耶曼,張華,李湘,柯艷
(西安西北有色地質(zhì)研究院有限公司,西安 710043)
硫是某些礦石中常見的有害雜質(zhì),也是造成土壤污染的重要元素之一,需要對其進行嚴格控制[1]。礦石的基體與土壤、水系沉積物不同,硫元素含量差別較大,最低小于1.00×10–4,最高可達百分之幾甚至到百分之幾十[2–3],因此建立一種快速、準確、經(jīng)濟且檢測范圍廣的分析方法尤為重要。目前硫含量檢測普遍采用的燃燒碘量(紅外)法、燃燒中和法及硫酸鋇重量法[4–5]等操作步驟繁瑣,測定范圍有限,導致分析周期長,難以滿足大批量樣品分析需求。高頻紅外碳硫儀測定硫具有方法操作簡單,檢出限低,測定范圍廣[6–8]等優(yōu)點,能大幅的提高樣品檢測效率[9],已廣泛應用于土壤中碳、硫的檢測。但相關報道多是針對低含量硫的測定,方法適用范圍有一定的局限性[10]。
筆者采用高頻紅外碳硫分析儀,針對礦石、土壤樣品基體不同的問題,通過試驗優(yōu)化了稱樣質(zhì)量和助熔劑加入量等檢測條件,建立了適用于礦石中高含量硫和土壤中低含量硫的分析方法,采用國家標準物質(zhì)驗證了該方法的精密度及準確度。實驗證明該方法測定范圍寬,穩(wěn)定性高,操作簡單,適用于大批量樣品的測定。
高頻紅外碳硫分析儀:HCS–808S型,四川賽恩斯儀器有限公司。
電子天平:BS124S型,感量為0.000 1 g,北京賽多利斯科學儀器有限公司。
人工智能箱式電阻爐:SGM2880A型,洛陽市西格馬儀器制造有限公司。
電熱鼓風干燥箱:101–1AB型,天津市泰斯特儀器有限公司。
瓷坩堝:Φ25 mm,四川賽恩斯儀器有限公司。
氧氣:純度不小于99.5%。
純鐵助熔劑:國家工業(yè)標準產(chǎn)品,鐵質(zhì)量分數(shù)大于99.8%,硫質(zhì)量分數(shù)小于0.000 5%,四川賽恩斯儀器有限公司。
純鎢助熔劑:國家工業(yè)標準產(chǎn)品,鎢質(zhì)量分數(shù)不小于99.95%,硫質(zhì)量分數(shù)不大于0.000 3%,四川賽恩斯儀器有限公司。
土壤成分分析標準物質(zhì):GBW 07407(硫含量標準值為0.025 0%)、GBW 07451(硫含量標準值為0.044 0%)、GBW 07448(硫含量標準值為0.081 6%)、GBW 07453(硫含量標準值為0.20%),中國地質(zhì)科學院地球物理地球化學勘查研究所。
水系沉積物成分分析標準物質(zhì):GBW 07361(硫含量標準值為0.006 6%)、GBW 07311(硫含量標準值為0.017 0%)、GBW 07360(硫標準值為0.053 2%)、GBW 07306(硫標準值為0.078 4%)、GBW 07378(硫含量標準值為0.106 0%),中國地質(zhì)科學院地球物理地球化學勘查研究所。
鎳礦石與精礦成分分析標準物質(zhì):GBW 07146(硫含量標準值為1.53%)、GBW 07147(硫含量標準值為3.78%)、GBW 07149(硫標準值為27.83%),中國地質(zhì)科學院地球物理地球化學勘查研究所。
鉛鋅礦石成分分析標準物質(zhì):GBW 070077(硫標準值為2.90%)、GBW (E)070026(硫標準值為5.87%)、GBW(E)070080(硫標準值為15.62%),中國地質(zhì)科學院地球物理地球化學勘查研究所。
高頻感應爐在富氧條件下對分析樣品進行燃燒,將樣品中的硫成分轉(zhuǎn)化為SO2,使之與基體元素分離,分離的SO2以氧氣為載體進入紅外檢測系統(tǒng),SO2對紅外具有選擇性吸收,在7.35 μm波長處具有較強的特征吸收,通過測量氣體吸收光強度分析SO2含量,換算成硫含量[11]。
供電:電壓為(220±11)V,頻率為50 Hz;分析氧氣壓力:0.08 MPa;分析氣體流量:2.8 L/min;清洗時間:20 s;加熱時間:20 s;分析時間:40 s。
將瓷坩堝放入1 200 ℃箱式電阻爐中灼燒4 h,去除瓷坩堝自身硫含量及水分含量對樣品測定結(jié)果的影響,待冷卻至室溫后放在干燥器中備用。
將待測樣品放入瓷坩堝中在干燥箱中以105℃恒溫烘烤2 h,再冷卻至室溫,放在干燥器中備用。
稱取0.5 g純鐵助熔劑于烘干的瓷坩堝中,再稱取適量(對土壤和水系沉積物等低硫含量樣品選擇稱樣質(zhì)量為0.050 g,礦石等高硫含量樣品選擇稱樣質(zhì)量為0.030 g)烘好的待測樣品置于瓷坩堝中,然后均勻加入純鎢助熔劑2.0 g,在1.3儀器工作條件下測定樣品,外標法定量。
土壤、礦石等屬于低電磁感應或不產(chǎn)生電磁感應樣品,因此稱樣質(zhì)量的選擇直接影響助熔劑添加量和樣品是否充分燃燒、轉(zhuǎn)化等[12–13],選擇合適的稱樣質(zhì)量可準確測定土壤、礦石樣中的硫含量。多目標區(qū)域地球化學調(diào)查項目中,土壤和水系沉積物中的硫的質(zhì)量分數(shù)一般為50~2 000 μg/g[2],礦石中硫的質(zhì)量分數(shù)一般高達百分之幾十[3]。
采用標準物質(zhì)GBW 07407、GBW 07378、GBW 07147和GBW (E)070026進行試驗。分別稱取樣品 量0.020、0.030、0.040、0.050、0.070、0.090、0.120 g,每個樣品平行測定3次,取平均值,結(jié)果見表1。根據(jù)表1數(shù)據(jù)分析可得,當稱樣質(zhì)量較小時,樣品測定結(jié)果不穩(wěn)定,誤差大;稱樣質(zhì)量過大時,樣品不能充分燃燒,測定結(jié)果嚴重偏低。因此實際測樣時,對土壤和水系沉積物等低硫含量樣品選擇稱樣質(zhì)量為0.050 g,礦石等高硫含量樣品選擇稱樣質(zhì)量為0.030 g,樣品測定結(jié)果準確度較高。
選擇合適的助熔劑可促進樣品燃燒,使之完全釋放出硫,提高測定結(jié)果的準確性與穩(wěn)定性。鐵的熔點為1 540 ℃,屬于高電磁感應物質(zhì),通過高頻感應產(chǎn)生較大的渦電流和較多的熱量,可使樣品完全燃燒;鎢熔點高(熔點為3 382 ℃)、密度大,既可以增加熱量助熔,又可以防止樣品燃燒飛濺,且氧化鎢的生成有利于SO2釋放[14]。分別稱取0.030 g標準物質(zhì)GBW(E) 070026,0.050 g標準物質(zhì)GBW 07378,在固定鎢粒2.0 g的條件下,分析不同純鐵加入質(zhì)量對樣品測定值的影響,每個樣品測3次取平均值,結(jié)果見表2。
從表2可以看出,純鐵加入量少,樣品燃燒不充分,硫的質(zhì)量分數(shù)測定值偏低;純鐵加入量大,鐵屑的硫空白會導致的質(zhì)量分數(shù)測定值偏高[12]。考慮不同樣品硫含量差距大,因此選擇純鐵助熔劑為0.5 g,純鎢助熔劑為2.0 g,可保證不同硫含量樣品均充分燃燒,且穩(wěn)定性好。
樣品燃燒過程中,氧氣流量過高,SO2沒來得及被檢測器檢測就被吹走,易造成SO2損失;氧氣流量過低,硫燃燒不完全,且所需的分析時間長,最終也導致測量結(jié)果偏低[1]。已有實驗證明氧氣流量在2~3 L/min時,硫分析結(jié)果的重復性較好[15–16]。本實驗選擇氧氣流量為2.8 L/min,分析氧氣壓力為0.08 MPa[1–2]。
儀器使用前需要用不同含量的標準物質(zhì)進行校正,每種標準物質(zhì)重復分析2~3次,其分析結(jié)果重復性應符合國家標準規(guī)定后才能進行曲線校正[2]。根據(jù)1.3儀器參數(shù)及1.4實驗步驟,采取分段實驗進行樣品測定。
選用低硫池,稱取0.050 g土壤和水系沉積物標準物質(zhì)GBW 07361、GBW 07311、GBW 07407、GBW 07451、GBW 07360、GBW 07306、GBW 07448、GBW 07378和GBW 07453,將硫按質(zhì)量分數(shù)分成0.006 6%~0.053 2%和0.0532%~0.20%兩條標準工作曲線,根據(jù)標準物質(zhì)中硫的質(zhì)量分數(shù)對標準工作曲線進行多點校正;選用高硫池,稱取0.030 g鎳礦石和鉛鋅礦石標準物質(zhì)GBW(E)070115、GBW 07146、GBW 070077、GBW 07147、GBW (E)070026、GBW 07287、GBW(E) 070080、GBW 07148和GBW 07149,將硫按質(zhì)量分數(shù)分成1.41%~5.87%和5.87%~27.83%兩條標準工作曲線,并對標準工作曲線進行多點校正,與不分段的標準工作曲線相比,其結(jié)果穩(wěn)定性更好[15]。標準工作曲線方程與相關系數(shù)列于表3。
取經(jīng)過預處理灼燒過的空白坩堝12個,將0.5 g純鐵,2.0 g純鎢混合燃燒,測空白12次,計算12次測定值的標準偏差s,按測定值的3倍標準偏差(3s)計算檢出限[16],計算得硫的檢出限為0.000 21%。
表3 標準工作曲線方程
分別稱取0.050 g標準物質(zhì)GBW 07407和GBW 07378,0.030 g標 準 物 質(zhì)GBW 07147和GBW(E) 070026,各加入0.5 g純鐵助熔劑、2.0 g純鎢助熔劑進行測定。每個樣品連續(xù)測定7次,測定結(jié)果見表3。由表3可知,測定值的相對標準偏差分別為4.65%、2.08%、0.98%和0.61%,說明該方法精密度良好。
表3 精密度試驗測定結(jié)果
選用系列國家標準物質(zhì)GBW 07361、GBW 07311、GBW 07407、GBW 07360、GBW 07378、GBW 07453、GBW 07146、GBW 070077、GBW 07147、GBW(E) 070026、GBW(E) 070080和GBW07149,采用本方法進行硫含量檢測,結(jié)果見表4。
表4 準確度試驗結(jié)果
由表4可知,樣品測定結(jié)果的相對誤差的絕對值均小于10%,說明該方法具有較高的準確度。
采用高頻紅外碳硫分析儀,在分析氧氣流量2.8 L/min,土壤和水系沉積物等低硫含量樣品稱樣量0.050 g,礦石等高硫含量樣品稱樣量0.030 g,純鐵助熔劑0.5 g,純鎢助熔劑2.0 g的條件下,檢測不同硫含量的土壤、水系沉積物和礦石標準物質(zhì),測定結(jié)果準確性好,精密度高;通過分段標準工作曲線校正,擴大了測定范圍,有效提高樣品重復性。該方法快速、簡單,穩(wěn)定性好,適用于大批量樣品的測定。