巖礦中稀有金屬元素化學(xué)分析探析

摘要：稀有金屬已經(jīng)成為我國(guó)各行業(yè)中必不可少的元素之一，而大多數(shù)稀有金屬元素來自巖礦中。研究者可通過一定的化學(xué)分析方法檢測(cè)巖石礦物中稀有金屬元素的組成與含量，這為勘察巖礦中稀有金屬提供了便利。由于化學(xué)分析方式相對(duì)較為便捷，現(xiàn)已成為勘察巖礦中稀有金屬元素的主要方式之一。

關(guān)鍵詞：巖礦；稀有金屬元素；化學(xué)分析1稀有金屬元素化學(xué)分析方法的重難點(diǎn)

本文闡述了巖石礦物中稀有金屬元素的化學(xué)分析中存在的兩大困難，其中稀有金屬元素的化學(xué)分析技術(shù)和鋰元素分離困難是亟待解決的兩大難題。首先，如何選取合適的組合分析法是目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍關(guān)注的一個(gè)問題，也是目前稀有金屬元素化學(xué)分析中的一個(gè)難點(diǎn)；其次，由于稀有金屬元素的分離難度很大，因此其分離問題一直沒有得到有效的解決。另一方面，由于化學(xué)分析技術(shù)的不斷發(fā)展，使得鋰離子的分離成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。通過對(duì)鋰離子分離技術(shù)的探討與研究，研究者們提出了有針對(duì)性的開發(fā)和創(chuàng)新技術(shù)，使其能夠更好地分離出鋰元素，從而極大地提升了分離效率。目前通過化學(xué)分析技術(shù)方法解決上述兩大問題還較為困難。

2分析巖礦使用的化學(xué)方法

2.1全面檢測(cè)分析法

目前，巖礦的全面檢測(cè)分析法是一種綜合分析法，是一種精度要求較高的測(cè)試方法。它的主要測(cè)試步驟是：將原礦碾碎，磨碎，再用ICPAES、IR熒光光譜儀等光譜儀，對(duì)巖石中的元素進(jìn)行全面的分析。這種方法需要對(duì)巖石中所有元素進(jìn)行全面的分析，而巖礦中的稀有元素一般只有一兩種，這就導(dǎo)致了整個(gè)測(cè)試和分析的成本都很高。全面檢測(cè)分析法通常是在巖石樣品未通過化學(xué)手段處理之前，對(duì)巖石的成分進(jìn)行分析的，結(jié)果見表1。由此可見，在對(duì)各種元素進(jìn)行測(cè)定時(shí)，全面檢測(cè)分析法具有很大的優(yōu)勢(shì)，這也是巖礦分析過程中所使用的主要分析方法。而在對(duì)少數(shù)稀有金屬元素進(jìn)行測(cè)試時(shí)，全面檢測(cè)分析法并非最佳分析手段。

2.2普通檢測(cè)法

相比于全面檢測(cè)分析法，普通檢測(cè)法主要是將巖石中的某一種特定的化學(xué)元素進(jìn)行分析，忽略其他不需要的化學(xué)元素，這種方法在工業(yè)上有很高的應(yīng)用價(jià)值。不同的元素，其化學(xué)檢測(cè)方法也不同。通過普通檢測(cè)方法可以更加系統(tǒng)地分析每一種巖石礦物的成分，并對(duì)其中的有用成分進(jìn)行定量測(cè)定。

2.3組合檢測(cè)比較法

組合檢測(cè)比較法也可以說是一個(gè)比較系統(tǒng)的取樣分析法，它能夠更全方位地掌握礦石中最有價(jià)值的元素、成分的組成與分布情況，和其他的方式比較，組合檢測(cè)比較法更適用于各種微量元素的檢測(cè)，并且其結(jié)果的精確度也較高。在地殼中，釩、鋯、鈦的含量要高于普通有色金屬銅、鋅、鎳、鈷、鉛、錫。稀有金屬的分布分散，通常會(huì)和其他金屬伴生，這就導(dǎo)致了需要用到組合檢測(cè)比較法進(jìn)行研究。比如，在分析金銀礦時(shí)，金銀礦中往往含有大量的伴生元素，這些元素的儲(chǔ)量很大，在分析金、銀的時(shí)候，還需要對(duì)其進(jìn)行分析，以提高礦石的利用率。通過組合檢測(cè)比較分析法得到檢測(cè)結(jié)果見表2。

3分析鋰元素的方法研究

3.1分離鋰元素的方法

要從礦石中提取出鋰，首先需要將其分離出來。鋰元素的化學(xué)穩(wěn)定性本身就較差，容易受到其他因素干擾，導(dǎo)致最終的檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)偏差。因此最嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶崛》椒ㄊ菍⑵鋸牡V石鋰中分離出來。近年來，有機(jī)溶劑萃取分離、化學(xué)氯化等特種冶金技術(shù)在有色金屬冶煉中的應(yīng)用不斷成熟。利用有機(jī)溶劑純化技術(shù)和獨(dú)特的離子交換技術(shù)，分離凈化了鈹、鋰、銣、銫、鉭、鎢、鉬、鎵、鍺等稀有金屬元素；另外，采用熔鹽電解法和金屬熱還原法制備生產(chǎn)鈷、鈹、鉍、釩等，并對(duì)其他稀土元素進(jìn)行了研究。

一般來說，對(duì)于不同的金屬，其溶液中的氯化物溶解度也有不同，如鋰的氯化物溶解性很高，但是氯化鋰的立體性結(jié)構(gòu)和氯化鉀的結(jié)構(gòu)卻十分相似，并且氯化鋰之間不存在強(qiáng)離子鍵，因此，100 mL水能完全溶解67 g氯化鋰，但其在有機(jī)溶劑，例如乙醇、丙酮、吡啶中難以溶解。由于金屬鋰和其他氯化反應(yīng)物在有機(jī)溶劑和水溶液中的溶解度具有顯著的差異，因此可以通過這種方式進(jìn)行分離。從而達(dá)到較高的分離效率。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在戊醇中，金屬氯化鋰（LiCl）的溶解率為65.4 g/100 mL，而其余的金屬氯化物（來自鋰輝石偉晶礦）在戊醇中的溶解性一般為0.007 8 g/100 mL。這樣，通過利用有機(jī)溶劑和水溶液密度區(qū)別以及互不相溶的原理，就能實(shí)現(xiàn)鋰物質(zhì)的有效分離。在元素周期表中，硒和碲是比較典型的親銅元素，而硫是巖漿中的主要元素。諾達(dá)克氏試驗(yàn)結(jié)果顯示，在原始巖漿中，硒的含量是196 g/t，碲的含量大約是2 g/t。采用化學(xué)熔融的方法，可與鉛、銅、銀等元素進(jìn)行復(fù)合，生成各種硒化物。碲還可以和銀、金、汞、鐵等元素進(jìn)行物理化學(xué)結(jié)合，從而生成各種碲化物。根據(jù)研究，火山噴發(fā)產(chǎn)生的自然硫化物中，含硒量在3%～5%。另外，硒、碲在自然界中的分布也是非常廣泛的，并且它們可以稀散游離的狀態(tài)存在，當(dāng)游離的硒和碲被空氣中的氧氣氧化，就會(huì)形成氧化硒和氧化碲。

對(duì)于鎘元素和碲元素的研究方法有很多種，例如目前最常用的質(zhì)量法，一般是在濃鹽酸溶液中將二氧化硅（或它的飽和溶液）和二氨鹽酸鹽攪拌，使得鎘元素和碲元素還原至單體狀態(tài)，然后置于熔融的玻璃坩堝內(nèi)，以110～125 ℃烘干，進(jìn)行稱重計(jì)數(shù)。硒和碲的含量也可以采用比色法來計(jì)算，一般在添加少許的動(dòng)物膠、阿拉伯膠和少許銅鹽的前提下，用10%SnCl2溶液把硒和碲各自還原成單體狀態(tài)，然后再利用紫外光進(jìn)行比色鑒定。此外，硫化礦、金銀礦中普遍存在硒、碲，通常采用硝酸初步分解處理。若礦石中存在大量硫化物，則可加入少量KI加速其分解。對(duì)于一些不能溶于酸的礦物，可以在高溫下用堿或酸溶液將其轉(zhuǎn)化為可以溶于水的鹽類物質(zhì)，一般不使用也不能使用熔化工藝。

3.2確定分析檢測(cè)方法

本文中主要是使用質(zhì)量法來測(cè)定金屬鋰的濃度。即通過對(duì)最終產(chǎn)物L(fēng)i2SO4進(jìn)行稱量，從而確定鋰元素的含量。首先，用碳酸鈣（CaCO3）和氯化銨（NH4Cl）將巖石試樣分解，以便除去Ca元素，得到堿金屬的混合氯化物；然后，通過加熱氣化的手段除去其中的無水丙酮（CH3COCH3）；按照金屬氯化物的溶解度差異（物理特性），將鋰分離，置于丙酮中，在高溫下進(jìn)行蒸餾，再以1∶1的比例加入鹽酸（HCl）、H2SO4中，再將其轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛩徜?，?jīng)過濾，烘干，稱重。

3.3化學(xué)分析流程

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，待3種成分全部混合均勻，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)行過濾，過濾后得到的液體按照上述步驟重復(fù)操作2次，取過濾后的清液，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)行過濾處理，取過濾后剩余的沉淀物，放置于蒸發(fā)皿中進(jìn)行蒸發(fā)，并在蒸發(fā)的過程中加入適量鹽酸，以除去其中殘余的水分，通過以上步驟處理后，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，加入無水丙酮和少量濃鹽酸充分?jǐn)嚢韬筮M(jìn)行過濾，取過濾后的固體物用無水丙酮進(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。

4結(jié)語

我國(guó)幅員遼闊，礦產(chǎn)資源種類頗多，儲(chǔ)量豐富，分布廣泛，其中珍稀貴重金屬資源豐富。珍稀貴重金屬資源的開發(fā)與利用，對(duì)于我國(guó)的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展有著重要的作用。但目前，我國(guó)對(duì)巖礦中稀有金屬元素的分析技術(shù)研究還比較薄弱，存在著許多問題，限制了我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。圍繞巖礦中稀有金屬，對(duì)其常見的分析方法進(jìn)行了介紹，并指出現(xiàn)階段巖礦中稀有金屬元素的測(cè)定存在的問題和不足之處。隨著地質(zhì)勘查和采礦工作的開展，對(duì)稀有金屬含量的分析和測(cè)量的需要不斷增加，推動(dòng)著相關(guān)技術(shù)水平的提升，因此稀有金屬含量檢測(cè)分析變得越來越重要。因此，加強(qiáng)對(duì)稀有金屬的檢測(cè)和分析，對(duì)于提高地質(zhì)勘探工作的效率和增加社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益具有十分重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：廖蘭科，男，湖南益陽人，工程師，本科，研究方向：巖礦分析。