地質礦物中金屬元素的化學光譜測定方法研究

宋玉冰

（中國建筑材料工業地質勘查中心吉林總隊，吉林 長春 130000）

地質礦物中含有大量的金屬物質，其也是金屬元素主要來源之一，了解地質礦物的金屬特性并據此進行金屬提煉是保證礦業、工業穩產、高產、高效的重要前提，如何精準、快速地測定到地質礦物中金屬元素的化學含量是地質礦物科學工作者面臨的重大課題[1]。二十世紀七十年代以來化學光譜技術在地質礦物研究中應用以后，基于高光譜對地質礦物中金屬元素光譜特性的研究也有了比較快的發展，但是隨著對地質礦物中金屬元素化學光譜測定技術要求的提高，要求測定方法不僅要具有較高的測定精度、測定效率，同時還要保證地質礦物中金屬元素化學光譜測定后金屬元素的回收率，傳統方法在該方面還有待進一步提高，在實踐操作中傳統方法容易受到多種因素的影響，其中包括儀器、試劑的選擇，樣本的處理等等，種種原因導致傳統方法金屬元素回收率比較低，為此提出地質礦物中金屬元素的化學光譜測定方法研究。此次針對傳統方法的不足之處，對其進行優化和改良，設計出一套新的測定方法，為地質礦物中金屬元素的化學光譜測定提供參考依據。

1 地質礦物中金屬元素的化學光譜測定現狀

目前用于地質礦物中金屬元素化學光譜的測定方法主要有熒光法、微波消解法、ICP-MS法、原子分析法等，這些傳統方法在實際應用中僅能對待測物中一種化學元素含量測定，不能同時對多種元素同時檢測，因此在對地質礦物中金屬元素的化學光譜測定效率方面，需要消耗大量時間。此外，傳統方法在測定過程中對于地質礦物樣本的處理比較不合理，在處理過程中沒有考慮外界因素對測定結果和測定過程的影響，導致地質礦物金屬元素化學光譜測定結果精度較低，同時對于測量儀器的參數值設定也不夠準確，在儀器使用之前沒有經過儀器校準，參數值沒有考慮地質礦物中金屬元素的化學光譜測定需求，這也是傳統方法不適用于地質礦物中金屬元素化學光譜測定的主要原因之一。以上多種原因導致目前地質礦物中金屬元素的化學光譜測定方法回收率低，不適用于地質礦物中金屬元素的化學光譜測定。

2 地質礦物中金屬元素的化學光譜測定方法

2.1 地質礦物樣本處理

當采集到地質礦物樣本時，需要將地質礦物表面的灰塵、顆粒等雜質進行清理，令其表面清潔、干凈，并對采集到的地質礦物樣本進行粉碎、稀釋、消解、分離處理，其具體過程如下。

步驟一：利用電子天平稱取地質礦物樣品50.0g，精確到0.0001g。然后將稱取的地質礦物樣品利用烘干設備對其烘干加熱，烘干最低溫度設定為350℃，最高溫度設定為750℃，烘干時間為7.5min。烘干后取出樣本，并將其碾壓至粉末狀，然后將地質礦物樣本粉末過45目篩，篩除粒徑超過0.25mm地質礦物顆粒。步驟二：將粉碎后的地質礦物樣品放入到100 ml石英容量瓶中，并向容量瓶中加入混合酸溶液，混合酸溶液是由硝酸和高氯酸試劑配制而成，加入的硝酸濃度為0.45mol/L，高氯酸溶度為0.36mol/L。利用玻璃棒將地質礦物樣本與混合酸溶液充分融合，使地質礦物樣本表面均粘有混合酸溶液，其目的是使地質礦物中金屬元素與酸類發生反應，利于金屬元素析出[2]。為了促進混合酸與地質礦物樣本充分溶解，將其放入金屬元素特種空心陰極燈下照射，照射溫度控制在200℃～300℃范圍內，在攪拌過程中加入超純水對溶液進行不斷稀釋，直至將地質礦物溶液濃度稀釋到0.1 mol/L。步驟三：利用電子天平稱取10ml稀釋后的地質礦物溶液，將其放入到原子吸收分光光度計中，加入10ml純化后的濃硝酸，然后將擰緊容器蓋，按照原子吸收分光光度計設定的消解程序對地質礦物溶液進行消解，消解溫度控制在500℃左右，時間為10min，壓力最大上限為75bar[3]。步驟四：將裝有地質礦物溶液的100 ml石英容量瓶蓋和容器壁上的物質用濾紙擦拭下來，然后將濾紙放入到75ml瓷坩堝中，將瓷坩堝中加入超純水，將濾紙上的物質稀釋下來，獲取到的溶液則為帶有金屬元素的溶液，將其存儲在避光處，用于后續化學光譜分析，以此完成地質礦物樣本處理。

2.2 化學光譜儀測量樣本中金屬元素

將處理后的地質礦物樣本利用化學光譜設備進行檢測，獲取到地質礦物中金屬元素的化學光譜數據，選擇的化學光譜設備為北京曙光明電子光源儀器有限公司出產的ASD5化學光譜儀，在檢測之前需要對化學光譜儀相關技術參數進行設定，其中包括光譜范圍、采樣間隔、探測元件、光譜分辨率、輸出波段數以及鏡頭配置等，具體設置如下表所示。

表1 化學光譜儀參數表

化學光譜儀測量樣本中金屬元素需要在暗室內進行，將裝有離心后的地質礦物溶液的5cm厚的稱樣皿放在反射率近似為0的黑褐色橡膠上，采用功率為近75W標準鎢絲石英燈作為光譜檢測光源，將化學光譜儀鏡頭光源入射角度調整為35°，光源與待檢測樣本距離保持在30cm～35cm左右，鏡頭距離保持在10cm～15cm，在檢測過程中需要向同一方向轉動稱樣皿，轉動次數為4次，每次轉動角度大約45°，這樣可以獲取到地質礦物中金屬元素在四個方向的化學光譜曲線，可以降低地質礦物樣本種金屬元素化學光譜各向異性的影響。在測量過程中采集到地質礦物中金屬元素每個方向3條光譜曲線，每個地質礦物樣本需采集12條化學光譜曲線，并計算平均后得到地質礦物土壤樣本中金屬元素的反射光譜數據，并且將采集到的化學光譜數據及時進行白板校正，用于后續金屬元素化學光譜分析。

2.3 金屬元素化學光譜分析

獲取到地質礦物中金屬元素化學光譜曲線后，根據采集到的光譜數據對地質礦物中金屬元素化學含量進行分析。每條化學光譜曲線都對應著反射率，而金屬元素的反射率與金屬元素化學含量成一定的正相關關系，因此此次以該理論作為分析依據，對地質礦物中金屬元素化學含量進行計算分析，其過程如下。

將地質礦物溶液中加入定量的重鉻酸鉀-硫酸溶液，令溶液與地質礦物中金屬元素發生氧化反應，并且用多余的重鉻酸鉀用硫酸亞鐵溶液滴定，同時利用二氧化碳為添加物做空白試驗，記錄地質礦物中金屬元素與重鉻酸鉀-硫酸溶液氧化前后，重鉻酸鉀-硫酸溶液的消耗量，將其設定為K；記錄該過程中地質礦物樣本質量，將其設定為S；最后利用HDS軟件計算出金屬元素化學光譜曲線所對應的光譜反射率，將其L用表示。根據以上獲取的數據，即可分析計算出地質礦物中金屬元素的化學含量，用公式表示如下：

公式（1）中，Q表示地質礦物中金屬元素的化學含量，單位為g。利用上述公式即可測定出地質礦物中金屬元素的化學含量，以此完成地質礦物中金屬元素的化學光譜測定。

3 實驗論證分析

實驗選取隨機選取某礦山地質礦物100g，將其平均分成五份等質量的地質礦物樣本，用編號#001、#002、#003、#004、#005標記，并將其用黑褐色玻璃容器收集，用于此次設計方法與傳統方法對比實驗。實驗中利用此次設計方法與傳統方法對地質礦物樣本中金屬元素進行化學光譜測定，將此次設計方法設定為實驗組，將傳統方法設定為對照組，實驗中對地質礦物樣本的處理、儀器的選擇以及分析參數均按照上文進行，記錄兩組化學光譜測定結果。實驗將兩組測定結果與實際值進行對比，利用GDF軟件計算出各個地質礦物樣本中金屬元素的回收率，回收率越高則說明地質礦物中金屬元素化學光譜測定過程中對原有金屬元素的影響越低，測定結果與原有實際值越貼近，因此將回收率作為實驗結果，對兩種方法進行對比分析，根據記錄到的實驗數據繪制實驗組與對照組回收率對比圖，如下圖所示。

圖1 實驗組與對照組回收率對比圖

從上圖可以看出，此次設計方法地質礦物中金屬元素回收率均高于85%,最大值可以達到96%,而傳統方法地質礦物中金屬元素回收率最大僅為57%,遠遠低于設計方法，這是因為此次設計方法在地質礦物樣本處理以及光譜分析上均提高了精度，避免了一些其他因素對地質礦物中金屬元素化學光譜測定的影響。通過以上實驗證明了此次設計方法在回收率方面由于傳統方法，更適用于地質礦物中金屬元素的化學光譜測定。

4 結語

此次從儀器設備和試劑選擇、地質礦物樣本處理，測定儀器參數設置方面，對傳統方法進行了改良與優化，為地質礦物中金屬元素的化學光譜測定提供了一套新的測定理論，并利用實驗驗證了此次設計方法回收率較高。此次研究有利于推動地質礦物中金屬元素化學光譜分析技術的發展，同時也豐富了地質礦物中金屬元素化學光譜分析分析理論知識。