电感耦合等离子体原子发射光谱于锅炉管道垢样分析中的应用

郭琳媛，张睿

(中国锅炉水处理协会 国家锅炉水处理与有机热载体质量监督检验中心，北京 100013)

在特种设备行业，锅炉的安全运行与人们的生活息息相关。锅炉投运以后，在某些条件下，会在受热面上结垢，这不仅会降低锅炉和热交换设备的传热效率，增加热损失和燃料的消耗量，而且会使金属发生沉积物下腐蚀，引起锅炉水冷壁过热，导致鼓包或爆管［1-3］，甚至引起停产、锅炉报废，严重危害了热力设备的安全、经济运行。所以，在锅炉检修中，都要进行割管和测定垢量，为了解垢的成分类型和形成原因，以便根据垢量及其组成采取正确的处理措施，必须对它们进行化学实验分析，提供可靠的数据。

电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)在垢样分析中拥有多元素同时检测能力、分析速度快、选择性好、精度和准确度较高、ICP 光源校准曲线线性范围宽等特点［4］。为此，利用ICP-AES 进行锅炉管道中垢样的组成分析，为清垢防垢提供有效数据与参考资料。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

铁、铝、钙、铜、钾、镁、钠、硅、磷单元素标准溶液1 000 μg/mL(钢铁研究总院、国家钢铁材料测试中心);盐酸，优级纯;去离子水。

Thermo Scientific ICAP-6000 型电感耦合等离子体原子发射光谱仪。

1.2 校准曲线

由于ICP-AES 可以多元素同时进行测定，所以把待测元素配制于同一标准溶液中。金属元素易于被氧化，标准溶液需用1%HNO3溶液定容至100 mL容量瓶中，而非金属元素标准溶液直接用去离子水定容，故配制金属元素标准溶液系列和非金属元素标准溶液系列两个系列。其中，由于样品中主要含量为铁，故配制标准溶液浓度见表1。

表1 配制校准曲线溶液时各元素标准溶液的浓度(μg/mL)Table 1 The standard solution concentration of elements for calibration curve

1.3 样品处理

从割下的炉管上截取长为10 cm 的一段，在车床上切割其外壁，使管样壁厚为0.5 ～1.0 mm。称重及测定内表面积。

将试样浸入盐酸(1 +1)溶液，加热至60 ℃，用塑料棒搅动，直至试样内表面的垢均已清洗掉为止。用定量滤纸过滤，残渣称重为酸不溶物含量;滤液稀释至1 L 容量瓶中。

如分析试液中某种元素的含量比较高，将试液稀释后，在原试液测定的同一个界面条件下，用同一条曲线进行测定，结果不受影响。实验中所有玻璃器皿使用前均用盐酸(1 +1)浸泡24 h，用去离子水冲洗干净。

2 结果与讨论

2.1 仪器工作条件的选择

分析样品中所含元素较多，被测元素Fe、Al、Ca、Cu、K、Mg、Na、Si、P 中，K、Na 较易激发，所需功率较低，但考虑到其它元素的整体影响，最终选择功率为1 150 W。为了提高雾化效率，雾化器压力、辅助气流量和泵速的选择见表2。经过实验，再将这三项指标上调，检测结果的精度提高不明显。故实验选择表2 的工作条件。

表2 ICP 仪器最佳工作条件Table 2 The best working conditions of ICP

2.2 分析线的选择

为了选择最适宜的谱线作为分析线，每个元素的测定都选择了多条谱线，根据各元素谱线的干扰情况，选择了灵敏度高、光谱干扰小且光谱干扰易被扣除的谱线作为分析线［5］。从校准曲线可知，Fe、Al、Ca、Cu、K、Mg、Na、Si、P 的多条谱线线性均较好，考虑到分析时间和工作强度，综合考虑元素间的干扰、各谱线线性及峰形，选择了以下谱线作为分析线，见表3。

2.3 混合标准溶液的校准曲线

混合型标准溶液校准曲线相关系数见表3。

表3 元素分析线及校准曲线相关系数Table 3 Elemental analysis and correlation coefficient of the calibration curve

2.4 精密度与准确性

使用本方法对同一样品中Fe、Al、Ca、Cu、K、Mg、Na、Si、P 进行3 次测定，计算其标准偏差与相对标准偏差，精密度及加标回收率结果见表4。

表4 方法精密度测定结果(μg/mL)Table 4 Measurement result of method precision

由表4 可知，回收率在98.4% ～101.6%，说明本方法的结果是准确可靠的。

2.5 实际垢样分析

某锅炉厂定期检验取水冷壁管，向火侧位置，样品处理后经ICP-AES 测量，结果见表5。

表5 样品中元素含量测定结果Table 5 The measurement results of element contents in the sample

考虑到具体元素在垢样中的氧化物形式，转换成对应氧化物含量，见表6。

表6 样品中各种氧化物含量Table 6 Various oxide content in the sample

3 结论

通过对锅炉管道垢样主要元素的测定方法研究，建立了以前处理为酸溶，利用ICP-AES 法测定垢样中主要元素Fe、Al、Ca、Cu、K、Mg、Na、Si、P 含量的方法。结果表明，该方法操作方便快捷、结果准确度高，能快速准确测定锅炉管道中垢样的上述成分的含量，更能满足于现今高效率垢样成分分析。唯一缺点为ICP-AES 仪器昂贵，操作费用高，在工业分析中需结合各方要求进行方法选择。

［1］ 阮桂色.电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)技术的应用进展［J］.中国无机分析化学，2011，1(4):15-18.

［2］ 赵玉珍，吕佩德.ICP-AES 法测定钕铁硼永磁材料中常量及微量元素［J］.分析实验室，1997，16(6):25-28.

［3］ 郭立靖，张铁斌. 火力电厂热力设备上垢样成分分析［J］.内蒙古电力技术，2006，24:102-103.

［4］ 王婷.火力发电厂垢样的分析方法［J］.中国特种设备安全，2010(10):61-64.

［5］ 吕琦，崔隽，郭芳，等. 电感耦合等离子体原子发射光谱法测定煤粉助燃剂中7 种主要氧化物［J］. 冶金分析，2013，33(5):67-71.