粉末压片制样波长色散X射线荧光光谱法测定钼矿石中9种元素

2014-08-02李清彩赵庆令

岩矿测试 2014年6期

李清彩，赵庆令

(1.山东省鲁南地质工程勘察院，山东兖州 272100；

2.中国地质大学(武汉)环境学院，湖北武汉 430074)

钼矿是我国的重要战略资源，是制造特种合金、耐蚀零部件、润滑剂、催化剂和颜料的重要原料。建立测定钼矿石系统的、全面的分析方法，不仅对于研究矿床远景和综合利用具有重要意义，还对钼矿石冶炼过程中生产工艺的质量指标和技术经济指标都起着至关重要的作用[1-2]。钼矿石中Mo、W、Cu、Pb、Zn、F、S、As、Bi等组分的常用测量方法有电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-AES)[3-4]、比色法、容量法、原子吸收光谱法、离子选择性电极法[5]等方法。由于这些方法均不能单独完成对钼矿石样品中上述9种组分的同时测定，需要多种方法配合分析检测，难以满足快速生产检测的要求。

X射线荧光光谱法(XRF)具有准确度高、精密度好、分析流程简捷的特点，可以满足基体组成复杂的钼矿石样品快速定量分析的要求。该技术用于分析矿石的常规制样方法有玻璃熔融法与粉末压片法。杨小丽等[6]、杨登峰等[7]、蒯丽君等[8]、李可及[9]在分析硫化铜钼矿石样品时，采用了玻璃熔融法，结果表明该方法准确度高、精密度好，但样品中高含量的硫及重金属存在腐蚀贵金属坩埚的风险[8-9]；粉末压片法是一种理想的绿色环保制样技术，操作简单、制样效率高，但由于受到粒度效应和矿物效应的影响，其测定误差在5%左右，因而限制了这种技术在常量元素检测方面的应用，目前主要应用于痕量元素的测定以及对分析精度要求不高的分析领域[10]。粉末压片法虽然存在矿物效应和粒度效应，但另有研究表明，当样品达到一定的粒度、压制压力及压制时间后，矿物效应和粒度效应仅仅对钠、钙等轻元素的测试有影响，对钼、铜、铅等重元素的测试并无影响[7,11]。夏鹏超等[12]在分析斑岩型钼铜矿中Mo、Cu、Pb、Zn、As、Ni、S等7种元素时，便采用了直接粉末压片制样，经标准参考物质验证，测定值与标准值基本吻合，方法分析精密度小于2.2%。该方法介绍了干扰校正原理，但并未给出详细的配套干扰校正方案，因此大大限制了粉末压片XRF法在钼矿石分析中的使用推广。

本文采用粉末压片法制备分析样片，用自制标准样品绘制校准曲线消除基体干扰，通过优化仪器工作参数条件，合理设置分析谱线背景扣除位置消除分析谱线重叠干扰和基体干扰，制定了详细的干扰校正方案消除光谱干扰，建立了波长色散X射线荧光光谱法(WDXRF)同时测定钼矿石中Mo、W、Cu、Pb、Zn、F、S、As、Bi等9种元素的检测方法，其检测准确度及速度满足了分析测试要求。

1 实验部分

1.1 仪器及工作条件

Axios PW4400顺序扫描式波长色散X射线荧光光谱仪(荷兰帕纳科公司)，陶瓷薄铍端窗(75 μm)超尖锐铑钯X射线管；SuperQ 4.0定量分析软件；BLK-Ⅱ型循环冷却水系统(北京众合创业科技发展有限责任公司)；ZHY-601压片机(北京众合创业科技发展有限责任公司)。

元素的测量条件见表1。

表1 波长色散X射线荧光光谱仪工作参数

1.2 校准样品

由于没有大量的国家一级钼矿石标准物质样品可供选择，本文经ICP-AES法、原子吸收光谱法、离子选择性电极法、比色法等方法自定值了10件Mo含量呈梯度变化的钼矿石样品用作样品中钼的测定。选择的国家标准物质有：钼矿石标准物质GBW 07238、GBW 07239、GBW 07199、GBW(E) 070024、GBW 07285；钨矿石标准物质GBW 07240、GBW 07241；铜矿石标准物质GBW 07233、GBW 07234；铅矿石标准物质GBW 07235、GBW 07236，铋矿石标准物质GBW 07284；锌矿石标准物质GBW 07237；水系沉积物标准物质GBW 07303、GBW 07306、GBW 07311、GBW 07312；土壤标准物质GBW 07404～GBW 07408，用作低含量元素的校准，以及扩大基体组分的浓度范围(钼矿石中的Si、Fe、Al、Ca等含量均比较接近)，便于基体校正。这套标准组合基本上涵盖了钼矿石各组分的含量范围，测定含量范围见表2。

表2 校准样品中各组分的含量范围

1.3 试样制备

将待测样品研磨至粒度小于75 μm，于105℃下干燥2 h。准确称取4.00 g待测样品，倒入模具内，用低压聚乙烯镶边垫底，在35 t的压力下保持30 s，制成外径为40 mm的样片。校准样品和待测样品采用相同的试样制备方法。

1.4 样品测定

将待测样品放入仪器自动进样器中，进入SuperQ 4.0软件设定分析程序，有软件自动进行谱线强度计算、康普顿散射线内标校正、干扰谱线校正和基体校正，并显示测定结果。

2 结果与讨论

2.1 衬垫材料的选择

粉末压片法中，制样过程不需要精确称量，具有简便、成本低廉的特点，但是容易对仪器样品室造成污染，尤其是对于上照射式X射线光谱仪在测定上更是造成一定的风险，因此对衬垫材料的选择不容忽视。常用的衬垫材料有硼酸、微晶纤维素、低压聚乙烯粉等[13]。采用硼酸作衬垫材料时，不能保证每个试样都能压成完好坚实的样片，样片易起褶皱，同时其价格较贵；采用微晶纤维素作衬垫材料，其价格比硼酸贵。所压的样片坚固性差，极易吸潮；采用低压聚乙烯粉作衬垫材料，所压制的样片坚固光滑、吸潮性小，样片可长期保存而不发生形变，其价格比硼酸低廉，并且低压聚乙烯粉的化学性质稳定，对仪器设备相关配件的危害潜力最弱。鉴于此，本文选择低压聚乙烯粉作衬垫材料。

2.2 谱线重叠和基体干扰校正

对样品各元素进行测定时，若不排除干扰元素谱线重叠、基体效应等干扰因素的影响，所测结果的准确性一定程度上会受到影响。另外，Mo、W、Sn、Cu、Pb、Zn、As还要借助铑靶(Rh Kα-C)的康普顿散射线作内标来补偿基体的影响。所用SuperQ软件中改善上述干扰的数学校正公式为：

(1)

式(1)中：Ci为校准样品中分析元素i的含量(在未知样品的分析中，为基体校正分析后分析元素i的含量)；Di为分析元素i的校准曲线截距；Lim为干扰元素m对分析元素i的谱线重叠干扰校正系数；Zm为干扰元素m的含量或计数率；Ei为分析元素i校准曲线的斜率；Ri为分析元素i的计数率(或与内标线的计数率比值)；Zj为共存元素j的含量或计数率；N为共存元素j的数目；α为基体校正因子；i、j、m分别代表分析元素、共存元素和干扰元素。具体校正方式见表3。

表3 谱线重叠校正和基体干扰校正

2.3 方法检出限

根据各元素的测量时间和检出限的计算公式(置信度95%)，计算理论检出限(LOD)：

式中：m为单位含量的计数率；Ib为背景计数率；tb为背景测量时间。各元素的理论检出限及实际测定下限如表4所示。

由于理论检出限与测量时间选取和样品的基体相关。一般情况下，测量时间越长检出限越低；不同的样品因组分和含量不同，散射的背景强度也不同，检出限也不同。因此，由软件自动计算出的元素检出限与实际检出限会可能有较大差异，为了克服该缺点，按照本方法制定的分析步骤，用粉末压片法制备样品1#样片12个，对1#样品的12个样片进行测量，计算出各元素所对应的标准偏差σ，将其乘以3即为本方法检出限(见表4)。本法的检出限较低，如砷的检出限可达到1.13 μg/g，小于夏鹏超等[12]采用粉末压片法测定的方法检出限(7.8 μg/g)；钼元素的检出限为3.67 μg/g，比采用玻璃熔融法测定的方法检出限(450 μg/g[8]、24 μg/g[11])要低。由于氟的检出限受样品的颗粒度效应、矿物效应及扫描时间影响较大[13]，因此采用粉末压片XRF法测定F的实际检出限通常较高，本文测定氟元素的检出限为75.55 μg/g，在测定钼矿石地球化学勘查样品(1∶50000化探，一般方法检出限要求>100 μg/g)时基本能够满足《地质矿产实验室测试质量管理规范》(DZ/T 0130.4—2006)要求。

表4 方法的理论检出限和实测检出限

2.4 方法准确度和精密度

为考察方法的准确度，选取钼矿石样品5件，分为两组。一组样品按照本方法处理并测定。另一组样品中Mo、W、Cu、Pb、Zn采用ICP-AES测定[4]，S、As、Bi采用钼矿石化学分析方法进行测定，F采用氟离子选择电极法测定。表5数据表明，本法测定值和这些方法测定值相吻合。

表5 方法准确度和精密度

按照本方法制定的分析步骤，取1#样品按本方法制作12个样片并进行测量，由表5测量结果可见，方法的精密度(RSD)低于2.1%。

3 结语

本研究对钼矿石样品采用粉末压片制样，建立了波长色散XRF同时测定钼矿石中Mo、W、Cu、Pb、Zn、F、S、As、Bi等9种元素的方法。采用化学性能稳定、价格低廉的低压聚乙烯粉作衬垫材料，将磨细样品制成的待测样片，消除了粒度效应的影响。选用自定值的浓度呈梯度变化的钼矿石样品及相关国家一级标准物质作为校准样品建立标准曲线，减小了矿物效应影响，采用经验系数法校正了谱线重叠干扰和基体干扰，并且列出了详细的校正方案。本方法既避免了多种元素采用多种方法组合分析检测的繁琐，又避免了使用玻璃熔融法制样过程中S、As、Bi等元素易挥发损失及高含量的S、Mo、Cu等元素易腐蚀铂金坩埚的风险，并且具有准确度高、精密度好、检出限低、流程简便高效的特点，可以很好地满足基体组成复杂的钼矿石样品快速定量分析的要求。

本方法测定氟元素的检出限比较高，在测定钼矿勘查地球化学样品时尽管基本能够满足质量要求，仍需要进一步研究，降低氟的检出限。

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