巖石礦物中硅酸鹽分析方法的研究與設(shè)計(jì)

蔣常菊

(青海省核工業(yè)地質(zhì)局)

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巖石礦物中硅酸鹽分析方法的研究與設(shè)計(jì)

蔣常菊

(青海省核工業(yè)地質(zhì)局)

摘要通過(guò)對(duì)硅酸鹽化學(xué)成分的分析，提出了一種針對(duì)巖石礦物中硅酸鹽的系統(tǒng)分析方法，該方法采用微波消解對(duì)巖石試樣進(jìn)行快速分解和分析，在保證分析精度的基礎(chǔ)上，有效提高了分析效率。通過(guò)試驗(yàn)表明：微波消解法具有簡(jiǎn)單高效的特點(diǎn)，非常適用工業(yè)生產(chǎn)，對(duì)提升工業(yè)生產(chǎn)水平具有非常重要的意義。

關(guān)鍵詞硅酸鹽微波消解快速分解分析

硅酸鹽是自然界中常見(jiàn)的一種硅氧化合物，在地殼中分布極為廣泛，是構(gòu)成大多數(shù)巖石礦物的主要成分，也是重要的化工原料，在工業(yè)生產(chǎn)和科研領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。

在對(duì)巖石礦物中的硅酸鹽成分分析時(shí)，需要測(cè)定的元素項(xiàng)目很多，且分析過(guò)程極為復(fù)雜[1]，在分析過(guò)程中為減少礦物試樣用量，提升分析效率，通常需要在同一個(gè)試樣中采用分解、分離和屏蔽等手段來(lái)對(duì)礦物中的硅酸鹽成分進(jìn)行分析和判斷，以消除干擾元素對(duì)分析測(cè)定結(jié)果的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦物總的硅酸鹽成分的系統(tǒng)、連貫的測(cè)量[2]。目前，所使用的硅酸鹽分析系統(tǒng)方法大部分是建立在重量法的基礎(chǔ)上，通過(guò)一次樣品即可實(shí)現(xiàn)對(duì)二氧化硅、三氧化二鋁、三氧化二鐵等多種成分的測(cè)定，其通常包括試樣分解、成分分離和測(cè)定兩大步驟，其中后續(xù)步驟可以重復(fù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)對(duì)多種成分的依次測(cè)定[3]。常用的快速分析方法主要有堿熔快速分析、酸溶快速分析和基于原子吸收分光光度法的快速分析。其中堿熔快速分析可以快速對(duì)樣品中的氧化鉀和氧化鈉進(jìn)行分離和測(cè)定[4]；酸溶快速分析可以實(shí)現(xiàn)對(duì)二氧化硅的快速分離和測(cè)定；原子吸收分光光度法可以分析測(cè)試二氧化鈦和五氧化二磷等化合物；但是從這些分析方法來(lái)看，大部分的方法測(cè)量分析過(guò)程中都較為復(fù)雜、流程繁瑣，不利于工業(yè)應(yīng)用及控制。

針對(duì)這一背景，本文在巖石礦物硅酸鹽成分分析的基上，提出了一種微波消解法對(duì)巖石礦物中的硅酸鹽成分進(jìn)行快速分析的方法，可有效提高巖石礦物中的硅酸鹽成分分析效率，對(duì)促進(jìn)工業(yè)中硅酸鹽分析技術(shù)發(fā)展具有非常重要的意義。

1巖石礦物中的硅酸鹽的主要成分分析

硅酸鹽是巖石礦物的主要組成成分，普遍的存在于地球各類(lèi)巖石礦物中，在分析過(guò)程中，通常所指的硅酸鹽主要是含硅和氧的化合物。經(jīng)過(guò)測(cè)算目前整個(gè)硅酸鹽含量占整個(gè)地殼質(zhì)量的80%以上，而且硅酸鹽的種類(lèi)繁多，大多數(shù)的硅酸鹽具有極高的熔點(diǎn)，化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定，這給巖石中的硅酸鹽的化學(xué)成分定量分析帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)[4]。

對(duì)于地殼中的硅酸鹽巖石礦物，目前已知的硅酸鹽礦物已達(dá)800多種，是整個(gè)地球礦物總數(shù)的三分之一，常見(jiàn)的含有硅酸鹽的礦物主要有高嶺土、云母、石英等。通常這些礦物中，由于硅酸鹽的種類(lèi)繁多，在不同礦物中含有的硅酸鹽的礦物種類(lèi)和含量也大不相同，整個(gè)化學(xué)元素周期表中的大部分元素均可能是硅酸鹽的組成部分也是各種巖石礦物中的成分。根據(jù)我國(guó)國(guó)標(biāo)GB/T14506.1中規(guī)定的硅酸鹽巖石化學(xué)成分分析方法得出的組成硅酸鹽礦石的主要成分包括吸附水、二氧化硅、三氧化二鋁、二氧化錳、氧化鉀、氧化鈉、氧化鈣、氧化鎂、二氧化鈦、五氧化二磷和三氧化二鐵等，以及鉛、鋅、鉻、鎘、鋇、灼燒失量、鈷、鎳、銣、鍶、釩等微含量元素，這些元素的總含量接近整個(gè)硅酸鹽巖石成分的100%，在分析過(guò)程中通常是對(duì)這些主要元素的含量進(jìn)行測(cè)定，而對(duì)于一些含量極其微小的元素，一般在分析測(cè)定過(guò)程中不予考慮。

本文在巖石礦物中的硅酸鹽分析方法研究中，也將對(duì)巖石礦物中主要的硅酸鹽成分及其含量進(jìn)行測(cè)定，其中主要考慮的是SiO2、Al2O3、K2O、Na2O、Fe2O3、TiO2、MgO、CaO、FeO、C u、Z n、C r、V等成分的測(cè)定。

2微波消解法基本原理

微波消解法對(duì)巖石中的硅酸鹽進(jìn)行分析，主要利用微波內(nèi)部加熱的特點(diǎn)，對(duì)樣品與酸的混合物進(jìn)行加熱，達(dá)到深層加熱的目的，實(shí)現(xiàn)更加高效的消解和分析，進(jìn)而快速的擊碎巖石中穩(wěn)定的硅酸鹽化合物，對(duì)其分子進(jìn)程測(cè)量。微波作為電磁波中波長(zhǎng)位于遠(yuǎn)紅外和無(wú)線(xiàn)電之間的一種高效的電磁輻射波，其頻率通常為300～300 000 MHZ，通過(guò)微波作用于物體的內(nèi)部分子，可使物體內(nèi)部分子產(chǎn)生高速高效的熱運(yùn)動(dòng)，獲得很高的能量，實(shí)現(xiàn)高速高效的內(nèi)部加熱[5]。巖石中的硅酸鹽通常具有極高的穩(wěn)定性，在使用簡(jiǎn)單的酸性物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)的過(guò)程中，通常反應(yīng)效果非常緩慢，即使進(jìn)行簡(jiǎn)單的外部加熱，也很難加快其反應(yīng)速度，滿(mǎn)足工業(yè)快速測(cè)定的需求。因此，可在分析過(guò)程中利用微波內(nèi)部加熱的特點(diǎn)，對(duì)巖石和酸類(lèi)混合物進(jìn)行微波內(nèi)部加熱，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)巖石的高效高速加熱，同時(shí)微波的分子作用特性，可使巖石內(nèi)部硅酸鹽化合物的分子產(chǎn)生高能熱量，直接與酸性物質(zhì)進(jìn)行快速反應(yīng)，極大的提升反應(yīng)效率，使測(cè)定過(guò)程中巖石的消解速度極大的提升，快速的實(shí)現(xiàn)對(duì)巖石的消解和各種化學(xué)成分的測(cè)定，同時(shí)目前微波加熱控制技術(shù)已經(jīng)非常成熟，可以快速的實(shí)現(xiàn)工業(yè)化控制并應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。

3巖石礦物中硅酸鹽分析試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)材料與儀器

試驗(yàn)巖石樣本有水泥熟料、普通硅酸鹽水泥和水泥生料，試驗(yàn)試劑有50%的TEA(三乙醇胺)、36%鹽酸、90%KOH溶液、EDTA標(biāo)樣、CMP指示劑(鈣黃綠素-甲基百里香酚藍(lán)-酚酞混合物)；試驗(yàn)儀器有1 200 W微波爐、水晶玻璃試管、離心機(jī)、混合攪拌機(jī)。

3.2試驗(yàn)步驟及結(jié)果分析

試驗(yàn)采用微波消解法對(duì)巖石中的硅酸鹽進(jìn)行測(cè)定，主要步驟如下：

(1)EDTA標(biāo)定。制作標(biāo)準(zhǔn)的EDTA試劑是完成對(duì)整個(gè)巖石礦物中的硅酸鹽測(cè)定的基礎(chǔ)，在對(duì)EDTA的標(biāo)定中主要通過(guò)CaCO3來(lái)完成，采用80%的CaCO3溶液對(duì)其進(jìn)行稀釋?zhuān)瑢⑵湎♂?倍，實(shí)際操作過(guò)程中主要是通過(guò)吸管吸取10 mL的CaCO3溶液并放入到大試管中，加蒸餾水稀釋到80 mL，然后將試管放到攪拌機(jī)上對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)攪拌搖勻3 min，完成后加入適量的CMP指示劑，繼續(xù)攪拌3 min，最后加入200 g/L的氫氧化鉀溶液直到出現(xiàn)綠色熒光，以EDTA標(biāo)準(zhǔn)液滴定溶液到綠色熒光消失為止，進(jìn)而得出標(biāo)準(zhǔn)EDTA的濃度，實(shí)現(xiàn)對(duì)EDTA的標(biāo)定。

(2)基于微波消解法的樣品消解。在完成EDTA溶液標(biāo)定之后，獲得了標(biāo)準(zhǔn)的EDTA試劑，接著對(duì)樣品進(jìn)行消解，消解樣品中首先對(duì)水泥熟料樣品進(jìn)行消解，用天平稱(chēng)取0.100 0 g樣品放入400 mL燒杯中，然后加入30 mL蒸餾水和3 mL鹽酸溶液對(duì)樣品進(jìn)行溶解，溶解過(guò)程中在燒杯上蓋上表面皿放入微波爐中，將微波爐功率調(diào)到最大，微波加熱1 min，打開(kāi)微波爐觀(guān)察加熱效果，繼續(xù)加熱1 min，繼續(xù)觀(guān)察，直到所有樣品基本溶解為止，溶解后取出樣品進(jìn)行冷卻，到室溫定容于100 mL的容量瓶中用于后續(xù)測(cè)量，接著采用同樣方法對(duì)水泥生料樣品和普通硅酸鹽樣品進(jìn)行消解，得到對(duì)應(yīng)的溶液用于測(cè)量，同樣采用外部加熱方法對(duì)各樣品進(jìn)行加熱消解，同時(shí)統(tǒng)計(jì)微波加熱和外部加熱用時(shí)，5組試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1微波消解和傳統(tǒng)外部加熱消解用時(shí)

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由表1可知，采用微波消解法對(duì)巖石樣品進(jìn)行消解的速度比傳統(tǒng)外部加熱方法的速度提升了一倍多，采用微波消解法可極大的提升巖石的消解速度，提高巖石礦物中硅酸鹽的分析效率。

(3)比色法進(jìn)行測(cè)定。完成樣品的消解之后，通過(guò)CMP指示劑和EDTA標(biāo)定溶液對(duì)消解后樣品進(jìn)行成分測(cè)量，在測(cè)量過(guò)程中首先對(duì)SiO2進(jìn)行分離，然后對(duì)Al2O3和后續(xù)的CaO、MgO等進(jìn)行分離，分離方法采用KOH和EDTA連續(xù)滴定差減法來(lái)實(shí)現(xiàn)，最終得到各種硅酸鹽成分，同時(shí)為了驗(yàn)證采用微波消解法的可行性和結(jié)果的正確性，采用外部加熱方法溶解后得到的樣品同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，得到的各種成分對(duì)比分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2微波消解法和傳統(tǒng)方法測(cè)量結(jié)果對(duì)比

%

注：*/*分別表示微波消解法和傳統(tǒng)方法測(cè)得的數(shù)據(jù)。

由表2可知，使用微波消解方法進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程中相對(duì)于傳統(tǒng)方法其測(cè)量精度沒(méi)有下降，各成分均可保證在有效的誤差范圍內(nèi)；因此，采用微波消解方法在測(cè)量分析過(guò)程中對(duì)巖石樣品進(jìn)行分解，不影響測(cè)量結(jié)果的精度，且該方法可靠可行。

4結(jié)語(yǔ)

基于對(duì)巖石礦物硅酸鹽分析方法的研究，對(duì)目前已有的巖石礦物硅酸鹽分析方法在分析效率上無(wú)法滿(mǎn)足工業(yè)應(yīng)用需求的問(wèn)題，提出采用微波消解法來(lái)提高巖石礦物中硅酸鹽的分析效率，通過(guò)在巖石硅酸鹽分析過(guò)程中采用大功率微波爐對(duì)巖石樣品進(jìn)行加熱消解，利用微波內(nèi)部加熱和分子熱作用特性，有效的提高了巖石硅酸鹽樣品的消解效率，提升了整個(gè)巖石礦物硅酸鹽的分析效率，同時(shí)保證了目前

工業(yè)應(yīng)用對(duì)巖石礦物硅酸鹽分析在效率上和精度上的需求，對(duì)促進(jìn)硅酸鹽工業(yè)發(fā)展具有非常重要的意義。

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(收稿日期2016-01-13)

蔣常菊(1977—)，女，工程師，810016 青海省西寧市城北生物園區(qū)經(jīng)三路38號(hào)。