工业硅中杂质元素含量的测定

摘要：采用电感耦合等离子体发射光谱法同时测定工业硅中可能存在的铝、铁、钙、镁、钾、钠、磷、钡、等多个微量元素，并以差减法计算基体硅的含量，实现了对试样基体及杂质元素含量的同时测定。

关键词：杂质元素；工业硅

分类号：TQ127.2

工业硅在钢铁、有色、电子、化工、医药等领域有着广泛的应用，每年大量出口。工业硅中SiO2质量分数一般为98%以上，而杂质元素含量直接影响着产品质量，因此，准确分析杂质元素含量以确定工业硅的等级非常重要。国家标准中只提供了工业硅中铁、铝、钙3种元素的测定方法[1]，其中铁、铝为比色法，钙为原子吸收法和比色法。对其余杂质元素的测定，没有统一的标准方法。本文采用ICP-AES法同时测定工业硅中11种杂质元素，对试样溶解方法，元素分析谱线，共存元素干扰，仪器分析参数等因素进行了研究，对酸溶和碱熔方法的可行性及无机酸介质的选择进行了详细的比较，综合确定了仪器最佳工作条件，验证了元素的线性范围，检出限，精密度等。

一、实验部分

仪器与工作条件：IKA HP10型陶瓷电热板（德国）：可控温度范围0-500℃；Icp6000双向观测电感耦合等离子体发射光谱仪（美国Thermo Fisher公司）：CID检测器，耐氢氟酸进样系统（可拆卸石英炬管，PFA同心雾化器，惰性旋流雾化室），工作气体为高纯氩气（氩体积分数为99.995%）。电感耦合等离子体发射光谱仪工作参数：RF功率1150W；辅助气流量0.7L/min；蠕动泵泵速50r/min；积分时间短波15s，长波10s；冲洗时间25s。

主要试剂：Fe、Al、Ca、Ti、Mn、Ni、B、P单元素标准储备液：100μg/mL。氢氟酸（ρ1.14 g/mL）、硝酸（ρ1.42 g/mL）、高氯酸（ρ1.67g/mL）和盐酸（ρ1.17 g/mL）均为优级纯，甘露醇为分析纯，分析用水为电阻率≥18.2MΩ/cm的去离子水。

实验方法：试样处理，准确称取0.25g试样（精确至0.0001g），将试样置于150mL PFA烧杯中，用PFA移液管沿杯壁加入2.5mL氢氟酸，将壁上的样品冲洗到烧杯底部，轻轻摇动烧杯，使样品和氢氟酸混在一起，然后缓慢滴加2mL硝酸使样品逐渐溶解，待剧烈反应停止后，再加入1mL高氯酸。在可控温电热板，95℃左右的温度下，加热约30min，使样品完全溶解至清亮，再加入5mL盐酸，用少许水冲洗烧杯壁，继续加热5min，取下，冷却至室温，移入100mLPFA容量瓶中，用水稀释至刻度，摇匀，待测。

标准曲线：把Fe、Al、Ca、Ti、Mn、Ni、B、P标准储备液分别加入到100mL容量瓶中，再分别加5mL HCl，用水定容配制标准溶液系列。按照选定的仪器最佳工作条件绘制校准曲线。当校准曲线的线性相关系数≥0.9995时，利用校准曲线测定空白和 样品溶液中的Fe、Al、Ca、Ti、Mn、Ni、B、P含量。系列标准溶液的浓度应根据样品中待测元素的含量作相应调整，使待测元素含量在校准曲线范围之内。

二、结果与讨论

工业硅中杂质元素含量都比较低，有些元素（如Al、Ca、P、W、Mo、Ni等）只用HNO3、HClO4、HF分解，结果偏低。经试验必须加入HCl才能使测定结果正常[2]。用国家标准物质多次试验，对测定结果进行比较，发现加入10 mLHF，缓慢滴加8 mol/LHNO3直至样品溶解后再过量5 mL，加入10 mLHCl和5 mLHClO4，可使样品分解完全。

工业硅中主要杂质成分为Fe、Al和Ca。按本方法处理试样，除Fe、Al和Ca含量较高外（一般为20 mg/L），其他元素含量较低。元素间的光谱干扰采用仪器软件提供的MSF技术消除。由于样品加HF、HClO4冒烟后，基体中大量的硅挥发出去，溶液中Fe、Al、Ca、Mg、Ti、K、Na、P、Cu、Zn、Ba、Mn、V、Be、Ce、Co、Cr、Li、Ni、As、Sb、La、Sr等元素干扰较轻，可采用直接测定的方法；而Fe、Al元素谱线非常丰富，对B、Cd、Pb、Mo、W等微量元素产生不同类型和不同程度的干扰。本方法建立了一个适合于工业硅中杂质元素分析的MSF技术校正光谱干扰模型，对B、Pb、Cd、W、Mo等元素经MSF技术处理后，背景值明显降低，检出限改善了2～9倍，元素的信号能从复杂的光谱背景中分离出来，使信背比明显提高。

三、结论

电感耦合等离子体发射光谱法同时测定工业硅中微量元素的方法，结果准确可靠，通过差减法计算所得基体元素硅的含量与重量法测定结果相当，方法可以满足工业硅试样检验的需要。

参考文献

[1]成勇，肖军，宁燕平，胡金荣. ICP-AES法测定金属硅中杂质元素[J].冶金分析， 2005， 25（3）： 76-79.

[2]陈新坤.电感耦合等离子体原子发射光谱法原理和应用[M].天津：南开大学出版社， 1987： 19-28。