ICP-OES检测单质硼粉中的铝镁铁杂质

徐惠敏

摘  要：硼为非金属元素，是缺电子原子，可以形成缺电子化合物。硼的熔点为2303K，沸点4203K;硼的最外层有三个电子只能形成+3价的化合物，成键时进行sp2轨道杂化形成共价键，其化学性质不够活波。单质硼主要用来制造硼钢，硼钢用作原子反应堆的挖制棒。单质硼主要用钠、镁或铝等活泼金属在高温下还原氧化硼制得，会有铝、镁、铁等杂质的引入。根据工作经验采用ICP-OES检测硼粉中的铝镁铁杂质，这种检测方法的优点是灵敏度高，分析速度快，准确度高、选择性好、应用范围广等。文章对实验的前处理、建标、检测、数据处理等进行阐述和说明。

关键词：电感耦合等离子发射光谱仪（ICP-OES）;单质硼粉;铝镁铁杂质;杂质检测

中图分类号：TQ127.2       文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）23-0116-03

Abstract： Boron is a non-metallic element and is an electron-deficient atom， which can form electron-deficient compounds. The melting point of boron is 2303K and the boiling point is 4203K. Three electrons in the outermost layer of boron can only form +3 valence compound. When bonding， the sp2 orbital hybrid forms covalent bond， and its chemical property is not enough to live wave. Boron is mainly used to make boron steel， and boron steel is used as the digging rod of atomic reactor. Boron is mainly prepared by reduction of boron oxide at high temperature by active metals such as sodium， magnesium or aluminum， with the introduction of impurities such as aluminum， magnesium and iron. According to the working experience， ICP-OES is used to detect aluminum， magnesium and iron impurities in boron powder. This method has the advantages of high sensitivity， fast analysis speed， high accuracy， good selectivity， and wide range of application. In this paper， the pre-processing， standard establishment， detection and data processing of the experiment are described and explained.

Keywords： inductively coupled plasma emission spectrometer （ICP-OES）; elemental boron powder; aluminum， magnesium and iron impurities; impurity detection

引言

硼在元素周期表里處于第3主族，最外电子层有三个电子，属于较为稳定的元素。但是硼单质在地壳中很少存在，所占百分比为0.001%。单质硼可分为黑色、银灰色的粉末状，结构不同，其物理性质也表现不同。例如：晶体硼表现为黑色并且硬度非常大，只有金刚石的硬度大于它。单质硼是一种矿物，用途非常广泛，尤其是在化工原料方面。硼酸就是用硼制得的，硼还被用于合成别的化合物。现在许多冶金工程材料、家用电器和医院药物等都是以硼作为原材料，其中日常生活中常见的洗涤剂、玻璃、陶瓷以及化肥工业中的用途大概占据总硼使用量的四分之三，由此可见其重要性。

硼作为微量元素存在于石英矿中。高纯石英砂的提纯工艺中，如何尽量的降低硼含量成为关键工艺。硼的存在使得石英的熔点降低，制得的石英坩埚使用次数降低，使单晶硅生产成本升高。

1 实验部分

1.1 外观检测

采用目测法对硼粉进行外观检测，硼粉应为灰色至黑色的粉末。

1.2 纯度98%-99.5%的硼粉中铝镁铁杂质分析

1.2.1 仪器

本实验用到以下仪器设备：AGILENT 710-ES水平矩管的电感耦合等离子发射光谱仪、电子天平、烧杯、电热板、容量瓶、移液管。

1.2.2 试剂和溶液

浓硝酸;浓硫酸（上海麦克林生化科技有限公司）;高纯硼粉（99.9999%）（广东广试试剂科技有限公司）;铝、镁、铁的单标溶液100mg/l（国家有色金属及电子材料分析测试中心）;蒸馏水。

1.2.3 实验步骤

准确称取6份高纯硼粉和3份样品0.1000（±0.0001）g，精确到0.0001g，将样品置于100ml的烧杯中;配置浓硫酸与浓硝酸为3：1的混合液酸;分别将8～10ml的混酸装入有样品的烧杯中，再把加好酸的样品烧杯放到电热板上进行加热溶解（先设置温度为80℃，加热一小时，再调至温度为110度，加热直至完全溶解，最后把温度调到125摄氏度加热至混合酸冒烟），然后冷却;分别往烧杯中加入20ml蒸馏水，将烧杯中溶液转移至100ml的容量瓶中。

配置标准曲线：在高纯硼的溶液中分别加单标铝、镁、铁标液，分别配置混标浓度为0.0mg/l、1.0mg/l、2.0mg/l、5.0mg/l、10.0mg/l、25.0mg/l，定容至100ml，样品直接定容至100ml待检测。

2 结果与分析

2.1 样品与硼基体标液的处理

溶解硼粉时需要注意混酸的量和比例（单独的浓硝酸或浓硫酸虽然也能将硼粉溶解，但是需要更高的条件）。通过平时的实验结果综合得出浓硝酸与浓硫酸在1：3的条件下为最优状态，反应时间将大大缩短;浓硫酸的量不易过多，因为浓硫酸有粘稠性，会对进样的流速有一定的影响，所以在处理过程中要注意冒硝酸烟和硫酸烟，减少溶液对仪器以及分析过程带来的负面影响。

2.2 选择最佳分析波长

用高纯硼粉（99.9999%）作基底可以有效控制基体效应（高纯硼粉作为样品的背景，这样保证基体条件相同从而减少了基体干扰）。选择铝、镁、铁的最佳波长要考虑硼线本身的干扰大小，还要注意铝、镁、铁之间的干扰。应用自动拟合谱线技术 （FACT），FACT是对标样进行测定（包过对需要检测的元素及干扰元素），用检测出来的图谱数据进一步的分析，最终将待测分析谱线附近有干扰的波长谱线剥离出去，最后选择最佳的分析波长。选择波长如表2所示。

2.3 标准曲线的建立

选择好待测元素的波长后，用仪器ICP-OES进样测试。建立的曲线保证相关系数R2≥0.998，否则需要重新配置标准曲线。测试结果分别如表3和图1、表4和图2、表5和图3。

2.4 样品分析

标准曲线建立后直接测定样品。测得的样品分别记录各种元素的强度值（c/s），软件会得出数据（ICP Expert II），即得到各杂质在样品中所占的质量百分比。

3 讨论与注意事项

3.1 结果讨论

此次实验使用的是用高纯硼粉作基底，配置混标的标准溶液，然后按照绘制标准曲线的步骤测定，绘制强度-浓度曲线，直接测试得样品溶液中铝、镁、铁的含量。

检测样品之前可以先进行EDX初描杂质含量，或者进行ICP初测得出需要元素的强度，从而配置相应的标准溶液。结果数据的记录需遵从以下规则：当尾数≤4时则舍去，尾数≥6时则入;尾数等于5时，若5前面为偶数则舍，为奇数时则入;当5后面还有非零的任何数时，无论5前面是偶数或奇数都入。以此来记录需要的有效数字。

3.2 注意事项

3.2.1 样品前处理注意事项

（1）称取样品时，应先清洁电子天平的天平箱内外灰尘，检查天平的水平和零点是否合适、砝码是否齐全;确保样品的温度与电子天平室中天平箱内的温度相同，要不然容易使气流上升或下降，推动天平盘使称得的质量不准确，导致结果不准确。

（2）配置混合酸时，硝酸和硫酸都是浓酸，需要用250ml的烧杯，因为配置混酸会产生大量的热量。注意先加硝酸，然后慢慢沿着烧杯壁加入浓硫酸，待冷却至室温后分别量取8～10ml的混酸加入到需要溶解的样品里。（保证溶剂一样，这样也就保证了酸度基体一致）

（3）样品溶解，将加好酸的烧杯盖好玻璃盖（玻璃皿）放到电热套或电热板上加热，先设置温度为80℃加热一段时间使其反应，再调制温度为110℃下加热至完全溶解，最后把温度调制到125℃加热，冒混合酸烟;冷却、清洗玻璃皿至烧杯中、加20ml蒸馏水、冷却并转移至容量瓶中待操作。

3.2.2 标准曲线和样品的配置

（1）在转移好的容量瓶中分别移取100mg/l的单标铝、镁、铁标液配置成所需浓度，移好标液后用蒸馏水定容至刻度，摇匀待检测。

（2）由于吸量管的容量精度低于移液管，所以移取标准时使用经过校准后的移液管;同时容量瓶也用校准后的。

3.2.3 ICP-OES检测

电感藕合等离子发射光谱仪（ICP-OES）的优点在于灵敏度高、选择性好、准确度高、分析速度快、应用范围广等，能检测几乎所有的金属离子。

仪器运行时应注意以下几点：气体为Ar（氩气）;运行时辅助气为1.5L/min ，等离子气为15.0L/min 、雾化气开、冷却水开、每次测试运行时间为3min（手动进样）。其中氩气纯度≥99.999%仪器必须先通气，冷却水压力40-45（psi）。

测样前先对仪器进行校准（波长校准：用5mg/l的波长校准液对167-765nm的波长进行校准）;矩管准直：5mg/l的Mn（257.61nm）标液，强度值在60万-100万c/s之间。一切就绪后检测样品，记录和处理数据。

3.2.4 检出限

测量高纯硼粉（99.9999%）基体溶液20次，从而得出检出限DL（3倍的SD）铝：0.0008%;铁：0.0009%;镁：0.0013%。注意要连续测试此溶液。

4 结束语

用ICP-OES检测硼粉中杂质铝镁铁的含量，ICP-OES检测无机离子或原子的含量，可以定性也可以定量，在試剂检测方面有广泛的应用，是必不可少的检测仪器。本实验单质硼杂质的检测前处理是关键，因为硼自身的化学性质就不活波，需要用浓硝酸或浓硫酸来溶解，但是在实际操作中发现用硝酸和硫酸的混酸溶解效果不错，既减少了处理时间也能完全溶解样品。用高纯硼粉作基底建标线可以有效控制基体效应，使结果的真实性和可靠性得到保证;建好标准曲线（R2≥99.8%），直接在曲线上检测样品能快速得到结果。此方法为硼粉原料及成品的常用检测手段。

参考文献：

[1]兰绿灯，王峰.ICP-OES测定高纯硅微粉中的杂质元素[J].科技创业月刊，2016，29（13）：139-140.

[2]姜亚男，杨光，田玮.ICP-OES法测定保护渣中铁、铝、镁的氧化物含量[J].河北冶金，2013（1）：62-63.