超声消解 ICP-AES 测定铝合金中硅元素含量
摘要: 建立了超声密闭消解-电感耦合等离子体发射光谱法测定铝合金中硅元素含量的分析方法。通过优化样品前处理条件，对超声强度、密闭条件、超声温度、超声时间及酸的浓度进行筛选，选择合适的分析谱线，测定了铝合金中等含量硅。对不同硅含量的铝合金 ZLD105，ZBY5291，ZBY5091 进行了精密度及准确度实验，其相对标准偏差( SＲSD ) 在 0. 3% ～ 0. 7% ，加标回收率在 98. 9% ～ 101. 0% 。该方法分析成本低、快速、准确、方便，完全可应用于实际样品测试。
硅铝合金具有良好的铸造性能和机械性能，硅含量增加，能够提高合金的抗拉强度及硬度。但在铝-硅合金生产过程中，易出现硅的偏析进而影响铝合金的使用性能，因此铝合金中硅含量的准确测定尤为重要。
铝合金中硅含量测定主要有分光光度法、重量法和电感耦合等离子体发射光谱法。国标 GB /T20975. 5—2008 对低含量硅( 0. 001 0% ～ 0. 40% ) 的测定采用钼蓝分光光度法，对高含量硅的测定( 0. 30% ～ 25. 00% ) 采用重量法，该方法操作繁琐、过程复杂，需要铂坩埚高温灼烧，成本较高。国标 GB /T 20975. 25—2020 对于硅含量测定( 0. 010%～ 13. 50% ) 使用氢氧化钠溶解、再酸化，其过程复杂、引入钠基体较高，测试时还需要考虑基体匹配问题。铝合金中的硅一般不溶于盐酸、硝酸等酸，需要加入氢氟酸才能将硅完全消解，但反应生成的四氟化硅( SiF4 ) 容易挥发损失。现有文献大部分采用碱溶方法测样，翟声明等采用碱溶样、用ZL105A 标准物质同时溶样配制标准工作曲线，测定了ZL101 铸铝合金中硅含量。酸消解的方法主要是通过加入氢氟酸消解硅元素，韩超等利用混酸溶解样品，通过基体匹配配制标准溶液，测定铝合金中的高含量硅。但碱溶法操作繁琐、基体效应明显，酸溶法SiF4 易损失导致结果偏低。超声波是频率高于20 kHz 的声波，其在液体、固体里传播时衰减较小。
超声在介质中传播时，主要有 3 种效应: 1) 线性交变振动作用; 2) 非线性效应，会产生超声破碎、促进化学反应的现象; 3) 空化作用，有利于溶液的粉碎、乳化、分散。超声处理具有处理温度低、处理效果均匀、效率高且设备价格相对便宜等优点。之前报道中，利用超声作为前处理的样品类型，主要包括大气颗粒物样品、土壤样品、烟草样品、环境水样和茶叶样品等。
本文以铝合金ZLD105、ZBY5291、ZBY5091为例，利用混酸超声密闭方法对样品进行消解，测定了硅的含量，避免了消解过程中硅元素损失。该方法准确、快速且成本较低，可应用于实际样品测试。
仪器与试剂
电感耦合等离子体发射光谱仪（上海美析仪器有限公司）；超纯水机；超声波清洗机。
硝酸 ( CMOS 纯) ; 盐 酸 ( CMOS 纯) ; 氢 氟 酸( CMOS 纯) ; 铸造铝合金( ZLD105) ，本溪合金总厂;ZBY5291 铝合金( ZLD104) ，济南众标科技有限公司; 1 000 mg /L 硅标准溶液，国家有色金属及电子材料分析测试中心。
仪器参数
仪器谱线范围: 163 ～ 782 nm; 耐氢氟酸( HF) 系统; 功率: 1 400 W; 进样量: 1. 5 mL /min; 等离子气流量: 12 L /min; 辅助气流量: 0. 5 L /min; 雾化气流量:0. 7 L /min; 径向观测方式。
试样溶液的制备
准确称取 0. 05 g 左右样品置于 50 mL 离心管中，精确至 0. 000 1 g，加入 40 mL 水润湿，加 2. 5 mL盐酸，2. 5 mL 硝酸，2 mL 氢氟酸，70 ℃ 超声至溶液澄清透明，待溶液冷至室温后，转移至 100 mL 塑料容量瓶中，用超纯水定容后摇匀待用，若浓度过高，用超纯水稀释后测样。
标准溶液的制备
按照表 1 所示分别移取硅元素标准溶液0. 25、0. 5、1、2、3 和4mL于6个50mL容量瓶中，分别加入2% HNO3 溶液定容，配制成标准溶液，浓度如表1 所示。
结 论
采用超声密闭消解-电感耦合等离子体发射光谱法测定铝合金中硅元素含量。通过优化样品前处理条件，对超声强度、密闭条件、超声温度、超声时间及酸的浓度进行筛选，选择合适的分析谱线，测定了中等硅元素含量。对不同硅含量的铝合金 ZLD105，铝合金 ZBY5291，铝合金 ZBY5091 进行了精密度及准确度实验，其 SＲSD在0. 3% ～ 0. 7% ，加标回收率在98. 9% ～ 101. 0% 。该方法分析成本低、快速、准确、方便，可应用于实际样品测试中。
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