2013年第4期 分析仪器 27 玻璃片一分光光度法测定玻璃中铁和亚铁 刘小青谢峻林 何峰。 方德。 (1.武汉理工大学材料研究与测试中心,武汉430070;2。武汉理工大学材料科学与工程学院,武汉430070) 摘要:利用紫外一可见分光光度计玻璃中三价铁含量与紫外吸收峰面积,二价铁含量与可见及近红外吸收 峰面积的对应关系X射线荧光、湿化学一分光光度法和玻璃片一分光光度法相同玻璃中铁含量,玻璃片一分光光 度法的准确性。结果显示,玻璃中三价铁含量和二价铁含量分别与单位厚度玻璃片在370~400 rim范围的紫外吸 收峰面积和52O~1100 nm范围的可见及近红外吸收峰面积线性相关,可以用相应吸收峰面积计算玻璃中不同价 态铁的含量。玻璃片一分光光度法的测试结果与X射线荧光和湿化学一分光光度法的测试结果相对误差均在士 5 以内,利用玻璃片一分光光度法可以准确测定玻璃中的铁和亚铁含量。 关键词:分光光度法玻璃片铁亚铁 D0I:10.3969/j.issn.1001—232x.2013.04.006 Determination of iron and ferrous in glass by sheet glass spectorphotometry.Liu Xiaoqing ,Xie Jun— lin ,He Feng ,Fang De。(1.Materials Research and Testing Center,Wuhan University of Technology, Wuhan 430070,China;2.School of Materials Science and Engineering,Wuhan University of Technolo— gY,Wuhan 430070,China) Abstract:To investigate a new method of fast determination of iron contents and ferrous iron contents in glasses by sheet glass spectrophotometry。UV—Vis spectrophotometer and wet-chemical spectrophotometry were used to study the relationships between ferric iron content and its UV absorption peak area.and between ferrous iron content and its Vis-NIR absorption peak area in unit thickness sheet glass.By using fluorescent X-ray spec— trometry,wet-chemical spectrophotometry and sheet glass spectrophotometry methods on the determination of iron contents in identical glasses,the accuracy of sheet glass spectrophotometry was studied.The results showed that ferric iron contents in glasses have linear correlation with UV absorption peak areas of unit thickness sheet glasses in 370—400 am region,ferrous iron contents in glasses have linear correlation with Vis-NIR absorption peak areas of unit thickness sheet glasses in 520—1100 am region,the contents of different charge irons in glasses can be deter— minated by calculating corresponding absorption peak areas.The relative errors of determination results between sheet glass spectrophotometry and lfuorescent X-ray spectrometry,and between sheet glass spectrophotometry and wet-chemical spectrophotometry are both under±5 /。sheeto glass spectrophotometry acn be used to correctly de— terminate iron contents and ferrous iron contents in glasses. Key words:spectrophotometry;sheet glass;iron;ferrous iron 1 引言 的吸收,即使Fe /Fe不到4 9,6,也会使玻璃呈现出 绿色[¨,因此也是影响玻璃白度的重要因素。快速 玻璃中亚铁(Fe )和总铁(Fe)含量及亚铁占 准确测定玻璃中Fe 和Fe含量对监控玻璃生产过 总铁比例(Fe抖/Fe)不仅是反应玻璃熔体氧化还原 程氧化还原状态、优化玻璃生产工艺和提高玻璃质 状态的重要参数,由于亚铁离子在近红外区域强烈 量具有重要意义。 基金项目:“十一五”国家科技支撑计划(2006BAF02A26) 作者简介:刘小青,男,1969年出生,博士,目前从事材料的透射电镜研究与测试工作。E—mail..1czr@whut.edu.cn 28 分析仪器 2013年第4期 玻璃中铁含量测试方法主要有仪器分析法、氧 化还原滴定法、湿化学一分光光度法和电化学方法 中分别加入质量分数(wt )为0.1 、0.15 、 0.20 、0.25%和0.30 的纯Fe20。,混合均匀后放 入铂金坩锅中,在1450℃下熔制4 h后取出,快速倒 在平整的石墨模板上并放人600℃的马弗炉中退火 处理30 rain,然后自然冷却到室温。 2.2 湿化学一分光光度法测定玻璃中Fe 和Fe 的含量 等L1 。。。仪器分析法包括穆斯堡尔谱法、原子吸收 光谱法、X射线光电子能谱法(XPS)、显微激光拉曼 光谱法、X射线荧光光谱分析法等,测试成本高,很 难定量测定Fe。 含量;氧化还原滴定法如重铬酸钾 滴定法、氯化亚锡还原一重铬酸钾滴定法和EDTA 络合滴定法等使用的氧化还原剂对环境污染较大, 当玻璃中Fe 含量很低时,滴定终点难以判别,影 响测量结果的准确性;湿化学一分光光度法主要有 取制备好的玻璃各一小块,用玛瑙研钵磨成细 粉,采用邻二氮菲分光光度法测定玻璃中的Fe抖含 量,采用硫氰酸盐分光光度法测定玻璃中的Fe抖含 量,Fe。 含量与Fe。 含量的总和即为Fe含量。 2.3玻璃片一分光光度法测定玻璃中Fe 和Fe 的含量 用慢速切割机将制备好的玻璃切割成5 mmX 邻二氮菲分光光度法、磺基水杨酸分光光度法、硫 氰酸盐分光光度法等,此类方法分析操作时间长, 由于Fe抖在溶液中不稳定,分析测定Fe。 含量时一 般要进行避光等操作;电化学方法是将电极伸人到 高温熔融的玻璃液面以下,采用伏安法测出玻璃液 的电极电势,进而求出玻璃中Fe /Fe比例,这是 一5 mm、厚约1 mm的玻璃片,再用400~2500目的 金刚砂磨成双面抛光、透光率达95 以上的薄片。 种在线测定方法,但由于电极在高温下极易老 切割和磨抛时均采用液体石蜡作为冷却剂,以防止 玻璃成分在制样过程中发生变化。 利用紫外可见分光光度计测定玻璃片在350~ 化,电极更换频繁、测试成本太高。侯英兰等口1]研 究利用玻璃原片测定Fe。 在360~420 nm范围内 的最大吸光度的四阶导数以及Fe 在770 nm和 1050 nm处吸光度之差分别计算玻璃中Fe抖和Fez 浓度的方法,此方法简单快捷、无污染。不过,由于 Fe抖在36O~700 nm之间、Fe2 在400~1100 nm之 1100 nm波段范围内的吸收光谱。将光谱数据保存 为电子表格格式,导人Origin8.0软件中,除以玻璃 片的厚度(单位mm),得到波长与单位厚度玻璃片 吸光度关系的光谱曲线。对光谱曲线依次进行曲 间都有吸收l_1。 ,上述方法难免会带来一定的误差。 线平滑(平滑参数选25)和基线校正以消除仪器噪 声对测试数据的影响。 本研究利用玻璃片在紫外、可见及近红外区的 吸收峰面积计算玻璃中Fe抖和Fe抖含量的新方法, 实现了利用玻璃片快速测定玻璃中的Fe抖/Fe。相 关研究成果已获得国家发明专利授权I1引。 3结果与讨论 3.1玻璃中Fe /Fe比例 表1是用湿化学一分光光度法测得的不同铁含 2 实验 2.1制备不同铁含量玻璃片 以纯化学试剂为原料,按照普通浮法玻璃组成 配料,平均分成五份质量相同的配合料。在配合料 量玻璃中Fe抖、Fe。 含量及Fe抖/Fe比例。由于玻 璃配合料中的纯碱在熔制过程中易挥发损失部分 Na2O,导致与设计成分比较,玻璃中铁的含量有所增 加。从测试结果看,铁含量的平均增加量为0.018 。 表1玻璃中Fe2 、Fe3 含量及Fe /Fe比例 2013年第4期 分析仪器 29 另外,5个样品采用了相同的配合料和熔制工艺,玻 璃的氧化还原状态基本相同,因此得到的Fe抖/Fe 比例基本相同,平均值为49.77%,相对误差在± 5 以内。 3.2玻璃片一分光光度法测Fe /Fe比例 重叠峰不便于Fe抖含量的定量计算,因此,我 们只计算370 ̄400 nm范围的吸收峰面积(积分面 积)和520 ̄1100 nm范围内的吸收峰面积,分别与 Fe。 和Fe抖含量进行对应分析,如表2所示。 单位厚度光谱曲线以及经平滑和基线校正处 理后的修正曲线如图1所示。从图中可以看出,在 370 ̄400 nm范围有一个明显的Fe什特征吸收峰, 6 0x100 … 经高斯拟合(图2),在400 470 nm范围有一个宽 峰,这个宽峰由416 nm、429 nm、443 nm、444 nm处 的吸收峰的多个吸收峰组成,在478 nm处还存在 一2 0x10 OO 个明显的吸收峰。相比Fe抖而言,500 nm以下 4o0 45O 500 Fe 吸收强度非常低,可以忽略不计,因此,可以认 为上述这些都是Fe。 特征吸收峰[1。’¨]。 0 波长(nm) 图2玻璃片吸收光谱高斯拟合图 以370 ̄400 nm吸收峰面积S ~ 。。 为X轴, 0 0 0 。 0 0 0 0 _0 Fe抖含量为Y轴进行线性拟合,得到玻璃中Fe抖含 量与光谱曲线在370~400 nm范围内吸收峰面积 S啪~ 。。nm的线性关系(图3),相应的线性回归方 程为: Fe3 (wt%)一1.104×S37o一40omn+2.906×10 (1) 波长(nm) 、一 图1 玻璃片紫外可见近红外光谱图 、一 光谱曲线在520 nm处吸收强度最低,为消除 Fe。 对Fe 的影响,在做光谱基线校正时以520 nm 处的吸收值为零点进行校正。520 1100 nm范围内 是一个连续递增的宽峰,在1050 nm处达到最大, 这是玻璃中Fe抖、的可见及近红外吸收而产 生的 1 4l。 咖】 如 0 06 0 02 O o4 0 06 0 08 010 012 吸收峰面积(/cm ) 图3 Fe3 含量与紫外吸收峰面积关系图 表2玻璃中Fe' 、Fe3 含量及相应吸收光谱数据 样品编号 Fe 含量 (wt%) b一1 0.0578 0.0842 52O~1100 nm Fe”含量 (wt ) 0.O614 0.0797 370——400 nm 吸收峰面积S ~ o。 5.201 8.165 吸收峰面积S 一 O.O307 b一2 b一3 b一4 b一5 0.0460 0.O696 O.O986 O.1199 0.1155 0.1277 O.1567 12.287 13.825 18.089 O.1089 0.1381 O.16O1 30 分析仪器 2013年第4期 此方程R。一0.9973,说明玻璃中Fe抖含量与 此方程R。===0.9966,说明玻璃中Fe 含量与 一 一一n0N 一唧姐+£ n O O 单位厚度玻璃片在370~400 nm范围内的吸收峰 n 单位厚度玻璃片在520~1100 nm范围内的吸收峰 面积之间存在很好的线性相关性,这一结果与Kuk— kadapu R K[1 的研究相吻合,因此,可以利用光谱 面积也具有很好的线性相关性,可以利用光谱曲线 在此波段范围内的吸收峰面积定量计算Fe抖含量。 3.3误差分析 曲线在此波段范围的吸收峰面积定量计算Fe抖 含量。 分别利用上述玻璃片一分光光度法、X射线荧 光和湿化学一分光光度法对两个系列铁含量分别 同理可得玻璃中Fe抖含量与光谱曲线在52O~ 1100 nm范围内吸收峰面积S 。~ ∞ 的线性关系 (图4),相应的线性回归方程为: Fe2 (wt )===7.670X10 ×S520—11o0 +2.011×10 (2) 为0.11wt 和0.20wt 玻璃中的铁进行测定。考 虑到X射线荧光只能测定Fe的含量,而无法测定 Fe抖含量,测试结果只对Fe含量进行比较(表3)。 与X射线荧光和湿化学一分光光度法测试数据对 比发现,玻璃片一分光光度法与它们测定结果的相 对误差均在±5 以内。 4 结论 玻璃中Fe抖和Fe。 的含量分别与单位厚度玻 璃片在370 ̄400 nm和520 ̄i100 nm范围的吸收峰 面积线性相关。通过玻璃片一分光光度法可以准确 计算出玻璃中Fe。 和Fez 含量,从而得到准确的 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Fe抖/Fe比例。这种方法只需要一台普通的紫外可 吸收峰面积(/cm2) 见光度仪,操作简便,测试成本低、效率高,且不使用 任何化学试剂,对环境零污染。因此,是一种值得工 业推广使用的玻璃中Fe2 /Fe比例快速测试方法。 图4 Fe2 含量与可见及近红外吸收峰面积关系图 表3不同测试方法测定玻璃中Fe含量数据 编号 (wt ) 0.1124 x射 分析 ’ O.12O 0.104 玻 笔 (wt ) O.1183 0.1087 0.1041 一度 法萼 一度 O.59 相对误差( ) O.76 O.76 1.O9 法的相对误差( ) O.1111 O.113O 0.1112 0.2022 0.24 O.89 0.1O2 O.118 O.1146 O.2O16 O.65 O.34 O.3O O.198 O.181 0.209 2.12 2.82 —0.1861 0.2O16 O.1952 0.1838 0.2074 O.1911 1.25 —3.54 1.67 2.8O 2.15 O.192 [2]Melissa C,Menard,Amy C,et a1.Electrochimica Acta, 参考文献 2013,94:320—326. E1]Donald S P,Swink A M,Schreiber H D.J.Non-Cryst. Solids,2006,352:539—543. [3]Dunaeve E S,Uspenskaya I A,Pokholok K V,et a1.J. Non-Cryst.Solids,2012,358:3089—3095. 2013年第4期 分析仪器 31 [43 Jensen M,Zhang L。Yue Y.Chemical Geology.2012, 322—323:145-150. E53卢振国,彭速标,郑建国,等.分析试验室,2012,31 (12):53-56. [63 Cottrell E,Kelley K A.Earth and Planetary Scientce Letters,2011。305:270—282. [73 Berry A J,Baxley G M,Woodland A B,et a1.Chemical Geology.2010,278:31—37. E83郭冉冉,刘小青,许亚文。等.建材世界,2009,30(1): 10-15. [93 Schirmer H,Rusel C J Non-Cryst.Solids。2006,352 (38—39):4069-4075. [103Jin Zhaodi,Hu Yichen,Wang Zhongjian.2005 Interna- tional forum on glass and annual conference of interim— tional commission on glass,Shanghai,China,2005, (4):12. [11]侯英兰。张贤华,杜震宇.玻璃.2008,26(2):22—25. [123Carl R,Gerlach S,Russel C.J.Non-Cryst.Solids, 2007,353:244-249. [13]Kukkadapu R K,Li Hong。Smith G L,et a1.J.Non- Cryst.Solids,2003,317 2 301—318. [14]Uchino T,Nakaguchi K,Nagashima Y,et a1.J.Non- Cryst.Solids,2000,261:72—78. [153 Ades C,Toganides T,Traverse I P.J.Non-Cryst. oSlids,1990,125:272-279. [163刘小青,谢峻林,何峰,等.专利号:201010547917.5. 收稿日期:2013—04一Oz