取下冷卻至室溫后，定容至100 mL塑料容量瓶中。
隨同試樣做空白實驗。
1.3.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線的配制
在7個100 mL容量瓶中，分別加入Al、Ca、Mn、Cr、Ti、Cu、P和Ni等標(biāo)準(zhǔn)溶液，使得上述元素分別在7個容量瓶中的含量如下表1所示，加入超純水定容至刻度。
表1 8個元素的標(biāo)準(zhǔn)曲線
元素 S0 S1 S2 S3 S4 S5
Al 0 0.1% 0.3% 0.5% 0.7% 0.9%
0 1000μg 3000μg 5000μg 7000μg 9000μg
Ca 0 0.03% 0.06% 0.09% 0.12% 0.15%
0 300μg 600μg 900μg 1200μg 1500μg
Cr 0 0.002% 0.005% 0.008% 0.01% 0.015%
0 20μg 50μg 80μg 100μg 150μg
Cu 0 0.03% 0.06% 0.09% 0.12% 0.15%
0 300μg 600μg 900μg 1200μg 1500μg
Mn 0 0.03% 0.06% 0.09% 0.12% 0.15%
0 300μg 600μg 900μg 1200μg 1500μg
Ni 0 0.01% 0.03% 0.05% 0.07% 0.1%
0 100μg 300μg 500μg 700μg 1000μg
P 0 0.005% 0.01% 0.02% 0.05% 0.1%
0 50μg 100μg 200μg 500μg 1000μg
Ti 0 0.01% 0.03% 0.05% 0.07% 0.1%
0 100μg 300μg 500μg 700μg 1000μg
2 結(jié)果與討論
2.1 儀器工作參數(shù)的選擇
儀器調(diào)節(jié)的主要指標(biāo)是靈敏度，通常采用含有Mn元素的波長校正液（5μg/ml）對儀器的載氣流量和炬管準(zhǔn)直進行優(yōu)化調(diào)節(jié)實驗。
2.1.1 載氣流量調(diào)節(jié)
以Mn元素（5μg/ml）波長校正液為依據(jù)，對新安裝的進樣系統(tǒng)進行調(diào)試。實驗得到的載氣流量為：載氣流量 0.45 L/min。
2.1.2 炬管準(zhǔn)直調(diào)節(jié)
以Mn元素（5μg/ml）波長校正液為依據(jù)，對新安裝的進樣系統(tǒng)進行調(diào)試。實驗得到的炬管準(zhǔn)直為（X:2，Z:2）。
2.2 基體元素干擾和元素譜線選擇
在ICP-OES測定中，基體效應(yīng)對待測元素產(chǎn)生抑制或增強作用，對測定結(jié)果有明顯的影響。在硅鐵雜質(zhì)元素的測定中，由于硅本體已經(jīng)和HF生成SiF4氣體并加熱揮發(fā)，因此主要考慮Fe基體對所測定元素的影響。表2給出了8個雜質(zhì)元素的靈敏譜線和相關(guān)的干擾元素，并終確定各元素的分析譜線。
表2 各元素分析譜線
Table 2 Analytical Line of the elements
元素
Elements 譜線選擇
Choose Line / nm 分析譜線
Analytical Line / nm
Al 308.215，存在V308.211干擾
394.401，附近無干擾，強度低
396.152，存在Mo396.150干擾，強度高 308.215
Ca 396.847，附近無干擾，強度高
422.673，存在Al422.682干擾 396.847
Cr 267.716，附近無干擾，強度高
206.149，附近無干擾，強度低 267.716
Cu 327.396，附近無干擾，強度低
324.754，附近無干擾，強度高 324.754
Mn 257.610，附近無干擾，強度高
259.373，存在Fe259.373干擾 257.610
Ni 231.604，附近無干擾，強度高
216.556，附近無干擾，強度低
341.476，附近無干擾，強度低 231.604
P 177.499，無譜圖
178.287，無譜圖
185.943，觀測不到
213.618，存在Cu213.698干擾，但是觀察譜圖，可以區(qū)分開
214.914，附近無干擾，強度低 213.618
Ti 336.121，附近無干擾，強度高
334.941，附近無干擾，強度低 336.121
2.3 各元素校準(zhǔn)曲線
根據(jù)樣品中各個元素的含量，將配制好的標(biāo)準(zhǔn)溶液（1.3.2）使用Plasma 2000進行校準(zhǔn)測定。以各個元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對譜線強度繪制校準(zhǔn)曲線，其線性回歸方程及相關(guān)系數(shù)見表3所示。
3 結(jié)論
采用納克公司生產(chǎn)的Plasma 2000電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測定硅鐵標(biāo)準(zhǔn)樣品中的Al、Ca、Cr、Cu、Mn、Ni、P、Ti等8種元素，可一次性完成對多種元素的測定，測量準(zhǔn)確度和精密度良好，方法簡便快速，適用于各級檢驗機構(gòu)進行多批次、多項目產(chǎn)品的元素檢測。
參考文獻：
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