巖礦中稀有金屬元素的化學(xué)分析

孫鵬(吉林省冶金研究院檢測(cè)中心，吉林 長(zhǎng)春 130000)

0 引言

巖礦中含有一定量的稀有金屬元素，這些稀有金屬元素對(duì)于工業(yè)和科研等領(lǐng)域有著較為重要的作用，因此也帶動(dòng)了化學(xué)分析方法的發(fā)展進(jìn)步，當(dāng)前已經(jīng)存在關(guān)于稀有金屬元素化學(xué)分析的多種方法，如：定性、半定量和定量方法等。但由于巖礦中的稀有金屬元素成分較為復(fù)雜，且容易因外界因素而出現(xiàn)變化，因此仍需對(duì)化學(xué)分析方法做進(jìn)一步研究，確保其得以有效應(yīng)用。

1 巖礦中稀有金屬元素化學(xué)分析的主要模式

1.1 全分析模式

全分析模式能夠?qū)r礦中的所有化學(xué)成分進(jìn)行分析測(cè)量，其在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，主要基于光譜法進(jìn)行，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)巖礦中各種化學(xué)元素的種類，以及各種元素含量占比等內(nèi)容的分析，而后還可實(shí)現(xiàn)對(duì)稀有金屬化學(xué)元素的重點(diǎn)分析。整體來(lái)看，這種分析模式的分析結(jié)果較為全面和準(zhǔn)確，但由于其工作量較大，因此其需要較高的分析成本。對(duì)于很多實(shí)際情況而言，巖礦分析只需找出少數(shù)所需要的稀有金屬元素，并不適用全分析模式，因此這種模式的實(shí)際應(yīng)用相對(duì)較少[1]。

1.2 普通分析模式

相較于全分析模式而言，普通分析模式主要是針對(duì)巖礦中少數(shù)的特定化學(xué)元素進(jìn)行分析，而對(duì)其他化學(xué)元素則不進(jìn)行分析檢測(cè)。在實(shí)際應(yīng)用中，這種分析模式主要用于分析巖礦中較具有應(yīng)用價(jià)值的稀有金屬元素，以提高化學(xué)分析工作的效率。其亦可實(shí)現(xiàn)對(duì)多種巖礦樣品中同種化學(xué)元素的分析[2]。

1.3 組合分析模式

組合分析模式是上述兩種模式的有機(jī)結(jié)合，屬于一種較具系統(tǒng)性的分析模式，在這種分析模式下，其能夠?qū)r礦中的稀有金屬元素成分及分布情況等進(jìn)行較為準(zhǔn)確的分析，這對(duì)一些成分較為復(fù)雜的巖礦分析工作而言較有優(yōu)勢(shì)，其分析準(zhǔn)確性較高，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)高效的分析，而且還能為后續(xù)的巖礦勘測(cè)和開(kāi)采提供指導(dǎo)性意見(jiàn)[3]。

2 巖礦中稀有金屬元素的化學(xué)分析方法和過(guò)程

2.1 稀土元素的化學(xué)分析方法和過(guò)程

稀土元素指的是鑭系元素以及鈧、釔兩種元素，共計(jì)這17種元素的統(tǒng)稱，其在各種高精尖領(lǐng)域的研發(fā)生產(chǎn)等多個(gè)環(huán)節(jié)都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，同時(shí)其也有助于研究土壤形成巖石這一過(guò)程的機(jī)理。一般來(lái)說(shuō)，如果巖石中的鈉含量較高，則巖石中的稀土元素含量也相對(duì)較多。在以往的ICP-MS法檢測(cè)中，研究人員發(fā)現(xiàn)，稀土元素在地殼中的含量大約在0.01%～0.02%，主要集中于淺層和中層巖礦中，如黑稀金礦和獨(dú)居石等，而在深層酸性巖石中的含量則相對(duì)較低。

目前，巖礦中稀土元素總量的化學(xué)分析方法已經(jīng)相對(duì)較多，主要為以下三種方法：(1)使用高溫熔融狀態(tài)下的過(guò)氧化鈉，對(duì)礦樣進(jìn)行分解處理，而后去除礦樣中的雜質(zhì)；(2)使用草酸鹽分離重量法，該方法所采用的試劑較多，包括鹽酸、氨水、草酸、丙酮、硝酸和氯化銨等；(3)將巖礦樣品使用酸溶解后，再使用PMBP-苯萃取，而后使用鈾試劑3進(jìn)行比色，準(zhǔn)備六次甲基四胺緩沖液(pH值為5.5)，讓PMBP與稀土金屬元素的離子進(jìn)行反應(yīng)，生成絡(luò)合物后再進(jìn)行萃取。當(dāng)然，在萃取過(guò)程中，除了稀土金屬元素之外，還包括一些重金屬元素離子及其水解物等。同時(shí)，為了避免鈦和鋯對(duì)化學(xué)分析結(jié)果造成影響，通常采用磺基水楊酸作為掩蔽劑，并調(diào)節(jié)pH值，消除這兩種金屬離子的干擾，對(duì)于鉛離子的干擾則通常加入銅試劑予以解決。在解決以上問(wèn)題后，再使用甲酸溶液對(duì)反應(yīng)體系進(jìn)行反萃取，在反萃取過(guò)程中，各種稀土元素將轉(zhuǎn)入水層，而其他金屬元素則停留在有機(jī)層中，由此則實(shí)現(xiàn)了有效分離稀土元素的目標(biāo)，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的化學(xué)分析。

當(dāng)然，在實(shí)際的測(cè)定過(guò)程中，如果稀土元素的含量低于0.1%，則上述方法的局限性就較為凸顯，很難得出準(zhǔn)確結(jié)果。因此在這種特殊情況下，通常采用比色法、光譜法或X光譜法進(jìn)行[4]。

2.2 鋰元素的化學(xué)分析方法和過(guò)程

相對(duì)于稀土元素而言，鋰元素在巖礦中的含量較高，分布范圍也較廣，但其在不同類型的巖礦中的分布程度則存在較大的差異。根據(jù)以往的研究表明，鋰元素含量最高的巖礦為花崗巖，同時(shí)花崗巖中還含有諸如硅酸鹽和磷酸鹽等一系列的獨(dú)立礦物。目前，對(duì)鋰元素的化學(xué)分析方法較多，包括質(zhì)量法、光譜分析法、色譜和質(zhì)譜分析法等。在這些方法中，以質(zhì)量法的應(yīng)用最為廣泛。在應(yīng)用質(zhì)量法對(duì)鋰元素進(jìn)行化學(xué)分析時(shí)，將少量的巖礦樣品與同等質(zhì)量的氯化銨進(jìn)行混合，研磨均勻后再加入適量的碳酸鈣粉末繼續(xù)進(jìn)行研磨攪拌，待三種成分全部攪拌均勻后，將混合物放置于坩堝中，先低溫加熱10 min，再升溫至900 ℃左右，繼續(xù)加熱1 h后再進(jìn)行冷卻。待坩堝冷卻至室溫后，使用相應(yīng)工具取出坩堝中已結(jié)塊的產(chǎn)物，再對(duì)其進(jìn)行研磨，待其研磨完成后放入燒杯中，向燒杯中加入50 mL去離子水，煮沸15 min，冷卻至室溫后進(jìn)行過(guò)濾，反復(fù)過(guò)濾2次，取過(guò)濾后的清液，加入適量的氫氧化鈣飽和溶液。上述工作結(jié)束后，將現(xiàn)有的反應(yīng)體系再次加熱至沸點(diǎn)，使之持續(xù)沸騰，直至剩余10～15 mL液體時(shí)停止加熱，向剩余液體中加入少量氯化銨、濃氨水和飽和碳酸銨溶液，對(duì)混合溶液繼續(xù)加熱5 min后，再進(jìn)行沉淀和過(guò)濾操作，這步所得到的濾液則放置于坩堝中，在450 ℃條件下進(jìn)行加熱，并在加熱時(shí)不斷滴加濃氨水和草酸銨的飽和溶液，充分進(jìn)行混合攪拌，反應(yīng)完成后繼續(xù)進(jìn)行過(guò)濾處理，取過(guò)濾后剩余的沉淀物，放置于蒸發(fā)皿中進(jìn)行蒸發(fā)，并在蒸發(fā)的過(guò)程中加入適量鹽酸，以除去其中殘余的水分，通過(guò)以上步驟處理后，即可得到堿金屬混合氯化物。在得到堿金屬混合氯化物后，將其研磨為粉末，加入無(wú)水丙酮和少量濃鹽酸充分?jǐn)嚢韬筮M(jìn)行過(guò)濾，取過(guò)濾后的固體物用無(wú)水丙酮進(jìn)行反復(fù)處理后，對(duì)固體物進(jìn)行灼燒處理，再加入過(guò)量的硫酸去除氯化物后，即可得到硫酸鋰，分析硫酸鋰的質(zhì)量即可推導(dǎo)出鋰元素的質(zhì)量。當(dāng)然，這種分析方法步驟較多，極為繁瑣，也就導(dǎo)致一些誤差幾乎難以避免。對(duì)此，研究人員也致力于對(duì)色譜、質(zhì)譜分析法等進(jìn)行更為深入的研究。

3 提高分析巖礦稀有金屬元素化學(xué)能力及水平的有關(guān)策略

3.1 完善巖礦稀有金屬元素化學(xué)分析制度體系

要確保巖礦稀有金屬元素化學(xué)分析工作能夠有條不紊進(jìn)行，相關(guān)制度體系的約束性作用是必不可少的。通過(guò)建立科學(xué)合理的制度體系，能夠引導(dǎo)化學(xué)分析工作始終按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范加以開(kāi)展，以實(shí)現(xiàn)化學(xué)分析工作的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化。因此，完善巖礦稀有金屬元素化學(xué)分析制度體系已成為當(dāng)前的一項(xiàng)重要任務(wù)。具體來(lái)看，一方面，要始終以科學(xué)的角度著手構(gòu)建制度體系，基于當(dāng)前科學(xué)技術(shù)發(fā)展的實(shí)際狀況來(lái)制定完善的化學(xué)分析制度體系，做到“與時(shí)俱進(jìn)”；另一方面，要基于當(dāng)前的化學(xué)研究現(xiàn)狀，對(duì)現(xiàn)有的稀有金屬元素化學(xué)分析制度結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化調(diào)整，剔除已經(jīng)明顯與時(shí)代不符的內(nèi)容，添加適當(dāng)?shù)男聝?nèi)容，確保能夠始終滿足巖礦稀有金屬化學(xué)分析工作的實(shí)際要求[5]。

3.2 提高科研人員的化學(xué)分析專業(yè)能力水平

巖礦中稀有金屬元素的化學(xué)分析效果還在很大程度上取決于科研人員的化學(xué)分析專業(yè)能力。因此，有關(guān)單位要注重科研人員能力水平的提升，通過(guò)這種方式，能夠不斷解決我國(guó)分析巖礦稀有金屬化學(xué)成分工作中存在的不足之處，同時(shí)，在部分核心技術(shù)受到限制的背景下，這種方式更具實(shí)用性。具體來(lái)看，在提升科研人員能力水平的工作中，應(yīng)當(dāng)著重考慮以下四方面的內(nèi)容：(1)科研人員應(yīng)當(dāng)對(duì)稀有金屬元素的化學(xué)分析有較多的了解，能夠根據(jù)分析結(jié)果判斷分析結(jié)果是否準(zhǔn)確，以及其他可能出現(xiàn)的影響；(2)當(dāng)部分稀有金屬元素分析設(shè)備因特殊情況無(wú)法使用時(shí)，應(yīng)當(dāng)能夠及時(shí)采取替代方式，將影響程度降到最低；(3)科研人員應(yīng)當(dāng)具備預(yù)防危險(xiǎn)事故和解決危險(xiǎn)問(wèn)題的能力；(4)在化學(xué)分析過(guò)程中，要嚴(yán)格根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行操作。

4 結(jié)語(yǔ)

總的來(lái)看，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，當(dāng)前針對(duì)巖礦稀有金屬元素的化學(xué)分析方法已經(jīng)相對(duì)較多，但這些化學(xué)分析方法的適應(yīng)范圍存在差異，且分析的效率和準(zhǔn)確性也各不相同。因此，在實(shí)際工作中，要進(jìn)行更為深入的研究，將更多的先進(jìn)技術(shù)和先進(jìn)工藝應(yīng)用到化學(xué)分析環(huán)節(jié)當(dāng)中，以提高工作效率和分析的準(zhǔn)確性，以加強(qiáng)對(duì)稀有金屬元素的提取和利用，為中國(guó)的工業(yè)和科研等領(lǐng)域的發(fā)展建設(shè)提供更加有力的保障。