礦物樣本中所含金屬元素的化學分析方法研究

李亞龍，任 冬，孫廣勝

（甘肅省有色金屬地質(zhì)勘查局張掖礦產(chǎn)勘查院，甘肅 張掖 734000）

我國礦產(chǎn)資源儲量豐富、種類多樣，蘊含大量稀有金屬元素，每種金屬元素都具有重大的應用價值。當前稀有金屬的地位價值有所提高，由于稀有金屬的特殊性能，使其在電氣、航天、冶金、化工等領域，都發(fā)揮著關鍵作用，對我國社會經(jīng)濟具有重要意義。大部分金屬元素都來自礦產(chǎn)資源，而礦產(chǎn)資源的所在礦區(qū)大多處于偏遠地區(qū)，且地形地勢復雜，稀有金屬分布范圍廣，這些都為金屬元素的勘探分析造成很大困難[1]。而隨著稀有金屬元素的依賴度越來越高，有必要研究金屬元素的化學分析方法，歸納和總結不同金屬元素的化學分析法，對其進行調(diào)整和改進，創(chuàng)新金屬元素測定方法，得到每一個礦物樣本的成分含量，提高地質(zhì)工作效率，為金屬礦山的開采提供技術支持，幫助巖礦勘探實踐工作順利實施。

1 礦物樣本中所含金屬元素的化學分析方法相關概述

化學分析是地質(zhì)找礦工作中的重要分析手段，通過不同化學檢測方法對不同地質(zhì)環(huán)境中的巖石進行分析，可以更加準確有效的檢測出巖石中的金屬元素種類及比例。由于化學反應的標準數(shù)據(jù)變化規(guī)律是不變的，所以在利用化學分析進行巖石樣品的檢測，可以準確地獲得巖石樣品中的金屬元素含量，其檢測結果更加精確，因此采用化學分析的方法來對地質(zhì)巖石樣品進行檢測是具有十分重要的應用價值的?；瘜W分析方法主要是以電感應耦合等離子體質(zhì)譜法檢測金屬元素，通過相應的質(zhì)譜儀器完成相應檢測。利用化學分析可以更加明顯的現(xiàn)實檢測結果，進而更加準確的掌握地質(zhì)巖石樣品的金屬含量。在進行化學分析檢測時，需要保證檢測環(huán)境的整潔，減少環(huán)境因素對檢測結果的影響，這樣才能最大程度的確?；瘜W分析結果的完整性和準確性?；诖?，下文就對地質(zhì)巖石樣品金屬元素化學分析工作進行的研究，并且提出一些相應的應用方法，以供參考。

2 化學分析方法在礦物樣品金屬元素檢測中的應用意義

2.1 化學分析方法的檢測結果反映較快

地質(zhì)巖石樣品檢測工作中，常使用拉曼光譜法、核磁共振波譜法等檢測手段進行金屬元素的檢測，這些分析方法中有一些已經(jīng)不適合目前的檢測要求，不僅檢測效率低，檢測成本也較高。因此，為了更好的適應時代發(fā)展，滿足當前的地質(zhì)巖石樣品檢測工作的更高標準，必須優(yōu)化檢測技術，引入更加先進的分析方法?；瘜W分析方法具有較好的應用效果，在對地質(zhì)巖石樣品的檢測中，使用化學分析方法可以更快的獲取相關監(jiān)測結果，提升了檢測效率，同時也能保證檢測結果的準確性。另外化學分析方法的操作方法更加簡單，適用于較多的地質(zhì)勘探現(xiàn)場的地質(zhì)分析，退地質(zhì)巖石樣品中主量、次量金屬元素的分析效率都較高，在實際應用中取得了較好的檢測效果，因此，在地質(zhì)巖石樣品金屬元素檢測工作中使用化學分析法進行樣品檢測，對提高地質(zhì)勘探工作水平有著至關重要的應用價值。

2.2 有利于簡化檢測分析流程

檢測地質(zhì)巖石樣本中的金屬元素含量，可以更好的找出地下金屬礦產(chǎn)資源，同時有利于地質(zhì)方面的科學研究。在對地質(zhì)巖石樣本的金屬元素檢測工作中，需要使用相應的分析技術才能完成對地質(zhì)巖石樣本中的金屬元素檢測，傳統(tǒng)的分析技術操作流程過于復雜，不僅需要對樣本進行切片處理，還要利用多種檢測技術進行不同金屬元素的檢測，最終需要整合檢測數(shù)據(jù)才能獲得完整的實驗結果。復雜的檢測工序，不僅提高了檢測成本，也讓檢測效率難以提升，復雜的檢測流程也可能影響到檢測結果的準確性。使用化學分析法對地質(zhì)巖石樣本進行檢測，可以通過化學反應指標來判定巖石樣本中的金屬元素含量，不僅達到了簡化檢驗分析流程的目的，也提高了檢測結果的準確性。化學分析方法的應用，從本質(zhì)上提升了地質(zhì)勘探工作的勘探效果，這也相應的節(jié)省了國家的資源，節(jié)省了地質(zhì)勘探的成本，進而促進了國家地質(zhì)勘探行業(yè)的發(fā)展。

3 化學分析法在地質(zhì)巖石樣品金屬元素檢測中的應用研究

3.1 化學分析法結合統(tǒng)計方法的應用研究

在采用化學分析法對地質(zhì)巖石樣品進行金屬元素分析時，可以結合統(tǒng)計方法來提高分析結果的準確性。其主要技術特點在于通過取分級結果的平均值來進行最后計算，通過平均值的計算可以縮小環(huán)境對實驗結果的影響范圍。通常情況下，在使用化學分析法進行地質(zhì)巖石樣品檢測時，取得的極端值對最終分析結果的影響較大，所以需要對從分析數(shù)據(jù)中舍去過大的分析數(shù)值，但是化學分析中對分析結果設定了最小權，如果沒有過大的數(shù)值差距，將不會舍棄任何數(shù)值，這也就造成了最終分析結果的偏差。而使用統(tǒng)計方法剔除可疑數(shù)據(jù)，常用統(tǒng)計檢驗方法如格拉布斯檢驗法、狄克遜檢驗法、“4d”檢驗法、Q檢驗法、拉依達檢驗法、極差檢驗法等，也可以根據(jù)檢測結果數(shù)值、中位數(shù)值及標準四分位間距等數(shù)值進行完整統(tǒng)計，保證分析結果在平均值范圍內(nèi)。

3.2 礦石樣品成分化學分析存在的問題

化學分析是一項專業(yè)性工作，分析方法的科學選擇、數(shù)據(jù)質(zhì)量的有效控制，都是確保礦石樣品化學分析質(zhì)量的重要基礎。從實際而言，礦石樣品成分化學分析仍存在諸多的不足與問題，特別是方法選擇不合理、操作不規(guī)范等情況，不利于化學分析的有效構建，影響化學分析的實效性。

①化學分析方法選擇不合理。在化學分析中，可選擇的分析方法多樣化，要求分析方法的合理選擇。但是，從實際來看，礦石樣品成分化學分析存在方法選擇不合理等問題，導致化學分析質(zhì)量等操作受到較大影響。一方面，在化學分析的過程，對于礦石樣品的認識不到位，以至于化學分析方法的選擇不合理性，反而在很大程度上影響到化學分析結果；另一方面，在化學分析的選擇中，對不同分析方法缺乏正確了解，以至于化學分析具有較大的隨意性，影響到礦石成分化學分析質(zhì)量。②化學分析數(shù)據(jù)質(zhì)量不高。分析數(shù)據(jù)質(zhì)量是化學分析的重要基礎，但其易受到諸多因素影響，特別是操作不規(guī)范、外部環(huán)境影響等，都會對化學分析數(shù)據(jù)質(zhì)量形成較大影響。一是在化學分析中，人員操作不規(guī)范，存在操作失誤或違規(guī)操作等情況，都會影響到化學分析的數(shù)據(jù)質(zhì)量；二是在化學分析中，數(shù)據(jù)控制不到位，對于外部影響因素缺乏有效控制，如酸堿度、濕度等，都會對化學分析形成較大影響，強調(diào)科學控制影響因素的重要性；三是化學分析方法缺乏創(chuàng)新改進，在不同條件之下的礦石成分化學分析，缺乏方法的靈活應用，化學分析與實際需求不符合，這也是導致化學分析數(shù)據(jù)質(zhì)量問題的原因之一。

4 礦物樣本中所含金屬元素的化學分析方法具體設計

4.1 檢測礦物樣本金屬元素

制備金屬元素化學分析的礦物試樣，測試礦物包含的金屬元素。將礦物樣本制備成具有代表性的分析試樣，滿足高度均勻、成量少的要求，粉碎礦物樣本，使其破碎成小顆粒，根據(jù)被測巖石礦物的種類，確定礦物樣本的碎后粒度，具體如表1所示。

表1 各類礦物樣本碎后粒度要求（mm）

選擇篩孔大小合適的篩號，過篩小顆粒，混勻破碎好的礦物試樣，把過篩顆粒堆成錐形，壓平后分成四等分，收集并混勻其中的兩份，丟棄其余兩份礦物顆粒，完成礦物試樣的縮分。試樣制備完畢后，測定礦物樣本包含的金屬元素，依次進行多種測定方法，先把鎳坩堝放在石棉板上，保持50℃的溫度進行低溫加熱，15min后進行高溫加熱，控制加熱時間在1h左右，加熱后令鎳坩堝冷卻一段時間，溫水清洗鎳坩堝，然后選擇150mL的燒杯，裝滿熱水和10g礦物試樣，移放至鎳坩堝中，再加入100mL的純凈水，加熱鎳坩堝至200℃，控制煮沸時間在20min左右，清洗煮沸液體過濾后的殘渣，再按照上述操作對殘渣進行煮沸和過濾，反復三次后得到礦物溶液[2]。對礦物溶液進行分光光度測定，根據(jù)分光光度后溶液呈現(xiàn)顏色，判定礦物含有的金屬元素，即根據(jù)金屬元素性質(zhì)，判定礦物包含金屬。針對微量組分的金屬元素，選擇靈敏度高的儀器進行測定，測定過程中添加掩蔽劑，消除不同金屬元素的干擾，得到礦物樣本的最終產(chǎn)物，記錄巖石礦物包含的金屬元素。至此完成礦物樣本金屬元素的檢測。

4.2 分離提取待分析金屬元素

制備待測金屬元素飽和溶劑，根據(jù)金屬元素溶解度，對其進行分離提取。采用電解沉淀的方法，在100mL礦物溶液中，加入0.2g氯化銨，利用蒸發(fā)皿采集混合溶液，將蒸發(fā)皿置于常溫環(huán)境，用15mL熱水吹洗蒸發(fā)皿，采取蒸發(fā)方式，維持液體容量在80mL，最后灼燒混合液體，控制灼燒溫度在400℃～500℃，去除混合溶液中的銨鹽，得到礦物有機溶劑。利用三層石英制作一個矩形套管，在套管上配置負載線圈，通電后產(chǎn)生大量電子和離子，經(jīng)由電磁場感應形成一定渦流，把有機溶劑移入套管中，在電流作用下，溶液溫度逐漸變高直至達到65℃。使用研磨缸研磨礦物樣本，把碳酸鈣鋪在鎳坩堝底部，加入50mg純凈水和研磨細末，把碳酸鈣和礦物樣本的粉末攪拌均勻，利用碳酸鈣，分解礦物樣本中的氯化銨，加熱鎳坩堝至800℃，在鎳坩堝下放置帶有細孔的石棉網(wǎng)，控制混合溶液煮沸時間為1h，蒸發(fā)混合溶液，去除溶液中的無水丙酮，加熱后仍有部分燒結礦不易破碎，用飽和氫氧化鈣溶液，清洗過濾后留下的燒結礦，將其移入磨筒，外力磨成粉末，熱水沉淀后進行烘干處理，加入混合溶液[3]。將碳酸鈣和礦物的混合溶液，與矩形套管的有機溶劑混合，通電15min～20min，冷卻混合溶劑，加入少許硫酸，得到金屬元素的飽和溶劑，統(tǒng)計金屬元素在有機溶劑中的溶解度，利用不同金屬元素溶解度的差異性，分離待測金屬元素與其余金屬元素。

4.3 測定礦物樣本金屬元素含量

采用化學分析法，測試提取的金屬元素含量，確定礦物包含金屬元素的比重。當被測金屬元素與礦物樣本的其余組分分離后，稱量物質(zhì)重量，設礦物所含金屬元素的含量為，計算公式為：

其中1m為礦物試樣量，2m、3m分別為電解前后沉淀與矩形套管的重量，4m、5m分別為電解前后矩形套管的重量，1V為礦物試樣與碳酸鈣的混合溶液總體積，2V為加入硫酸后的飽和溶液體積。

通過重量分析，測定占有一定比重的金屬元素含量，針對礦物樣本的微量金屬元素，則結合滴定分析和X射線熒光光譜分析，根據(jù)礦物樣本種類，配置金屬元素的標準溶液，使用10%的硝酸稀釋標準溶液，加入2.0g過氧化鈉混合均勻，通過鎳坩堝加熱熔融，在堿性溶液中加入氯化銨，搖晃混勻后，對標準溶液進行EDTA絡合滴定、氧化還原滴定等，獲得溶液與EDTA生成的絡合物，加入5mL鹽酸，將絡合物放置在500℃～550℃的環(huán)境下灼燒，冷卻后得到去除過量硝酸的溶液，對溶液進行反復蒸發(fā)操作，置于鎳坩堝燃燒10min以上，直至鹽酸融化，此時待測金屬元素會結合成化合物，在混合溶液中形成碲礦。使用X射線熒光光譜，使碲礦處于X射線下，令X射線強度與被測金屬的原子含量成正比，由于不同金屬元素具有的X射線波長不同，利用這一特點，通過礦物樣本X射線強度，校對礦物中的金屬元素，確定微量金屬在礦物中的所含比例。至此完成礦物樣本中所含金屬元素的化學分析方法設計。

5 實驗分析

將此次設計方法與常規(guī)方法進行對比實驗，比較兩種方法分析值的相對誤差。

以某地區(qū)鋁土礦為例，該礦區(qū)基底存儲大量黃鐵礦層和黏土層，在黏土層中選擇角閃石礦物樣本，三種方法分別分析角閃石中鋁元素的質(zhì)量占比。由于角閃石中鋁元素的比重較大，設計方法選擇重量分析法，選擇實驗儀器包括AG135型電子天平、RX3-35-6型高溫爐、7230G型7230G、EG37A PLUS型恒溫電熱板、201-3-BS型恒溫干燥箱，角閃石粉碎縮分后，分離礦物試樣中的鋁元素，具體流程如圖1所示。

圖1 鋁元素分離提取流程

配置碳酸鈣和礦物樣本混合溶液，得到鋁元素飽和溶液，根據(jù)礦物組分的溶解度，分離出角閃石中的Fe、K、Na、Ti、Ca、Mg、Mn、P、Al元素，使用電子天平反復稱重至恒重，得到鋁元素含量比重。共制備7個角閃石樣本，對其進行編號，兩種方法的鋁元素含量分析結果，以及礦物樣本鋁元素標準值如圖2所示。

圖2 鋁元素含量標準值和分析值

計算鋁元素含量分析值與標準值的差值，再計算差值與實際值的比值，獲得鋁元素含量分析值的相對誤差，兩種方法分析值的相對誤差實驗對比結果如表2所示。

表2 鋁元素含量分析值相對誤差實驗對比結果

由上表可知，設計方法鋁元素含量分析值平均相對誤差為1.65%，常規(guī)方法分析值平均相對誤差為2.62%，設計方法分析值相對誤差減少了0.97%，分析值與實際值擬合程度更高，測定的金屬含量比重更加準確。

6 結語

此次研究設計了一種礦物樣本所含金屬元素的化學分析方法，減少了金屬元素含量分析值的相對誤差。但此次設計方法仍存在一定不足，在今后的研究中，會進一步改進礦物飽和溶液的制備溫度，節(jié)省碳酸鈣、氯化銨等材料的加入量，降低材料成本。