电感耦合等离子体法在测定煤中微量元素的应用

1电感耦合等离子体法在测定煤中微量元素的应用摘要：随着社会经济的快速发展，煤炭的消耗量日益增加。在煤利用过程中，煤中含有的微量元素排放到空气中而污染环境，因而对这些影响环境生态平衡的微量元素的测定具有重要意义。本文对其中一种电感耦合等离子体法进行简要阐述。关键词：煤；微量元素；ICP-MS；ICP-AES煤作为工业生产的主要燃料之一，除了含有铝、铁、钙等主量元素外，还含有铜、铬、铅等多种微量元素甚至有害元素，在其排放、储存和利用过程中极易进入大气、水体和土壤，给环境和生态造成严重污染，正确了解煤中化学成分的含量对煤质评价和环保都是必不可少的。煤中化学成分含量范围变化很大，从微量元素的10-6到主量元素的10-2，在进行主成分分析时常采用经典的国标方法，整个分析过程繁琐，涉及多种分析方法[1]。电感耦合等离子体(ICP)技术因测量组分种类多、速度快等优点，在农产品、食品、药品、地质环境样品中多种微量元素的分析中得到了广泛的应用。目前常用的电感耦合等离子体技术有电感耦合等离子质谱法(ICP-MS)和电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)。1电感耦合等离子体ICP光源一般由三部分组成：高频发生器、等离子炬管和雾化器。等离子炬管是一个三层同心石英玻璃管，外层通入冷却气，中层气流起维持等离子体的作用，内层以载气输入试样气溶胶，试样多为溶液。当高频发生器与围绕在等离子炬管外的负载铜管线圈(以水冷却)接通时，高频电流流过线圈，并在炬管的轴线方向上形成一个高频磁场。此时，向炬管内通入冷却气和辅助气，并用感应线圈火花放电“引燃”，则气体触发产生电离粒子，当这些带电粒子达到足够的导电率时，就会产生一股垂直于管轴方向的环形涡电流。这股几百安培的感应电流瞬间就将气体加热到近万度的高温，并在管口形成一个火炬状的稳定的等离子体，ICP装置原理和放电形状示意图如图1。21一内气流；2一中气流(辅助气)；3一外气流(等离子气)；4一内管；5一中间管；6一外管；7一磁场；8一感应线圈；9一标准分析区；10～尾焰；11一初辐射区(IRZ)；12一环形外区(感应区)；13一轴向通道；14一预热区(PHZ)图1ICP装置原理和放电形状示意图[2]2电感耦合等离子体质谱法1980年，Houk等发表了关于电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)的第一篇文章，标志着ICP—MS的正式出现，随后ICP-MS技术迅速发展。ICP-MS将电感耦合等离子体(ICP)与质谱(MS)结合起来，兼具了ICP的高温电离和MS的快速灵敏等特点。ICP-MS具有灵敏度高、检出限低、线性动态范围宽、准确度好、样品分析速度快、样品处理简单、可进行多元素分析等优点。在ICP-MS中，当高频射流(RF)施加在电感线圈上时，线圈内部将形成温度可达6000~10000K的电感耦合等离子体。在源源不断的气体的推动下，等离子体持续电离并且保持稳定平衡。等离子体的高温特性将使绝大多数样品中的元素发生电离，形成一价的正离子。杨春茹[3]人采用ICP-MS法同时分析煤中的12中微量元素，其相对标准偏差在1.86%~4.86%之间。煤炭样品加标回收试验，回收率在80%~120%之间。ICP-MS法可应用于煤炭、岩石及土壤等环境样品中微量元素的检测，为有害微量元素的监测与含量普查提供快捷、准确的实验数据。杨金辉[4]等人探讨了对仪器工作参数的优化，选择合适待测元素的同位素和选用干扰元素矫正方程克服质谱干扰。对于煤样分析的结果与标准方法一致。33电感耦合等离子体原子发射光谱法ICP-AES是一种新型分析技术，它使用射频电磁场中由氩气放电而产生的高温(5000K)等离子体作为激发光源，特殊的高温可以确保样品中元素的原子被高效率地激发，根据其外层电子辐射跃迁所发射的特征辐射能(不同的光谱)，来研究物质化学组成的一种方法。该法相对于AES提高了分析的精密度和检测限。刘冰冰[5]等人硝酸一氢氟酸一高氯酸混合酸分解粉煤灰样品，以电感耦合等离子体一原发射光谱法测定粉煤灰中镓含量。探讨硝酸和氢氟酸的用量，溶解温度及引入盐酸溶样对测定镓含量的影响，回收率为94.45%~105.40%，方法的精密度RSD为3.1%。谭雪英[6]等人用电感耦合等离子体发射光谱法测定煤及煤灰样品中主量组分CaO、Fe2O3，、Al2O3、K2O、MgO、Na2O和次量及痕量P、Ti、Mn、Co、Cr、Cu、Ni、V及Zn等21种元素，采用离峰背景校正法及干扰系数校正法消除背景干扰、光谱干扰及基体干扰对微量元素测定的影响。得出此方法检出限低，精密度好，准确度高，动态范围宽，简便、快速。4总结随着煤炭消费的增长，煤中微量元素的排放而造成的生态与环境问题将不可避免地显著增多。随着国内外对环境保护问题的日益重视，煤中有害物质的检测与含量测定日益重要。电感耦合等离子体技术因测量组分种类多、速度快等优点被广泛使用，但因成本相对较高，也在一定程度上受到限制。参考文献[1]段云龙.煤炭实验方法标准及其说明[M]:中国标准出版社.2004.[2]刘虎生,邵宏翔.电感耦合等离子体质谱技术与应用[M].北京:工业出版社,2005.[3]杨春茹,康俊,高建文等.电感耦合等离子体质谱法测定煤中多种微量元素[J].煤质技术,2013,(4):1-4.[4]杨金辉,张小毅.电感耦合等离子体质谱法测定煤中11种元素[J].冶金分析,2013,33(9):8-13.[5]刘冰冰,王英滨.电感耦合等离子体-原子发射光谱法测定粉煤灰中的镓[J].光谱实验室,2012,29(6):3840-3844.[6]谭雪英,张小毅,赵威等.电感耦合等离子体发射光谱法测定煤及煤灰样品中21个主次微量元素[J].岩矿测试,2008,27(5):375-378.