微波消解ICP-AES 法同時(shí)測(cè)定地質(zhì)礦物中的多種金屬元素含量研究

王 婷

（中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心吉林總隊(duì)，吉林 長(zhǎng)春 130000）

地質(zhì)礦物金屬元素含量測(cè)定是地質(zhì)勘查中一項(xiàng)重要工作內(nèi)容，其目的是判斷出地質(zhì)礦物是否具有開(kāi)采價(jià)值，并為地質(zhì)礦物中金屬元素提煉提供有利的參考依據(jù)。而通常情況下，地質(zhì)礦物中會(huì)同時(shí)含有一種或者一種以上金屬元素，最常見(jiàn)的地質(zhì)礦物測(cè)定工作是對(duì)地質(zhì)礦物中一種金屬元素含量測(cè)定，由于測(cè)定主體單一，因此也就相對(duì)比較簡(jiǎn)單[1]。但是隨著對(duì)地質(zhì)礦物中金屬元素含量測(cè)定技術(shù)要求的不斷提高，大多數(shù)情況下要求對(duì)地質(zhì)礦物中多種金屬元素含量同時(shí)測(cè)定，這樣可以有效提高地質(zhì)礦物測(cè)定工作效率，這也成為了地質(zhì)礦物中金屬元素含量測(cè)定技術(shù)未來(lái)發(fā)展的主要方向。目前，地質(zhì)礦物中多種金屬元素含量同時(shí)測(cè)定方法主要包括儀器分析法、原子吸收法等，這些傳統(tǒng)方法在實(shí)踐操作中在地質(zhì)礦物樣本處理和分析上存在較大誤差，導(dǎo)致傳統(tǒng)方法具有較高的檢出限，此外傳統(tǒng)方法的靈敏度也比較低，已經(jīng)無(wú)法滿足地質(zhì)礦物中多種金屬元素含量同時(shí)測(cè)定需求，為此提出微波消解ICP-AES 法同時(shí)測(cè)定地質(zhì)礦物中的多種金屬元素含量研究。

1 基于微波消解ICP-AES法的地質(zhì)礦物中的多種金屬元素含量同時(shí)測(cè)定方法

1.1 地質(zhì)礦物樣本微波消解處理

在對(duì)地質(zhì)礦物樣本檢測(cè)之前，首先需要對(duì)采集到的地質(zhì)礦物樣本進(jìn)行處理，此次采用微波消解處理技術(shù)，該技術(shù)的應(yīng)用能夠有效提煉出地質(zhì)礦物樣本中多種金屬元素物質(zhì)，具體微波消解過(guò)程如下。

首先需要將采集到的地質(zhì)礦物樣本放入到型號(hào)為AAS1504烘干機(jī)中進(jìn)行烘干，是地質(zhì)礦物樣本內(nèi)水分充分蒸發(fā)，方便后續(xù)樣本粉碎；然后再將烘干后的地質(zhì)礦物樣本放入到型號(hào)為SHD020 碾碎機(jī)中進(jìn)行粉碎，粉碎的顆粒直徑要小于0.03um,將粉碎的固體雜質(zhì)過(guò)11 目篩[2]。將得到的地質(zhì)礦物粉末放入容量為100ml 的消解燒杯中，并在容器中加入適量的蒸餾水將粉末稀釋成溶液，再向稀釋后的溶液中加入適量的硝酸鹽，利用硝酸鹽與地質(zhì)礦物樣本中多種金屬元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將燒杯中的溶液放入消解設(shè)備中，消解設(shè)備選用上海光譜通用儀器有限責(zé)任公司生產(chǎn)的ASA 型號(hào)消解儀，將消解儀消解溫度設(shè)定為150℃，消解時(shí)間設(shè)定為20min，在燒杯上方放一個(gè)過(guò)濾網(wǎng)，將消解過(guò)程中粘在過(guò)濾網(wǎng)上的物質(zhì)用刀片刮取下來(lái)，用于后續(xù)檢測(cè)分析，以此完成地質(zhì)礦物樣本微波消解處理。

1.2 基于微波消解ICP-AES 法測(cè)定地質(zhì)礦物中多種金屬元素電解質(zhì)濃度

地質(zhì)礦物樣本經(jīng)過(guò)微波消解處理后，利用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-AES）多獲取到的粉末進(jìn)行檢測(cè)分析，其過(guò)程如下。

首先將設(shè)備的高強(qiáng)度短弧氙燈作為連續(xù)光源，以儀器設(shè)備高分辨率的中階梯光柵作為光學(xué)系統(tǒng)，將短弧氙燈自動(dòng)校正系統(tǒng)的光學(xué)分辨率設(shè)定為1.5pm，對(duì)電解質(zhì)濃度測(cè)定儀器進(jìn)行校正[3]。然后在儀器設(shè)備上選取一些常見(jiàn)金屬元素分析譜線，各個(gè)金屬元素分析譜線的相關(guān)系數(shù)要大于0.99，分析譜線的相關(guān)系數(shù)越接近1，則表示選取的分析曲線的線性良好。在此基礎(chǔ)上對(duì)電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測(cè)定參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，將高頻發(fā)射功率設(shè)定為1200W，將設(shè)備的采樣深度設(shè)定為0.36mm，將等離子氣體流速設(shè)定為0.85L/min，將輔助氣流速設(shè)定為1.35 L/min，將設(shè)備載氣流速設(shè)定為3.15 L/min，將霧化溫度參數(shù)設(shè)定為2.54℃，將設(shè)備測(cè)定波長(zhǎng)設(shè)定為1.354nm，將設(shè)備測(cè)定環(huán)境溫度設(shè)定為75℃～155℃，將設(shè)備換算方式設(shè)置為高峰換算方式，將設(shè)備高猛酸鉀含量設(shè)定為0.25g/ml，在將設(shè)備進(jìn)樣量設(shè)定為0.25g。最后開(kāi)啟設(shè)備開(kāi)關(guān)，將微波消解后的樣本放入儀器電離管內(nèi)，并依次向電離管內(nèi)加入濃度為0.45g/ml 硝酸溶液1.5ml、濃度為0.05g/ml 高猛酸鉀溶液0.25ml。當(dāng)設(shè)備電離管溫度達(dá)到50℃時(shí)，向電離管中加入0.15ml 磷酸緩沖溶液，將電離管中地質(zhì)礦物樣本PH 值調(diào)解至5.5，并且用水定容100ml，靜置10min 后，將電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀轉(zhuǎn)速設(shè)置為1500r/min，電離時(shí)間為7.5min。電離完成后，將離心管中清液去除，用1ml 高濃度硝酸將測(cè)定溶液沉淀，并讀取電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測(cè)定的多個(gè)金屬元素電解質(zhì)溶度數(shù)據(jù)，將各個(gè)金屬元素名稱與其電解質(zhì)濃度進(jìn)行詳細(xì)記錄，用于樣本中多種金屬元素含量計(jì)算。

1.3 計(jì)算樣本中多種金屬元素含量

根據(jù)金屬元素電解質(zhì)濃度與金屬元素含量存在一定的線性關(guān)系，利用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測(cè)量到的地質(zhì)礦物中各個(gè)金屬元素電解質(zhì)濃度，對(duì)各個(gè)金屬元素含量進(jìn)行計(jì)算，金屬元素電解質(zhì)濃度與金屬元素含量存在的線性關(guān)系用公式表示如下：

公式（1）中，D 表示地質(zhì)礦物中某一金屬元素含量，單位為g；β 表示金屬元素電解質(zhì)濃度與含量關(guān)系系數(shù)值，通常情況下該數(shù)值為0.02；L 為金屬元素電解質(zhì)濃度；N 為地質(zhì)礦物樣本質(zhì)量。利用以上公式，即可計(jì)算出地質(zhì)礦物中多種金屬元素含量，以此基于微波消解ICP-AES 法的地質(zhì)礦物中的多種金屬元素含量同時(shí)測(cè)定。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

實(shí)驗(yàn)以某礦山地質(zhì)礦物作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該礦山屬于多金屬礦，地質(zhì)中含有鐵、銅、金、鉛、鋅等多種金屬元素，實(shí)驗(yàn)分別在該礦山十處不同區(qū)域采集地質(zhì)礦物樣本，每份地質(zhì)礦物樣本的質(zhì)量為100g，采集的地質(zhì)礦物樣本用黑色玻璃瓶裝取，避免陽(yáng)光與地質(zhì)礦物樣本中多種金屬元素發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而影響到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)利用此次設(shè)計(jì)的基于微波消解ICP-AES 法的地質(zhì)礦物中的多種金屬元素含量同時(shí)測(cè)定方法與傳統(tǒng)方法對(duì)采集的地質(zhì)礦物樣本中多種金屬元素含量進(jìn)行同時(shí)檢測(cè)，對(duì)兩種檢測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)首先將地質(zhì)礦物樣本經(jīng)過(guò)微波消解處理，將其放置45ml 容量瓶中，利用蒸餾水定容，過(guò)0.55um 濾膜后，使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀進(jìn)行平行測(cè)量，每個(gè)地質(zhì)礦物樣本重復(fù)測(cè)量五次取平均值作為檢測(cè)結(jié)果，利用電子表格記錄兩種方法對(duì)地質(zhì)礦物中多種金屬元素含量檢測(cè)值，下表為地質(zhì)礦物樣本中銅、鐵金屬元素含量檢測(cè)值與實(shí)際值。

表1 樣本中銅、鐵金屬元素含量檢測(cè)值與實(shí)際值

根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄到的測(cè)定數(shù)據(jù)，利用DDS 軟件分析到兩種測(cè)定方法的檢出限值，檢出限值是衡量測(cè)定方法檢測(cè)精度的關(guān)鍵指標(biāo)，檢出限值越低則表示測(cè)定結(jié)果與實(shí)際值越貼近，測(cè)量精度越高，因此實(shí)驗(yàn)以兩種地質(zhì)礦物中多金屬元素含量同時(shí)測(cè)定方法的檢出限值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)兩種測(cè)定方法進(jìn)行對(duì)比分析，根據(jù)分析軟件分析到的數(shù)據(jù)，繪制兩種方法檢出限值對(duì)比圖，如下圖所示。

從圖1可以看出，此次設(shè)計(jì)基于微波消解ICP-AES法的地質(zhì)礦物中的多種金屬元素含量同時(shí)測(cè)定方法檢出限平均值為0.0243ug/g，最大檢出限值僅為0.426 ug/g，最小檢出限值為0.264 ug/g；而傳統(tǒng)測(cè)定方法檢出限平均值為0.667ug/g，最大檢出限值已經(jīng)達(dá)到0.835 ug/g，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出此次設(shè)定方法，設(shè)計(jì)方法優(yōu)于傳統(tǒng)方法，這是因?yàn)榇舜卧O(shè)計(jì)方法在對(duì)地質(zhì)礦物樣本處理上使用了精度較高的微波消解技術(shù)，在利用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測(cè)定地質(zhì)礦物中多種金屬元素電解質(zhì)濃度，同樣具有較高的測(cè)定精度，以此保證了地質(zhì)礦物中多種金屬元素含量測(cè)定精度，從而降低了地質(zhì)礦物中多種金屬元素含量檢出限值。通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，基于微波消解ICP-AES法的地質(zhì)礦物中的多種金屬元素含量同時(shí)測(cè)定方法具有較低的檢出限值，具有較高的檢測(cè)精度，相比于傳統(tǒng)方法更適用于地質(zhì)礦物中多種金屬元素含量同時(shí)測(cè)定，具有良好的可靠性和可行性。

圖1 兩種測(cè)定方法檢出限值對(duì)比圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)地質(zhì)礦物中多種金屬元素含量同時(shí)測(cè)定方法存在的弊端，引入微波消解ICP-AES 法檢測(cè)理論作為理論依據(jù)，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出一套新的測(cè)定方法，并利用檢驗(yàn)驗(yàn)證了此次研究?jī)?nèi)容對(duì)降低地質(zhì)礦物中多種金屬元素含量同時(shí)測(cè)定方法的檢出限值具有明顯效果，此次研究為地質(zhì)礦物金屬元素含量檢測(cè)提供了有利的參考依據(jù)，有利于推動(dòng)地質(zhì)礦物檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展。