矿石样品中金属元素化学分析方法的应用研究

2021-11-21王婷

世界有色金属 2021年15期

王婷

（中国建筑材料工业地质勘查中心吉林总队，吉林长春 130000）

化学分析方法是以物质的化学反应为基础的分析方法。产生于近代化学初期，比较成熟，又称经典分析法，是分析化学的重要基础。主要有重量分析法和滴定分析法。与仪器分析方法相比，它们不需要特殊的仪器，方法比较简单，对常量组分(>1%)分析有较高的准确度和精密度，测定的相对误差约0.2%。因此，在生产实践和科学实验中具有很大的实用价值，得到了广泛的应用。但由于灵敏度较低、耗时较多、分析精度受操作人员熟练程度的影响较大等弱点，因此越来越多的被仪器分析方法所替代。

1 矿石样品中金属元素化学分析方法存在的问题

（1）方法选择不恰当。矿石样品中金属元素常见的化学分析方法包括碱溶ICP-MS法、EDTA滴定法、稳健统计法，这些化学分析方法的优缺点不同，而且每种化学分析方法适合的矿石样品也存在一定差异。因此不同的化学分析方法最终得到的分析结果具有显著差异，也就是化学方法选择不当会导致分析结果存在随意性较大的问题，该问题会导致化学分析方法的结果不可靠。

（2）数据不够精准。化学分析方法虽然不需要复杂的特殊仪器，一般来说化学分析法的测定误差在0.2%左右，若化学分析人员操作过程中没有出现任何问题，则最终得到的化学分析数据比较可靠。但是化学分析法实际操作过程中，操作人员对各个化学分析方法的掌握程度不一致，有些操作人员对部分化学分析方法的全部流程没有做到全面掌握，在实际滴定操作等阶段存在一定误差，最终导致化学分析结果的误差大于0.2%，降低了化学分析数据结果的精准性。

（3）化学分析人员素质低。化学分析人员基础理论水平或者实践操作水平低都属于素质低的范畴之内，理论素养不足会导致化学分析人员对碱溶ICP-MS法、EDTA滴定法、稳健统计法的适用范围认知不清晰，实践操作水平低会导致化学分析人员在科学实验中出现比理论值更大的误差。因此化学分析人员素质低会对矿石样品中金属元素化学分析方法造成严重影响，只有理论和实践水平均比较高的化学分析人员才能驾驭碱溶ICP-MS法、EDTA滴定法、稳健统计法等化学分析方法的应用。

2 矿石样品中金属元素化学分析方法

2.1 碱溶ICP-MS法

（1）样品测定准备。矿石样品中金属元素化学分析方法比较多，但是并不是所有化学分析方法都能够将矿石样品中的各种常见元素全部测量出来，有些化学分析方法只能测量出其中部分金属元素。而碱溶ICP-MS法在矿石样品中金属元素化学分析中测量出的金属元素种类多达数十种之多，因此需要对矿石样品中的金属元素进行全面化学分析时比较适合采用该种化学分析方法。碱溶ICP-MS法原理如图1所示。

图1 碱溶ICP-MS法原理

碱溶ICP-MS法需要准备Na2O2、HNO3、NaOH等化学试剂以及超纯水处理制备系统、电感耦合等离子体质谱仪等设备仪器。

（2）具体方法。碱溶ICP-MS法首先应该基于实验标准配置混合标准溶液，然后再结合矿石样品的实际情况挑选样品溶液，让样品溶液与混合标准溶液进行混合，得到浓度为1.0mg/L的待测量标准溶液，最后逐步稀释标准液介质，即可让标准溶液与矿石样品进行混合，这样通过高温炉加热、冷却、溶解、过滤、沉淀物清洗、仪器分析、数据处理等具体流程即可得到矿石样品中的金属元素的化学分析结果。

（3）优势。碱溶ICP-MS法具有测量数据精密度高、抗干扰能力强、样品性质保存完整等优点，虽然与碱溶ICPMS法类似的还有ICP-酸溶质谱法、ICP光谱法等，但是这些方法与碱溶ICP-MS法相比明确不具备这些优势，因此碱溶ICP-MS法的适用性更强，大部分矿石样品金属元素化学分析都可以应用碱溶ICP-MS法，而ICP-酸溶质谱法、ICP光谱法只有部分矿石样品能够应用。

2.2 EDTA滴定法

（1）方法概述。EDTA滴定法也被称为乙二胺四乙酸滴定法，它是一种络合滴定法，乙二胺四乙酸在化学分析过程中与矿石样品中的各个金属元素经过络合反应形成各种金属化合物，然后通过对金属化合物进行滴定测量即可测得矿石样品中金属元素的化学分析结果，最后通过对标准液用量进行计算即可得到金属元素的含量，该方法可以测量的金属元素数量多达70余种，但是钙镁金属元素测量中对该化学分析方法的使用最为常见。

（2）方法改进。EDTA滴定法最常见的使用范围是钙镁矿石样品中的金属元素化学分析，因此该化学分析方法改进思路分为钙镁金属元素化学分析和其他金属元素化学分析两个方面。钙镁金属元素化学分析中EDTA滴定法正常需要将氯化铵加入到钙碱性溶液中，若在实验中降低溶液碱性则可以提高最终的测量精度。而其他金属元素EDTA滴定化学分析方法改进可以具体分为铅、钼、锌、铁等元素等角度，铅元素滴定测量时可以将HF和SiO2加入聚四氟乙烯塑料器皿中，这样可以通过硫酸将高硅铅对测量精度的干扰除去；钼元素滴定测量时可以针对10%～60%内的钼元素进行含量分析可以将测量精度控制在1%以内；锌元素滴定测量时可以多家氢氧化铵将干扰铁离子与锌元素进行分离以提高测量精度；铁元素滴定测量时可以使用其他工艺替代重铬酸钾测量以减少污染、降低误差。

2.3 稳健统计法

（1）方法概述。稳健统计法是一种对化学分析数据结果进行计算处理的方法，该方法并不会将一些极端值去除，而是会在不舍弃这些极端值的情况下与经典传统计算方案进行比较，尽量降低极端数据对实验结果的影响，从而增加化学分析结果的科学性。若直接将极端数据舍弃，虽然可以使数据计算结果看起来更加优美，但是却精准性却会相应降低。

（2）测定方法。稳健统计法的测定方法主要测量结果值、中位数、标准四分位间距、最大最小值、极值、稳健变异系数等参数，然后通过数据表征离散程度的不同方向对相关范围进行估计，最后即可得到相对科学精准的化学分析结果。

（3）优劣势。稳健统计法在矿石样品中金属元素化学分析方法的应用可以得到更加真实的可靠结果，虽然相对理想数据结果存在一定偏差，但是这种结果会与现实测量结果相互呼应，而不会出现传统统计方法中实验结果与现实结果差异较大的情况。在实际情况符合假定模型时，稳健统计法具有最佳或次佳的处理性能；在数据与模型差异较小时，稳健统计法的处理性能变化也较小；当实际情况偏离假定模型较远时，稳健统计法的处理性能不会变得很差或导致错误结论，此时该方法是介于参数方法与非参数方法之间的一种新型处理方法。

3 矿石样品中金属元素化学分析方法的应用

（1）实验过程。矿石样品中金属元素化学分析实验首先需要选择实验矿石样品、实验设备，实验设备包括电感耦合等离子体质谱仪、高硼厚壁耐高压大玻璃安瓿瓶、准确控温鼓风烘箱、高温炉、离心机、石英试剂瓶、鼓泡和洗气装置、蒸馏装置等；矿石样品选择某矿区内部的地质样品，其中主要含有铅锌铜锰金属元素。实验开始前先将矿石样品制成标准溶液（浓度为1mg/mL），然后向标准溶液中加入硝酸、氢氯酸、高氯酸得到混合溶液，最后滴入10ml王水进行定容处理。定容后取上层清液加入3%的硝酸稀释至10ml使用电感耦合等离子体质谱仪进行金属元素化学分析。

（2）实验方法。本实验在测量矿石样品中金属元素含量时选择碱溶ICP-MS法，该方法相比EDTA滴定法、稳健统计法更加合理。EDTA滴定法最擅长的是测量钙镁金属元素的含量，虽然本文对EDTA滴定法进行改进优化之后在铅、钼、锌、铁等元素测定上也可以取得理想效果，但是本文选择的矿石样品中主要金属元素为铅锌铜锰，这些元素中铜锰元素无法得到较为精准的化学分析结果。而本文并未直接进行多组化学分析实验，因此本文得到金属元素化学分析结果相对单一，不适合采用稳健统计法提高处理性能。

（3）实验结果与讨论。本实验采用碱溶ICP-MS法测得铅锌铜锰金属元素含量的结果为：铅（0.40μg/g）,锌（0.60μg/g），铜（0.45μg/g），锰（1.50μg/g），而实验样品中铅锌铜锰金属元素含量标准值为：铅（0.50μg/g）,锌（0.70μg/g），铜（0.35μg/g），锰（1.80μg/g），可见碱溶ICP-MS法在矿石样品中金属元素化学分析中取得的结果比较可靠，该方法可以应用到矿石样品中金属元素化学分析中。