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硝酸镧为基体改进剂石墨炉原子吸收光谱法测定煤样中的铍

2016-01-11赵秀宏,王鑫焱,郭沛

岩矿测试 2015年1期

硝酸镧为基体改进剂石墨炉原子吸收光谱法测定煤样中的铍

赵秀宏, 王鑫焱, 郭沛, 刘彦春, 姜雨杉

(秦皇岛出入境检验检疫局煤炭检测技术中心, 河北 秦皇岛 066000)

摘要:应用石墨炉原子吸收光谱法(GFAAS)测定煤、地球化学样品、土壤、空气等不同基质中的铍,关键是基体改进剂的选择问题。本文采用一体化平台石墨管,通过缓慢升温燃烧灰化煤炭样品,在硝酸介质中,比较了7种基体改进剂(硝酸镧、硝酸镁、硝酸铝、磷酸氢二铵、氯化钯、碳酸钙、酒石酸)对煤样中铍的增敏效果,同时探讨了基体干扰及消除的问题。实验结果表明,在2%的硝酸介质中,以硝酸镧为基体改进剂,石墨炉灰化温度提高到1100℃,原子化温度仅为2300℃时,即可消除基体中铝、铁、钙、镁、磷等共存元素的干扰。铍的浓度在0~8 μg/L范围内线性关系良好,方法检出限为0.008 μg/g,定量限为0.025 μg/g,精密度(RSD, n=11)为1.8%~2.8%,标准样品的测定值在给定值的误差范围内。其作用机理是镧与干扰元素结合生成了热稳定的难熔、难蒸发、难解离的化合物,将铍释放出来,镧起到既提高灰化温度,又相对降低原子化温度的双重作用,消除了基体干扰的同时,又延长了石墨管使用寿命。本方法操作简单,无需对石墨管预处理,降低了检测成本,具有很强的稳定性和适应性,适用于煤中铍的测定。

关键词:煤; 铍; 硝酸镧; 基体改进剂; 石墨炉原子吸收光谱法; 灰化温度; 原子化温度

DOI:10.15898/j.cnki.11-2131/td.2015.01.008

收稿日期:2013-08-13; 修回日期: 2014-10-15; 接受日期: 2015-01-08

基金项目:国家质量监督检验检疫总局科研项目(2006IK058)

作者简介:赵秀宏,工程师,主要从事煤炭检测工作。E-mail:zxh89125@163.com。

中图分类号:TQ533.1; O657.31; O614.21

文献标识码:B

Abstract:The key to beryllium-determining in coal, geochemical samples, soil, air and other different substrates by Graphite Furnace Atomic Absorption Spectrometry (GFAAS) is to choose a proper matrix modifier. The coal sample is slow burning ashed and then determined by integration platform graphite tube. In this paper, the sensitization effect of seven kinds of matrix modifier (lanthanum nitrate, magnesium nitrate, aluminum nitrate, diammonium phosphate, palladium chloride, calcium carbonate, tartaric acid) to beryllium in nitric acid solution is contrasted, and the elimination of matrix interference is discussed. The experimental results show that the interference of coexisting elements, such as aluminum, iron, calcium, magnesium and phosphorus, are eliminated under the condition of 2% nitric acid medium, lanthanum nitrate as matrix modifier, 1100℃ of ashing temperature and 2300℃ of atomization temperature. The limit of detection is 0.008 μg/L, the limit of quantification is 0.025 μg/L and the linear measurement is 0-8 μg/L. The RSD (n=11) of standard determination is 1.8%-2.8%, the measured values of standards are within the given range. The mechanism is lanthanum and interference elements combined to generate the thermal stability of refractory are indissoluble and difficult to evaporate to release beryllium. Lanthanum can not only improve the ashing temperature, but can also lower the atomization temperature to eliminate the matrix interference and prolong the service life of the graphite tube. This method is simple and less expensive than traditional methods, with strong stability and adaptability, and without pretreatment of graphite tubes. It is suitable for the determination of beryllium in coal.

文章编号:0254-5357(2015)01-0067-08

铍是第一个被发现有致癌作用的金属。2010年国际劳工组织将“铍或铍化合物所致的疾病”列入国际职业病因化学因素所致疾病的第一位[1]。据邓利群等对2008年11月及2009年1月北京市东北城区大气细粒子(PM2.5)可溶性离子组分和相关气体组分的同时监测与分析,结果显示:采样期间PM2.5质量浓度出现“3 峰”的变化趋势。随着采样时间的推进,PM2.5质量浓度增高,原因可能是冬季取暖燃煤排放PM2.5增加,并且在采样期间一直都未发生湿沉降,从而导致了PM2.5在环境空气中的累积[2]。我国是燃煤大国,大多数煤中铍的有机亲和性指数较高,不易在选煤过程中脱除[3],煤在燃烧利用过程中铍富集在烟尘固体微粒的表面和煤灰中,经过雨水淋滤进入土壤和水体,对人体和环境造成污染。我国不同成煤时代煤中铍的含量大多数在0~9 μg/g之间,部分地区高达16 μg/g。1996年我国出台的《大气污染物综合排放标准》(GB 16297—1996),铍及其化合物最高允许排放浓度仅为0.012 mg/m3,是各污染物限值最低的;2012年7月1日强制实施的《生活饮用水卫生标准》(GB5749—2006),水质非常规指标铍的限值为0.002 mg/L。因此,研究煤中微量元素铍的测定方法,对保护环境和人体健康有着十分重要的意义。

铍有多种分析测试方法,针对土壤、空气、水、矿石等不同基质,主要有分光光度法[4]、电感耦合等离子体发射光谱法[5]、电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)[6]、火焰原子吸收光谱法(FAAS)[7]和石墨炉原子吸收光谱法(GFAAS)[8-16]等。其中GFAAS法因其灵敏度较高、操作简便、仪器普及程度高,越来越多地应用于铍的测定。

煤中铍的测定目前尚无国家标准方法。微波消解ICP-MS[6]测定煤炭中铍,由于仪器投入较高,暂时作为试验方法存在,无法广泛推行。现有的GFAAS法采用的原子化温度最高达2900℃[13],不利于石墨管的使用寿命,且回收率在80.3%~113%之间,回收率不理想[8-13]。为弥补上述方法的缺陷,本文采用检测精度更高的一体化平台石墨管,在2%硝酸介质中,以硝酸镧为基体改进剂,用GFAAS法测定煤中铍,不需处理石墨管,在提高准确度和精密度的同时延长了石墨管的使用寿命,降低了检测成本。

1实验部分

1.1仪器与工作条件

AA800型火焰-石墨炉原子吸收光谱仪自动切换一体机,AS800型自动进样器,铍空心阴极灯,一体化平台石墨管,配以纵向塞曼效应背景校正(美国PerkinElmer公司)。

AAF11/7型马弗炉(英国Carbolite公司),升温速率可控;电热板,温度可调;聚四氟乙烯坩埚。

石墨炉原子吸收光谱仪器工作条件见表 1,石墨炉升温程序见表2。

表 1仪器工作条件

Table 1Working parameters of the GFAAS instrument

工作参数设定条件工作参数设定条件波长234.9nm进样体积20μL狭缝宽度0.7nm基体改进剂体积1μL灯电流30mA重复次数2积分方式峰面积积分时间3s背景扣除纵向塞曼效应背景校正

表 2石墨炉升温程序

Table 2Temperature raising procedure of graphite furnace

步骤温度(℃)升温时间(s)保持时间(s)气体流量(mL/min)干燥1110530250干燥2130535250灰化1100520250原子化2300050消除250015250

1.2标准物质、标准溶液和主要试剂

因我国现有的煤标准物质中还没有铍的含量值,因此选用南非煤炭标准物质:SARM18,铍标准值为4.1 μg/g,95%置信区间范围在3.9~4.5 μg/g;SARM19,铍标准值为2.8 μg/g,95%置信区间范围在2.3~3.1 μg/g;SARM20,铍标准值为2.5 μg/g,95%置信区间范围在2.1~3.0 μg/g。

铍标准储备溶液:1000 mg/L铍标准储备溶液(介质为10%的硝酸),国家钢铁材料测试中心钢铁研究总院研制。

铍标准系列溶液:用标准储备液稀释成0、1.00、2.00、4.00、5.00、6.00、8.00 μg/L的标准系列溶液,介质为2%的硝酸。

硝酸、高氯酸、氢氟酸:优级纯。

硝酸镧、硝酸镁、硝酸铝、磷酸氢二铵、氯化钯、碳酸钙、酒石酸:分析纯。

实验用水为二次去离子水。

1.3实验步骤

1.3.1煤样灰化

准确称取按GB 474—2008《煤样的制备方法》制备的空气干燥分析煤样0.5 g(准确至0.1 mg)于灰皿中,铺平,将灰皿放入冷的马弗炉中,约2 h内升到500℃,在此温度下灼烧至无碳粒。

1.3.2煤灰分解

将灰样全部转移至聚四氟乙烯坩埚中,用少许水润湿,加入5 mL硝酸、5 mL高氯酸和15 mL氢氟酸,置于电热板上缓慢加热至冒高氯酸白烟,内溶物呈黏稠状。冷却,加5 mL硝酸、15 mL去离子水,在电热板上加热至近沸并保持20 min,使盐类完全溶解。取下坩埚,将坩埚中溶液全部转移到250 mL塑料容量瓶中,用热水冲洗坩埚并转移到250 mL塑料容量瓶中,冷却至室温,用水稀释至刻度。

1.3.3石墨炉原子吸收光谱法测定

在选定的最佳仪器工作条件下制作标准曲线,测定样品溶液中铍含量,通过仪器设定的程序单独加入基体改进剂,纵向塞曼效应背景校正。

2结果与讨论

2.1煤样燃烧灰化温度的选择

煤是由有机物和无机物两部分组成的不均质的混合物。燃烧灰化是最常用的煤样处理方式。煤样燃烧灰化温度及升温速率影响着铍的挥发损失。借鉴煤中铬、镉、铅的国家标准测定方法(GB/T 16658—2007),采用缓慢升温法。经过试验,无烟煤在400℃下燃烧16 h也未灰化完全,考虑到检测时效,于500℃、600℃和815℃的温度下,选用2个煤炭标准样品SARM18和SARM20进行试验。500℃条件时,控制升温速率,约2 h时间内升到500℃,在此温度下灼烧至无碳粒;600℃和815℃条件时,按前述方法先升到500℃后,继续在约1 h时间内升到600℃或815℃,在相应温度下灼烧至无碳粒。

由试验可知:采用缓慢升温法燃烧灰化煤炭样品,在500℃、600℃和815℃下,铍的测定结果无显著差异,测定值均在标准样品给定的不确定度范围之内,铍元素无挥发损失。为GB/T 16658—2007燃烧灰化煤样时的温度保持一致,本实验选择灰化温度为500℃。

2.2煤炭样品消化分解后介质酸试验

选择稀释的硫酸、盐酸、硝酸作为待测液基体,测定其在不同浓度下的影响试验。选用2个南非标准样品(SARM18和SARM20),每个样品在不同酸及相应酸度下做2个平行样,测定结果取其平均值。实验结果显示:以盐酸和硫酸为介质时,吸收峰为锯齿峰,基体干扰大,标准样品测定值普遍偏低;而以硝酸为介质时,峰形尖锐,灵敏度高,无锯齿峰,因此选择硝酸为介质。

硝酸本身就可以作为一种基体改进剂,不同浓度的硝酸作待测液基体对测定结果有一定影响[15],为考察其持续效应,特将不同酸度下的样品溶液放置3天、7天、15天后分别测定。结果显示:0.4%硝酸介质溶液中,铍在放置3天后的测定值衰减10%,放置15天后衰减50%;1.2%硝酸介质溶液中,铍在放置3天后的测定值衰减8%,放置15天后衰减10%;2.0%硝酸介质溶液中,铍在放置15天后的测定值无差异。因此,本文选择2.0%的硝酸作待测液基体,即在盛有样品溶液的250 mL容量瓶中加入5 mL硝酸。

2.3基体改进剂的选择

2.3.1不同基体改进剂的增敏效果

用GFAAS法分析不同基质中的铍,测定结果准确与否,关键是如何消除共存元素的干扰即基体改进剂的选择问题。例如,美国EPA推荐以钯盐-硝酸镁为基体改进剂[8];马戈等[9]以硝酸镁作为基体改进剂采用横向加热GFAAS法测定蘑菇、茶叶中的铬和铍;王志伟等[10]以铝为基体改进剂测定大气颗粒物中的铍;周乐舟等[15]以硝酸镁-磷酸氢二铵为基体改进剂测定尿中的铍;姚朝英等[14]以氯化钯为基体改进剂,测定土壤中的铍;干宁等[13]用7-(2-胂酸基-5-羧基)苯偶氮-8羟基喹啉-5-磺酸(H2L)与Be2+形成络合物,再固相萃取GFAAS法测定米面中的铍。

煤的组成复杂,基体干扰大,在高背景、低含量铍的测定中,选择适宜的消除干扰用基体改进剂更是重中之重。刘献新等[11]将GFAAS分析中的基体改进剂分为无机试剂、有机试剂或活性气体。胡文兰等[17]对铍测定方法的研究进展进行了分析。总之,对于基体改进剂一般有单独使用和混合使用2 种方式[18],本方法重点试验了硝酸镧、硝酸镁、硝酸铝、磷酸氢二铵、氯化钯、碳酸钙、酒石酸共7种试剂,各试剂单独使用,考量其对标准样品(SARM18和SARM20)测定的增敏效果,结果见表3。

由表3可知:不加基体改进剂的测定值明显偏低,加入基体改进剂后灵敏度普遍提高。硝酸镧、硝酸铝、碳酸钙、硝酸镁的测定值在标准样品给定值的不确定度范围之内,但硝酸铝、碳酸钙在提高灵敏度的同时背景吸收很大,还出现了不同程度的锯齿峰;硝酸镁的背景吸收也很大,这可能与钙、镁、铍同为碱土金属元素有关[14];氯化钯、磷酸氢二铵、酒石酸测定值偏低,背景吸收大;加入硝酸镧后背景吸收小,效果明显优于其他6种基体改进剂,因此,选择硝酸镧作为基体改进剂。

2.3.2硝酸镧的加入量及加入前后峰形变化

对硝酸镧基体改进剂的用量进行条件试验,选择标准样品SARM18、SARM20测定,进样量20 μL。首先不加硝酸镧测定,再分别加入10 mg/mL硝酸镧1、2、3 μL进行测定,测定结果显示:不加硝酸镧的吸收峰为锯齿峰,背景吸收大,测定值明显偏低;加入硝酸镧后,峰形尖锐,干扰小。加入1、2、3 μL硝酸镧后,铍的测定结果皆在标准值的不确定范围之内,从环保角度考虑,选择加入10 mg/mL硝酸镧1 μL即可。

表 3各种基体改进剂的增敏效果

Table 3The sensitizing effects of matrix modifier

基体改进剂背景吸光度SARM18铍测定值(μg/g)铍标准值(μg/g)背景吸光度SARM20铍测定值(μg/g)铍标准值(μg/g)未加改进剂0.19632.764.1(3.9~4.5)0.17961.652.5(2.1~3.0)硝酸镧0.20574.114.1(3.9~4.5)0.20122.472.5(2.1~3.0)硝酸镁0.31823.924.1(3.9~4.5)0.25342.252.5(2.1~3.0)硝酸铝0.34453.914.1(3.9~4.5)0.28612.282.5(2.1~3.0)磷酸氢二铵0.30103.714.1(3.9~4.5)0.23772.002.5(2.1~3.0)氯化钯0.31713.854.1(3.9~4.5)0.24352.082.5(2.1~3.0)碳酸钙0.33124.014.1(3.9~4.5)0.27922.302.5(2.1~3.0)酒石酸0.30613.774.1(3.9~4.5)0.24282.012.5(2.1~3.0)

2.4石墨炉升温程序

石墨炉升温程序的干燥温度、灰化温度、原子化温度直接影响测定结果的准确性。选择4 μg/L的标准溶液,进样量20 μL,加入10 mg/mL硝酸镧1 μL进行干燥温度、灰化温度和原子化温度条件试验。经试验,干燥阶段分110℃、130℃两步,能很好得将样品溶液干燥,灰化温度和原子化温度条件试验结果见图1。

图 1 灰化曲线与原子化曲线 Fig.1 Ashing curve and atomization curve

由图1可以看出:加入10 mg/mL硝酸镧1 μL后,随灰化温度和原子化温度的升高吸光度逐渐增大。当灰化温度在1100~1200℃时,吸光度大且趋于稳定,超过1200℃吸光度开始下滑;原子化温度在2300~2500℃时吸光度大且趋于稳定。根据低温原则,灰化温度选择1100℃,原子化温度选择2300℃。用硝酸镁、硝酸铝、氯化钯、钙盐为基体改进剂时,灰化温度在600~1600℃之间,原子化温度在2400~2650℃之间。与之相比,用硝酸镧为基体改进剂,比不用基体改进剂灰化温度提高了300℃,原子化温度却降低100~350℃,硝酸镧起到既提高灰化温度,又相对降低原子化温度的双重作用,达到消除基体干扰,延长石墨管使用寿命的目的。

2.5共存元素的干扰及消除试验

在样品溶液中除含有微量的待测元素铍外,还含有大量的Al、Ca、Fe、Mg等元素和其他微量元素,选取Al、Fe、Ca、Mg、K、Na、Ti、P、Mn、Ba、V、Cu、Cr、Pb、Mo、Ni、La共17种共存元素考量对铍的测定干扰。以4 μg/L铍标准溶液为基础,分别加入各元素和所有元素的混合物进行干扰及消除试验,每种共存元素加入量为实际样品中可能含有的最大量,其中Al、Ca为60000 μg/L,Fe为50000 μg/L;Mg、K、Na、Ti为5000 μg/L;其余为500 μg/L。测定结果显示:Al、Ca、Mg、Na、Ti、Ba、Cu、Cr、Pb、Mo及各元素混合物为正干扰。尤其当加入Al、Ca及各元素混合物时,铍的测定值近似为实际值的16.2、11.8、16.3倍。铝的干扰效果和各元素混合物的干扰效果几乎一致,这可能是因为有些元素混合在一起正干扰和负干扰相互抵消、相互作用的结果,其作用机理有待今后进一步研究;K对测定无影响;Fe、P、Mn、V、Ni元素对铍有抑制作用,这可能是铍与这些元素在高温环境中进行化学结合,生成了难解离的化合物,造成负干扰。

当进样量为20 μL,加入10 mg/mL硝酸镧1 μL后,测定结果与铍标准溶液的浓度一致,证明加入硝酸镧后消除了基体中所有共存元素的干扰。其作用机理是镧与干扰元素结合生成了热稳定的难熔、难蒸发、难解离的化合物,将铍释放出来,起到释放剂的作用,使测定结果准确、可靠。

2.6分析技术指标

2.6.1方法检出限与线性范围

用2.0%硝酸将1000 mg/L铍标准储备溶液逐级稀释,配制成10 μg/L铍标准溶液,利用仪器自动稀释功能配制成0、1.00、2.00、4.00、5.00、6.00、8.00 μg/L系列标准铍溶液,在所选的仪器工作条件下测定其吸光度。以吸光度(у)为纵坐标,质量浓度(x)为横坐标,仪器自动绘制标准曲线,回归方程为y=0.07943x,线性相关系数为0.9998。

做21个平行空白样品,测定铍含量,求得标准偏差(SD)为0.0004 μg/L。按计算公式LOD=3*SD/K计算方法检出限为0.008 μg/g。按公式LOQ=10*SD/K计算定量限为0.025 μg/g(K为回归方程斜率,以取样质量0.5g,定容体积250 mL计)。

2.6.2方法准确度和精密度

按实验建立的方法测定3个标准样品,各做11个平行样,结果取其平均值,见表4。标准样品的测定值均在标准值的误差范围内,相对标准偏差(RSD)在1.8%~2.8%之间,证明方法准确度和精密度高,稳定性强。

表 4方法准确度和精密度

Table 4Accuracy and precision tests of the method

标准样品铍测定值(μg/g)铍标准值(μg/g)相对误差(%)RSD(%)SARM184.084.1(3.9~4.5)-0.491.8SARM192.852.8(2.3~3.1)+1.792.6SARM202.472.5(2.1~3.0)-1.202.8

3结语

本文采用缓慢升温法燃烧灰化煤炭样品,用硝酸-高氯酸-氢氟酸消化分解,以硝酸镧为基体改进剂,GFAAS法测定高背景低含量的煤中铍,具有检出限低、线性范围宽、精密度和准确度高的优点。镧与干扰元素结合生成了热稳定的难熔、难蒸发、难解离的化合物,将铍释放出来,镧起到了既提高灰化温度,又相对降低原子化温度的双重作用,延长了石墨管的使用寿命。该方法操作简单,无需对石墨管预处理,具有很强的稳定性和适应性,不仅适用于煤中铍的测定,可推广应用到其他基质中铍的测定。

在探讨基体中共存元素的干扰作用时发现:Al、Ca、Mg、Na、Ti、Ba、Cu、Cr、Pb、Mo及各元素的混合物为正干扰,Fe、P、Mn、V、Ni为负干扰,而将共存元素混合后,混合物与Al的正干扰效果几乎一致,这有可能是其他元素的正干扰和负干扰相互抵消、相互作用的结果,也有可能相互之间生成了难熔难解离的络合物,其作用机理有待今后进一步研究。

参考文献4 应征论文须用Word软件编辑,包括题目、作者、单位、必要的图表、结果和讨论、主要(2~5篇),用A4纸,版心尺寸为15 cm×24 cm, 标题用小三号黑体,正文用小四号宋体,全文(包括图表)一般为一页,请勿超过两页。文末须附英文题目、作者姓名和单位。截稿日期:2015年3月15日。

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Beryllium-Determining in Coal by Graphite Furnace Atomic Absorption Spectrometry with Lanthanum Nitrate as Matrix Modifier

ZHAOXiu-hong,WANGXin-yan,GUOPei,LIUYan-chun,JIANGYu-shan

(Qinhuangdao Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau, Qinhuangdao 066000, China)

Key words: coal; beryllium; lanthanum nitrate; matrix modifier; Graphite Furnace Atomic Absorption Spectrometry; ashing temperature; atomization temperature

中国化学会第十二届全国分析化学年会(第一轮通知)

中国化学会和国家自然科学基金委主办、华中师范大学承办的“第十二届全国分析化学年会”定于2015年5月8日~11日在武汉洪山大礼堂召开。这是我国分析化学领域三年一届的盛会,会议将就我国自上届学术会议以来分析化学学科的新成就、新进展进行学术交流和研讨,会议将组织分析化学前沿的大会报告、分组报告和讨论,并邀请部分国外学者和海外华裔学者与会。热忱欢迎广大的分析化学工作者踊跃投稿和参加会议。现将有关事项通知如下:

一、征文内容

(1)原子光谱分析;(2)分子光谱分析;(3)色谱法与分离科学;(4)电分析化学;(5)波谱分析(包括顺磁、核磁共振);(6)质谱分析;(7)显微成像分析;(8)微流控芯片分析;(9)联用方法与自动化分析;(10) 形态、表面及结构分析;(11) 生物分析化学;(12) 药物和代谢物分析; (13)环境分析化学;(14)食品分析;(15) 蛋白质分析;(16)核酸分析;(17)纳米分析化学;(18)分析仪器及装置;(19) 质量控制; (20)化学计量学与生物信息学。凡已在刊物上发表或在全国会议上报告的论文不在应征之列。此次会议交流形式包括大会报告、邀请报告、口头报告和墙报交流,并设优秀墙报奖,诚挚欢迎积极参与 (http://ac.ccnu.edu.cn)。

二、征文要求

三、 收稿地址

网上投稿和会议注册将于2014年10月1日开通,请尽量网上投稿。如果通过电子邮件投稿,请发至:ac2015china@163.com,并在邮件中注明"会议征文"和论文第一作者及通讯联系人的姓名、职称、工作单位、邮编、联系电话及E-mail。同时,为便于分类,请在邮件主题中注明稿件类别(如1原子光谱分析;2分子光谱分析;3色谱法与分离科学;4电分析化学;5波谱分析;6质谱分析等)。

本会欢迎国内外分析仪器公司、厂商到会介绍和展出产品,有关具体事宜请与筹备组联系。

第十二届全国分析化学年会筹备组