微波消解ICP-OES法测定矿渣中5种金属元素含量

微波消解ICP-OES法测定矿渣中5种金属元素含量

戴险峰

广东环境保护工程职业学院，环境监测学院，佛山市，广东省，中国

摘要：本研究建立了矿渣样品中5种金属元素Cu、As、Sb、Ni、Pb含量同时准确测定的方法，是应用具有温度传感器附件的微波加热萃取于一体的ETHOSL One型微波消解仪系统对矿渣样品进行消解，在低温低压条件下进行赶酸，采用电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ICP-OES）同时测定矿渣中5种金属元素。研究表明，以HNO₃-HCl-HF(H₂O₂)（3:1:1，V/V/V）酸体系为最佳矿渣消解方法，200℃，1000W，消解20min最佳。Cu、As、Sb、Ni、Pb原子发射光谱强度与其质量浓度在0-50mg/L范围内线性关系良好，相关系数均大于0.9999, 加Cu、As、Pb标回收率范围为90%-110%，方法的相对标准偏差（RSD, n=3）范围为0.1%-9.0%。该方法操作简便，能同时定量分析多种金属元素，试剂消耗少、快速、环保，测定结果的精密度、准确度令人满意。

随着工业的持续性发展，对有色金属的需求量越来越大，全球面临着有色金属资源匮乏的问题，矿渣的回收利用开始受到越来越多人的关注[1-5]。矿渣中含有丰富的Cu、As、Sb、Ni、Pb等有价金属，具有较高的综合利用价值。尾矿库渣不加以利用不仅占用了土地和造成资源浪费，而且也给人类环境带来严重污染和危害，破坏生态平衡等问题。因此如何快速、准确测定矿渣中金属元素的含量显得非常重要，而样品的前处理是样品分析最为关键的步骤之一[6]。

传统常用的样品前处理方法周期长、能剂量消耗大、敞开式消解还会产生有害气体影响环境，成为整个分析过程的薄弱环节。尾矿渣土壤类样品消解技术主要有电热板消解[7]、碱熔消解[8]、微波消解[9]等；主要的仪器检测方法有电感耦合等离子体原子发射光谱法[10]、电感耦合等离子体质谱法[11, 12]、原子吸收光谱法[13]、原子荧光光谱法[8]等。

本文研究了矿渣中Cu、As、Sb、Ni、Pb 5种金属元素同时准确测定的方法，探索了采用具有温度传感器附件的微波加热萃取于一体的Ethosl型密闭系统对矿渣样品进行前处理的方法，用电感耦合等离子体原子发射光谱仪同时检测 5种元素含量。由于密闭微波消解所加试剂少，且不蒸发，高温高压下样品易分解完全，是目前国内较先进的样品处理方法[14, 15]；采用电感耦合等离子体原子发射光谱仪只需测定1次标准溶液便能同时测得多种未来能够元素的含量。整个实验分析速度快，线性范围宽，样品溶液和标准溶液使用量少，实验结果为下一步开发矿渣中金属元素综合利用工艺提供了参考依据。

1 研究设计

1.1 仪器与试剂

仪器：ICP-OES 700电感耦合等离子体发射光谱仪（Agilient Technologies）；ETHOS ONE微波消解/萃取系统（意大利Milestone公司）；电子控温加热板；分析天平。

试剂：硝酸（优质纯），高氯酸（优质纯），盐酸（优质纯），氢氟酸（优质纯），过氧化氢（分析纯），去离子水，氩气（纯度不低于99.999%），锑、铜、铅、镍、砷标准溶液1000 PPM 国家钢铁材料测试中心钢铁研究总院。

1.2 样品前处理方法

1.2.1 微波消解

准确称取研磨、过100目筛混合均匀的矿渣样品约0.1g置于洁净的聚四氟乙烯消解罐中，加HNO₃-HCl-HF(H₂O₂)（3:1:1，V/V/V）消解酸体系，加盖轻摇，同时做全程空白实验。按微波消解仪操作步骤进行操作，按表1所列工作条件进行微波消解，待消解结束温度降至45℃左右，放气开盖，取出聚四氟乙烯消解罐，用去离子水冲洗消解罐，转移消解样品放置电子控温加热板160℃左右恒温加热赶酸，当消解液蒸至2mL时，冷却用去离子水冲洗并移液至100mL比色管，加5%HNO₃和去离子水定容至100mL，待测。

表1. ETHOS ONE微波消解/萃取系统工作条件

程序	功率/W	温度/℃	时间/min
1	1000	150	5
2	1000	200	5
3	1000	200	10

1.3样品的测定

1.3.1 标准溶液的配制

吸取Cu、As、Sb、Ni、Pb多元素标准溶液用5%HNO₃稀释其质量浓度分别为0.0、5.0、10.0、20.0、50.0mg/L标准系列，放置待测。

1.3.2 仪器工作条件

Cu、As、Sb、Ni、Pb采用电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ICP-OES）测定。ICP-OES的仪器工作参数见表2。

表2. ICP-OES工作条件

元素	高频发生器功率(Kw)	等离子气流量(L/min)	辅助气流量 (L/min)	自动积分时间（s）	重复 次数	观测 方向
目标元素	1.0	15	1.5	2-5	3	轴向

2 结果与讨论

2.1 样品称样量的确定

待测矿渣类属较难消解、高金属含量样品，称样量多则会影响消解效果，也会增加消解酸的消耗量。在综合考虑金属元素含量、消解效果和满足微波消解对酸用量要求诸因素，实验表明称量尾矿渣样质量约0.1000g为宜。

2.2 分析元素谱线的选择

根据待测元素含量的高低，以及样品中存在的干扰元素对分析元素谱线进行选择，选择发射强度大、共存元素谱线干扰少的谱线为待测元素的分析谱线。本实验考察了Cu、As、Sb、Pb、Ni多条谱线，综合分析比较，选择的最佳分析谱线为：Cu 327.395nm、As 193.696nm、Ni 216.555nm、Sb 217.582nm、Pb 217.000nm。

2.3 标准曲线

以标准加入系列溶液浓度（ρ，mg/L）为横坐标，发射强度（Int.，c/s）为纵坐标，得到绘制Cu、As、Sb、Ni、Pb标准曲线，ICP-OES检测Cu、As、Sb、Ni、Pb的标准曲线相关系数分别为0.99992、0.99993、0.99993、0.99991、0.99997，线性相关良好，说明本文的实验条件是可靠的，线性回归方程及相关系数具体数据见表3。

表3. 线性回归方程及相关系数

元素	线性范围 ρ(mg/L)	回归方程	相关系数 (r)
Cu（327.395nm）	0-50	y=2340.4x-86.6	r=0.99997
As（193.696nm）	0-50	y=19.6x+11.9	r=0.99992
Ni（216.555nm）	0-50	y=125.4x+12.5	r=0.99997
Sb（217.582nm）	0-50	y=36.1x+15.3	r=0.99993
Pb（217.000nm）	0-50	y=18.8x+25.5	r=0.99991

2.4 元素总量分析、方法的精密度与回收率

称取渣样约0.1000g，采用微波消解法进行前处理，电感耦合等离子体原子发射光谱法测定Cu、As、Sb、Ni、Pb含量，分析结果如表5所

表4. Cu、As、Pb加标回收结果

元素	本底 （mg·g-1）	加入量 （mg·g-1）	测定值 （mg·g-1）	回收率R/%
Cu （327.395）	32.2	4.6	37.1	100.8
		9.2	37.5	90.6
Pb（217.000）	161.7	9.2	170.6	99.8
		13.8	171.5	97.7
As（193.696）	92.2	9.2	101.6	100.2
		13.8	104.1	98.2

示，可见Cu、As、Pb含量相对较高，也可看出不同工艺处理后的尾矿渣金属含量差别较大，符合实验要求；为检验方法的准确性，对Cu、As、Pb做了加标回收率实验，并对每种矿渣样品连续进行了3次测定；相对标准偏差（RSD，n=3，%）和加标回收率的结果如表5和表4所示，回收率在（90%，110%）内，测试方法的相对标准偏差（RSD, n=3）为（0.1%，9.0%）。

表5. 矿渣中元素总量分析结果

元素	含量t,ω/(mg·g-1)	RSD(n=3) Sr/%
Cu（327.395）	37.0、32.20、33.5、33.5、36.0、36.7	0.3、0.9、0.4、0.4、0.1、0.3
As（193.696）	68.3、92.2、35.9、28.8、27.2、33.2	8.6、3.5、0.7、1.4、2.7、1.1
Ni（216.555）	14.1、2.1、2.0、1.8、2.0、2.2	0.4、2.1、1.9、5.4、2.2、4.2
Sb（217.582）	17.5、24.0、27.6、26.4、29.7、30.5	0.4、1.8、0.4、1.9、1.4、1.2
Pb（217.000）	127.3、161.7、181.6、191.2、166.3、198.3	1.9、2.9、1.4、1.9、1.1、1.4

3 结论

采用微波消解--电感耦合等离子体原子发射光谱法同时测定矿渣中Cu、As、Sb、Ni、Pb 5种元素的含量。综合消解检测效果以及试剂、能耗因素考虑，优化实验条件，得出以下结论:

1．微波消解体系的研究

矿渣类样品实属较难消解样品，对消解酸体系的确定和微波消解仪工作条件的选择做了研究。通过对比研究表明，以HNO₃-HCl-HF(H₂O₂)（3:1:1，V/V/V）酸体系为理想的矿渣酸消解体系，微波消解仪在最高温度200℃，功率1000W，消解时间20min工作条件下为宜。

2．分析方法可行性与准确性的研究

矿渣类样品消解时间短，且密闭在高压微波消解罐防止样品中有效成分的挥发损失；Cu、As、Sb、Ni、Pb原子发射光谱强度与其质量浓度在0-50mg/L范围内线性关系良好，相关系数均大于0.9999, Cu、As、Pb元素做加标回收率实验表明回收率在（90%，110%）内，测试方法的相对标准偏差（RSD, n=3）为（0.1%，9.0%）。充分证明该分析方法适用于矿渣中多种金属元素的分析。