巖礦中稀有金屬元素的化學(xué)分析

孫鵬(吉林省冶金研究院檢測中心，吉林 長春 130000)

0 引言

巖礦中含有一定量的稀有金屬元素，這些稀有金屬元素對于工業(yè)和科研等領(lǐng)域有著較為重要的作用，因此也帶動了化學(xué)分析方法的發(fā)展進步，當前已經(jīng)存在關(guān)于稀有金屬元素化學(xué)分析的多種方法，如：定性、半定量和定量方法等。但由于巖礦中的稀有金屬元素成分較為復(fù)雜，且容易因外界因素而出現(xiàn)變化，因此仍需對化學(xué)分析方法做進一步研究，確保其得以有效應(yīng)用。

1 巖礦中稀有金屬元素化學(xué)分析的主要模式

1.1 全分析模式

全分析模式能夠?qū)r礦中的所有化學(xué)成分進行分析測量，其在實際應(yīng)用時，主要基于光譜法進行，以此實現(xiàn)對巖礦中各種化學(xué)元素的種類，以及各種元素含量占比等內(nèi)容的分析，而后還可實現(xiàn)對稀有金屬化學(xué)元素的重點分析。整體來看，這種分析模式的分析結(jié)果較為全面和準確，但由于其工作量較大，因此其需要較高的分析成本。對于很多實際情況而言，巖礦分析只需找出少數(shù)所需要的稀有金屬元素，并不適用全分析模式，因此這種模式的實際應(yīng)用相對較少[1]。

1.2 普通分析模式

相較于全分析模式而言，普通分析模式主要是針對巖礦中少數(shù)的特定化學(xué)元素進行分析，而對其他化學(xué)元素則不進行分析檢測。在實際應(yīng)用中，這種分析模式主要用于分析巖礦中較具有應(yīng)用價值的稀有金屬元素，以提高化學(xué)分析工作的效率。其亦可實現(xiàn)對多種巖礦樣品中同種化學(xué)元素的分析[2]。

1.3 組合分析模式

組合分析模式是上述兩種模式的有機結(jié)合，屬于一種較具系統(tǒng)性的分析模式，在這種分析模式下，其能夠?qū)r礦中的稀有金屬元素成分及分布情況等進行較為準確的分析，這對一些成分較為復(fù)雜的巖礦分析工作而言較有優(yōu)勢，其分析準確性較高，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)高效的分析，而且還能為后續(xù)的巖礦勘測和開采提供指導(dǎo)性意見[3]。

2 巖礦中稀有金屬元素的化學(xué)分析方法和過程

2.1 稀土元素的化學(xué)分析方法和過程

稀土元素指的是鑭系元素以及鈧、釔兩種元素，共計這17種元素的統(tǒng)稱，其在各種高精尖領(lǐng)域的研發(fā)生產(chǎn)等多個環(huán)節(jié)都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，同時其也有助于研究土壤形成巖石這一過程的機理。一般來說，如果巖石中的鈉含量較高，則巖石中的稀土元素含量也相對較多。在以往的ICP-MS法檢測中，研究人員發(fā)現(xiàn)，稀土元素在地殼中的含量大約在0.01%～0.02%，主要集中于淺層和中層巖礦中，如黑稀金礦和獨居石等，而在深層酸性巖石中的含量則相對較低。

目前，巖礦中稀土元素總量的化學(xué)分析方法已經(jīng)相對較多，主要為以下三種方法：(1)使用高溫熔融狀態(tài)下的過氧化鈉，對礦樣進行分解處理，而后去除礦樣中的雜質(zhì)；(2)使用草酸鹽分離重量法，該方法所采用的試劑較多，包括鹽酸、氨水、草酸、丙酮、硝酸和氯化銨等；(3)將巖礦樣品使用酸溶解后，再使用PMBP-苯萃取，而后使用鈾試劑3進行比色，準備六次甲基四胺緩沖液(pH值為5.5)，讓PMBP與稀土金屬元素的離子進行反應(yīng)，生成絡(luò)合物后再進行萃取。當然，在萃取過程中，除了稀土金屬元素之外，還包括一些重金屬元素離子及其水解物等。同時，為了避免鈦和鋯對化學(xué)分析結(jié)果造成影響，通常采用磺基水楊酸作為掩蔽劑，并調(diào)節(jié)pH值，消除這兩種金屬離子的干擾，對于鉛離子的干擾則通常加入銅試劑予以解決。在解決以上問題后，再使用甲酸溶液對反應(yīng)體系進行反萃取，在反萃取過程中，各種稀土元素將轉(zhuǎn)入水層，而其他金屬元素則停留在有機層中，由此則實現(xiàn)了有效分離稀土元素的目標，進而可以實現(xiàn)準確的化學(xué)分析。

當然，在實際的測定過程中，如果稀土元素的含量低于0.1%，則上述方法的局限性就較為凸顯，很難得出準確結(jié)果。因此在這種特殊情況下，通常采用比色法、光譜法或X光譜法進行[4]。

2.2 鋰元素的化學(xué)分析方法和過程

相對于稀土元素而言，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則存在較大的差異。根據(jù)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(xué)分析方法較多，包括質(zhì)量法、光譜分析法、色譜和質(zhì)譜分析法等。在這些方法中，以質(zhì)量法的應(yīng)用最為廣泛。在應(yīng)用質(zhì)量法對鋰元素進行化學(xué)分析時，將少量的巖礦樣品與同等質(zhì)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(xù)進行研磨攪拌，待三種成分全部攪拌均勻后，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(xù)加熱1 h后再進行冷卻。待坩堝冷卻至室溫后，使用相應(yīng)工具取出坩堝中已結(jié)塊的產(chǎn)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，反復(fù)過濾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(jié)束后，將現(xiàn)有的反應(yīng)體系再次加熱至沸點，使之持續(xù)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(xù)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(yīng)完成后繼續(xù)進行過濾處理，取過濾后剩余的沉淀物，放置于蒸發(fā)皿中進行蒸發(fā)，并在蒸發(fā)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(fù)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(zhì)量即可推導(dǎo)出鋰元素的質(zhì)量。當然，這種分析方法步驟較多，極為繁瑣，也就導(dǎo)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(zhì)譜分析法等進行更為深入的研究。

3 提高分析巖礦稀有金屬元素化學(xué)能力及水平的有關(guān)策略

3.1 完善巖礦稀有金屬元素化學(xué)分析制度體系

要確保巖礦稀有金屬元素化學(xué)分析工作能夠有條不紊進行，相關(guān)制度體系的約束性作用是必不可少的。通過建立科學(xué)合理的制度體系，能夠引導(dǎo)化學(xué)分析工作始終按照相應(yīng)標準規(guī)范加以開展，以實現(xiàn)化學(xué)分析工作的標準化和規(guī)范化。因此，完善巖礦稀有金屬元素化學(xué)分析制度體系已成為當前的一項重要任務(wù)。具體來看，一方面，要始終以科學(xué)的角度著手構(gòu)建制度體系，基于當前科學(xué)技術(shù)發(fā)展的實際狀況來制定完善的化學(xué)分析制度體系，做到“與時俱進”；另一方面，要基于當前的化學(xué)研究現(xiàn)狀，對現(xiàn)有的稀有金屬元素化學(xué)分析制度結(jié)構(gòu)進行適當?shù)膬?yōu)化調(diào)整，剔除已經(jīng)明顯與時代不符的內(nèi)容，添加適當?shù)男聝?nèi)容，確保能夠始終滿足巖礦稀有金屬化學(xué)分析工作的實際要求[5]。

3.2 提高科研人員的化學(xué)分析專業(yè)能力水平

巖礦中稀有金屬元素的化學(xué)分析效果還在很大程度上取決于科研人員的化學(xué)分析專業(yè)能力。因此，有關(guān)單位要注重科研人員能力水平的提升，通過這種方式，能夠不斷解決我國分析巖礦稀有金屬化學(xué)成分工作中存在的不足之處，同時，在部分核心技術(shù)受到限制的背景下，這種方式更具實用性。具體來看，在提升科研人員能力水平的工作中，應(yīng)當著重考慮以下四方面的內(nèi)容：(1)科研人員應(yīng)當對稀有金屬元素的化學(xué)分析有較多的了解，能夠根據(jù)分析結(jié)果判斷分析結(jié)果是否準確，以及其他可能出現(xiàn)的影響；(2)當部分稀有金屬元素分析設(shè)備因特殊情況無法使用時，應(yīng)當能夠及時采取替代方式，將影響程度降到最低；(3)科研人員應(yīng)當具備預(yù)防危險事故和解決危險問題的能力；(4)在化學(xué)分析過程中，要嚴格根據(jù)標準規(guī)范進行操作。

4 結(jié)語

總的來看，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，當前針對巖礦稀有金屬元素的化學(xué)分析方法已經(jīng)相對較多，但這些化學(xué)分析方法的適應(yīng)范圍存在差異，且分析的效率和準確性也各不相同。因此，在實際工作中，要進行更為深入的研究，將更多的先進技術(shù)和先進工藝應(yīng)用到化學(xué)分析環(huán)節(jié)當中，以提高工作效率和分析的準確性，以加強對稀有金屬元素的提取和利用，為中國的工業(yè)和科研等領(lǐng)域的發(fā)展建設(shè)提供更加有力的保障。