火焰原子吸收光谱法测定炭素阳极残极中多种金属元素的含量

卫莉婷，原敏杰，武洋仿

(运城学院 应用化学系，山西 运城 044000)

引言

炭素阳极材料的好坏是影响电解铝工业经济、环保指标的主要因素。从理论上讲每生产一吨铝要消耗炭量333 kg，而铝厂实际消耗的炭量为500～600 kg，约占总成本的15%左右[1]。在此过程中产生的大量的炭素阳极残极(约占阳极总量的15%)[2]，能够作为再次生产阳极的原料，降低成本，实现可持续发展。

然而阳极残极中的微量元素对阳极炭质量产生非常大的影响[3]，例如Na、Ca、Fe进入炭素生产系统，不但不能改善产品质量，还会加速阳极在电解过程中的消耗。其中Fe元素直接影响铝液的品位；Na、Ca元素加速炭的化学反应，造成了阳极易掉渣、掉块。因此对残极中微量元素的检测分析和清洗尤为重要。

目前，固态样品中微量金属元素的测定方法种类繁多，主要有电感耦合等离子体发射光谱法(ICP)[4-6]和火焰原子吸收光谱法[7～9]。原子吸收光谱法可同时测定多种金属元素含量，具有精密度高、读数稳定、操作简单快捷等优势。为此，本文利用火焰原子吸收光谱法来测定残极中Na、Ca、Fe这三种元素的含量。由于残极中除了要测定的三种元素以外，还共存其它多种金属元素(Si、Al、K、Pb、Ni)[10]，因此选择加入SrCl2或CsCl作为干扰抑制剂，来准确测定Na、Ca、Fe这三种元素的含量。

1. 实验部分

1.1 仪器与试剂

TAS-990型原子吸收分光光度计(北京普析通用仪器公司)，MX-51D型气体压缩机(沈阳市气体压缩机厂)，ACS-C200G型精密电子分析天平(天津天马衡基仪器有限公司)，微孔过滤器及孔径为0.45 μm的微孔滤膜(宁波鸿谱仪器科技有限公司)，202-OBS型台式干燥箱(重庆试验设备厂)，ETHOS 1型微波消解仪(莱博泰克科技有限公司)。

Na、Ca、Fe单标准溶液(北京北方伟业计量技术研究院，含量：0.1 mg/mL)，SrCl2(优级纯，国药集团化学试剂有限公司)，CsCl药品(分析纯，郑州市金水区富佳化工商行)。

Na、Ca、Fe系列标准溶液：取适量的3种金属元素单标准储备溶液用蒸馏水进行稀释。配制Na系列标准溶液时加入CsCl溶液；配制Ca系列标准溶液时加入SrCl2溶液。

实验用水为超纯水。

1.2 仪器工作条件

原子吸收光谱仪的工作条件如表1所示：

表1 仪器设置一览表

1.3 实验过程

首先配制6 mol/L的盐酸溶液。取50 mL浓盐酸置于烧杯中，加少量水稀释，冷却至室温后转移到100 mL容量瓶中定容，拧紧瓶塞摇匀。称取0.5174 g炭素阳极残极粉末于烧杯中，然后分3次加入6 mol/L的稀盐酸50 mL，一边滴加一边搅拌，使其充分反应，直到无气泡产生。然后将样品放入微波消解仪中，在1000 W的功率下，200 ℃进行消解，直至消解罐中的液体至澄清透明后取出冷却至室温，将溶液转移至50 mL容量瓶定容。在仪器工作条件下测定。

2. 结果分析与讨论

2.1 释放剂及消电离剂用量

空气-乙炔火焰会对钠、钙、镁元素含量的测定产生干扰，可加入CsCl和SrCl2等物质加以消除[11,12]。在测定钙元素含量时，Ca与共存元素Al、Si形成稳定的酸性氧化物，从而降低Ca的原子化率，使结果偏低。加入SrCl2既可作为离子释放剂，又可消除电离干扰。但是，SrCl2的加入量也不是越多越好。图1(a)为添加不同浓度的SrCl2的样品溶液所测的Ca的吸光度值。结果表明：当在样品中滴加的SrCl2的浓度不断增加时，吸光度A值显著增加。但当SrCl2浓度超过40 μg/mL时，随着SrCl2浓度的升高吸光度值反而降低。因此，加入过量的消电离剂反而会产生负面的影响，不利于金属元素含量的测定，使得测量灵敏度和准确度都会降低。

在测定Na元素含量时，CsCl作为消电离剂用来消除电离干扰[13]，可以较大程度抑制电离，使大部分原子处于基态。图1(b)为添加不同质量分数的CsCl的样品溶液所测的Na的吸光度值。结果表明：在待测样品中加入CsCl的浓度较低时，溶液中的Na由于受到电离干扰的影响，所测的Na质量浓度较低，随着待测液中CsCl加入量的增加，溶液的吸光度呈现先增加后趋于稳定的趋势。当溶液中CsCl的加入量超过3.0%时，待测溶液的吸光度趋于稳定，说明电离干扰已基本消除，CsCl的最佳加入量为3.0%。一般元素不影响铁的测定，故测铁时可不加。

图1 不同浓度添加剂的样品溶液的吸光度值

2.2 标准曲线

由于试验测定的3种金属元素在样品中的含量差别较大，要使原子吸收光谱仪能够同时测定这3种元素，除了需要对样品定容体积进行调整，还需要对各元素的线性范围进行优化，使样品和标准曲线的吸光度都在原子吸收光谱仪的线性范围内。各元素标准曲线的线性范围、线性回归方程和相关系数如表2所示，可以发现四种元素的吸光度在较宽的浓度范围内呈现出较好的线性关系。

表2 线性参数

2.3 精密度和加标回收试验结果

在向空白样品中添加已知含量的标准溶液进行加标回收试验，每种元素设置5个加标平行样，每个加标平行样重复测试3次，计算回收率和测定值的相对标准偏差(RSD)，结果见表3，可知3种金属元素的回收率为98.1%～100.9%，满足实验室检测要求。RSD为0.16%～1.03%，说明该方法的精密度较高，测量结果稳定，单次测定结果真实可靠。

表3 精密度和加标回收试验结果

2.4 样品分析

按照试验方法对样品进行测定，炭素阳极残极中钠、钙、铁的含量分别为475.7 ppm、1187.9 ppm、2383.7 ppm。残极需要后续的进一步处理来降低炭残极中微量元素含量，确保炭素阳极的质量。

3. 结论

(1)采用火焰原子吸收光谱法实现对炭素阳极残极中的微量金属元素Na、Ca、Fe进行测定，该方法的准确度高、精确度好、快速简便，为残极利用提供指导性数据。

(2)用火焰原子吸收光谱法测定Ca元素含量时，加入适量的离子释放剂SrCl2可消除Al、Si等元素的干扰，加入CsCl则可有效消除测定Na元素过程中的电离干扰。当SrCl2加入量为40 μg/mL，CsCl溶液浓度为3.0%时，抗干扰效果最好。