激光剥蚀等离子体质谱仪测定稀有金属中的痕量元素钛、铬

李继永

（江西有色地质测试研究院，江西 南昌 330000）

稀有金属元素是自然界中储量、分布稀少，并且被人们应用较少的金属元素总称，常见的稀有金属元素有锂、镭、钛等，稀有金属元素通常被应用于航天、生物等高精工业领域，被作为关键性金属材料。痕量金属元素是称含量极少的金属元素，常见的有锶、铬、铂、镉、铅、汞等[1]。痕量金属元素具有较强的毒性作用，具有易溶于水、难分离等特点，如果人们在生活中接触到痕量金属物质，将会对人身体健康产生较大的不良影响。痕量金属元素赋存于岩矿中，但是含量都非常少，并且不易于被提取和测定，因此对于岩矿中稀有金属元素的痕量金属元素化学分析具有一定的难度。

1 岩矿中稀有痕量金属元素的化学分析现状

目前岩矿中稀有痕量金属元素的化学分析沿用的是电化学分离法，在应用过程中不仅使用的分析技术和设备仪器比较落后，导致岩矿中稀有金属元素的痕量金属元素的化学分析精度和效率较低。不仅如此，传统方法对于岩矿样本的处理比较简单，对于岩矿样本粒径处理没有达到处理要求，《岩矿中稀有痕量金属元素化学检测规范》中规定，用于分析稀有痕量金属元素的岩矿样本需要处理成粒径小于5.5mm 的颗粒，而实际中为了节约时间，岩矿样本颗粒粒径通常为9.5mm[2]。此次设计的分析方法以激光剥蚀等离子体质谱分析为原理，根据化学元素在岩矿中的化学强度，计算出具体化学含量，其计算如下所示：

公式中，Aa表示岩矿样本溶液当中待测定的痕量金属元素a的化学含量；表示岩矿样本溶液当中待测定的痕量金属元素a的化学强度；cpsa表示岩矿样本溶液容积；表示岩矿样本质量。通过上述公式即可测定出岩矿中稀有金属元素的痕量金属元素的化学含量。

2 基于岩矿中稀有痕量金属元素的化学分析方法

此次提出的化学方法以岩矿中的稀有金属元素痕量金属钛和铬为分析对象，利用仪器设备对该两种金属元素化学分析。

2.1 化学试剂及仪器设备

化学试剂：优级纯高氯酸，购于美国TGJN 公司；电阻率为18.2Ω/cm 蒸馏水；钛、铬标准溶液；浓度为12mol/L 盐酸，购于阿拉丁试剂有限公司；浓度为14.8mol/L 硝酸，购于阿拉丁试剂有限公司。

仪器设备：化学分析过程中需要用到上海HKG 有限公司生产的GKBG-361 型号激光剥蚀等离子体质谱仪器、德国贝克曼公司生产的粉碎机、山东博科科学仪器有限公司生产的K-Lite6熔炉[3]。

2.2 岩矿样本处理

岩矿样本处理是岩矿中稀有痕量金属元素的化学分析的第一个工序，岩矿样本的处理需要严格按照国家规定标准。首先将野外采集回来的岩矿资源表面灰尘需要清洗干净，将清洗后的岩矿样本在自然环境下或者利用烘干机进行烘干，样本的烘干温度要控制在40℃～50℃之间，温度过高会影响到岩矿中稀有金属元素的痕量金属元素化学性质。然后将风干后的岩矿样本利用粉碎机进行粉碎，粉碎成直径为5.5mm 的颗粒，将粉碎后岩矿样本颗粒全量过150 目筛。

2.3 岩矿中稀有痕量金属元素分离

称样量：称取0.1g（精确至0.0001g）岩矿样本，加入4.5ml硝酸、2.0ml 盐酸置于容器中，按照保准物质说明进行样品化学元素分析。

溶解过程：将岩矿中稀有金属元素的痕量金属元素与其他化学元素分离开来。根据稀有金属元素的痕量金属元素的物理特征，两种金属元素都有易溶于水，且熔点较高等特点，因此利用该物理特点对其进行分离。首先将粉碎后的岩矿样本中加入适量的蒸馏水，充分搅拌，令样本与水充分溶解；然后将其放入到熔炉中进行高温溶解，将温度控制在500℃～550℃范围之间，溶解时间为10min，10min 后取出溶液，然后待溶液冷却之后对其进行过滤，过滤掉溶液中的杂质，剩余的样本溶液即为分离后的岩矿溶液，用于后续化学分析。

标准溶液配制：钛、铬多元素储备液制备：用钛、铬单标元素标准溶液与1%硝酸制备成1mg/L 混合标准储备溶液。钛、铬元素储备液制备：利用硝酸溶液与对应的金属元素储备液制备成质量浓度分别为0、12.5、25、50、100mg/L 的标准储备溶液。

2.4 激光剥蚀等离子体质谱仪测定稀有元素

利用激光剥蚀等离子体质谱仪测定铬、钛等痕量金属元素，具体参数如表1 所示。

表1 激光剥蚀等离子体质谱仪器参数表

此外，选择铬、钛等稀有痕量金属元素（72Ge）标准溶液，浓度为1000mgL,合理的选择内外标可以有效的降低激光剥蚀等离子体质谱法测定稀有痕量金属元素含量测定过程中相对标准偏差。选择完内外标之后，将分离后的岩矿样本溶液放入到激光剥蚀等离子体质谱仪中，按照表1设定测定参数，然后开启电源，在检测过程中设备仪器会显示岩矿样本溶液中，稀有金属元素的痕量金属元素的化学强度值，根据设备仪器测定的数值计算出岩矿中钛金属元素和铬金属元素的化学含量，以此完成基于岩矿中稀有痕量金属元素的化学分析。

3 实验论证分析

3.1 实验设计

实验以某矿山中的岩矿作为实验对象，随机收集了5 分岩矿样本，每份样本质量为100g，用黑色玻璃容器储存，因为黑色玻璃溶液可以减少岩矿样本与光发生反应，从而影响实验结果。利用此次设计方法与传统的电化学分离法对岩矿样本中的稀有痕量金属元素进行化学分析[4,5]。实验中试剂准备如下：优级纯高氯酸10ml、盐酸15ml、硝酸20ml，使用的激光剥蚀等离子体质谱仪器型号为GLL-261。实验中记录两种方法分析到的稀有痕量金属元素的化学含量，经检测岩矿样本中含有的稀有金属元素为钛，痕量金属元素为铬，统计两种金属元素测定数据，将其作为实验数据，如下表所示。

表2 实验数据表

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将两种方法分析的结果与样本中实际稀有痕量金属元素化学含量进行对比分析，计算出两种分析方法的回收率，将其作为实验结果，对两种方法进行对比。

3.2 实验结果分析

此次实验将基于岩矿中稀有痕量金属元素的化学分析方法用方法A 表示，将传统的电化学分离法用方法B 表示，根据实验数据计算两种方法回收率，下表为两种方法回收率对比表。

表3 方法A 方法B 稀有痕量金属元素回收率对比（%）

从上表可以看出，此次设计方法稀有金属元素的痕量金属元素回收率可以达到95%以上，平均值为98.75%，而传统的电化学分离法稀有金属元素的痕量金属元素回收率平均值为64.25%，远远低于设计方法，实验证明了此次设计方法可以满足岩矿中稀有痕量金属元素的化学分析需求。

4 结束语

本文针对目前岩矿中稀有痕量金属元素的化学分析存在的问题，提出了一种新的化学分析方法，该方法在岩矿样本处理和分离上严格按照规定要求操作，利用先进的激光剥蚀等离子体质谱法对岩矿中稀有痕量金属元素化学含量分析，并通过实验证明了该方法具有较高的回收率，能够良好的测定出岩矿中稀有金属元素的痕量金属元素化学含量，对岩矿中稀有痕量金属元素的化学分析提供理论依据，同时对提高岩矿中稀有痕量金属元素化学分析精度，提高稀有痕量金属元素回收率具有良好的现实意义。