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2016 年 7 月 July 2016 岩矿测试 ROCK AND MINERAL ANALYSIS Vol. 35,No. 4 366 ~372 收稿日期 2016 -06 -15; 修回日期 2016 -07 -15; 接受日期 2016 -07 -20 基金项目 国土资源公益性行业科研专项 201311013 作者简介 焦距, 硕士研究生, 分析化学专业, 从事野外现场分析技术及其应用研究。E- mail jiaoju0318 sina. com。 通讯作者 詹秀春, 研究员, 从事 EDXRF 现场分析技术及 LA- ICP- MS 原位微区研究。E- mail zhanxiuchun2012126. com。 文章编号 02545357 2016 04036607 DOI 10. 15898/j. cnki. 11 -2131/td. 2016. 04. 005 便携式 Li - K 分析仪的研制及其在锂辉石中锂的分析应用 焦距,杨啸涛,袁继海,樊兴涛,刘晓,詹秀春* 国家地质实验测试中心,北京 100037 摘要 我国锂钾主要矿产资源大多分布在西部偏远地区, 其勘查找矿或综合利用迫切需要现场快速分析技 术的支持。本文介绍了自行开发的便携式 Li - K 分析仪的主要性能及其在锂辉石中锂的分析应用。Li - K 分析仪是一种基于大气压的液体阴极辉光放电光谱仪, 以待测液体为放电阴极, 实现了样品中 Li、 K 等元素 的原子化和激发。该仪器以光纤传导 CCD 光谱仪作为检测器, 其波长范围为 345 ~1015 nm, 分辨率 3 nm; 以 Li 670. 78 nm 和 K 769. 90 nm 分析谱线, 在仪器最佳工作条件下测定 Li、 K 的精密度 RSD, n 14 均低于 2, 检出限为 0. 03 μg/mL, 检测范围 0. 1 ~10 μg/mL。研究表明, 不同酸度和酸的类型对谱线强度影响较 大, 且存在显著的样品基体效应, 标准曲线法分析锂辉石中 Li 的结果偏差高达 267; 而标准加入法可克服 基体效应的影响, 获得与 ICP - OES 一致性较好的分析结果, 为现场开展固体样品中 Li 的测定奠定了基础。 关键词 便携式 Li - K 分析仪; 液体阴极辉光放电; CCD 光谱仪; 锂辉石; 标准加入法 中图分类号 TH744. 1; P578. 954文献标识码 A Li 和 K 是两种重要的金属元素, 是全国重要矿 产潜力评价的 26 个矿种元素, 对国民经济建设和国 家战略安全具有非常重要的意义。Li 广泛存在盐 湖卤水、 海水、 地下卤水和锂矿中, K 主要来源于钾 盐。我国锂矿资源丰富, 矿产多, 规模大, 目前已发 现含锂矿物 150 多种, 具有工业利用价值的锂矿物 主要有锂辉石、 锂云母、 铁锂云母等, 其中开采利用 最多的是锂辉石 [1 -2 ]。锂辉石多产于花岗型伟晶 岩, 其化学组成为 LiAl SiO3 2, 晶体中常有微量的 钠、 钙、 镁及少量的铬、 稀土、 氦和铯等混入 [3 ]。位 于四川甘孜州和阿坝州地区的甲基卡伟晶岩型锂矿 床是我国最大的固体锂矿, 近年来随着 X03 号超大 型矿脉的发现, 使得甲基卡矿田锂的储量位居世界 前列, 达到世界级超大型矿床 [1, 4 -5 ]。然而, 甲基卡 伟晶状锂辉石及共生的其他小粒度矿物均难以识 别, 且地处 4000 m 以上的西部高原地区, 样品运至 实验室分析需要大量的人力、 物力与财力, 因而勘查 找矿工作急需现场分析技术的支持。 目前, Li、 K 元素的分析方法主要有电感耦合等 离子体发射光谱法 ICP - OES [6 -7 ]、 火焰原子吸收 光谱法 FAAS [8 ]、 火焰原子发射光谱法[9 ]等, 这些 大型仪器均需要载气、 燃气和助燃气等气体条件, 不 适用于仪器的小型化; 而传统分析方法中的重量法、 容量法等, 因操作繁琐, 测定周期长, 也不适用于野 外现 场 分 析。能 量 色 散 X 射 线 荧 光 光 谱 法 EDXRF 是矿物现场分析领域中最为成熟的分析 技术, 具有制样简单、 分析灵敏度高、 干扰小等特点, 但由于 XRF 自身技术的限制, 不能测定锂辉石中的 锂元素。因而, 研制用于野外现场分析 Li、 K 元素的 便携式、 小型化仪器成为锂钾找矿勘探迫切需要解 决的问题。 近二十年来, 基于大气压的电解质阴极辉光放 电系统 electrolysis - cathode discharge, ELCAD 作 为一种新型检测手段在分析溶液中的金属离子中得 到了较快发展 [10 -18 ]。Webb 等对 ELCAD 系统进行 了简 化 设 计, 称 之 为 溶 液 阴 极 辉 光 放 电 系 统 solution cathode glow discharge, 缩写为 SCGD , 并 扩展了元素检测范围, 可同时检测 16 种金属元 素 [12, 15, 17 -18 ]。SCGD 与 ELCAD 系统相比较, 仪器体 积更小, 功率消耗更低, 进样量小, 而检测效率更高, 663 ChaoXing 检测的稳定性更好, 为仪器的小型化、 便携化奠定了 基础。目前的 ELCAD 和 SCGD 系统基本上都采用 了光电倍增器的检测系统, 检测下限低, 但仪器体积 较大, 光学系统对温度、 振动等环境条件敏感, 难以 满足野外现场应用对仪器便携性能的要求。针对我 国 Li、 K 资源勘查对现场分析的需求, 本课题组在大 气压液体阴极辉光放电系统的基础上, 自行开发了 基于 CCD 检测系统的 SCGD, 简称 Li - K 分析仪。 本文阐述了 Li - K 分析仪的基本结构、 主要性能指 标及其在锂辉石中 Li 元素分析的初步应用结果。 1便携式 Li -K 分析仪的研制和主要性能 1. 1Li -K 分析仪的工作原理 便携式 Li - K 分析仪是一种基于大气压液体阴 极辉光放电光谱仪。其工作原理为 [15 ] 在常压下, 以待测溶液为阴极, 钨电极为阳极, 通过向两电极施 加高压, 使电极间的气体发生放电。放电过程中, 液 态电极中的溶液不断被汽化, 使溶解在溶液中的金 属离子也进入等离子体中并被原子化和激发, 产生 发射光谱。放电所产生的发射光谱和溶液电极中的 溶质成分相关, 因此, 通过对 Li、 K 元素的特征发射 光谱的检测来实现对溶液中 Li、 K 的检测。 1蠕动泵; 2注射泵; 3六通阀; 4样品溶液; 5载液; 6废液。 图 1便携式 Li - K 分析仪基本结构示意图 Fig. 1The schematic diagram of portable Li- K analyzer 1. 2Li -K 分析仪的基本构成 Li - K 分析仪主要由四个部分组成 进样系统、 原子化系统、 光学检测系统、 控制及数据采集系统, 仪器的结构示意图如图 1 所示。Li - K 分析仪长 35 cm, 宽19 cm, 高27 cm, 总重10 kg, 12 V 直流电源供 电, 功率约为 50 W。本仪器已申报发明专利 专利 名称 便携式液体阴极辉光放电元素测定仪; 申请专 利号 201510282973. 3, 已进入实质审查阶段 。 1. 2. 1进样系统 Li - K 分析仪进样系统由蠕动泵、 注射泵和六 通阀三个主要部件组成, 其工作步骤分为点火、 进 样、 测量三个阶段。样品溶液由蠕动泵吸入, 载液 电解液 由注射泵吸入。通过微处理器控制六通 阀的程序化动作, 实现样品盘管 储液管 内样品的 充入和清洗, 并使进入液体辉光放电原子化器的样 品和载液全部由注射泵注入, 保证液体进入速度均 匀, 放电过程平稳。 1. 2. 2原子化系统 石墨是良好的导电体, 是水和多种溶液的亲润 体, Li - K 分析仪采用锥状石墨作为阴极的外套, 高 压电源的负极连接石墨, 高压电源的正极连接钨丝, 形成完整的电流通路。两极之间的距离可以通过改 变阳极的高度进行调节, 获得最佳放电效果; 测量过 程中石墨阴极外套与样品溶液保持连通, 从而维持 平稳的放电, 得到稳定的测量信号。 1. 2. 3光学检测系统 光学检测系统主要由聚焦透镜、 光缆、 CCD 光 谱仪和数据处理系统组成, 如图 1 所示。为了实现 仪器的便携化和可移动化, Li - K 分析仪采用了光 纤传导 CCD 检测系统代替常用的单色器加光电倍 增管的检测系统。本实验采用的 CCD 光谱仪由浙 江大学提供, 型号为 USB4000A, 其波长范围 345 ~ 1015 nm, 分辨率 3 nm, 长 105 mm, 宽 70 mm, 高 40 mm, 总重仅 0. 7 kg, 有效地减轻了仪器的重量。 1. 2. 4控制及数据采集系统 微处理器和数据处理器主要是协调控制进样系 统和液态阴极辉光放电系统, 并根据光学系统传递 的信号进行样品中元素的测定。 763 第 4 期焦距等 便携式 Li - K 分析仪的研制及其在锂辉石中锂的分析应用第 35 卷 ChaoXing 1. 3标准样品谱图 分别配制 0. 1 μg/mL及 0. 8 μg/mL两种浓度的 Li、 K 元素混合标液, 依次测定了 1 的盐酸、 0. 1 μg/mL及 0. 8 μg/mL锂钾标准溶液, 所得图谱结果 如图 2 所示。从分析谱图中看出, Li - K 分析仪可 以清楚地将 Li 670. 7 nm、 K 769. 9 nm 的光谱谱峰区 分开来。由于本仪器使用了窄带滤色片, 光谱带宽 仅为9 nm, 使得 H、 O 对 Li、 K 基本上没有干扰, 可以 测量准确的谱峰强度。 图 2Li、 K 标准溶液及 1盐酸空白溶液的光谱图 部分 Fig. 2Spectra of 1 HCl and Li, K standard solutions spectrum segment 1. 4Li -K 分析仪的主要性能指标 1. 4. 1线性动态响应范围 分别配制介质为 1 盐酸、 Li 和 K 浓度依次为 0、 0. 1、 0. 2、 0. 6、 1. 0、 2. 0、 5. 0、 10. 0 μg/mL的混合 标准溶液, 在 Li - K 分析仪最佳工作条件下测量, 以 相对谱峰强度对标准溶液的浓度绘制工作曲线, 得 到Li 和 K工作曲线方程分别为 y 15057x 31. 39 与y 20452x 62. 38, 工作曲线的线性相关系数 R2 分别为0. 9999 和0. 9998。Li、 K 元素的线性范 围均为 0. 1 ~10 μg/mL, 比 ICP - OES 测定 Li、 K 的 线性范围略窄 [19 ]。当其含量大于 10 μg/mL时, 谱 峰变宽, 曲线向下弯曲, 即超过了线性动态范围。 1. 4. 2方法检出限 根据检出限计算公式, Li、 K 元素的方法检出限 是通过测定 14 个空白样品计算得到的 LDM 3SBi Si 式中 SBi表示空白样品中元素 i 谱峰位置积分强度 的标准偏差, Si表示元素 i 的灵敏度, 单位为 counts/ μg/mL , 检出限单位为μg/mL。 计算结果显示, Li、 K 元素的检出限均为 0. 03 μg/mL, 与文献报道的 ICP - OES 测定卤水中的 Li、 K 检出限相当 [6 ], 但低于文献报道的 ICP - OES 测 定锂辉石中 Li、 K 的检出限 [20 ]。此外, Li - K 分析 仪测量 Li 的检出限也低于常用的火焰原子发射光 谱法 [9 ], 表明 Li - K 分析仪能满足实际地质样品的 分析要求。 1. 4. 3方法精密度 采用浓度均为 1000 μg/mL 的 Li、 K 标准溶液, 分别配制元素浓度为 0. 5 μg/mL和 5. 0 μg/mL的混 合标准溶液各 16 份, 在最优检测条件下, 测定所配 制的样品溶液中 Li、 K 的浓度, 结果显示 Li - K 分析 仪具有较好的分析精度 在 5. 0 μg/mL高浓度时, Li、 K 元素分析结果的相对标准偏差 RSD 分别为 1. 3和 1. 4; 在 0. 5 μg/mL低浓度时, Li、 K 元素 分析结果的 RSD 分别为 4. 8和 4. 1。 2Li -K 分析仪在锂辉石分析中的应用 2. 1仪器工作条件 便携式 Li - K 分析仪型号为 LK -800。选择 Li 670. 7 nm 和 K 769. 9 nm 两条无干扰的谱线作为分 析谱线 [14, 16 ]。经多次重复实验, 确定了能够保证便 携式 Li - K 分析仪阴极辉光放电稳定、 获得平稳测 量信号的最佳进样与测量条件。其中, 进样条件相 关参数如下 注射泵泵速 800 Hz, 蠕动泵泵速 6000 Hz, 点火速度900 Hz, 点火时间4 s, 切阀时间5 s, 积 分延时 4 s, 积分时间 8 s, 注射泵载液体积 4 mL; 测 量条件相关参数如下 电压 900 V, 电流 50 mA, CCD 光谱仪积分时间250 ms, 增益为0, 平滑为5, 偏置为-85。 2. 2试剂和材料 钾标准溶液 1000 μg/mL, 水介质; 锂标准溶液 1000 μg/mL, 10 硝酸介质; 盐酸, 优级纯; 去离子 水, 电阻率≥15 MΩcm。以上试剂由国家地质实 验测试中心提供。 锂辉石样品来源 四川甘孜地区甲基卡锂辉石 矿区。 2. 3锂辉石样品前处理 样品前处理过程如下 取过 200 目筛的锂辉石 样品 25 mg, 加入 150 mg 氟化氢铵, 在 200℃下封闭 溶样4 h。出烘箱后, 加入2 mL 硝酸, 160℃下赶酸, 蒸干后加入0. 5 mL 硝酸赶两次。再加入3 mL 50 的硝酸 或 1 mL 硝酸 2 mL 水 , 在 155℃ 烘箱中 复溶 300 min。最后将处理后的样品定容至 25 mL 容量瓶中。 863 第 4 期 岩矿测试 http ∥www. ykcs. ac. cn 2016 年 ChaoXing 2. 4标准曲线法和标准加入法样品处理 2. 4. 1标准曲线法 按 1. 4. 1 节所述, 配制 Li、 K 标准溶液, 测定 Li、 K 含量并绘制工作曲线。移取经前处理的甲基卡锂 辉石样品溶液 2 mL 于 10 mL 比色管中, 以 1 盐酸 定容, 摇匀后测量。 2. 4. 2标准加入法 移取经前处理的 5 份甲基卡锂辉石样品各 2. 0 mL 于 5 个 10 mL 比色管中, 分别加入 Li 和 K 浓度 均为 500 μg/mL的混合标准溶液 0. 00、 0. 02、 0. 04、 0. 06、 0. 08 mL, 以 1 盐酸定容, 摇匀后测量。以 Li、 K 元素光谱强度为纵坐标, 添加浓度为横坐标绘 制曲线, 将曲线反向延长, 与横轴交点的绝对值即为 试液中待测元素的浓度。 2. 5分析结果与讨论 2. 5. 1不同酸度对 Li、 K 信号强度的影响 相对于盐酸介质, 硝酸对多种元素具有更好的 化学稳定性, 因而文献报道多采用硝酸作为阴极辉 光放电的电解液 [16, 18 ]。为考察不同酸度的盐酸与 硝酸对 Li - K 分析仪信号强度及稳定性的影响, 本 文分别对浓度为 0. 5、 1、 1. 5、 2 的盐酸和硝 酸及其混合酸介质进行了研究。如图 3 所示, 硝酸 介质的灵敏度优于盐酸, 但 Li、 K 元素信号强度不太 稳定, 当浓度超过 2 时, 仪器又极易产生灭火现 象。此外, 硝酸和盐酸的混合酸对信号强度抑制比 较明显。综合考虑, 最终选择 1 盐酸作为 Li - K 分析仪测量时的介质。 图 3不同酸介质对 Li 和 K 信号强度的影响 Fig. 3Effects of different acids and concentrations on Li and K signal intensities 2. 5. 2标准曲线法 采用标准曲线法分析 4 个未知锂辉石样品, 即 F1、 F2、 F3 和 F4, 测量结果 见表 1 显著高于 ICP - OES 的测量结果, 最大相对偏差达 267, 且样品总 稀释倍数为 3000 倍得到的结果偏高, 与稀释 5000 倍时的结果相差较大。这是由于在样品前处理阶 段, F1 和F2 采用3 mL 50的硝酸复溶, F3 和 F4 采 用1 mL硝酸 2 mL 水复溶, 实际测量时各样品溶液 是盐酸和硝酸的混合介质, 由于混合酸对信号有抑 制作用, 测量结果偏高的原因可能是样品中共存离 子干扰所致。 2. 5. 3标准加入法 由于标准曲线法得到的结果不可靠, 故进行了 两种方式的标准加入法定量分析 [21 -22 ], 得到的测定 结果见表 1。 1 各样品均进行标准添加, 按标准加入法计 算各样品中 Li 的含量, 所得到的结果与 ICP - OES 的数据比较一致, 最大相对偏差为 15, 可满足野 外现场快速分析的需求。 2 采用某个未知样品进行标准加入, 计算其 Li 含量; 然后用其添加后的样品强度减去样品自身 的强度, 以添加浓度为横坐标, 净强度为纵坐标绘制 标准曲线, 以此标准曲线计算其他各样品的含量。 这种方式得到的测量结果的最大相对偏差最高达 221, 只能达到半定量的水平。造成这个结果的原 因是 不同样品标准加入法的校准曲线的斜率差异 很大 见表 1 , 即不同样品测量时 Li 的灵敏度差异 很大。而这种方式中, 不同样品测量时的酸度介质 是相同的 本实验中 F1 与 F2, F3 与 F4 , 差别仅仅 是样品基体。 综上所述, 在分析锂辉石样品时, 不同样品消解 后进入溶液的元素组成不同, 其中某些元素可能会 对 Li 元素的信号产生强烈的增强效应, 单纯地通过 控制酸度介质不能保证得到可靠的分析数据。关于 哪些元素的影响比较大、 是否可以通过人为添加基 体效应抑制剂来消除共存离子的干扰, 有待进一步 的研究和探讨。 3结论 通过一体化液体阴极辉光放电原子化系统及紧 凑、 稳定的进样系统设计, 配合使用光纤传导 CCD 检测系统, 成功研制了便携式 Li - K 分析仪。该仪 器体积小, 具有不需要任何载气、 易携带、 易操作等 优点, 适合于野外现场快速检测液体样品中 0. 03 μg/mL以上含量的 Li 和 K 元素, 弥补了现场分析中 常用的 EDXRF 法不能测定轻元素 Li 的不足。 963 第 4 期焦距等 便携式 Li - K 分析仪的研制及其在锂辉石中锂的分析应用第 35 卷 ChaoXing 表 1Li - K 分析仪与 ICP - OES 分析锂辉石中锂元素的测定结果比较 Table 1Comparison of detection results of lithium in spodumene samples by Li- K analyser and ICP- OES 定量方法定量方程及相关系数F -1F -2F -3F -4 标准曲线 -1①测定值 mg/gy 15057x -31. 39 R20.9999 155551166891744200 标准曲线 -2②测定值 mg/gy 14916x 50. 02 R21.0000 215001649612520- F1 标准加入测定值 mg/gy 59501x 1808.56 R20. 9997548440473050960 F2 标准加入测定值 mg/gy 50872x 260.12 R20.99996307485437221275 F3 标准加入测定值 mg/gy 34777x -476.79 R20.99969267712153341975 F4 标准加入①测定值 mg/g y 12413x 138.04 R20.99991880014085110605140 ICP - OES 测定值 mg/g-5851574454405444 相对偏差 ③ --6.27-15.5-1. 95-5.58 注 ①表示样品稀释 5000 倍; ②表示样品稀释 3000 倍; ③表示各样品标准加入法定量结果与 ICP - OES 结果的相对偏差。 项目组针对锂资源勘查找矿的需求, 并配合地 质人员在川西甲基卡地区开展锂辉石矿产的勘查工 作, 开展了 Li - K 分析仪定量分析锂辉石样品中锂 元素的方法学初步研究。研究表明, 采用标准加入 法可获得与 ICP - OES 相比小于 15 的分析误差, 满足野外现场快速分析需求, 实现了 SCGD 技术在 地质样品分析应用中的突破。然而, 不同酸度介质、 不同样品基体对 Li 的光谱强度影响显著, 单纯地通 过控制溶液酸度与样品稀释倍数并不能得到理想的 分析结果。此外, 尚需配套简便易行的固体样品前 处理方法或装置, 以缩短溶矿时间, 提高分析效率。 致谢 国家地质实验测试中心的屈文俊研究员为本 工作提供了锂辉石样品溶液, 巩爱华高级工程师和 孙红宾工程师提供了 Li 和 K 的标准溶液, 朱云博士 提供了 ICP - OES 分析结果, 在此一并感谢。 4参考文献 [ 1]李建康, 刘喜方, 王登红. 中国锂矿成矿规律概要[ J] . 地质学报, 2014, 88 12 2269 -2283. 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