周桂海， 王德智， 胡宏衛(wèi)

(上海梅山鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心，江蘇 南京 210039)

0 引 言

含鐵塵泥是鋼鐵生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的塵泥或粉塵，如高爐灰塵、轉(zhuǎn)爐塵泥和氧化鐵皮等，含鐵塵泥約占鋼產(chǎn)量的6%～10%。含鐵塵泥含有鐵、碳、鈣、硅、鎂、鉀、鈉、鋅等元素，具有一定可利用價(jià)值，一般直接返燒結(jié)、高爐、轉(zhuǎn)爐使用。但含鐵塵泥中含有一定量鉀、鈉等有害元素，在返燒結(jié)、高爐等生產(chǎn)時使用時會影響生產(chǎn)正常開展。因此測定鉀和鈉含量對含鐵塵泥返燒結(jié)、高爐等生產(chǎn)使用有著十分重要的意義。

鉀和鈉檢測方法有火焰原子吸收光譜法[1-4]、X-射線熒光光譜法[5-7]、離子色譜法[8-9]、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法[10-12]、高效毛細(xì)管電泳/非接觸式電導(dǎo)[13]等?；鹧嬖游展庾V法測定鉀和鈉含量是最經(jīng)典的檢測方法，已在鋼鐵冶金物料中廣泛應(yīng)用，方法具有檢測準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)，但原子吸收光譜法一次僅能檢測一個元素，且線性范圍窄、檢測效率低。X-熒光光譜法雖然操作簡便，但基體干擾嚴(yán)重。離子色譜法操作相對較簡便，但樣品前處理要求較高，一般僅適合液體溶液中鉀、鈉含量的測定。近年來，有較多分析工作者提出采用微波消解-電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定樣品中元素含量[14-16]，但在含鐵塵泥中應(yīng)用未見報(bào)道。本文提出了微波消解-電感耦合等離子原子發(fā)射法測定含鐵塵泥中鉀鈉，方法具有操作簡便，線性范圍寬，檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高，適合鋼鐵冶金中各種含鐵塵泥中鉀鈉含量檢測。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

ICAP 6 300 Radial電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀（美國Thermofisher公司）；HN202-1烘箱（上海葉拓儀器儀表有限公司）；DC-B30-13智能箱式高溫爐（北京獨(dú)創(chuàng)科技有限公司）；MARS6微波消解儀（美國CEM公司）。

鹽酸（優(yōu)級純）；硝酸（優(yōu)級純）；氫氟酸（優(yōu)級純）；高氯酸（優(yōu)級純）；鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液（1 000 g/L）：國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)認(rèn)證中心；鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液（1 000 g/L）：國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)認(rèn)證中心；實(shí)驗(yàn)用水均為一級去離子水。

1.2 儀器主要工作條件

RF功率：1 150 W；觀測高度：10 mm；分析泵速：50 r/min；沖洗泵速：50 r/min；輔助氣流量 0.5 L/min；分析時間：8 s；霧化壓力：2.1×105Pa；鉀分析譜線波長：766.490 nm；鈉分析譜線波長：589.592 nm。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

準(zhǔn)確稱取1.000 0 g試樣置于550～600 ℃高溫爐中，通氧燃燒去除含鐵塵泥中碳和油泥，并計(jì)算灼燒減量。再準(zhǔn)確稱取0.200 g（精確到0.1 mg）已灼燒后試樣置于100 mL消解罐中，加入15 mL鹽酸 (優(yōu)級純)、10 mL 硝酸 (優(yōu)級純)、3 mL 氫氟酸 (優(yōu)級純)，設(shè)置消解壓力1 000 psi(1 psi=6 895 Pa)，消解15 min，待消解罐冷卻后，轉(zhuǎn)移到聚四氟乙烯燒杯中，加入5 mL高氯酸，加熱冒煙到溶液3～4 mL，取下稍冷。加20 mL去離子水，低溫加熱溶解鹽類物質(zhì)，取下冷卻到室溫，轉(zhuǎn)移到100 mL容量瓶中，以去離子水稀釋至刻度，搖勻。（若試樣中鉀、鈉含量較高，按照逐級稀釋原則，稀釋待測溶液）用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀，分別在波長 766.490 nm、588.995 nm處測定鉀鈉光譜強(qiáng)度，計(jì)算出試樣中鉀鈉含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品溶解

含鐵塵泥組分復(fù)雜，主要由礦石、焦粉、耐材、油泥等物料組成。樣品先經(jīng)過550～600 ℃灼燒處理后，可以去除樣品中油泥、含碳物等物質(zhì)，減少對鉀鈉元素吸附，同時有利于樣品后續(xù)溶解。開展了以鹽酸、硝酸、氫氟酸混酸作為消解酸，消解時間為15 min，不同消解壓力實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表1。

表1 壓力實(shí)驗(yàn)

由表1可見，當(dāng)消解壓力達(dá)到800 psi時，消解時間15 min，樣品已經(jīng)溶解完全。為了確保樣品溶解完全，實(shí)驗(yàn)選擇消解壓力為1 000 psi。同時樣品溶解完全后，采用高氯酸冒煙，去除鹽酸、硝酸、氫氟酸，保證待測溶液中相同酸度值和酸類型，減少酸度對測定的影響。

2.2 分析波長選擇

選擇合適波長，既能保證待測元素有著合適的靈敏度，又可以避免樣品中其他共存元素干擾。分別選擇波長為766.490 nm、769.896 nm和404.721 nm作為鉀分析譜線，波長為588.995 nm、589.592 nm和568.82 nm作為鈉分析譜線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別見圖1。

圖1 波長分析結(jié)果

含鐵塵泥按照1.3實(shí)驗(yàn)步驟處理后溶液經(jīng)過電感耦合等離子發(fā)射光譜儀掃描，比較不同波長下譜圖、強(qiáng)度、背景輪廓，選擇出低背景、無干擾、高信噪比的譜線作為待測元素分析波長。由圖1可見，選波長766.490 nm為鉀分析譜線，波長589.592 nm作為鈉分析譜線，峰型好，樣品中共存元素對鉀鈉無干擾，靈敏度高，有利于降低檢出限。

2.3 儀器參數(shù)優(yōu)化

2.3.1 高頻功率

選擇合適的高頻功率，有利于提高樣品檢測靈敏度。開展了不同高頻功率條件優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 高頻功率實(shí)驗(yàn)

雖然鉀鈉譜線強(qiáng)度隨功率增加而增加，但背景輻射也隨之增強(qiáng)，過高的功率會導(dǎo)致信噪比變差，檢出限反而會有所升高。由圖2可見，在較低功率時，隨著功率增加，鉀鈉信噪比隨之增加，但功率增加到1 250 W，由于背景輻射增加，導(dǎo)致鉀鈉信噪比逐步降低，隨之檢出限降低，為了得到合適的光譜強(qiáng)度和較高信噪比，實(shí)驗(yàn)選擇高頻功率為1 150 W。

2.3.2 觀測高度

待測元素的最佳激發(fā)區(qū)與待測元素的性質(zhì)相關(guān)。實(shí)驗(yàn)選擇了8～15 mm不同觀測高度，考察待測元素光譜強(qiáng)度變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 觀測高度實(shí)驗(yàn)

由于鉀鈉元素屬于易激發(fā)又易電離的堿金屬元素，當(dāng)在通道較低位置時，會很難成為激發(fā)的離子狀態(tài)。由圖3可知，在觀測高度在8～10 mm范圍內(nèi)，隨著觀測高度增加，鉀和鈉的光譜強(qiáng)度隨之增加，但到11 mm后，隨觀測高度增加，鉀鈉的光譜強(qiáng)度逐步降低，故本次選擇觀測高度為10 mm。

2.3.3 分析時間

分析時間與光譜儀檢測裝置有關(guān)，各儀器之間差別較大。分析時間對檢測檢出限和精密度有一定影響。實(shí)驗(yàn)選擇了積分時間3～20 s，測定鉀和鈉光譜強(qiáng)度，計(jì)算相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD，n=5），實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 分析時間實(shí)驗(yàn)

由圖4可知，增加分析時間會使精密度改善并在一定程度上降低檢出限，有利于提高檢測準(zhǔn)確度。當(dāng)積分時間達(dá)6 s時，鉀和鈉光譜強(qiáng)度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差已經(jīng)趨向穩(wěn)定，故本次實(shí)驗(yàn)選擇積分時間為8 s。

2.4 線性范圍與檢出限

2.4.1 線性范圍

根據(jù)含鐵塵泥中鉀鈉含量范圍及含鐵塵泥中主要成分鐵含量，稱取0.200 g三氧化二鐵基準(zhǔn)物質(zhì)，按照實(shí)驗(yàn)方法處理后，加入鉀、鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液制備成鉀鈉工作曲線待測液，用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀在波長766.490 nm和588.995 nm處測定鉀鈉光譜強(qiáng)度。質(zhì)量濃度在1.00～50.00 mg/L范圍，其光譜強(qiáng)度與質(zhì)量濃度呈良好線性關(guān)系，線性回歸方程分別為YK=12 485XK+185;YNa=34 526XNa+4 529，線性相關(guān)系數(shù)分別為0.999 8、0.999 7。

2.4.2 檢出限

選擇氧化鐵基體試劑空白溶液按照本文方法操作，測定鉀鈉光譜強(qiáng)度11次，取測定結(jié)果3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差(s)所對應(yīng)的濃度值為檢出限，結(jié)果見表2。

表2 檢出限實(shí)驗(yàn)(n=11)

本文采用微波酸法消解，避免了堿溶缺點(diǎn)，有利于降低檢出限。本文方法鉀鈉檢出限分別為0.008 1 mg/L、0.057 mg/L，滿足含鐵塵泥中低含量鉀鈉檢測。

2.5 精密度和回收實(shí)驗(yàn)

對6個含鐵塵泥樣品進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。選擇1#樣品和2#樣品進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表4。

表3 精密度實(shí)驗(yàn)(n=11)

表4 回收實(shí)驗(yàn)

由表3和表4可見，采用本文方法測定含鐵塵泥中鉀鈉含量，鉀鈉檢測相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD，n=11）分別是0.44%～1.59%，0.27%～1.79%，回收率分別是99.2%～101.4%，98.8%～101.4%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均低于3%，回收率達(dá)到98%以上，方法準(zhǔn)確可靠，滿足含鐵塵泥塵泥中鉀鈉檢測準(zhǔn)確度要求。

2.6 比對實(shí)驗(yàn)

采用本文方法和火焰原子吸收法測定含鐵塵泥樣品中鉀鈉，結(jié)果見表5。

表5 比對實(shí)驗(yàn)

由表5可見，本文方法測定含鐵塵泥中鉀鈉含量與火焰原子吸收法相比，按照F-檢驗(yàn)法和T-檢驗(yàn)法計(jì)算F和t值，計(jì)算結(jié)果均小于置信度為95%時F值和t值（F8,8∶3.44;t0.05,16∶2.12），說明兩種分析方法之間無顯著性差異。

3 結(jié)束語

建立了微波消解-電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法測定含鐵塵泥中鉀鈉含量的方法，方法具有前處理簡便快速、分析時間短、自動化程度高等優(yōu)點(diǎn)，檢測數(shù)據(jù)精密度好、加標(biāo)回收率高，與經(jīng)典火焰原子吸收光譜法進(jìn)行對比結(jié)果無顯著性差異，滿足含鐵塵泥合理處理和返生產(chǎn)使用中鉀鈉檢測分析要求。