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蓝晶石矿中氟钠镁铝硅铁钛钾钙元素的X射线荧光光谱分析

王梅英, 李鹏程, 李艳华, 李莹, 王留芳, 陈静

王梅英, 李鹏程, 李艳华, 李莹, 王留芳, 陈静. 蓝晶石矿中氟钠镁铝硅铁钛钾钙元素的X射线荧光光谱分析[J]. 岩矿测试, 2013, 32(6): 909-914.
引用本文: 王梅英, 李鹏程, 李艳华, 李莹, 王留芳, 陈静. 蓝晶石矿中氟钠镁铝硅铁钛钾钙元素的X射线荧光光谱分析[J]. 岩矿测试, 2013, 32(6): 909-914.
Mei-ying WANG, Peng-cheng LI, Yan-hua LI, Ying LI, Liu-fang WANG, Jing CHEN. Analysis of F, Na, Mg, Al, Si, Fe, Ti, K and Ca in Cyanite Ores by X-ray Fluorescence Spectrometry[J]. Rock and Mineral Analysis, 2013, 32(6): 909-914.
Citation: Mei-ying WANG, Peng-cheng LI, Yan-hua LI, Ying LI, Liu-fang WANG, Jing CHEN. Analysis of F, Na, Mg, Al, Si, Fe, Ti, K and Ca in Cyanite Ores by X-ray Fluorescence Spectrometry[J]. Rock and Mineral Analysis, 2013, 32(6): 909-914.

蓝晶石矿中氟钠镁铝硅铁钛钾钙元素的X射线荧光光谱分析

基金项目: 

河南省国土资源厅两权价款地质科研项目(2011-622-16)

河南省国土资源厅两权价款地质科研项目 2011-622-16

详细信息
    作者简介:

    王梅英,高级工程师,长期从事岩矿测试及分析方法研究工作。E-mail:1223467030@qq.com

  • 中图分类号: P578.945;O657.34

Analysis of F, Na, Mg, Al, Si, Fe, Ti, K and Ca in Cyanite Ores by X-ray Fluorescence Spectrometry

  • 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。

  • 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   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/mA
    2θ/(°)背景/(°)PHA
    LLUL
    Si OUTPET0.46PC5060109.152/40 s112.045/20 s130300
    AlOUTPET0.46PC5060145.009/40 s147.157/20 s100300
    FeF-TiLiF10.15 SC506057.500/20 s58.095/20 s100350
    TiOUTLiF10.23SC506086.120/20 s90400
    NaOUTRX350.23PC506025.935/40 s130300
    KOUTLiF10.46PC5060136.700/30 s100300
    CaOUTLiF10.46PC5060113.151/40 s100300
    MgOUTRX350.23PC506021.500/30 s100300
    OUTRX350.23SC3010040.385/100 s90350
    FRh-KαOUTLiF10.23SC506018.500/40 s140330
    Rh-KαcOUTLiF10.23SC506017.561/40 s100350
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    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/%
    SiO2Al2O3CaOMgONa2OK2OFTiO2TFe2O3
    FL136.5456.370.380.150.110.324.080.590.31
    FL248.5735.531.410.00510.0150.2411.250.0910.54
    FL343.5840.412.020.830.730.419.420.250.44
    FL435.0453.092.470.320.251.614.090.640.29
    FL533.4256.043.510.610.0590.0622.010.690.73
    FL635.8058.811.930.0860.0660.0630.881.320.12
    FL737.8855.980.191.080.160.820.360.670.31
    FL826.7866.390.170.10 0.30 1.530.251.700.82
    FL936.4259.760.240.0660.110.130.950.720.30
    FL1030.0161.540.562.460.120.181.660.700.084
    FL1138.2446.920.980.150.792.290.736.320.62
    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。
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    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)
    1:11:21:31:41:51:81:10
    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
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    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
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    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
    /kcps
    w(F)
    /%
    I
    /kcps
    w(F)
    /%
    I
    /kcps
    w(F)
    /%
    I
    /kcps
    w(F)
    /%
    F-1--0.874690.670.878340.700.877120.78
    F-20.955041.330.964781.340.956251.340.957481.40
    F-3--1.275223.961.269143.911.282534.22
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    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
    SiO20~90.00y=-6.59130×10-6x2+9.29967×10-2x
    -1.31678×10-1
    0.9992
    Al2O30~40.00
    30.00~90.63
    y=2.30259×10-1x-4.80236×10-1
    y=2.31545×10-1x -1.86832
    0.9982
    0.9996
    Fe2O30~6.00
    2.00~12.62
    y=1.06401×102x+4.5446×10-3
    y=9.72311×10x+4.27854×10-1
    0.9986
    0.9978
    TiO20~10.00y=2.92999×10-1x-9.47916×10-20.9987
    Na2O0~11.65y=6.43479×10-1x- 2.02033×10-10.9567
    K2O0~8.00y=3.80815×10-2x-1.03360×10-10.9980
    CaO0~1.50
    1.00~10.00
    y=7.25646×10-2x- 5.33377×10-2
    y=6.75010×10-2x+1.41230×10-1
    0.9997
    0.9992
    MgO0~1.00
    0.5~5.00
    y=3.79327×10-1x - 4.35535×10-1
    y=3.40019×10-1x- 2.58761×10-1
    0.9565
    0.9831
    F0~20.00y=8.21402×10-1x - 6.51472 0.9972
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    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-
    TiAl,Fe-
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    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
    Na1.01545
    K0.99975
    Ca1.00040
    Mg1.01477
    F1.01790
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    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/%
    SiO20.040.30~90.00
    Al2O30.040.20~90.63
    Fe2O30.040.10~12.62
    TiO20.050.10~10.00
    K2O0.040.10~8.00
    Na2O0.040.10~11.65
    CaO0.050.10~10.00
    MgO0.020.10~5.00
    F0.040.10~20.00
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    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-1SiO248.7248.650.5 -0.14
    Al2O340.5440.810.8 0.67
    Fe2O30.940.962.0 2.13
    TiO20.450.471.9 4.44
    K2O1.621.561.1-3.70
    Na2O0.310.334.1 6.45
    CaO0.810.784.0 -3.70
    MgO0.380.393.9 2.63
    F4.294.390.7 2.33
    Lan-2SiO258.4758.640.6 0.29
    Al2O330.5530.700.9 0.49
    Fe2O31.261.291.1 2.38
    TiO20.350.371.4 5.71
    K2O0.870.911.0 4.60
    Na2O2.812.780.8 -1.07
    CaO0.350.364.4 2.86
    MgO0.690.703.6 1.45
    F1.761.771.9 0.57
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    表  11   分析结果比对

    Table  11   Comparison of analytical results of elements in samples

    测量样品w/%
    Al2O3Fe2O3TiO2SiO2CaOK2OMgONa2OF
    1XRF57.450.310.7235.840.250.110.170.281.21
    化学法57.280.290.7035.720.260.120.170.261.25
    2XRF45.410.686.9438.620.112.510.151.030.32
    化学法45.610.697.0138.760.112.460.141.090.31
    3XRF10.580.540.4184.030.112.110.120.420.41
    化学法10.410.560.4283.960.112.110.110.440.40
    4XRF54.430.350.4335.060.620.430.300.176.90
    化学法54.660.370.4135.190.600.420.310.166.71
    5XRF31.220.551.2557.440.441.910.062.760.59
    化学法31.250.581.2657.470.451.890.062.810.61
    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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出版历程
  • 收稿日期:  2013-05-09
  • 录用日期:  2013-05-15
  • 发布日期:  2013-11-30

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