Способ спектрографического определения содержания редкоземельных элементов, иттрия, скандия, ниобия, циркония, гафния в щелочных породах и редкометалльных рудах

СПОСОБ СПЕКТРОГРАФИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, ИТТРИЯ, СКАНДИЯ, НИОБИЯ, ЦИРКОНИЯ, ГАФНИЯ В ЩЕЛОЧНЫХ ПОРОДАХ И РЕДКОМЕТАЛЛЬНЫХ РУДАХ путем разбавления порошковых проб исходного минерального сырья и эталонов графитовым порошком и карбонатом щелочного металла и последующего их испарения в плазме дугового разряда, отличающийся тем, что, с целью повышения экспрессности, чувствительности и экономичности анализа, в качестве карбоната щелочного металла используют карбонат натрия в количестве 1,5-2 мас. % к графитовому порошку, а испарение смеси проводят при равномерном вдувании порошков в плазму дугового разряда.

Изобретение относится к аналитической химии и может быть использовано при определении содержания редкоземельных элементов (РЗЭ), скандия, ниобия, циркония, гафния в минеральном сырье спектральным методом.
Известен способ прямого определения редкоземельных элементов при испарении проб из канала графитового электрода в дуге постоянного тока в редкоземельных минералах, таких как бастнезит, ортит, монацит, чевкинит и других, в котором осуществляется разбавление проб буферной смесью, состоящей из двух частей графитового порошка и одной части хлористого натрия.
Недостатком способа является высокое содержание в буферной смеси хлористого натрия (33%). При таком содержании буферирующего вещества резко понижается температура дуга, а следовательно, степень ионизации атомов редкоземельных элементов, что влечет за собой понижение интенсивности спектральных линий ионов РЗЭ и чувствительности определения этих элементов.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу является способ спектрографического определения содержания редкоземельных элементов, тория в щелочных породах и редкометалльных рудах путем разбавления порошковых пород исходного минерального сырья и эталонов графитовым порошком и карбонатом щелочного металла с последующим их испарением в плазме дугового разряда.
Недостатком способа является возможность определения в этих условиях только редкоземельных элементов и тория. Процесс испарения каждой пробы из канала угольного электрода происходит в течение 3-4 мин до полного выгорания пробы, что влечет за собой значительный расход электроэнергии и графитовых электродов и является одной из причин малой экспрессности такого способа.
Чувствительность определения редкоземельных элементов недостаточна для прямого определения редкоземельных элементов в щелочных породах и рудах, что может быть объяснено довольно большим содержанием буферирующего вещества (15% BaCO₃) в буферной смеси.
Целью изобретения является повышение экспрессности, чувствительности и экономичности анализа путем прямого определения элементов из группы лантаноидов, иттрия, скандия, ниобия, циркония, гафния.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе спектрографического определения содержания редкоземельных элементов, иттрия, скандия, ниобия, циркония, гафния в щелочных и редкометалльных рудах путем разбавления порошковых проб исходного минерального сырья и эталонов графитовым порошком и карбонатом щелочного металла и последующего их испарения в плазме дугового разряда, в качестве карбоната щелочного металла используют карбонат натрия в количестве 1,5-2 мас.% по отношению к графитовому порошку, а испарение смеси проводят при равномерном вдувании порошков в плазму дугового разряда.
Предпочтительно пробу перед буферированием разбавлять в весовом отношении силикатной матрицей, используемой в качестве основы для искусственных эталонных смесей, содержащей, мас.%: Al₂O₃ 17,18; MgO 0,9-1; CaO 1,5-2; Fe₂O₃ 3-4; Na₂CO₃ 8,0-8,5; K₂CO₃ 6,0; SiO₂ - остальное.
Существо способа состоит в том, что процесс испарения редкоземельных элементов, скандия, ниобия, циркония, гафния из пробы осуществляют в условиях вдувания порошков в дугу при буферировании графитовым порошком с минимально возможными добавками буферирующего вещества - карбоната натрия (2-1,5), вводимого для стабилизации температуры дуги, а также в условиях разбавления перед буферированием проб силикатной матрицей, содержащей, мас.%: Al₂O₃ 17-18; MgO 0,9-1; CaO 1,5-2; Fe₂O₃ 3-4; Na₂CO₃ 8,0-8,5; F₂CO₃ 6,0-6,5; SiO₂ - остальное.
На чертеже приведено изменение относительной интенсивности спектральных линий указанных элементов в зависимости от содержания в буферной смеси графитового порошка и карбоната натрия.
Графитовый порошок, повышая температуру дуги и снижая парциальное давление электронов, создает благоприятные условия для ионизации атомов редкоземельных элементов, иттрия, скандия, ниобия, циркония и гафния (V_i = 5,5-6,5 эВ), что приводит к максимальному излучению ионного спектра элементов и повышению чувствительности их определения (см.чертеж).
Определение индивидуальных редкоземельных элементов возможно при минимальном суммарном относительном содержании их в пробе 600-700 г/т (0,06-0,07 мас.%).
Истирание и перемешивание пробы с силикатной матрицей в спиртовой среде способствует устранению влияния на интенсивность спектральных линий элементов матричного эффекта и формы нахождения элементов в пробе и приводит к повышению точности анализа.
Условия анализа заявленного способа представлены в табл.1. Для осуществления способа необходимы следующие операции.
1. Тонко истертую (10-20 мкм) исходную пробу разбавляют в ступке в спиртовой среде в отношении 1:1 силикатной матрицей.
2. Смешивают с буферной смесью в отношении 1:2 (30 мг пробы и 60 мг буферной смеси),
3. Смеси проб и эталонов с буфером просушивают в течение 20 мин в сушильном шкафу при 80^оС.
4, Навеску пробы с буфером наносят на ленточный транспортер установки АИ-3 либо УСА-5 с ленточным транспортером.
5. С ленточного транспортера пробу в смеси с буфером равномерно вводят в плазму дуги переменного тока (генератор ДГ-2, I = 22 А) в течение 20-22 с.
6. В качестве диспергирующей системы используют спектрограф СТЭ-1.
7, Спектры получают на пластинках диапозитивных светочувствительностью 2,8 ед ГОСТа.
Для анализа используют 33 спектральные аналитические линии (см.табл.2), расположенные в трех строках спектра путем выделения при помощи комбинированной диафрагмы необходимых участков спектра, расположенных в диапазоне длин волн 220-450 нм.
8. Интенсивность спектральных линий замеряют на микрофотометре МФ-2 с учетом минимального фона.
9. Аналитические графики строят в координатах (lgI , lgC).
Для такого построения на каждой пластине снимают спектр железа через девятиступенчатый ослабитель, строят характеристическую кривую (S, lgI) и переходят от почернения линий к логарифму интенсивности (lgI ) с учетом близлежащего минимального фона.
10. При построении аналитических графиков используют эталонные искусственные образцы, приготовленные на силикатной основе: (61% SiO₂, 17% Al₂O₃, 1% MgO, 2% CaO, 4% FeO₃, 8,5% Na₂CO₃, 6,5% K₂CO₃).
Искусственную смесь прокаливают в муфельной печи при 1200^оС в течение 1 ч. Окислы РЗЭ также предварительно прокаливают при 1000^оС и затем вводят в силикатную матрицу.
В табл.3 приведен химический состав головных эталонов. Последующие эталоны готовят путем разбавления в отношении предыдущего 1:1.
П р и м е р 1. Щелочные породы анализируют в условиях предложенного способа. Пробу (100 мг) разбавляют в отношении 1:1 силикатной матрицей заявленного состава в ступке со спиртом. На торзионных весах берут навески 30 мг пробы и 60 мг буферной смеси, состоящей из 98% графитового порошка и 2% Na₂CO₃. В фарфоровом тигле при помощи вращающего пестика перемешивают пробу с буфером. Перед анализом смесь пробы с буфером просушивают в сушильном шкафу (20 мин). В аппарате УСА-5 с ленточным транспортером каждую порцию пробы с буфером вводят в плазму дуги переменного тока в течение 20 с. Пробы анализируют на спектрографе СТЭ-1.
П р и м е р 2. В щелочных гранитоидах и редкометалльных рудах в условиях предложенного способа анализа определяют редкоземельные элементы, скандий, ниобий, цирконий и гафний. При сравнении с существующими спектральными способами предложенный отличается большей экспрессностью за счет малой экспозиции (20 с) и автоматизации процесса испарения пробы и одновременного определения из одной навески РЗЭ, Sc, Nb, Zr, Hf.
Разбавление проб графитовым порошком с минимально возможным содержанием буферирующего вещества (2-1,5% Na₂CO₃) позволяет получать оптимальные спектральные излучения ионных спектров редкоземельных элементов и Sc, Nb, Zr, Hf, что приводит к повышению чувствительности определения редкоземельных элементов.
Предложенный способ анализа предусматривает использование отечественной аппаратуры и может быть применен для анализа редкометалльных руд и щелочных пород в аналитических лабораториях.