波长色散X射线荧光光谱法同时测定钨精矿中主次量组分_普旭力.pdf

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2010 年 4 月 April 2010 岩矿测试 ROCK AND MINERAL ANALYSIS Vol. 29,No. 2 143 ~147 收稿日期 2009- 06- 10; 修订日期 2009- 08- 25 基金项目 国家质检总局重大课题资助 2008IK265 ; 厦门出入境检验检疫局课题资助 2007XK04 作者简介 普旭力 1978 - , 男, 福建厦门人, 博士, 从事矿产和金属材料分析。E- mail pxl xmciq. gov. cn。 文章编号 02545357 2010 02014305 波长色散 X 射线荧光光谱法同时测定钨精矿中主次量组分 普旭力,王鸿辉,叶淑爱,董清木,邹建龙,杨明坤 厦门出入境检验检疫局,福建 厦门361012 摘要 建立了采用波长色散 X 射线荧光光谱测定钨精矿中三氧化钨、 锰、 铁、 氧化钙、 二氧化硅、 锡、 钼、 铜、 铋、 铅、 锑、 锌、 镉、 铬等 14 个主次量组分的方法。采用四硼酸钠和四硼酸锂混合熔剂熔融制样, 以高纯物 质人工配制校准标准样品, 公共背景法进行背景校正, 采用可变理论 α 影响系数法校正基体效应。方法 的准确性、 精密度达到了传统分析方法的要求, 分析时间大大缩短, 具有较好的实用价值。 关键词 X 射线荧光光谱法; 熔融制样; 主次量组分; 钨精矿 中图分类号 O657. 34; P578. 1文献标识码 B Determination of Major and Minor Components in Tungsten Concentrates by Wavelength Dispersive X- ray Fluorescence Spectrometry PU Xu- li,WANG Hong- hui,YE Shu- ai,DONG Qing- mu,ZOU Jian- long,YANG Ming- kun Xiamen Entry- Exit Inspection and Quarantine Bureau,Xiamen361012,China Abstract A new has been developed for the determination of 14 components including WO3,Mn,Fe, CaO,SiO2,Sn,Mo,Cu,Bi,Pb,Sb,Zn,Cd and Cr in tungsten concentrates by wavelength- dispersive X- ray fluorescence spectrometry. The samples were fused with mixture flux of Na2B4O7and Li2B4O7 65 ∶ 35 and the calibration samples were artificially synthesized with high purity compounds. The common background was used for background calibration and the variable theoretical α- coefficient was used for matrix effect calibration. The provides the advantages of high accuracy,high precision,high efficiency and has been applied to the routine analysis of tungsten concentrates. Key words X- ray fluorescence spectrometry; fusion sample preparation; major and minor component; tungsten concentrate 钨精矿是将钨矿砂破碎、 筛分及手选后, 采用 磁选、 浮选以及重力、 静电、 化学等选矿方法分离捕 集含钨矿物所得的精矿砂, 是生产钨铁、 仲钨酸铵 的主要原料。钨精矿中钨含量的高低直接决定了 钨精矿的品位和价格, 是进出口钨精矿必须检验的 项目。钨精矿中杂质元素的存在会严重影响钨制 品的性能 [1 ], 国家标准 GB 282581[2 ]中明确规定 了不同等级钨精矿中杂质元素 Si、 Ca、 Mn、 Mo、 As、 S、 P、 Cu、 Sn 的限量标准; 另一方面, 在钨精矿的冶 炼过程中, 一些有害元素如 Pb、 Cd、 Bi、 Sb、 Cr 等会 对环境和人身安全产生不可忽视的影响, 对于这些 元素的含量必须加以严格限制。由此可见, 研究和 开发一种快速、 准确、 全面的钨精矿中主次量元素 的检测方法是十分必要的。 在日常检验工作中, 钨精矿的分析最常用的是 国家标准方法钨精矿化学分析方法 [3 ], 这些经 341 ChaoXing 典分析方法准确、 可靠; 但存在操作复杂、 分析时间 长等不足, 而且方法相对独立, 无法实现多元素同 时分析。电感耦合等离子体发射光谱/质谱法 ICP - AES/MS 是最常用的多元素同时分析方 法, 具有检出限低、 线性范围广等优点 [4 -5 ], 也被应 用于钨精矿的检测 [6 -7 ]; 但钨精矿基体效应复杂, 光谱/质谱干扰严重, 在检测前均需进行基体分离, 不仅操作繁琐, 还会影响检测结果的准确性, 因此 无法对主量元素钨进行分析。 波长色散 X 射线荧光光谱仪 WDXRF 具有 分析元素多 常用的 F ~ U 、 浓度范围广 10 -6 ~ 100 、 分析精度高等特点 [8 -9 ], 已广泛应用于矿 物 [10 -14 ]、 岩石[15 -16 ]、 土壤和水系沉积物[17 ]中主次 元素含量分析; 但在钨精矿分析的应用中并不多 见, 主要是因为钨精矿基体效应和谱线干扰复杂, 也缺乏钨精矿的标准物质。王再田等 [18 ]采用高倍 稀释法熔融制样, 以光谱纯 WO3作为校准标准样 品, XRF 法测定钨精矿中 WO3。吴秀兰等[19 ]采用 类似的方法测定钨砂中 WO3和铬铁矿中 Cr2O3 , 该 方法简便易行; 由于将样品进行高倍稀释, 可以忽 略样品基体效应的影响, 但无法进行次量或微量杂 质元素的测量。 本文建立了用 WDXRF 同时测定钨精矿中 WO3、 Mn、 Fe、 CaO、 SiO2、 Sn、 Mo、 Cu、 Bi、 Pb、 Sb、 Zn、 Cd、 Cr 等 14 个主次量组分的方法, 以缩短检验周 期, 减轻分析人员劳动强度。 1实验部分 1. 1仪器及工作条件 ARL 9900 XP 型 X 射线荧光光谱仪 瑞士 ARL 公司 , 端窗铑靶 X 光管, 功率 3. 6 kW。 Analymate V2B Pro 高频熔融制样系统 北京 鑫国利业科技有限公司 ; 铂 - 金坩埚 wPt95 wAu5, 天津耀安公司 。 Mettler AT261 Delta Range 型电子天平 瑞士 Mettler 公司 。 各元素背景校正方法和背景谱线的位置根据 扫描结果进行设置, 所有元素均在真空条件下测 量, 其他测量条件见表 1。 1. 2主要试剂 XRF 法专用混合熔剂 Na2B4O7- Li2B4O7 质量 比65 ∶ 35 , 经过600℃灼烧2 h, 置于干燥器中备用。 表 1 X 射线荧光光谱仪测量条件① Table 1The analytical conditions of X- ray fluorescence spectric determination 元素及 分析线 2θ/ 实际背景 晶体 探测器 电压 U/kV 电流 i/mA 准直器/ 滤光片 测量时间 t/s Si Kα1, 2109.228108.502 PET FPC40750.256 Ca Kα1, 2113.086112.117 LiF200 FPC40750.256 Cr Kα1, 269.354 68.051 LiF200 FPC40750.256 Mn Kα1, 262.973 64.318 LiF200 FPC40750.256 Fe Kα1, 257.518 59.517 LiF200 FPC40750.256 BG147.109LiF200SC50600.2512 Cu Kα1, 245.027 LiF200SC50600.2512 W Lα143.018 LiF200SC50600.1512 Zn Kα1, 241.799 LiF200SC50600.2512 Pb Lα133.932 LiF200SC50600.2512 Bi Lα133.006 LiF200SC50600.2512 Mo Kα1, 220.332 LiF200SC60500.25 Cu 0.25 mm12 BG217.155LiF200SC60500.25 Cu 0.25 mm12 Cd Kα1, 215.313 LiF200SC60500.25 Cu 0.25 mm12 Sn Kα1, 214.039 LiF200SC60500.25 Cu 0.25 mm12 Sb Kα1, 213.458 LiF200SC60500.25 Cu 0.25 mm12 ① BG1 为测量 Cu Kα1, 2、 W Lα1、 Zn Kα1, 2、 Pb Lα1、 Bi Lα1的 公共背景谱线; BG2 为测量 Mo Kα1, 2、 Cd Kα1, 2、 Sn Kα1, 2、 Sb Kα1, 2的公共背景谱线。 LiNO3溶液 220 g/L , LiBr 溶液 400 g/L , Cd、 Cr 单标准溶液 1 g/L 。 WO3、 Mn3O4、 Fe2O3、 SiO2、 SnO2、 MoO3、 CuO、 ZnO、 Cr2O3、 Bi2O3、 PbO、 Sb2O3、 CdO、 CaCO3等均为 光谱纯试剂。 1. 3灼烧损失测定 称取 2. 0 g 精确至 0. 0001 g 标准物质或试 样于已灼烧至恒重的瓷坩埚内, 放入马弗炉中逐渐 升温至 1000℃, 灼烧至恒重, 计算烧失量。 1. 4样品制备 准确称取 8 0. 000 2 g 混合熔剂、 0. 5 0. 0002 g 经灼烧损失校正的样品, 置于铂 - 金坩 埚中, 用玻璃棒搅匀, 加入 1 mL 220 g/L LiNO3溶 液和 10 滴 400 g/L LiBr 溶液, 置于高频熔融制样 系统中, 先在 700 ℃ 预加热 3 min 后, 升温至 1150℃熔融, 熔融过程中坩埚以 15 r/min 的速度 匀速摇摆。5 min 后倒入已预热的铂 - 金合金模 具中, 风冷 3 min 后试样片与模具自动剥离, 取出, 置于 XRF 仪进样盒内待分析。 2结果与讨论 2. 1样品熔融条件 2. 1. 1熔剂的选择 首先采用常用的Li2B4O7- LiBO2混合熔剂 441 第 2 期 岩矿测试 http ∥www. ykcs. ac. cn 2010 年 ChaoXing 质量比 67 ∶ 33 熔融制样, 结果显示, 即使熔融温 度高达 1250℃, 熔融时间长达 10 min, 样品溶解也 不彻底, 有细小颗粒物漂浮于熔融物表面, 且试样 片在 冷 却 脱 模 过 程 中 极 易 破 裂。随 后 选 用 Na2B4O7作为熔剂, 结果显示, 虽然样品可以完全 溶解, 但熔融物黏度很大, 在浇铸过程中 从坩埚 转移至模具 大量粘附在坩埚壁上。 经试验, 本文选择 Na2B4O7- Li2B4O7混合熔 剂 质量比 65 ∶ 35 , 该混合熔剂不仅可将试样完 全溶解, 也易于浇铸和脱模。 2. 1. 2熔融温度、 熔融时间和脱模剂加入量 熔样温度、 熔融时间以及脱模剂加入量是需要 综合考虑的因素。钨精矿属于难熔样品, 熔融温度 过低或熔融时间太短, 不足以将样品完全溶解; 而 熔融温度太高或熔融时间过长, 则脱模剂挥发严 重, 影响浇铸和脱模效果, 而且会影响坩埚使用寿 命。通 过 实 验 综 合 比 较, 本 文 选 定 熔 融 温 度 1150℃, 熔融时间 5 min, 脱模剂 LiBr 溶液 400 g/L 用量 10 滴, 在此条件下, 可制得均匀、 稳定、 透明、 脱模效果好的试样片。 2. 2校准曲线建立 2. 2. 1背景校正 公共背景法是采用一系列基体不同的、 在待测 元素谱线处无干扰的背景校正样, 分别测量峰位处 和背景谱线处的谱线强度, 然后进行线性回归, 计 算出校正系数, 按公式 1 计算背景强度。该方法 得到的背景强度是分析谱线处的实际背景强度, 而 且可选取一个公共背景点用于多个元素的背景校 正 [20 ]。 Ri, b , 真值 Ri, b , 测量值a b 1 式中, Ri, b , 真值为峰位处背景强度; Ri, b , 测量值是背 景谱线处测量的背景强度; a、 b 是线性回归计算得 到的常数。 本项目首先采用公共背景法进行背景校正。 根据测量条件不同, 将待测元素谱线分为 4 组 ① Si Kα1, 2; ② Ca Kα1, 2、 Cr Kα1, 2、 Mn Kα1, 2、 Fe Kα 1, 2; ③ Cu Kα1, 2、 W Lα1、 Zn Kα1, 2、 Pb Lα1、 Bi Lα 1; ④ Mo Kα1, 2、 Cd Kα1, 2、 Sn Kα1, 2、 Sb Kα1, 2。每 组 选 择 一 个 公 共 背 景 点,分 别 为 110. 028、 88. 503、 47. 109、 17. 155。配 制 纯 熔 剂、 SiO2、 CaO、 Fe2O3、 SrO、 BaO 等 6 个基体不同的空白背景 校正样, 分别测量每个样片的峰位处和背景谱线处 的谱线强度, 进行线性回归, 对背景校正样中含有 待测元素或对待测元素有干扰的测量值不参与回 归。结果表明, 对于组①Si Kα1, 2, 组②Ca Kα1, 2、 Cr Kα1, 2、 Mn Kα1, 2、 Fe Kα1, 2等元素, 校准曲线不呈 线性, 相关系数很差; 而对于组③Cu Kα1, 2、 W Lα1、 Zn Kα1, 2、 Pb Lα1、 Bi Lα1, 组④Mo Kα1, 2、 Cd Kα1, 2、 Sn Kα1, 2、 Sb Kα1, 2等元素则具有良好的线性关系。 因此, 本项目对组①、 组②元素采用直接扣背景法, 对组③、 组④元素则采用公共背景法。校准系数见 表 2 该系数与所用仪器有关, 不同仪器系数有所 不同 。 表 2元素公共背景及其计算系数 Table 2Common background and calculating coefficient of determined elements 分析 谱线 背景点 背景因子 ab 分析 谱线 背景点 背景因子 ab Cu Kα1, 247. 1094 1. 2189 0. 01357 Mo Kα1, 217. 1546 0. 26630. 02504 W Lα10. 7698 -0. 01876 Cd Kα1, 21. 6569 -0. 05284 Zn Kα1, 21. 6209 0. 03451 Sn Kα1, 23. 3223 -0. 19945 Pb Lα14. 0370 -0. 42152 Sb Kα1, 24. 4501 -0. 25015 Bi Lα14. 26578 -0. 41048 2. 2. 2谱线干扰校正 为消除谱线重叠干扰, 本项目根据扫描图谱仔细 选择准直器、 脉冲高度分析器 PHD 及分光晶体。除 此之外, 还对通过以上手段难以消除的谱线干扰进行 谱线重叠校正。谱线干扰及校正系数见表3。 表 3光谱干扰及校正系数① Table 3The potential spectrum interference and calibration coefficients 分析谱线干扰谱线校正系数分析谱线干扰谱线校正系数 Ca Kα1, 2 W L1 20. 00190Zn Kα1, 2W Lα1 10. 00212 Mn Kα1, 2Cr Kα1, 3 1 0. 00121Sb Kα1, 2Cd Kα1, 3 10. 00338 Fe Kα1, 2Mn Kα1, 3 1 0. 00303Sn Kα1, 2 10. 00586 Sn Kα1, 2Cd Kα1, 3 1 0. 00365Pb Lα1Bi Lα2 10. 00323 Sb Kα1, 2 10. 02271 ① 括号中数字表示干扰谱线级数。 2. 2. 3基体效应校正 钨精矿的标准样品极少且不易获得, 无法用来 制作校准样片。本项目采用高纯物质人工配制校准 标准样品, 其测量范围见表 4 可根据实际测量需要 对各元素测量范围进行扩充 。按测量条件, 分别测 定各样片中待测元素的 X 射线荧光强度并经背景 541 第 2 期普旭力等 波长色散 X 射线荧光光谱法同时测定钨精矿中主次量组分第 29 卷 ChaoXing 和谱线校正后, 采用随机分析软件 Win XRF 3. 0 进 行回归。由于人工配制的校准标准样品与实际样品 的基体组成存在一定差异, 因此采用经验系数法进 行基体效应校正可能带来较大分析误差。本项目采 用可变理论 α 影响系数法 COAL 模式 进行回归和 基体效应校正[ 见公式 2 ] , 校正系数采用随机附 带的 NBSGSC 程序进行计算。 Ci a0 a1I i [ 1 ∑ n j 1 aijC j ] i ≠ j 2 式中, Ci、 Cj为测量 i 元素和影响元素 j 的浓度; a0、 a1为校准曲线系数; Ii为测量元素 i 的 X 射线荧光 强度; aij为可变理论 α 影响系数。 校准曲线的标准偏差 s 列于表 4。从表 4 数 据可以看出, 经过理论 α 系数法校正基体效应后, 大多数元素的标准偏差都有明显改善。这表明样 品存在较强的基体效应, 采用理论 α 影响系数法 可以对基体效应进行较好的校正。 表 4测量范围及校准曲线的标准偏差 Table 4The measurement range of components and standard deviation of calibration curves 组分 含量范围 wB/ 校准曲线标准偏差s/ 未校正经过基体校正 WO350 ~1002. 63420. 4647 Mn0 ~17. 30. 08000. 0315 Fe0 ~16. 80. 08930. 0390 CaO0 ~240. 10430. 0686 SiO20 ~11. 50. 10320. 0802 Sn0 ~1.580.06450.0343 Mo0 ~0.670.03160.0061 Cu0 ~0.800.03610.0183 Zn0 ~0.800.03070.0056 Cr0 ~0.680.02130.0073 Bi0 ~0.900.05580.0302 Pb0 ~0.930.06350.0261 Sb0 ~0.830.05420.0171 Cd0 ~0.880.04700.0220 2. 3检出限 按公式 3 计算检出限 LD 。表 5 列出各元 素的灵敏度和检出限。 LD 3 m Ib t 槡 b 3 式中, m 表示灵敏度 元素质量分数每变化 1 引 起的被测元素特征谱线强度的变化 ; Ib是背景的 X 射线荧光强度; tb是背景的测量时间。 表 5方法灵敏度和检出限 Table 5The sensitivities and detection limits of the 组分 灵敏度 kcps/ 检出限 LD/ μgg -1 组分 灵敏度 kcps/ 检出限 LD/ μgg -1 WO32.411220Cu9.72310 Mn4.68812Zn12.99011 Fe5.47244Cr3.52615 CaO1.471150Bi6.47425 SiO20.329110Pb6.18535 Sn0.90718Sb1.11459 Mo0.42540Cd0.90723 2. 4精密度和准确度 对同一钨精矿试样制备 11 个熔融片进行测 定, 结果见表 6。数据显示, WO3的相对标准偏差 RSD 达到 0. 19; 其他含量大于 1的组分 RSD 都小于 2, 含量大于 0. 1 的组分 RSD 都小于 5, 含量大于 0. 01 的组分 RSD 都小于 10。 可见, 本分析方法具有较好的精密度。 由于缺少钨精矿标准物质, 作者分别选择经化学 法准确定值的黑钨精矿和白钨精矿, 验证分析方法的 准确性, 其中化学法定值由 3 个实验室独立进行, 结 果取其平均值。本法分析结果及化学法分析结果列 于表7。由于 Cd 和 Cr 无国标分析方法, 因此采用加 标回收的方式验证 Cd 和 Cr 测量的准确性。具体步 骤为 在样品熔融前, 以加入液体标准样品的方式向 铂 -金坩埚中分别加入0.2 mg 和1 mg 的 Cd 和 Cr, 忽略加入试剂的灼烧增量以及对熔片质量改变的影 响, 按实验方法操作, 计算回收率, 结果见表8。 由表 7、 表 8 结果可以看出, 本法与化学法的 分析结果符合良好, Cd、 Cr 的加标回收率在95. 0 ~104. 0。可见, 方法具有较好的准确度, 能够满 足钨精矿中主次量组分的分析要求。 3结语 本项目提出了采用波长色散 X 射线荧光光谱 法测定钨精矿中 WO3、 Mn、 Fe、 CaO、 SiO2、 Sn、 Mo、 Cu、 Bi、 Pb、 Sb、 Zn、 Cd、 Cr 等 14 个主次量组分, 系统 研究了样品检测各因素的影响。采用四硼酸钠和四 硼酸锂混合熔剂熔融制样, 以高纯氧化物人工配制 校准样品, 通过仔细的背景校正和谱线重叠校正, 并 采用可变理论 α 影响系数法校正基体效应, 方法的 准确度、 精密度都达到了传统分析方法的要求, 而且 分析时间大大缩短, 具有较好的实用价值。 641 第 2 期 岩矿测试 http ∥www. ykcs. ac. cn 2010 年 ChaoXing 表 6方法精密度① Table 6Precision test of the 测定 次数 wB/ WO3MnFeCaOSiO2SnMoCuZnCrBiPbSbCd 165. 547. 3211. 011. 672. 770. 6760. 0150. 0990. 1190. 0040. 1760. 5220. 057N. D. 265. 617. 2910. 951. 622. 830. 6830. 0140. 0980. 1160. 0030. 1710. 5490. 052N. D. 365. 737. 4010. 971. 642. 790. 6980. 0160. 0930. 1250. 0040. 1810. 5240. 056N. D. 465. 797. 3711. 051. 622. 740. 6490. 0150. 1050. 1130. 0030. 1780. 5300. 053N. D. 565. 807. 4010. 941. 622. 680. 6910. 0180. 0970. 1210. 0050. 1570. 5130. 061N. D. 665. 717. 3110. 881. 662. 770. 6990. 0140. 0910. 1200. 0030. 1790. 5180. 059N. D. 765. 557. 3410. 951. 682. 700. 6660. 0150. 1010. 1180. 0030. 1770. 5240. 065N. D. 865. 417. 2810. 961. 622. 760. 6590. 0160. 1010. 1120. 0040. 1700. 5270. 056N. D. 965. 507. 2211. 041. 632. 820. 6730. 0170. 1050. 1150. 0040. 1810. 5320. 054N. D. 1065. 707. 2611. 031. 652. 760. 6660. 0150. 1020. 1130. 0040. 1730. 5240. 049N. D. 1165. 627. 3410. 971. 682. 740. 6690. 0150. 0970. 1080. 0020. 1700. 5280. 058N. D. 平均值65. 637. 3210. 981. 642. 760. 6750. 0150. 0990. 1160. 0040. 1740. 5260. 056 RSD/0. 190. 780. 461. 501. 642. 377. 854. 494. 1423. 134. 001. 757. 87 ① N. D. 表示未检出, 下表同。 表 7样品分析结果① Table 7Analytical results of components in sampleswB/ 组分 黑钨 本法化学法 白钨 本法化学法 WO3 65. 6365. 7151. 7751. 73 Mn7. 327. 350. 0830. 086 Fe10. 9810. 900. 4970. 492 CaO1. 641. 6030. 0830. 22 SiO2 2. 762. 791. 701. 74 Sn0. 6750. 664N. D.N. D. Mo0. 0150. 0150. 0170. 016 Cu0. 0990. 1020. 0130. 013 Zn0. 1160. 1120. 0020. 003 Cr0. 003-N. D.- Bi0. 1740. 1700. 1010. 098 Pb0. 5260. 5150. 1070. 100 Sb0. 0560. 0540. 0630. 061 CdN. D.-N. D.- ①“- ” 表示未检测。 表 8 Cd 和 Cr 的加标回收率 Table 8Recovery test for Cd and Cr 样品组分 wB/ 含量加标量测定值 回收率 R/ 黑钨 CdN. D. 0. 0400. 041102. 5 0. 2000. 208104. 0 Cr0. 004 0.0400.04195.0 0.2000.19597.5 白钨 CdN. D. 0.0400.03997.5 0.2000.202101.0 CrN. D. 0.0400.03997.5 0.2000.203101.5 4参考文献 [ 1]江西省地质矿产局实验测试中心. 钨矿石分析[ M] . 北京 地质出版社, 1989 7 -18. [ 2]GB 282581, 钨精矿技术标准[ S] . [ 3]GB/T 6150.1 ~172008, 钨精矿化学分析方法[ S] . [ 4]辛仁光. 等离子体发射光谱分析[ M] . 北京 化学工 业出版社, 2004 3. [ 5]王小如. 电感耦合等离子体质谱应用实例[M] . 北京 化学工业出版社, 2005 1 -2. [ 6]腾松根. 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