激光剝蝕等離子體質譜儀測定稀有金屬中的痕量元素鈦、鉻

李繼永

（江西有色地質測試研究院，江西 南昌 330000）

稀有金屬元素是自然界中儲量、分布稀少，并且被人們應用較少的金屬元素總稱，常見的稀有金屬元素有鋰、鐳、鈦等，稀有金屬元素通常被應用于航天、生物等高精工業領域，被作為關鍵性金屬材料。痕量金屬元素是稱含量極少的金屬元素，常見的有鍶、鉻、鉑、鎘、鉛、汞等[1]。痕量金屬元素具有較強的毒性作用，具有易溶于水、難分離等特點，如果人們在生活中接觸到痕量金屬物質，將會對人身體健康產生較大的不良影響。痕量金屬元素賦存于巖礦中，但是含量都非常少，并且不易于被提取和測定，因此對于巖礦中稀有金屬元素的痕量金屬元素化學分析具有一定的難度。

1 巖礦中稀有痕量金屬元素的化學分析現狀

目前巖礦中稀有痕量金屬元素的化學分析沿用的是電化學分離法，在應用過程中不僅使用的分析技術和設備儀器比較落后，導致巖礦中稀有金屬元素的痕量金屬元素的化學分析精度和效率較低。不僅如此，傳統方法對于巖礦樣本的處理比較簡單，對于巖礦樣本粒徑處理沒有達到處理要求，《巖礦中稀有痕量金屬元素化學檢測規范》中規定，用于分析稀有痕量金屬元素的巖礦樣本需要處理成粒徑小于5.5mm 的顆粒，而實際中為了節約時間，巖礦樣本顆粒粒徑通常為9.5mm[2]。此次設計的分析方法以激光剝蝕等離子體質譜分析為原理，根據化學元素在巖礦中的化學強度，計算出具體化學含量，其計算如下所示：

公式中，Aa表示巖礦樣本溶液當中待測定的痕量金屬元素a的化學含量；表示巖礦樣本溶液當中待測定的痕量金屬元素a的化學強度；cpsa表示巖礦樣本溶液容積；表示巖礦樣本質量。通過上述公式即可測定出巖礦中稀有金屬元素的痕量金屬元素的化學含量。

2 基于巖礦中稀有痕量金屬元素的化學分析方法

此次提出的化學方法以巖礦中的稀有金屬元素痕量金屬鈦和鉻為分析對象，利用儀器設備對該兩種金屬元素化學分析。

2.1 化學試劑及儀器設備

化學試劑：優級純高氯酸，購于美國TGJN 公司；電阻率為18.2Ω/cm 蒸餾水；鈦、鉻標準溶液；濃度為12mol/L 鹽酸，購于阿拉丁試劑有限公司；濃度為14.8mol/L 硝酸，購于阿拉丁試劑有限公司。

儀器設備：化學分析過程中需要用到上海HKG 有限公司生產的GKBG-361 型號激光剝蝕等離子體質譜儀器、德國貝克曼公司生產的粉碎機、山東博科科學儀器有限公司生產的K-Lite6熔爐[3]。

2.2 巖礦樣本處理

巖礦樣本處理是巖礦中稀有痕量金屬元素的化學分析的第一個工序，巖礦樣本的處理需要嚴格按照國家規定標準。首先將野外采集回來的巖礦資源表面灰塵需要清洗干凈，將清洗后的巖礦樣本在自然環境下或者利用烘干機進行烘干，樣本的烘干溫度要控制在40℃～50℃之間，溫度過高會影響到巖礦中稀有金屬元素的痕量金屬元素化學性質。然后將風干后的巖礦樣本利用粉碎機進行粉碎，粉碎成直徑為5.5mm 的顆粒，將粉碎后巖礦樣本顆粒全量過150 目篩。

2.3 巖礦中稀有痕量金屬元素分離

稱樣量：稱取0.1g（精確至0.0001g）巖礦樣本，加入4.5ml硝酸、2.0ml 鹽酸置于容器中，按照保準物質說明進行樣品化學元素分析。

溶解過程：將巖礦中稀有金屬元素的痕量金屬元素與其他化學元素分離開來。根據稀有金屬元素的痕量金屬元素的物理特征，兩種金屬元素都有易溶于水，且熔點較高等特點，因此利用該物理特點對其進行分離。首先將粉碎后的巖礦樣本中加入適量的蒸餾水，充分攪拌，令樣本與水充分溶解；然后將其放入到熔爐中進行高溫溶解，將溫度控制在500℃～550℃范圍之間，溶解時間為10min，10min 后取出溶液，然后待溶液冷卻之后對其進行過濾，過濾掉溶液中的雜質，剩余的樣本溶液即為分離后的巖礦溶液，用于后續化學分析。

標準溶液配制：鈦、鉻多元素儲備液制備：用鈦、鉻單標元素標準溶液與1%硝酸制備成1mg/L 混合標準儲備溶液。鈦、鉻元素儲備液制備：利用硝酸溶液與對應的金屬元素儲備液制備成質量濃度分別為0、12.5、25、50、100mg/L 的標準儲備溶液。

2.4 激光剝蝕等離子體質譜儀測定稀有元素

利用激光剝蝕等離子體質譜儀測定鉻、鈦等痕量金屬元素，具體參數如表1 所示。

表1 激光剝蝕等離子體質譜儀器參數表

此外，選擇鉻、鈦等稀有痕量金屬元素（72Ge）標準溶液，濃度為1000mgL,合理的選擇內外標可以有效的降低激光剝蝕等離子體質譜法測定稀有痕量金屬元素含量測定過程中相對標準偏差。選擇完內外標之后，將分離后的巖礦樣本溶液放入到激光剝蝕等離子體質譜儀中，按照表1設定測定參數，然后開啟電源，在檢測過程中設備儀器會顯示巖礦樣本溶液中，稀有金屬元素的痕量金屬元素的化學強度值，根據設備儀器測定的數值計算出巖礦中鈦金屬元素和鉻金屬元素的化學含量，以此完成基于巖礦中稀有痕量金屬元素的化學分析。

3 實驗論證分析

3.1 實驗設計

實驗以某礦山中的巖礦作為實驗對象，隨機收集了5 分巖礦樣本，每份樣本質量為100g，用黑色玻璃容器儲存，因為黑色玻璃溶液可以減少巖礦樣本與光發生反應，從而影響實驗結果。利用此次設計方法與傳統的電化學分離法對巖礦樣本中的稀有痕量金屬元素進行化學分析[4,5]。實驗中試劑準備如下：優級純高氯酸10ml、鹽酸15ml、硝酸20ml，使用的激光剝蝕等離子體質譜儀器型號為GLL-261。實驗中記錄兩種方法分析到的稀有痕量金屬元素的化學含量，經檢測巖礦樣本中含有的稀有金屬元素為鈦，痕量金屬元素為鉻，統計兩種金屬元素測定數據，將其作為實驗數據，如下表所示。

表2 實驗數據表

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將兩種方法分析的結果與樣本中實際稀有痕量金屬元素化學含量進行對比分析，計算出兩種分析方法的回收率，將其作為實驗結果，對兩種方法進行對比。

3.2 實驗結果分析

此次實驗將基于巖礦中稀有痕量金屬元素的化學分析方法用方法A 表示，將傳統的電化學分離法用方法B 表示，根據實驗數據計算兩種方法回收率，下表為兩種方法回收率對比表。

表3 方法A 方法B 稀有痕量金屬元素回收率對比（%）

從上表可以看出，此次設計方法稀有金屬元素的痕量金屬元素回收率可以達到95%以上，平均值為98.75%，而傳統的電化學分離法稀有金屬元素的痕量金屬元素回收率平均值為64.25%，遠遠低于設計方法，實驗證明了此次設計方法可以滿足巖礦中稀有痕量金屬元素的化學分析需求。

4 結束語

本文針對目前巖礦中稀有痕量金屬元素的化學分析存在的問題，提出了一種新的化學分析方法，該方法在巖礦樣本處理和分離上嚴格按照規定要求操作，利用先進的激光剝蝕等離子體質譜法對巖礦中稀有痕量金屬元素化學含量分析，并通過實驗證明了該方法具有較高的回收率，能夠良好的測定出巖礦中稀有金屬元素的痕量金屬元素化學含量，對巖礦中稀有痕量金屬元素的化學分析提供理論依據，同時對提高巖礦中稀有痕量金屬元素化學分析精度，提高稀有痕量金屬元素回收率具有良好的現實意義。