巖礦中稀有金屬元素化學分析探析

摘要：稀有金屬已經成為我國各行業中必不可少的元素之一，而大多數稀有金屬元素來自巖礦中。研究者可通過一定的化學分析方法檢測巖石礦物中稀有金屬元素的組成與含量，這為勘察巖礦中稀有金屬提供了便利。由于化學分析方式相對較為便捷，現已成為勘察巖礦中稀有金屬元素的主要方式之一。

關鍵詞：巖礦；稀有金屬元素；化學分析1稀有金屬元素化學分析方法的重難點

本文闡述了巖石礦物中稀有金屬元素的化學分析中存在的兩大困難，其中稀有金屬元素的化學分析技術和鋰元素分離困難是亟待解決的兩大難題。首先，如何選取合適的組合分析法是目前國內外學者普遍關注的一個問題，也是目前稀有金屬元素化學分析中的一個難點；其次，由于稀有金屬元素的分離難度很大，因此其分離問題一直沒有得到有效的解決。另一方面，由于化學分析技術的不斷發展，使得鋰離子的分離成為人們關注的焦點。通過對鋰離子分離技術的探討與研究，研究者們提出了有針對性的開發和創新技術，使其能夠更好地分離出鋰元素，從而極大地提升了分離效率。目前通過化學分析技術方法解決上述兩大問題還較為困難。

2分析巖礦使用的化學方法

2.1全面檢測分析法

目前，巖礦的全面檢測分析法是一種綜合分析法，是一種精度要求較高的測試方法。它的主要測試步驟是：將原礦碾碎，磨碎，再用ICPAES、IR熒光光譜儀等光譜儀，對巖石中的元素進行全面的分析。這種方法需要對巖石中所有元素進行全面的分析，而巖礦中的稀有元素一般只有一兩種，這就導致了整個測試和分析的成本都很高。全面檢測分析法通常是在巖石樣品未通過化學手段處理之前，對巖石的成分進行分析的，結果見表1。由此可見，在對各種元素進行測定時，全面檢測分析法具有很大的優勢，這也是巖礦分析過程中所使用的主要分析方法。而在對少數稀有金屬元素進行測試時，全面檢測分析法并非最佳分析手段。

2.2普通檢測法

相比于全面檢測分析法，普通檢測法主要是將巖石中的某一種特定的化學元素進行分析，忽略其他不需要的化學元素，這種方法在工業上有很高的應用價值。不同的元素，其化學檢測方法也不同。通過普通檢測方法可以更加系統地分析每一種巖石礦物的成分，并對其中的有用成分進行定量測定。

2.3組合檢測比較法

組合檢測比較法也可以說是一個比較系統的取樣分析法，它能夠更全方位地掌握礦石中最有價值的元素、成分的組成與分布情況，和其他的方式比較，組合檢測比較法更適用于各種微量元素的檢測，并且其結果的精確度也較高。在地殼中，釩、鋯、鈦的含量要高于普通有色金屬銅、鋅、鎳、鈷、鉛、錫。稀有金屬的分布分散，通常會和其他金屬伴生，這就導致了需要用到組合檢測比較法進行研究。比如，在分析金銀礦時，金銀礦中往往含有大量的伴生元素，這些元素的儲量很大，在分析金、銀的時候，還需要對其進行分析，以提高礦石的利用率。通過組合檢測比較分析法得到檢測結果見表2。

3分析鋰元素的方法研究

3.1分離鋰元素的方法

要從礦石中提取出鋰，首先需要將其分離出來。鋰元素的化學穩定性本身就較差，容易受到其他因素干擾，導致最終的檢測結果出現偏差。因此最嚴謹的提取方法是將其從礦石鋰中分離出來。近年來，有機溶劑萃取分離、化學氯化等特種冶金技術在有色金屬冶煉中的應用不斷成熟。利用有機溶劑純化技術和獨特的離子交換技術，分離凈化了鈹、鋰、銣、銫、鉭、鎢、鉬、鎵、鍺等稀有金屬元素；另外，采用熔鹽電解法和金屬熱還原法制備生產鈷、鈹、鉍、釩等，并對其他稀土元素進行了研究。

一般來說，對于不同的金屬，其溶液中的氯化物溶解度也有不同，如鋰的氯化物溶解性很高，但是氯化鋰的立體性結構和氯化鉀的結構卻十分相似，并且氯化鋰之間不存在強離子鍵，因此，100 mL水能完全溶解67 g氯化鋰，但其在有機溶劑，例如乙醇、丙酮、吡啶中難以溶解。由于金屬鋰和其他氯化反應物在有機溶劑和水溶液中的溶解度具有顯著的差異，因此可以通過這種方式進行分離。從而達到較高的分離效率。試驗結果顯示，在戊醇中，金屬氯化鋰（LiCl）的溶解率為65.4 g/100 mL，而其余的金屬氯化物（來自鋰輝石偉晶礦）在戊醇中的溶解性一般為0.007 8 g/100 mL。這樣，通過利用有機溶劑和水溶液密度區別以及互不相溶的原理，就能實現鋰物質的有效分離。在元素周期表中，硒和碲是比較典型的親銅元素，而硫是巖漿中的主要元素。諾達克氏試驗結果顯示，在原始巖漿中，硒的含量是196 g/t，碲的含量大約是2 g/t。采用化學熔融的方法，可與鉛、銅、銀等元素進行復合，生成各種硒化物。碲還可以和銀、金、汞、鐵等元素進行物理化學結合，從而生成各種碲化物。根據研究，火山噴發產生的自然硫化物中，含硒量在3%～5%。另外，硒、碲在自然界中的分布也是非常廣泛的，并且它們可以稀散游離的狀態存在，當游離的硒和碲被空氣中的氧氣氧化，就會形成氧化硒和氧化碲。

對于鎘元素和碲元素的研究方法有很多種，例如目前最常用的質量法，一般是在濃鹽酸溶液中將二氧化硅（或它的飽和溶液）和二氨鹽酸鹽攪拌，使得鎘元素和碲元素還原至單體狀態，然后置于熔融的玻璃坩堝內，以110～125 ℃烘干，進行稱重計數。硒和碲的含量也可以采用比色法來計算，一般在添加少許的動物膠、阿拉伯膠和少許銅鹽的前提下，用10%SnCl2溶液把硒和碲各自還原成單體狀態，然后再利用紫外光進行比色鑒定。此外，硫化礦、金銀礦中普遍存在硒、碲，通常采用硝酸初步分解處理。若礦石中存在大量硫化物，則可加入少量KI加速其分解。對于一些不能溶于酸的礦物，可以在高溫下用堿或酸溶液將其轉化為可以溶于水的鹽類物質，一般不使用也不能使用熔化工藝。

3.2確定分析檢測方法

本文中主要是使用質量法來測定金屬鋰的濃度。即通過對最終產物Li2SO4進行稱量，從而確定鋰元素的含量。首先，用碳酸鈣（CaCO3）和氯化銨（NH4Cl）將巖石試樣分解，以便除去Ca元素，得到堿金屬的混合氯化物；然后，通過加熱氣化的手段除去其中的無水丙酮（CH3COCH3）；按照金屬氯化物的溶解度差異（物理特性），將鋰分離，置于丙酮中，在高溫下進行蒸餾，再以1∶1的比例加入鹽酸（HCl）、H2SO4中，再將其轉變為硫酸鋰，經過濾，烘干，稱重。

3.3化學分析流程

鋰元素在巖礦中的含量較高，分布范圍也較廣，但其在不同類型的巖礦中的分布程度存在較大的差異。根據以往的研究表明，鋰元素含量最高的巖礦為花崗巖，同時花崗巖中還含有諸如硅酸鹽和磷酸鹽等一系列的獨立礦物。目前，對鋰元素的化學分析方法較多，包括質量法、光譜分析法、色譜和質譜分析法等。在這些方法中，以質量法的應用最為廣泛。在應用質量法對鋰元素進行化學分析時，將少量的巖礦樣品與同等質量的氯化銨進行混合，研磨均勻后再加入適量的碳酸鈣粉末繼續進行研磨，待3種成分全部混合均勻，將混合物放置于坩堝中，先低溫加熱10 min，再升溫至900 ℃左右，繼續加熱1 h后再進行冷卻。待坩堝冷卻至室溫后，使用相應工具取出坩堝中已結塊的產物，再對其進行研磨，待其研磨完成后放入燒杯中，向燒杯中加入50 mL去離子水，煮沸15 min，冷卻至室溫后進行過濾，過濾后得到的液體按照上述步驟重復操作2次，取過濾后的清液，加入適量的氫氧化鈣飽和溶液。上述工作結束后，將現有的反應體系再次加熱至沸點，使之持續沸騰，直至剩余10～15 mL液體時停止加熱，向剩余液體中加入少量氯化銨、濃氨水和飽和碳酸銨溶液，對混合溶液繼續加熱5 min后，再進行沉淀和過濾操作，這步所得到的濾液則放置于坩堝中，在450 ℃條件下進行加熱，并在加熱時不斷滴加濃氨水和草酸銨的飽和溶液，充分進行混合攪拌，反應完成后繼續進行過濾處理，取過濾后剩余的沉淀物，放置于蒸發皿中進行蒸發，并在蒸發的過程中加入適量鹽酸，以除去其中殘余的水分，通過以上步驟處理后，即可得到堿金屬混合氯化物。在得到堿金屬混合氯化物后，將其研磨為粉末，加入無水丙酮和少量濃鹽酸充分攪拌后進行過濾，取過濾后的固體物用無水丙酮進行反復處理后，對固體物進行灼燒處理，再加入過量的硫酸去除氯化物后，即可得到硫酸鋰，分析硫酸鋰的質量即可推導出鋰元素的質量。當然，這種分析方法步驟較多，極為繁瑣，也就導致一些誤差幾乎難以避免。對此，研究人員也致力于對色譜、質譜分析法等進行更為深入的研究。

4結語

我國幅員遼闊，礦產資源種類頗多，儲量豐富，分布廣泛，其中珍稀貴重金屬資源豐富。珍稀貴重金屬資源的開發與利用，對于我國的經濟、社會發展有著重要的作用。但目前，我國對巖礦中稀有金屬元素的分析技術研究還比較薄弱，存在著許多問題，限制了我國的經濟發展。圍繞巖礦中稀有金屬，對其常見的分析方法進行了介紹，并指出現階段巖礦中稀有金屬元素的測定存在的問題和不足之處。隨著地質勘查和采礦工作的開展，對稀有金屬含量的分析和測量的需要不斷增加，推動著相關技術水平的提升，因此稀有金屬含量檢測分析變得越來越重要。因此，加強對稀有金屬的檢測和分析，對于提高地質勘探工作的效率和增加社會經濟效益具有十分重要的作用。

參考文獻：

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作者簡介：廖蘭科，男，湖南益陽人，工程師，本科，研究方向：巖礦分析。