Analysis of F, Na, Mg, Al, Si, Fe, Ti, K and Ca in Cyanite Ores by X-ray Fluorescence Spectrometry
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摘要: 蓝晶石的分析通常采用碱熔体系,重量、容量、比色、原子吸收光谱法、离子选择电极法等多种分析手段进行单独测定,对含有刚玉、金红石矿物的难熔性蓝晶石样品,这种分析方法常因熔矿不完全而导致测定结果偏低,而且分析手续冗长,操作复杂,不能满足地质测试的需要。本文采用玻璃熔融法制样,建立了X射线荧光光谱法同时测定蓝晶石矿中F、Na、Mg、Al、Si、Fe、Ti等主量元素的分析方法。以不同矿种的标准物质和自制含多种矿物组分的蓝晶石管理样拟合校准曲线,对玻璃熔融法的稀释比、熔矿温度及对F元素的影响因素等测定条件进行优化,确定选择样品与四硼酸锂-偏硼酸锂混合熔剂的稀释比为1:10,在1050℃温度下实际样品熔矿完全,各元素的分析结果与化学分析法的测定值基本吻合。方法检出限小于0.05%,方法精密度(RSD,n=7)小于4.5%。本法操作简单,重现性好,准确可靠,解决了难熔样品的熔矿问题,同时也很好地解决了传统方法费时、耗材、不能同时测定多元素的问题。Abstract: The analysis of cyanite ores usually uses the alkali fusion system and each component employs various analytical methods such as weight, capacity, colorimetric determination, Atomic Absorption Spectrometry and ion selective electrode method. This method not only leads to lower results because of the incomplete fusion of ores, but also has a long term analysis procedure and complicated operation for refactory cyanite ore samples containing corundum and rutile, which renders it ineffective in meeting the needs of geological tests. The glass fusion method to prepare samples and establish an analysis method by using X-ray Fluorescent Spectrometry (XRF) to simultaneously determine the major elements in the cyanite ore is discussed and presented. The working curve was obtained by using various ores standard materials and self-made cyanite management samples containing many ore components. The determination conditions such as the glass fusion method's dilution ratio, ore fusion temperature and the effect to the element F were optimized. The chosen sample and the mixed solvent of lithium tetraborate and lithium metaborate were melted with dilution ratio of 1:10 at the temperature of 1050℃. The results by XRF coincide with the determination values used in the chemical analysis method. The method detection limit is lower than 0.05% and the method precision degree (RSD,n=7) is lower than 4.5%. This method has easy operation and good reproducibility and is accurate and reliable. The problem for the ore fusion method for refractory samples has been overcome and problems arising when using traditional method such as it being time consuming, wasteful of materials and unable to simultaneous determine all target elements have been solved.
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Keywords:
- cyanite ore /
- fluorine /
- major elements /
- glass fusion sampling /
- X-ray Fluorescent Spectrometry
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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。
1. 实验部分
1.1 仪器及工作条件
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。
1.2 材料与主要试剂
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℃ 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。
1.3 实验步骤
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。
2. 结果与讨论
2.1 Ag与Zr和Nb的分离
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 2.2 方法检出限
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 2.3 树脂的再生
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。
3. 标准物质分析
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 4. 结语
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。
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表 1 元素测量条件
Table 1 Measurement conditions of elements by WDXRF
元素 分析线 滤光片 分析晶体 准直器/μm 探测器 电压
U/kV电流
i/mA2θ/(°) 背景/(°) PHA LL UL Si Kα OUT PET 0.46 PC 50 60 109.152/40 s 112.045/20 s 130 300 Al Kα OUT PET 0.46 PC 50 60 145.009/40 s 147.157/20 s 100 300 Fe Kα F-Ti LiF1 0.15 SC 50 60 57.500/20 s 58.095/20 s 100 350 Ti Kα OUT LiF1 0.23 SC 50 60 86.120/20 s 90 400 Na Kα OUT RX35 0.23 PC 50 60 25.935/40 s 130 300 K Kα OUT LiF1 0.46 PC 50 60 136.700/30 s 100 300 Ca Kα OUT LiF1 0.46 PC 50 60 113.151/40 s 100 300 Mg Kα OUT RX35 0.23 PC 50 60 21.500/30 s 100 300 Kα OUT RX35 0.23 SC 30 100 40.385/100 s 90 350 F Rh-Kα OUT LiF1 0.23 SC 50 60 18.500/40 s 140 330 Rh-Kαc OUT LiF1 0.23 SC 50 60 17.561/40 s 100 350 表 2 人工合成标准样品成分分析
Table 2 Analytical results of elements in synthetic standard materials
标准样品
编号w/% SiO2 Al2O3 CaO MgO Na2O K2O F TiO2 TFe2O3 FL1 36.54 56.37 0.38 0.15 0.11 0.32 4.08 0.59 0.31 FL2 48.57 35.53 1.41 0.0051 0.015 0.24 11.25 0.091 0.54 FL3 43.58 40.41 2.02 0.83 0.73 0.41 9.42 0.25 0.44 FL4 35.04 53.09 2.47 0.32 0.25 1.61 4.09 0.64 0.29 FL5 33.42 56.04 3.51 0.61 0.059 0.062 2.01 0.69 0.73 FL6 35.80 58.81 1.93 0.086 0.066 0.063 0.88 1.32 0.12 FL7 37.88 55.98 0.19 1.08 0.16 0.82 0.36 0.67 0.31 FL8 26.78 66.39 0.17 0.10 0.30 1.53 0.25 1.70 0.82 FL9 36.42 59.76 0.24 0.066 0.11 0.13 0.95 0.72 0.30 FL10 30.01 61.54 0.56 2.46 0.12 0.18 1.66 0.70 0.084 FL11 38.24 46.92 0.98 0.15 0.79 2.29 0.73 6.32 0.62 注:SiO2采用重量法测定,Al2O3采用容量法测定,TiO2和Fe2O3采用分光光度法测定,K2O、Na2O、CaO、MgO采用原子吸收光谱法测定,F采用离子选择电极法测定。 表 3 蓝晶石矿在1050℃不同稀释比熔融情况
Table 3 The melting conditions of kyanite ore with different dilution ratio
样品编号 样品和混合溶剂的质量比(稀释比) 1:1 1:2 1:3 1:4 1:5 1:8 1:10 1 有不熔物 有不熔物 有不熔物 有不熔物 炸裂 熔清 熔清 2 有不熔物 有不熔物 有不熔物 炸裂 熔清 熔清 熔清 3 有不熔物 有不熔物 熔清 熔清 熔清 熔清 熔清 4 有不熔物 有不熔物 熔清 熔清 熔清 熔清 熔清 5 有不熔物 有不熔物 熔清 熔清 熔清 熔清 熔清 表 4 不同温度下样品熔融情况
Table 4 The melting effect of samples at different temperatures
样品编号 熔矿温度 900℃ 950℃ 1000℃ 1050℃ 1100℃ F-1 有不熔物 炸裂 熔清 熔清 熔清 F-2 有不熔物 熔清 熔清 熔清 熔清 F-3 有不熔物 有不熔物 熔清 熔清 熔清 表 5 不同熔融温度下氟的测定结果
Table 5 Analytical results of F at different melting temperatures
样品
编号950℃ 1000℃ 1050℃ 1100℃ I
/kcpsw(F)
/%I
/kcpsw(F)
/%I
/kcpsw(F)
/%I
/kcpsw(F)
/%F-1 - - 0.87469 0.67 0.87834 0.70 0.87712 0.78 F-2 0.95504 1.33 0.96478 1.34 0.95625 1.34 0.95748 1.40 F-3 - - 1.27522 3.96 1.26914 3.91 1.28253 4.22 表 6 各元素的校准曲线参数
Table 6 The calibration curve parameters of elements
元素分段范围
w/%校准曲线 相关系数 SiO2 0~90.00 y=-6.59130×10-6x2+9.29967×10-2x
-1.31678×10-10.9992 Al2O3 0~40.00
30.00~90.63y=2.30259×10-1x-4.80236×10-1
y=2.31545×10-1x -1.868320.9982
0.9996Fe2O3 0~6.00
2.00~12.62y=1.06401×102x+4.5446×10-3
y=9.72311×10x+4.27854×10-10.9986
0.9978TiO2 0~10.00 y=2.92999×10-1x-9.47916×10-2 0.9987 Na2O 0~11.65 y=6.43479×10-1x- 2.02033×10-1 0.9567 K2O 0~8.00 y=3.80815×10-2x-1.03360×10-1 0.9980 CaO 0~1.50
1.00~10.00y=7.25646×10-2x- 5.33377×10-2
y=6.75010×10-2x+1.41230×10-10.9997
0.9992MgO 0~1.00
0.5~5.00y=3.79327×10-1x - 4.35535×10-1
y=3.40019×10-1x- 2.58761×10-10.9565
0.9831F 0~20.00 y=8.21402×10-1x - 6.51472 0.9972 表 7 各元素的基体校正
Table 7 The matrix correction of elements
元素 基体校正
元素重叠干扰
元素Al - Br Fe - Mn F - Fe Mg Ca,Fe - Ca Mg - Ti Al,Fe - 表 8 各元素的漂移校正系数
Table 8 The drift correction coefficient of elements
元素 漂移校正系数 Al 1.00300 Si 1.00715 Fe 0.99744 Ti 0.99409 Na 1.01545 K 0.99975 Ca 1.00040 Mg 1.01477 F 1.01790 表 9 方法检出限和测量范围
Table 9 The detection limits and measurement range of the method
元素 检出限/% 测量范围
w/%SiO2 0.04 0.30~90.00 Al2O3 0.04 0.20~90.63 Fe2O3 0.04 0.10~12.62 TiO2 0.05 0.10~10.00 K2O 0.04 0.10~8.00 Na2O 0.04 0.10~11.65 CaO 0.05 0.10~10.00 MgO 0.02 0.10~5.00 F 0.04 0.10~20.00 表 10 方法精密度和准确度
Table 10 Precision and accuracy tests of the method
自制蓝晶石
管理样元素 w/% RSD/% 相对误差
RE/%参考值 测定平均值 Lan-1 SiO2 48.72 48.65 0.5 -0.14 Al2O3 40.54 40.81 0.8 0.67 Fe2O3 0.94 0.96 2.0 2.13 TiO2 0.45 0.47 1.9 4.44 K2O 1.62 1.56 1.1 -3.70 Na2O 0.31 0.33 4.1 6.45 CaO 0.81 0.78 4.0 -3.70 MgO 0.38 0.39 3.9 2.63 F 4.29 4.39 0.7 2.33 Lan-2 SiO2 58.47 58.64 0.6 0.29 Al2O3 30.55 30.70 0.9 0.49 Fe2O3 1.26 1.29 1.1 2.38 TiO2 0.35 0.37 1.4 5.71 K2O 0.87 0.91 1.0 4.60 Na2O 2.81 2.78 0.8 -1.07 CaO 0.35 0.36 4.4 2.86 MgO 0.69 0.70 3.6 1.45 F 1.76 1.77 1.9 0.57 表 11 分析结果比对
Table 11 Comparison of analytical results of elements in samples
测量样品 w/% Al2O3 Fe2O3 TiO2 SiO2 CaO K2O MgO Na2O F 1 XRF 57.45 0.31 0.72 35.84 0.25 0.11 0.17 0.28 1.21 化学法 57.28 0.29 0.70 35.72 0.26 0.12 0.17 0.26 1.25 2 XRF 45.41 0.68 6.94 38.62 0.11 2.51 0.15 1.03 0.32 化学法 45.61 0.69 7.01 38.76 0.11 2.46 0.14 1.09 0.31 3 XRF 10.58 0.54 0.41 84.03 0.11 2.11 0.12 0.42 0.41 化学法 10.41 0.56 0.42 83.96 0.11 2.11 0.11 0.44 0.40 4 XRF 54.43 0.35 0.43 35.06 0.62 0.43 0.30 0.17 6.90 化学法 54.66 0.37 0.41 35.19 0.60 0.42 0.31 0.16 6.71 5 XRF 31.22 0.55 1.25 57.44 0.44 1.91 0.06 2.76 0.59 化学法 31.25 0.58 1.26 57.47 0.45 1.89 0.06 2.81 0.61 注:Al2O3采用容量法测定,Fe2O3和TiO2采用分光光度法测定,SiO2采用重量法测定,K2O、Na2O、CaO、MgO采用原子吸收光谱法测定,F采用离子选择电极法测定。 -
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