高频红外碳硫仪快速测定镍铅锌矿石中的硫含量

2022-09-13耶曼李婧马怡飞柯艳李小桂

岩矿测试 2022年4期

耶曼，李婧，马怡飞，柯艳，李小桂

(西安西北有色地质研究院有限公司，陕西西安 710054)

中国矿产资源丰富，类型繁多，其中镍矿石、铅矿石和锌矿石等均为金属冶炼的重要原材料，在冶金、化工、机械、电气、医药、军事等很多领域中都具有广泛的应用，前景良好[1-2]。硫作为矿石中常见的有害杂质元素，在矿石中主要以硫化物形式存在[3-4]，硫含量的高低会直接影响金属材料的力学性能、抗腐蚀性能及耐磨性等，限制了矿石原料的应用范围。因此，准确、快速测定矿石中的硫含量具有重要意义。

应用高频红外碳硫仪测定硫，具有方法操作简单、检出限低、测定范围广[5-8]等优点，能极大地提高样品检测效率[9]，已被广泛应用于地质样品中碳、硫的检测[10-13]。此外，国家标准方法、行业标准方法中也规定了相关方法测定碳硫含量的应用，如《铁矿石：碳和硫含量的测定高频燃烧红外吸收法》(GB/T 6730.61—2005)规定了铁矿石中碳、硫含量范围分别为0.01%～2.5%和0.001%～2.0%的测定方法；《镍化学分析方法：硫量的测定高频感应炉燃烧红外吸收法》(GB/T 8647.8—2006)规定了镍矿石中硫含量范围在0.0010%～0.050%的测定方法；《区域地球化学样品分析方法第25部分：碳量测定燃烧-红外吸收光谱法》(DZ/T 0279.25—2016)规定了水系沉积物和土壤中碳含量范围在0.01%～10%的测定方法等。但这些标准方法的检测范围有限，多适用于低含量硫的测定。在此基础上，大量学者采用高频燃烧-红外吸收法开展了高含量硫的检测方法研究[14-19]。杨小莉等[15]采用与实际样品化学性质相似的铜铅锌矿石标准物质绘制标准曲线，建立了高频燃烧红外吸收法测定铜铅锌矿石中硫含量跨度范围较大的(质量分数为0.106%～10.76%)分析方法，但该方法检测池单一，仅适用于硫含量小于11%的矿石检测；周富强等[18]采用高频红外吸收法，以硫酸钾建立标准曲线，利用高纯二氧化硅粉对高含量硫的样品进行稀释，建立了矿产品中硫质量分数为0.01%～53%的测定方法，该方法虽然测定范围广，但标准曲线分段过多，对于实际检测中未知硫含量的样品，加大了检测工作量，增加了检测成本。

针对高频红外碳硫仪测定硫分析方法中检测池单一、难以准确测定高含量硫及标准曲线分段过多而降低检测效率等问题，本文在之前实验的基础上，通过高低硫检测池切换的方法，采用高含量硫和低含量硫两条检测曲线相结合的方式，进行了样品称样量、纯铁助熔剂添加量及分析时间等测定条件对硫含量影响的系列研究，建立了高频红外碳硫仪快速测定镍铅锌矿石中硫含量的检测方法，并通过国家标准物质验证了方法的精密度及准确度，将测定结果与燃烧碘量法进行比较，佐证了方法的准确度。

1 实验部分

1.1 仪器及工作条件

HCS-808型高频红外碳硫分析仪(四川赛恩斯仪器有限公司)，仪器主要工作参数为：供压电压220V±5%，50Hz；分析氧气压力0.08MPa，分析氧气流速2.8L/min；动力氧气压力0.5MPa，动力氧气流速1.8L/min；室内温度15～30℃，相对湿度<70%。

BS124S型电子天平(赛多利斯科学仪器有限公司)，精度为0.0001g；SGM2880A型人工智能箱式电阻炉(洛阳市西格马仪器制造有限公司)；101-1AB型电热鼓风干燥箱(天津市泰斯特仪器有限公司)。

碳硫仪专用瓷坩埚(型号Φ25mm×25mm，四川赛恩斯仪器有限公司)。高效变色干燥剂、碱石棉、无水高氯酸镁；高纯氧气(纯度不小于99.5%)。

纯铁助熔剂：国家工业标准产品，铁含量大于99.8%，硫含量小于0.0005%(四川赛恩斯仪器有限公司)；纯钨助熔剂：国家工业标准产品，钨含量不小于99.95%，硫含量不大于0.0003%(四川赛恩斯仪器有限公司)。

1.2 实验样品

镍矿石与精矿成分分析标准物质：GBW07145(硫含量标准值0.74%±0.06%)、GBW07146(硫含量标准值1.53%±0.06%)、GBW07147(硫含量标准值3.78%±0.07%)、GBW07148(硫含量标准值18.14%±0.41%)，均为中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所研制。

铅锌矿石成分分析标准物质：GBW(E)070077(硫含量标准值2.90%)、GBW(E)070080(硫含量标准值15.62%)，均为陕西省地质矿产实验研究所研制；GBW(E)070026(硫含量标准值5.87%±0.07%)，原地质矿产部河南省中心实验室研制。

铅矿石成分分析标准物质：GBW07172(硫含量标准值10.26%±0.19%)，西藏自治区地质矿产勘查开发局中心实验室研制。

锌精矿成分分析标准物质：GBW07168(硫含量标准值32.0%±0.3%)，中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所研制。

多金属矿石成分分析标准物质：GBW07163(硫含量标准值6.74%±0.11%)，中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所研制。

富铅锌矿石成分分析标准物质：GBW07165(硫含量标准值29.0%±0.4%)，中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所研制。

实际矿石样品：均来自青海某矿业公司委托的检测样品，样品粒度均不大于0.074mm(200目)。

1.3 实验方法

1.3.1样品硫含量测定步骤

前处理：将瓷坩埚放入1200℃箱式电阻炉中灼烧4h，去除瓷坩埚自身硫含量及水分含量对样品测定结果的影响，待冷却至室温后置于干燥器中备用。将待测样品放入105℃恒温干燥箱中烘烤2h，再冷却至室温，置于干燥器中备用。

检测步骤：称取0.50g纯铁助熔剂于烘干的瓷坩埚中，再称取0.0400g烘好的待测样品，均匀地加入纯钨助熔剂2.0g，在1.1节仪器工作条件下，开机后示波器信号约15～20s后稳定，因此设置清洗时间20s，加热时间20s，分析时间45s，进行待测样品硫含量检测。

1.3.2标准曲线的绘制

仪器使用前需要用不同含量的标准物质进行校正，每种标准物质重复分析2～3次，其分析结果重复性应符合国家允许的误差要求后才能进行曲线校正[6]，且使用不同浓度的标准物质绘制曲线可以减少不同含量待测样品的误差，使用相同基体的标准物质可以提高检测的准确性，采用多点校正的方式测量结果更佳且测量范围更广[20-21]。

实验先选用高硫池，采用系列国家标准物质GBW(E)070077、GBW07147、GBW(E)070026、GBW07172、GBW07148、GBW07168(硫标准值依次为2.90%、3.78%、5.87%、10.26%、18.14%、32.0%)，建立标准曲线y1=1.0005x1-0.0027(R2=0.9997)，测定范围为2.9%～32.0%；再选用低硫池，采用系列国家标准物质GBW07145、GBW07146、GBW(E)070077、GBW07147、GBW(E)070026(硫标准值依次为0.74%、1.53%、2.90%、3.78%、5.87%)，建立标准曲线y2=0.9885x2+0.0238(R2=0.9995)，测定范围为0.74%～5.87%。校正好曲线检测样品时，通过设置智能高低硫检测池切换模式来扩大样品测定范围，并将切换值设置为3.0%，即：当待测样品中硫含量≥3.0%时，仪器自动选择高硫池测定结果；当硫含量<3.0%时，仪器自动选择低硫池测定结果，智能切换模式下硫含量测定范围扩大至 0.74%～32.0%。

2 结果与讨论

2.1 称样量对硫含量结果的影响

矿石属于低电磁感应样品，采用高频燃烧-红外吸收法检测时需要加导电、导磁的助熔材料。称样量的大小直接影响着助熔剂添加量和样品分析时间的选择，也是决定样品是否充分燃烧、转化等的重要因素。称样量过小，样品代表性不足，测定结果稳定性差；称样量过大，样品燃烧不完全，导致测定结果偏低[15]。因此，选择合适的称样量是保证样品检测结果准确度的主要因素之一。

图1 不同称样量下硫含量测定结果Fig.1 Results of sulfur content with different sample weights

采用标准物质GBW07146(硫标准值为1.53%)、GBW07172(硫标准值为10.26%)和GBW07168(硫标准值为32.0%)进行试验。分别称取样品0.0200、0.0300、0.0400、0.0500、0.0700和0.1000g，每个样品平行测定3次求平均值，绘制不同称样量对硫测定结果的影响曲线。从图1分析结果可得，当称样量小于0.0300g或大于0.0700g时，三个样品的硫含量测定值均严重偏低；当称样量为0.0300g时，硫含量较低的GBW07146其测定值仍然偏低，超出误差范围，GBW07172硫含量测定值则略偏低，但在误差允许范围，而硫含量较高的GBW07168其测定值则与标准值相近；当称样量为0.0500g时，GBW07146和GBW07172两个样品的硫含量测定值与标准值最接近，而硫含量较高的GBW07168测定值偏低，超出误差范围。这是因为样品在燃烧过程中产生的粉尘及水蒸气等均会对SO2产生微弱的吸附作用，随着样品数量的增加，堆积的粉尘量逐渐增多。每个样品分析时，由于炉膛中碱性氧化物和水蒸汽的浓度无法一致，导致吸附作用力大小不一[6]。当称样量过小时，样品检测过程中释放的SO2量较少，即使少量的吸附作用，也会导致样品测定结果不稳定，误差大；随着称样量的逐渐增加，微量的吸附作用对样品检测稳定性影响变小，对硫含量较高的样品影响可忽略，而低硫含量样品的检测结果则依然会受到影响；当称样量过多时，由于每次检测助熔剂添加量为固定量，则导致样品不能充分燃烧，测定结果偏低，尤其是高硫含量样品在燃烧过程中还会出现较多粉尘。因此，在保证样品检测结果准确度高、稳定性好的前提下，综合考虑样品检测成本等因素，本文确定称样量为0.0400g。

2.2 纯铁助熔剂添加量的选择

助熔剂在燃烧过程中，有氧化放热作用，有助于样品燃烧温度的提高。助熔剂如果不合适，容易造成每次燃烧达到的最高温度不一样，从而使样品中的硫转化率不一样，造成重复性不好。矿产品试样的导磁导电性较差，单独用一种助熔剂时，存在板电流变化较大、信号较低、熔融状态较差、易飞溅、释放效果不好等问题[18]。因此，选择合适的助熔剂不仅可以稀释样品，促进样品燃烧，使之完全释放出硫，还可以增加样品的导磁性，有效提高测定结果的准确性与稳定性。纯铁属于高电磁感应物质，通过高频感应可产生较大的涡电流和较多的焦耳热，迅速提高炉温，使样品完全燃烧，且与样品氧化物熔融时形成互溶的流体，使燃烧过程更稳定。钨的熔点高(熔点3382℃)、密度大，既可以提高样品的热容量，增加热量助熔，又可以防止纯铁燃烧产生飞溅，且WO3的生成有利于SO2释放[10]，此外WO3的逸出，增加了硫的扩散速度，使硫充分氧化，挥发的WO3在700～800℃又转化为固相，覆盖在管道中尚存的Fe2O3上，阻止了SO2催化转为SO3，防止了管道对硫的吸附，保证结果的可靠性。

纯铁燃烧时易产生飞溅，钨可以作为很好的覆盖。在参考前人成果[22-28]的基础上，为提高结果稳定性，确保在不同含量的铁助熔剂中样品燃烧过程不产生飞溅，实验中选择在固定钨粒2.0g的条件下[23-24]，分别称取0.0400g标准物质GBW07146和GBW07168，分析不同纯铁加入量对测定值的影响，每个样品测定3次取平均值，测定结果见表1。

表1 纯铁加入量对硫测量值的影响

从表1结果可以看出，当纯铁加入量为0.20g时，样品的硫含量测定值较标准值严重偏低，超出允许误差范围，这是因为铁量少，样品无法充分燃烧；随着铁加入量的增加，硫含量测定值也变大了，但较标准值仍偏低，不过都在误差允许范围内；当铁的加入量增大至0.50g时，两个不同硫含量样品的测定值均与各自标准值最接近；而当铁加入量继续增大时，硫含量测定值又开始降低，这是因为铁含量过高导致了样品燃烧飞溅，且产生的粉尘量增加，此外铁屑的硫空白也会影响样品的测定结果。综上所述，当纯铁加入量为0.50g时，样品熔融较好，且燃烧无飞溅，仅产生极少量粉尘，燃烧效果最佳，硫含量测试值与标准值结果最接近。考虑到样品中的硫含量范围跨度较大，因此选择纯铁助熔剂添加量为0.50g，纯钨助熔剂添加量为2.0g，可保证不同硫含量的样品均充分燃烧，且稳定性好。

2.3 样品分析时间的选择

分析时间是决定硫释放曲线形态的重要因素[29]，仪器分析时间的长短对样品中硫含量测定值的影响也很明显[30]。且矿石中大部分样品的硫含量都较高，分析时应尽量控制好分析时间，选择合适的积分参数，使释放曲线一直呈现正态分布的形态，保证样品在充分燃烧的同时，也要考虑尽量减少拖尾带来的影响。

选择实验优化好的称样量和助熔剂添加量，改变样品燃烧的分析时间，对GBW07147、GBW07172和GBW07168进行测定。从表2测定结果可见，分析时间小于35s时，样品硫含量测定结果较标准值严重偏低，这是因为时间过短，样品燃烧不充分，硫释放不完全，从硫曲线形态图中也可以明显看出曲线积分不完全；分析时间为40s时，硫含量较高的GBW07168样品的测定值偏低，样品仍未能充分燃烧；分析时间增加至45s时，样品测定值均与标准值最接近；当分析时间继续增大，红外吸收峰的积分面积值增加，导致样品测定值均偏高，但此时样品中的硫已经释放完全，因此结果在误差范围内。综合考虑检测成本及分析效率等因素，实验确定分析时间为45s，样品硫释放曲线图均表现出平滑、完整。

表2 不同分析时间下硫含量测定结果

2.4 方法检出限、精密度及准确度验证

取经过预处理灼烧过的空白坩埚12个，按照HJ 168—2010的要求，采用本实验优化的分析方法连续测定硫含量最低的标准样品GBW07145(硫含量标准值0.74%)，平行测定12次，硫含量的测定值分别为0.675%、0.680%、0.695%、0.798%、0.675%、0.798%、0.799%、0.801%、0.803%、0.798%、0.680%、0.804%，按测定结果的3倍标准偏差计算方法检出限为0.185%，以4倍方法检出限计算方法测量下限[24]为0.739%。

选择标准物质GBW(E)070077、GBW07163、GBW07172、GBW(E)070080、GBW07165和GBW07168，按照本实验优化的分析方法进行硫的精密度和准确度实验，每个样品连续测定11次，根据《地质矿产实验室测试质量管理规范》(DZ/T 0130—2006)要求，依照如下公式计算相对误差允许限(YB)：

式中：C为硫组分重复分析相对偏差允许限系数，其值为0.67；X0为标准物质中硫组分的标准值。从表3检测结果分析可得，测定结果的相对标准偏差(RSD)分别为2.04%、1.04%、0.82%、1.25%、0.73%和0.50%，相对误差(RE)均小于2%，在相对误差允许限内，说明该方法的精密度良好，测定结果准确可靠，满足DZ/T 0130—2006质量管理规范的要求。与周富强等[18]的方法相比，本文将高低两条校正曲线相结合，固定了合适的称样量，减少了样品检测过程因切换分析方法引起的测量误差，提高了样品测定结果准确度，降低了测定结果的相对标准偏差(RSD)，文献中RSD小于2.6%[18]，本文中RSD均小于2.04%。

随机选取20个实际样品，采用本实验优化的方法进行硫含量检测，每个样品平行测定3次取平均值，再通过与燃烧碘量法结果对比分析两种方法的绝对误差，比较两种方法的一致性和相关性，间接考察方法的准确度。由表4测定结果可知，两种方法测定的硫含量相近，绝对误差范围在-0.25%～0.49%之间，说明本实验方法具有较高的准确度。通过对表4数据进行线性拟合可知，两种方法测定结果之间呈极显著线性正相关，线性方程为y=1.0009x+0.0996(R2=0.9995)，说明两种方法的一致性和相关性很好，间接地表明了高频红外碳硫仪测定矿石样品中硫含量的可靠性。