JP2667920B2 - A1f▲下3▼中の金属不純物の分折方法 - Google Patents

A1f▲下3▼中の金属不純物の分折方法

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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、AlF3中の金属不純物の分析方法に関し、詳
しくは光ファイバー等の原料に用いることのできる極微
量の金属不純物を含むAlF3に応用することのできる金属
不純物の分析方法に関する。
[従来の技術およびその解決すべき課題] 近年、光通信用石英ファイバーに替わる超低損失光フ
ァイバー用材料の一つとして主成分がZr,Ba,La,Al,Na,L
i等から成るフッ化物ガラスが注目されている。
この種のファイバーは伝送帯域の電磁波の波長が2〜
3μmにあり、従ってこの領域に吸収バンドを持つFe,N
i,Cu,Co等の微量金属不純物の含有量が問題となる。超
低損失のフッ化物光ファイバーを実現するためには、原
料の段階においてppbオーダーの金属不純物を分析でき
る定量法が必要である。
AlF3は、例えば高圧湿式分解法を用いても鉱酸によっ
て酸分解することができず、従来は硼酸と炭酸ソーダに
より分解するアルカリ溶融法が行われていたが、分解さ
せるためには試料に対して多量の上記試薬が必要であ
り、またこの目的のために使用できるような高純度の試
薬がないため分析下限値が高くなり、高純度のAlF3中の
金属不純物の定量には適当な方法ではなかった。
このように、AlF3中の金属不純物の分析については、
ppbオーダーの分析を行う適当な方法が殆ど開発されて
いないというのが現状であった。
[課題を解決するための手段] 本発明者らはこのような現状において、分解しにくい
AlF3を一旦酸化物に変換して溶解させる方法について検
討を行ったところ、高温加水分解によって生じたアルミ
ナを湿式高圧分解することにより試料を汚染なく溶解で
きることを見いだし、本発明に到達したものである。
すなわち本発明は、AlF3を900〜1000℃で高温加水分
解し、生成したアルミナを鉱酸により湿式高圧分解する
ことを特徴とするAlF3中の金属不純物の分析方法を提供
するものである。
本発明において、ppbオーダーより濃度の高い金属不
純物の分析についてはより簡単に実施することができる
のは言うまでもないので、本発明においては、ppbオー
ダーの金属不純物の分析について詳述する。
すなわち、本発明を実施するためには、環境からの汚
染、分析容器からの汚染、試薬からの汚染を十分考慮に
いれ、これらを極力防ぐ必要がある。本発明の場合、最
終的には加熱気化装置付の誘導結合プラズマ源質量分析
装置(以後はETV−ICP−MSと略す。)を使用して溶液中
の金属の定量を行うわけであるが、装置自体の能力とし
ては1ppb以下の測定が十分可能であるので、上記の汚染
を定量下限の十分の一以下、すなわち数ppbの分析を行
うためにはその十分の一以下に汚染を抑える必要があ
る。
まず、環境からの汚染を抑えるためには、分析をクリ
ーンルーム内やクリーンベンチを用いることはもちろ
ん、ETV−ICP−MS装置も上記設備内で使用する必要があ
る。
次に試薬からの汚染については、試薬を精製すること
によって、試薬ブランク値を極力低下させた条件下で分
析する必要があり、そのためには精密分析用の試薬を更
に精製して使用するのがよく、クエン酸ソーダ、ピロリ
ジンジチオカルバミン酸アンモニウム(以後、APDCと略
記する。)等の場合は、メチルイソブチルケトン(以後
MIBKと略記する。)等の有機溶媒による洗浄を行うこと
により、硫酸や硝酸等の鉱酸は非沸騰式蒸留等により試
薬の精製ができる。このような方法で、トータルの各金
属不純物の量を0.1ppb以下程度にまで低下できる。容器
からの混入については、十分な酸洗浄、超純水での洗浄
を長時間、または繰り返し行うことにより分析に影響し
ない程度まで除去できる。
このように、様々な汚染を極力抑えることにより、数
ppbの金属不純物の分析は十分行えるものであるが、さ
らに環境からの汚染、試薬からの汚染をより厳密にシャ
ットアウトすれば、ppb以下の分析も可能となる。
本発明に係る分析方法は、試料の高温加水分解、湿式
高圧分解処理による試料の溶解、溶媒抽出、逆抽出、ET
V−ICP−MSによる測定の各項目に分けられるが、以下そ
れぞれの各項目に従って詳細に説明する。
まず試料の高温加水分解であるが、この場合第1図に
示すような装置を用いて行う。
第1図において、1はヒーター、2は水蒸気を発生さ
せるためのボイラー、3は電気炉、4は試料を入れるた
めの白金ボート、5は白金管、6は冷却器である。5の
白金管は図面では省略してあるが、白金管だけでは形を
保持することが難しいので、石英管の中に白金管を入れ
て二重構造とし、異形ジョイントで白金管を固定してい
る。また、白金管と冷却器の連結は、バイトン製の栓を
用いて行っているが、テフロン製異形ジョイントによっ
て連結してもよい。
加水分解は下記の化学式により進行する。
2AlF3+3H2O→Al2O3+6HF ここで、試料を入れるボートおよび5の管に白金を用
いたのは、高温で発生するHFに対して金属が溶出しない
ような耐食性を有する材質でなければならないからであ
る。
加水分解を行う温度は900〜1000℃であり、この温度
で5〜6時間加熱を続けることにより約98%の分解でα
−アルミナとなり、前記化合物は後述するように鉱酸に
よる湿式高圧処理で容易に溶解する。加水分解温度が90
0℃より低い場合、一部に未分解のAlF3が存在して酸に
溶解しにくくなるため好ましくない。一方、1000℃より
高い温度では、高温のため白金管が軟化してくるため好
ましくない。発生するHFは、水、またはアルカリ等に吸
収すればよい。
反応が終了した後、生成したα−アルミナの一部を分
取して、次の湿式高圧分解用の試料とする。
湿式高圧分解の工程においては、前工程の試料に塩
酸、硝酸、硫酸等の鉱酸を加えた後、湿式高圧分解を行
い、固体の試料を溶液化させる操作を行う。加える鉱酸
としては、硫酸が最も好ましい。
分解後のα−アルミナの採取量としては、金属不純物
量がppbオーダーの場合0.6g程度でよく、不純物濃度が
高い場合は、採取量もさらに少なくしてよい。湿式高圧
分解の工程としては、まず試料を正確に秤量し、テフロ
ン製の湿式高圧分解のルツボ(内容積70ml)にとり、硫
酸(1+3)10mlを加えた後蓋をして密閉し、200〜230
℃で15〜16時間保つ。このような条件により試料の粒径
が大きく、砂状のものでも溶解することができる。ま
た、耐圧容器は金属等の溶出による汚染を避けるため、
少なくとも液に接触する部分はテフロン、その他溶出の
心配のない材質を使用する必要がある。
上記の操作により溶解した液は、水を添加しつつ100m
lのテフロン製分液ロートに移し、0.5Mのクエン酸ソー
ダおよび1w/v%のAPDCの混合溶液を加え、さらにアンモ
ニア等の試薬が必要な場合にはそれらを用いてPHを4〜
5に調節した後全量を50mlとする。その際メチルオレン
ジ等の指示薬によりPHを調節すればPHメーター等の計測
器なしでも簡単にできる。
上記操作で、キレート試薬であるAPDCを添加しその後
PH調節を行ったのは、溶液中の不純物金属を選択的にキ
レート化し、後工程の抽出により選択的にMIBK中に不純
物金属を抽出するためであり、上記条件下で主成分のア
ルミニウムはキレート化されずに水溶液中に残り、Fe,C
o,Ni,Cu等の金属が完全にMIBK層中に移行することを確
認した。
次に有機溶媒による溶媒抽出においては、使用する溶
媒としては、MIBK、ジイソブチルケトン、クロロホル
ム、その他溶媒抽出に普通使用される溶媒は何でも使用
できるが、使用する溶媒量が少なくても効率よく抽出で
きること、および後で述べる逆抽出操作において蒸発し
やすいこと等の条件を考えると、MIBKが好ましい。
MIBKを用いた場合、その使用量は3ml程度で十分であ
り、このミクロ抽出により金属不純物をマトリックスか
ら分解すると同時に、金属不純物の濃縮効果もある。こ
の操作によって抽出される金属はFe,Ni,Co,Cu,Mu,Cr,Pb
等である。
次に、有機溶媒中の金属不純物の逆抽出であるが、ET
V−ICP−MSによる分析時において直接MIBK溶液を用いる
と、原子蒸気化およびプラズマ化の過程で不安定要素が
多く、金属不純物の分析精度が水溶液に比べて悪くな
る。そこで、本発明においては抽出した有機層に鉱酸を
加えて加熱することにより有機層を完全に揮散させ、金
属不純物を鉱酸中に移行させる。MIBKを使用した場合
は、100〜120で℃加熱することにより完全に揮散させる
ことができ、この際キレート剤の分解もみられるので、
この逆抽出液をETV−ICP−MSで測定することにより、金
属不純物を精度よく分析することができる。この際、添
加する0.7Nの希硝酸は2mlでよく、その後水で5mlの定容
とすればよい。これらの操作中に使用する水は、超純水
であることは言うまでもない。
次にETV−ICP−MSによる測定であるが、加熱気化装置
とは試料中の水分、有機物、Feと同質量のArOを除去し
原子蒸気の状態で試料をプラズマイオン化工程に送り込
む装置であり、これにより水(主として酸素)や有機物
による妨害を著しく低減することができ、ETV−ICP−MS
での高感度の分析が可能となる。ETV−ICP−MSにおいて
は、測定する金額をイオン化した後、質量分析部に導い
て質量分析を行うもので、これによりFe,Ni,Co,Cu等のp
pbオーダーの分析を行うことができる。
[実施例] 以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本
発明は係る実施例に限定されるものではない。
実施例 1−1.本発明の実施例で使用する試薬、器具、装置。
金属標準溶液:原子吸光用試薬を希硝酸(約0.1N)で
希釈して用いる。
クエン酸ソーダ(0.5M)−APDC(1wt%)溶液(試薬
Aとする。)全容1000mlとし、これを精製するためにMI
BK200mlを加えて振盪し、MIBK層を除去する。この操作
を3回繰り返す。
硫酸、硝酸:非沸騰方式の蒸留法により精製したもの
を使用。
湿式高圧分解容器:テフロン製内容積70ml、ステンレ
ス製ジャケット、最高耐圧(350kg/cm2) 超純水:本発明の実施例においては比抵抗値が18MΩ/
cm(25℃)以上の超純水を総て使用。
分液ロート:テフロン製全容100ml、流水口の先端よ
り約1mmφ×50mmのポリエチレン製管を装着したものを
使用。
溶媒揮散容器:テフロン製全容10mlビーカー メスアップ容器:標線付きポリエチレン製管(10mm
φ)全容10ml 加熱気化装置付ICP−MS装置:セイコー電子工業
(株)製SPQ−6100型 クリーンベンチ、クリーンルーム:クリーンベンチ
(クラス100以下)、クリーンルーム(クラス1000〜100
00)の設備を使用。
1−2.操作 (1) AlF3の高温加水分解 第1図に示すような装置を用い、AlF3の高温加水分解
を行った。ここで、1はヒーター、2は水蒸気を導入す
るためのボイラー、3は電気炉、4は試料を入れるため
の白金ボート、5は試料から発生するフッ酸(HF)によ
り不純物金属が溶出するのを防ぐための白金製の管であ
り、6は発生したHFを凝縮させるための冷却器である。
発生したHFは、冷却器で凝縮するが一部蒸気で排出され
る場合もあり、これらを水または低濃度のアルカリで吸
収し、フッ素電極等でその量を測定することにより、Al
F3の分解率を測定することができる。
まず、白金ボートに試料を約2g秤りとり、第1図のよ
うな位置に置き、バイトン栓で図のように密閉する。次
に、電気炉3を通電して昇温し、所定の温度とした後、
ヒーター1により加熱してボイラー2の水蒸気を試料に
導入することにより、高温加水分解を行う。
この操作により試料のAlF3は、フッ酸とアルミナに分
解されるわけであるが、この高温加水分解反応を行う際
の温度によりAlF3の分解率が異なることがわかったの
で、加水分解を行う温度を変化させて発生したHFを低濃
度のアルカリ(KOH)吸収させ、フッ素電極によりフッ
素濃度を測定し、この値より排出されたフッ素量を求
め、さらにAlF3の分解率を計算した。結果を第1表に記
す。
この表より、900〜1000℃で高温加水分解すれば、ほ
とんど分解されα−アルミナとなることがわかる。
(2) 分解後のα−アルミナ約0.6gを秤量して湿式高
圧分解容器にとり、硫酸(1+3)10mlを加えて蓋をし
て密閉後、恒温槽に入れて230℃で16時間保持する。放
冷後、水を用いて内容液をテフロン製100mlの分液ロー
トに移し入れ、試薬Aを10ml加え、メチルオレンジ指示
薬(0.1w/v%)2〜3滴を加え、微黄色を呈するまでア
ンモニア水(1+9)を滴下した後、全容を50mlとす
る。
約10分間静置後、この溶液にMIBK3mlを加えて3分間
振盪し、約1時間静置する。水層は除去し、MIBK層を溶
媒揮散容器に移し入れて0.7Nの硝酸2mlを加え、約100〜
120℃に加温してMIBKを揮散させる。残液をメスアップ
容器に移し入れ水で全容5mlに合わす。この溶液20μ
を加熱気化装置に導入し、ETV−ICP−MSにより各イオン
強度を測定する。予め作成した検量線より各金属の量を
求め、下記の(1)式より各金属含有量を算出する。
各金属の含有量(ppb)をXとすると、 X(ppb)=[各金属量(ng/ml)×5]/[(α−アル
ミナ採取量)×2×84(AlF3)/102(Al2O3)] ……
(1) 式(1)において2×84(AlF3)/102(Al2O3)はAl2
O3を分解前のAlF3に換算したもので、α−アルミナ採取
量はgである。
上記の操作を試料だけでなく、試料にFe,Ni,Cu,Coの
金属標準溶液をそれぞれ50ng添加したもの、試料にFe,N
i,Cu,Coの金属標準溶液をそれぞれ100ng添加したものに
ついても同様な操作を行い、その時の分析値より回収率
を求めた。
その結果、試料の回収率が95%以上であることを確認
し、十分ppbオーダーの分析ができることがわかった。
上記操作はすべてクリーンベンチ内で行い、クリーンル
ーム内でETV−ICP−MSによる測定も行った。
[発明の効果] 本発明の分析法によれば、AlF3中の金属不純物につ
き、%、ppmオーダーの分析が簡単にできることは勿
論、ppbオーダーまで正確に分析できるので、超高純度
のAlF3の製造研究を進める上で、極めて有益な分析方法
である。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の高温加水分解を行うための装置の一
例を示したものである。 1……ヒーター、2……ボイラー、3……電気炉、4…
…白金ボート、5……白金管、6……冷却器

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】AlF3を900〜1000℃で高温加水分解し、生
    成したアルミナを鉱酸により湿式高圧分解することを特
    徴とするAlF3中の金属不純物の分析方法。
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