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手持式X射线荧光光谱仪测定富钴结壳样品中锰铁钴镍铜锌

李强, 张学华

李强, 张学华. 手持式X射线荧光光谱仪测定富钴结壳样品中锰铁钴镍铜锌[J]. 岩矿测试, 2013, 32(5): 724-728.
引用本文: 李强, 张学华. 手持式X射线荧光光谱仪测定富钴结壳样品中锰铁钴镍铜锌[J]. 岩矿测试, 2013, 32(5): 724-728.
Qiang LI, Xue-hua ZHANG. Determination of Mn, Fe, Co, Ni, Cu and Zn in Cobalt-rich Crusts by Portable X-ray Fluorescence Spectrometer[J]. Rock and Mineral Analysis, 2013, 32(5): 724-728.
Citation: Qiang LI, Xue-hua ZHANG. Determination of Mn, Fe, Co, Ni, Cu and Zn in Cobalt-rich Crusts by Portable X-ray Fluorescence Spectrometer[J]. Rock and Mineral Analysis, 2013, 32(5): 724-728.

手持式X射线荧光光谱仪测定富钴结壳样品中锰铁钴镍铜锌

详细信息
    作者简介:

    李强,助理工程师,主要从事海洋地质样品的X 射线荧光光谱分析研究工作。E-mail: lq28477697@163.com

  • 中图分类号: O655.24; O614

Determination of Mn, Fe, Co, Ni, Cu and Zn in Cobalt-rich Crusts by Portable X-ray Fluorescence Spectrometer

  • 摘要: 便携式X射线荧光光谱仪可以快速进行多元素实时分析,在富钴结壳资源勘查中有广阔的应用前景,但是现有仪器的分辨率和稳定性有待进一步提高,特别是现场原位分析法的应用有待研究。本文针对富钴结壳中目标元素含量相对较高的特点,采用松散粉末法制样,建立了手持式X射线荧光光谱仪快速测定太平洋富钴结壳样品中Mn、Fe、Co、Ni、Cu和Zn的分析方法。该方法用多金属结核和富钴结壳国家标准物质进行验证,测定值的相对标准偏差(RSD)在0.2%~3.0%之间,测定值与标准值的相对误差为92.9%~107.6%。样品现场分析和实验室分析的数据对比表明,除了低含量Cu略有超差外,Mn、Fe、Co、Ni、Zn和品位均无超差,完全满足该类矿产资源勘查规程的要求。本法简单、高效,适用于对野外富钴结壳资源作出快速的初步评价。

  • 电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)具有灵敏度高、干扰少、多元素同时测定、线性范围大、检出限低的特点,适合地质样品中微量级多元素同时测定。对于微量元素的测定通常采用氢氟酸、硝酸在封闭溶样罐中高温、高压分解,该方法能有效分解岩石、矿物中的难溶矿物[1-2],由于ICP-MS仪器的高灵敏度,大部分微量元素的检出限可达到化探样品分析要求。Ag有两个同位素,107Ag(51.84%)和109Ag(48.16%),它们分别受到91Zr16O和93Nb16O氧化物离子的强烈干扰,由于化探样品中Zr和Nb含量大大高于Ag,即使用Zr和Nb的单标准氧化物产率进行校正,其结果误差仍然较大,因为其干扰信号强度已经超过了样品中Ag本身的强度。虽然使用膜去溶装置可以大大降低氧化物离子干扰,实现Ag的准确测定[3];但该装置价格高,拥有膜去溶装置的实验室较少。目前对于化探样品Ag的测定,国内大部分实验室仍然采用传统的发射光谱法[4-9],该方法费时、费力、结果不稳定。因此,迫切需要对化探样品Ag的测定方法进行改进。

    本文应用P507萃淋树脂将用于ICP-MS测定常规微量元素的溶液进行简单的分离,干扰元素Zr和Nb可被有效除去,而Ag和内标元素Rh可被有效回收,实现了化探样品中低含量Ag的快速测定。

    Bruker Aurora M90电感耦合等离子体质谱仪(美国布鲁克·道尔顿公司)。在每次测试前,为了降低仪器本底,样品锥和截取锥都需仔细清洗。在5%硝酸溶液中Ag的仪器背景值通常都小于50 cps,使用普通灵敏度模式,仪器灵敏度通常调整为>400000 cps/1 ng/mL 115In,相对标准偏差(RSD)通常小于3%。本实验采用雾化器自吸进样,仪器工作参数见表 1

    P507萃淋树脂:粒径80 ~120目(北京瑞乐康分离科技有限公司)。

    表  1  仪器工作参数
    Table  1.  nstrumental operating parameters of ICP-MSI
    工作参数 设定值
    射频功率 1400 W
    反射功率 < 2 W
    等离子体气 15 L/min
    辅助气 0.90 L/min
    护鞘气 0.25 L/min
    雾化气 0.95 L/min
    扫描次数 5
    测定次数 5
    每个质量通道数 1
    测定方式 Peak Hopping
    停留时间 10 ms
    样品锥孔径 1 mm
    截取锥孔径 0.4 mm
    雾化室温度 3℃
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    交换柱:采用5 mL塑料移液枪头作为交换柱,底部垫自制聚四氟乙烯棉;称取0.45 g的P507萃淋树脂于烧杯中,加入约5 mL水,转移至交换柱中,待水流尽时,在上部垫一层自制聚四氟乙烯棉;用10 mL的3 mol/L硝酸淋洗,最后用5 mL的5%硝酸平衡交换柱,待用。

    封闭溶样器:自制不锈钢-聚四氟乙烯封闭溶样装置,体积10 mL[1]

    多元素混合标准储备溶液:100 μg/mL (Accu-Standard Inc,USA)。

    硝酸:通过石英亚沸蒸馏提纯。

    氢氟酸:采用聚四氟乙烯对口瓶亚沸蒸馏提纯,实验用水用Millipore纯化装置制备,电阻率18 MΩ·cm。

    准确称取0.0500 g样品于带不锈钢外套的聚四氟乙烯密封溶样装置中,加入1 mL氢氟酸和1 mL硝酸,加盖密封,在烘箱中于185℃加热12 h,取出冷却后在电热板上低温蒸干。最后加入2 mL硝酸、1 mL 500 ng/mL的Rh内标溶液、3 mL水,重新盖上盖密封,放入烘箱中于135℃加热3 h溶解残渣。冷却后取0.4 mL溶液于15 mL离心管中,用5%硝酸稀释至6 mL。该溶液可用于ICP-MS测定常规微量元素。

    待微量元素测定完成后,将剩余溶液倒入交换柱中,直至加满交换柱,其余溶液弃去,并立即用水清洗离心管,用原离心管承接,该溶液即可用于以Rh为内标Ag的测定。

    P507是酸性磷类萃取剂,又名2-乙基己基膦酸单2-乙基己基酯,常用于稀土元素分离以及稀土元素的相互分离[10-13],在Sm-Nd同位素测定中也常用P507或P204萃淋树脂实现Sm与Nd的相互分离[14]。该树脂的另一个特点是对Ti、Nb、Ta、Zr、Hf、W、Sn和Mo等元素的四价离子强烈吸附,即使用高浓度的盐酸或硝酸也很难将其洗脱下来,只有用氢氟酸才能将这些元素有效洗脱,该类树脂也可用于Lu-Hf同位素分离[15-16]。本研究利用该树脂这一特性,在约1.2 mol/L的硝酸介质中成功地实现了Ag和内标元素Rh与干扰元素Zr和Nb的有效分离。

    取200 ng混合标准溶液于15 mL离心管中,用1.2 mol/L硝酸稀释至5 mL,将此溶液过柱,15 mL离心管承接,用4 mL的5%硝酸分两次清洗离心管及交换柱,在承接溶液的离心管中加入100 ng的Rh 内标溶液,最后稀释至10 mL,ICP-MS测定。各元素的回收率见表 2。由表 2可以看出,98%以上的Zr和Nb被P507树脂吸附,而95%以上的Ag和Rh通过交换柱,说明P507萃淋树脂能有效地将Ag和Rh与Zr和Nb分离。

    表  2  各元素在P507萃淋树脂上的回收率
    Table  2.  The recovery of elements for P507 levextrel resin
    元素 回收率/%
    Zr 0.93
    Nb 1.44
    Mo 2.83
    Sn 0.43
    Hf 0.58
    Ta 0.42
    W 3.32
    Cd 103.0
    Ag 95.8
    Rh 97.5
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    按样品前处理同样程序处理5份流程空白,测定结果见表 3。其绝对浓度值3倍标准偏差除以称样量,即为方法的检出限,计算Ag的检出限为0.005 μg/g,低于化探样品分析的检出限要求(0.02 μg/g,见DZ/T 0130.5—2006)。

    表  3  方法的空白值
    Table  3.  Blank level of the method
    空白 m(Ag)/μg
    空白1 0.0004
    空白2 0.0002
    空白3 0.0003
    空白4 0.0003
    空白 m(Ag)/μg
    空白5 0.0004
    平均值 0.0003
    标准偏差 0.000075
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    交换柱使用后立即用水洗柱一次,然后用3 mol/L硝酸5 mL洗柱1次,再用水洗柱两次,最后用1.2 mol/L硝酸5 mL平衡交换柱,待用。树脂在使用一段时间后,其吸附的Ti、Zr、Nb等元素可能达到饱和,这时树脂吸附效率会降低。一般在使用5~10次后,用2 mol/L氢氟酸5 mL将这些元素洗脱下来,树脂即可继续使用。如果发现用氢氟酸洗脱后交换柱的效率仍然很低,说明P507萃取剂已流失,这时需要更换新树脂。

    按上述分析流程对岩石及土壤系列国家一级标准物质进行分析,本方法的测定结果与标准值基本一致(见表 4),完全能够满足化探样品分析要求。

    表  4  标准物质测定结果
    Table  4.  Analytical results of Ag in reference materials
    标准物质
    编号
    w(Ag)/(μg·g-1)
    标准值 本法测量值
    GBW 07103 0.033±0.010 0.026±0.008
    GBW 07104 0.071±0.014 0.065±0.010
    GBW 07105 0.040±0.012 0.051±0.009
    GBW 07106 0.062±0.010 0.055±0.007
    GBW 07302 0.066±0.015 0.065±0.008
    GBW 07305 0.36±0.04 0.35±0.02
    GBW 07306 0.36±0.04 0.31±0.05
    GBW 07307 1.05±0.09 1.12±0.08
    GBW 07311 3.2±0.5 3.02±0.32
    GBW 07312 1.15±0.16 0.99±0.11
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    利用ICP-MS仪器的碰撞池技术可以消除氧化物离子干扰,但仪器灵敏度会降低,碰撞气体有可能带入新的干扰,Ag也需要进行单独测定;膜去溶装置可去除气溶胶中的大部分水分,降低氧化物离子干扰,提高仪器灵敏度,实现Ag与其他常规微量元素同时测定,但进样时间可能延长,设备也较贵。而本文应用P507萃淋树脂对ICP-MS用于测定常规微量元素的溶液进行简单分离,就可实现化探样品中待测元素Ag和内标元素Rh与干扰元素Zr、Nb的有效分离,Ag的检出限达到0.005 μg/g,低于化探分析要求(0.02 μg/g)。

    相比于其他方法,本方法省略了称样及分解等样品前处理步骤;且由于在样品处理过程中加入了内标元素,因此最后的溶液不需要准确定容,待测元素与内标元素都具有很高的回收率,过柱分离的溶液只需3~4 mL即可,节省了时间,提高了分析效率。不足在之处在于:虽然本方法相对于传统的发射光谱法更简单、快速,但Ag也需要进行分离并单独测定。在本方法拓展应用方面,由于高含量W和Mo样品中W可能以单矿物形式存在,需要进行碱熔才能保证分解完全,利用P507萃淋树脂的这一特性,有可能实现W和Mo与大量基体元素和干扰元素的分离富集。

  • 表  1   各元素校准曲线

    Table  1   Calibration curves of the elements

    分析元素校准方程相关系数
    Mny=0.8802x+1.97130.9992
    Fey=1.0159x-0.18200.9995
    Coy=1.2053x+0.21120.9850
    Niy=1.1331x+0.01690.9983
    Cuy=1.1214x+0.06100.9950
    Zny=0.9220x+0.04300.9840
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    表  2   方法精密度

    Table  2   Precision tests of the method

    元素w/%RSD/%
    本法分次测定值平均值
    Mn32.4332.2432.3832.4232.3532.360.2
    Fe4.654.684.704.654.694.670.4
    Co0.170.170.180.170.170.172.3
    Ni1.571.581.571.551.571.570.6
    Cu1.351.371.351.361.361.360.6
    Zn0.170.160.170.160.160.163.0
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    表  3   方法准确度

    Table  3   Accuracy tests of the method

    w/%
    元素GBW 07337GBW 07338GBW 07339GBW 07296
    本法值标准值相对误差/%本法值标准值相对误差/%本法值标准值相对误差/%本法值标准值相对误差/%
    Mn23.1623.2099.821.7521.70100.220.3720.5099.432.1832.2099.9
    Fe17.3217.10101.315.4815.5099.914.8114.9099.44.604.7097.9
    Co1.311.30100.80.520.52100.00.550.5698.20.170.17100.0
    Ni0.440.44100.00.430.40107.50.400.40100.01.581.55101.9
    Cu0.130.1492.90.130.13100.00.150.15100.01.361.36100.0
    Zn0.06550.067696.90.06520.0606107.60.05680.059295.90.160.16100.0
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    表  4   现场分析结果与室内分析结果对比

    Table  4   Comparison of analytical results in on-site and laboratory analysiss

    站位号分析地点MnFeCoNiCuZnCo+Ni+Cu(品位)
    w/%相对偏差
    /%
    w/%相对偏差
    /%
    w/%相对偏差
    /%
    w/%相对偏差
    /%
    w/%相对偏差
    /%
    w/%相对偏差
    /%
    w/%相对偏差
    /%
    JQ-1现场
    实验室
    23.78
    24.05
    -1.112.29
    12.46
    -1.40.82
    0.76
    7.60.57
    0.52
    9.20.12
    0.09
    28.60.0665
    0.0616
    7.71.51
    1.38
    9.0
    JQ-2现场
    实验室
    22.11
    21.85
    1.218.25
    18.33
    -0.40.55
    0.58
    -5.30.41
    0.37
    10.30.11
    0.10
    9.50.0625
    0.0580
    7.51.07
    1.04
    2.8
    JQ-3现场
    实验室
    27.26
    27.16
    0.414.43
    14.27
    1.10.69
    0.69
    0.00.66
    0.60
    9.50.12
    0.11
    8.70.0677
    0.0681
    -0.61.47
    1.40
    4.9
    JQ-4现场
    实验室
    23.66
    23.89
    -1.010.63
    10.80
    -1.60.49
    0.45
    8.50.59
    0.53
    10.70.13
    0.11
    16.70.0688
    0.0669
    2.81.21
    1.09
    10.4
    JQ-5现场
    实验室
    19.51
    19.24
    1.414.87
    14.66
    1.40.41
    0.45
    -9.30.64
    0.64
    0.00.32
    0.29
    9.80.0681
    0.0696
    -2.21.37
    1.38
    -0.7
    JQ-6现场
    实验室
    17.28
    17.00
    1.624.35
    24.14
    0.90.39
    0.46
    -16.50.30
    0.29
    3.40.12
    0.12
    0.00.0635
    0.0596
    6.30.81
    0.88
    -8.3
    JQ-7现场
    实验室
    25.45
    25.72
    -1.19.43
    9.66
    -2.40.49
    0.44
    10.80.52
    0.47
    10.10.13
    0.10
    26.10.0726
    0.0684
    6.01.14
    1.00
    13.1
    JQ-8现场
    实验室
    20.63
    20.41
    1.115.89
    16.13
    -1.50.52
    0.57
    -9.20.39
    0.42
    -7.40.14
    0.17
    -19.40.0636
    0.0591
    7.31.05
    1.16
    -10.0
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    表  5   原样品和加工样品分析结果对比

    Table  5   Comparison of analytical results for the original samples and processing samples

    w/%
    元素GSM-11原样品GSM-11
    加工样品测定值
    GSM-12原样品GSM-12
    加工样品测定值
    本法分次测定值平均值本法分次测定值平均值
    Mn23.0224.3920.8921.4322.4326.4023.1422.5323.8019.3322.2027.46
    Fe10.4511.2013.2915.6612.6516.328.9813.2813.6215.3412.8015.43
    Co0.720.900.750.690.761.040.420.620.680.530.560.69
    Ni0.540.540.320.330.430.590.640.380.490.280.450.66
    Cu0.110.110.090.090.100.100.150.120.100.100.120.12
    Zn0.0610.0620.0540.0630.0600.0630.0730.0680.0650.0610.0670.067
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出版历程
  • 收稿日期:  2013-03-06
  • 录用日期:  2013-03-27
  • 发布日期:  2013-09-30

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