稀土發(fā)火材料中稀土總量的快速測定＊

孫紅英，李杏英，熊 文，賴 心，王彩華

廣東省工業(yè)技術研究院（廣州有色金屬研究院），廣東 廣州 510650

稀土發(fā)火材料主要含鈰，并含有鑭、釹、鐠等輕稀土金屬元素以及部分鐵和少量的鎂、硅、鋅、銅、碳等非稀土成分［1］.目前，我國已成為世界稀土發(fā)火合金的生產(chǎn)大國、消費大國和市場貿(mào)易大國［2］，快速測定稀土發(fā)火材料中的稀土總量很有必要.稀土總量分析通常采用重量法［3］，通過氫氧化物沉淀、氟化物沉淀、氨水沉淀和草酸沉淀共四次沉淀，再經(jīng)過濾分離雜質(zhì)，分析流程很長，手續(xù)繁瑣.本文主要研究了用硝酸、鹽酸和高氯酸溶解稀土發(fā)火材料樣品，過氧化氫消除鐵離子影響，草酸沉淀稀土，快速測定稀土總量的方法.

1 試驗部分

1.1 試劑和材料

硝酸、高氯酸、過氧化氫（30%）、鹽酸均為分析純，實驗用水均為去離子水.

鹽酸（1＋1）；鹽酸洗液（100mL水中含1mL鹽酸）；氨水（1＋1）、草酸溶液（100g／L）、草酸洗液（10g／L），麝香草酚藍乙醇溶液（0.1g麝香草酚藍溶于100mL乙醇）.

精密pH 試紙（0.5～5.0）.

1.2 實驗方法及步驟

稱取0.5g（精確至0.0001g）試樣置于250ml燒杯中，依次加入10ml鹽酸、5ml硝酸、5ml高氯酸，加熱溶解樣品，冒煙至近干，冷卻后加入10ml鹽酸（1＋1），加熱溶解鹽類，取下，沿壁吹少量熱水，用中速濾紙過濾，用熱鹽酸洗液洗滌杯壁及濾紙至濾液50ml，加紙漿少許，煮沸，加入7～8ml過氧化氫（30%），邊快速攪拌邊加入60mL煮沸的質(zhì)量濃度為100g／L草酸溶液，再加5滴麝香草酚藍乙醇溶液，用氨水（1＋1）中和至淺紅色，調(diào)節(jié)pH約為1.5～1.7（用精密pH 試紙檢驗），靜置4h，然后用慢速定量濾紙過濾，草酸洗液洗滌沉淀6～8次，將沉淀和濾紙移入已恒重的瓷坩堝中灰化，于950℃馬弗爐中灼燒40min.將瓷坩堝及燒成物置于干燥器中，冷卻至室溫，稱其質(zhì)量.

1.3 計算公式

按公式（1）計算稀土氧化物總量（REO），按公式（2）計算稀土總量（RE）.

式中m2—沉淀和坩堝質(zhì)量，g；m1—坩堝質(zhì)量，g；m0—稱取試樣量，g；w（REO）—稀土氧化物總量，%；w（RE）—稀土總量，%；Pi—各稀土氧化物在試樣中所含相應混合氧化物中所占的質(zhì)量分數(shù)，%；ki—各稀土單質(zhì)與氧化物的換算系數(shù)［4］.

2 結果與討論

2.1 雜質(zhì)分離方法的選擇

稀土發(fā)火材料中除主要成分稀土金屬外，一般還含有鐵、鎂、鋅、硅及碳等非稀土成分，其中碳在混酸溶樣時以二氧化碳形式在高氯酸冒煙過程中揮發(fā)；硅在過濾時除去.其它雜質(zhì)分別采用三種組合分離方法除去：（1）氫氟酸＋氨水＋草酸［3］、（2）氫氟酸＋草酸［3］、（3）草酸＋H2O2，并對含量較高的鐵元素及含量較低的鎂元素的分離效果進行對比.稱取3.0822g樣品，按分析方法溶樣、過濾，定容至100ml容量瓶中，分取6份10ml溶液，分別采用上述分離方法進行平行試驗，用ICP測定其稀土氧化物及其中殘留鐵、鎂含量，結果列于表1.

表1 不同分離方法結果對比Table 1 Comparison of analytic results with different methods

由表1可知，用不同分離方法所測得的稀土氧化物總量基本一致，鎂殘留量均小于100μg／g，不影響分析結果，只是鐵殘留量略有不同.原因是：方法1的流程最長，經(jīng)三次沉淀分離，有可能引入雜質(zhì)，使鐵殘留量高于后兩種方法.采用方法2和方法3的鐵殘留量相差不大，但方法2的氟化分離過程須保溫和過濾，且還需用硝酸、高氯酸冒煙分解氟化稀土沉淀，分析時間長，而采用方法3只需一次分離，顯示出了其快速、準確的優(yōu)勢.故本次試驗采用方法3除鐵鎂.

2.2 過氧化氫加入量的確定

稱取2.5012g樣品，按分析方法溶樣、過濾，定容至100ml容量瓶中，分取4份20ml溶液，按分析步驟分別加入2.5，5.0，7.5，10.0ml過氧化氫進行試驗，稀土氧化物中鐵含量的測定結果列于表2.

表2 過氧化氫不同加入量的鐵殘留量Table 2 Variation of residual iron contents with the addition amount of hydrogen peroxide

因草酸沉淀稀土是在沸液中進行，過氧化氫在酸性介質(zhì)加熱時會快速分解沸騰，生成水和氧氣，因此應加入過量的過氧化氫，才可達到有效除鐵的目的.由表2可知，加入7.5ml過氧化氫可達到很好的分離效果.故試驗中用草酸沉淀稀土之前先加入7～8ml過氧化氫以消除鐵離子的影響.

2.3 草酸根活度對稀土草酸鹽沉淀的影響

進行稀土草酸鹽沉淀時，稀土含量不宜太低，溶液體積不宜過大，溶液應保持合適的草酸根活度.決定草酸活度的主要因素是草酸濃度和氫離子活度.考慮到同離子效應，應有較大的草酸根活度，但為了避免生成RE（C2O4）＋，RE（C2O4）－2，RE（C2O4）3－3等稀土絡離子而使稀土損失，同時考慮鹽效應，又不應有過大的草酸根活度［5］，再者稀土發(fā)火材料中稀土含量較高.故選擇草酸用量60mL，溶液總體積約120mL，調(diào)節(jié)pH 值1.5～1.7時，可得到滿意的結果.

2.4 介質(zhì)、溫度、攪拌和陳化時間對稀土草酸鹽沉淀的影響

稀土草酸鹽在硝酸介質(zhì)中的溶解度比在鹽酸介質(zhì)中稍高，故實驗時用鹽酸、硝酸溶解和高氯酸冒煙后，再用鹽酸溶解鹽類，在鹽酸介質(zhì)中進行沉淀.適當提高沉淀溫度，保持適當?shù)年惢瘯r間可提高共存元素的分離效果.因為升溫和陳化，有利于沉淀晶體的長大、減少共存元素的共沉淀，故選擇70～80℃進行草酸沉淀稀土，在不斷攪拌下加入草酸熱溶液，沉淀完全后再加熱煮沸1～2min.本文采用先加入過量的過氧化氫再加草酸的方法沉淀稀土，試驗中注意緩慢加入并充分攪拌，以防局部過濃，導致沉淀聚集成塊而包裹雜質(zhì)，難以洗滌.陳化時間一般為4 h，時間過長，會引起鈣等雜質(zhì)元素共沉淀.

2.5 銨鹽及其它共存元素對稀土沉淀的影響

銨鹽對鈰組草酸稀土沉淀影響不大，而對釔組稀土影響很大，因為銨鹽可與釔組稀土形成可溶性絡合物（NH4）3RE（C2O4）3而使結果偏低.因此，在調(diào)節(jié)酸度時不要引入大量的銨離子.稀土發(fā)火材料主要含有鈰、鑭、釹、鐠等輕稀土金屬元素，銨鹽及其它共存元素不會影響分析結果.

2.6 灼燒溫度和稱量條件

水合稀土草酸鹽開始脫水的溫度為40～60℃，繼續(xù)加熱，會出現(xiàn)中間水合物的形成以及無水物的分解.對輕鑭系來說，在無水物變成氧化物的過程中，還會產(chǎn)生中間物，最后形成氧化物.稀土草酸鹽經(jīng)過灼燒可變?yōu)橄⊥裂趸?，但不同的稀土草酸鹽轉(zhuǎn)為稀土氧化物的溫度不同，草酸鈰于360℃轉(zhuǎn)化為氧化鈰，草酸鑭轉(zhuǎn)化溫度高達735～800℃，為了確保所有稀土草酸鹽完全轉(zhuǎn)化為氧化物，選擇灼燒溫度在950℃以上灼燒40min.稀土氧化物能從空氣中吸收水分和二氧化碳，其中氧化鑭和氧化釹吸收作用特別強，而稀土發(fā)火材料中鑭和釹的含量較高.因此，灼燒后的稀土氧化物從馬弗爐中取出后立即置于干燥器中，冷卻至室溫后迅速稱量，以免吸收空氣中的水和二氧化碳，影響分析結果.

2.7 加標回收試驗

稱取試樣（測得稀土氧化物總量65.20%）3份，每份0.5g（精確至0.0001g），分別置250ml燒杯中進行加標試驗，試驗結果列于表3.由表3可知，加標回收率為99.30%～100.50%，符合分析要求.

表3 氧化鈰加標回收試驗結果Table 3 Results of recovery test for cerium oxide

2.8 精密度試驗

稱取6份試樣，每份0.5g（精確至0.0001g），按試驗步驟測定，稀土氧化物總量的測定結果列于表4.由表4可知，稀土氧化物總量的平均值為92.38%，ICP 測 定 稀 土 氧 化 物 配 分 為：Ce2O352.31%，La2O327.93%，Pr6O112.43%，Nd2O316.53%，稀土單質(zhì)與氧化物的換算系數(shù)Ce 0.8140，La 0.8526，Pr 0.8277，Nd 0.8573，按公式（2）計算稀土總量為76.29%，標準偏差為0.054%，相對標準偏差為0.071%.

表4 精密度試驗結果Table 4 Results of the precision

3 結 論

采用鹽酸、硝酸和高氯酸溶解稀土發(fā)火材料樣品，過氧化氫消除鐵離子影響，草酸沉淀稀土，重量法測定稀土總量.該法的加標回收率為99.30%～100.50%，標準偏差為0.054%，相對標準偏差為0.070%.本方法省去了氟化分離和氨水沉淀分離步驟，操作簡單、快速，結果準確.

［1］劉光華.稀土材料與應用［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2005：159.

［2］林河成.稀土發(fā)火合金材料的生產(chǎn)、應用及市場［J］.稀土，2009（04）：98－101.

［3］全國稀土標準化技術委員會.GB／T 18114.1－2010，稀土精礦化學分析方法 第1部分：稀土氧化物總量的測定重量法［S］.北京：中國標準出版社，2011.

［4］全國稀土標準化技術委員會.GB／T14635.1－2008，稀土金屬及其化合物化學分析方法 稀土總量的測定［S］.北京：中國標準出版社，2008.

［5］江祖成，蔡釹秀，張華山.稀土分析化學［M］.北京：科學出版社，1981：149.