趙婷偉

EDXRF法對鋁土礦中鋁元素的定量分析

趙婷偉

（沈陽師范大學(xué)，遼寧 沈陽 110034）

提出了一種應(yīng)用能量色散X射線熒光光譜分析法（EDXRF）測定鋁土礦中鋁元素含量的新方法。采用間接測量的方法，將目標(biāo)元素鋁經(jīng)過一系列化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)換成氯化銀沉淀，并對沉淀進(jìn)行洗滌、過濾與干燥，應(yīng)用EDXRF測定樣品中的銀元素含量，根據(jù)生成物化學(xué)式中鋁元素與銀元素的化學(xué)數(shù)量比計(jì)算得到樣品中鋁元素的含量。針對銀元素的最佳激發(fā)條件進(jìn)行了探究，通過計(jì)算銀元素特征譜線峰背比繪制其與激發(fā)條件的關(guān)系曲線，得到銀元素的最佳管電壓為32 kV，最佳管電流為12 μА。測量結(jié)果鋁土礦中鋁元素的含量為29.26%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.25%，與熔鑄玻璃片法檢測分析結(jié)果相一致。

鋁土礦；鋁元素；EDXRF法

鋁土礦是生產(chǎn)金屬鋁的主要原料，是工業(yè)煉鋁的主要礦石來源,它的用途主要是作耐火材料,研磨材料,化學(xué)制品及高鋁水泥的原料[1]。近年來，隨著我國鋁工業(yè)的發(fā)展和鋁元素在生活中多個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，促使我國鋁土礦的需求與日俱增。然而，我國鋁土礦資源種類繁多，品位級別不同，而在制鋁工業(yè)的技術(shù)方面要針對不同級別的鋁土礦采取不同的提煉技術(shù)，否則，會(huì)造成高投資，高能耗，低質(zhì)量的結(jié)果[2]。所以，準(zhǔn)確的分析出鋁土礦中鋁元素含量對鋁工業(yè)生產(chǎn)有著重要的意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

目前鋁土礦中鋁元素的測量方法主要分為化學(xué)法和物理法兩大類?；瘜W(xué)方法主要包括重量法、容量法[3]。這些化學(xué)方法測量的準(zhǔn)確度較高，但是分析周期長，操作過程繁瑣[4]，對實(shí)驗(yàn)人員的技術(shù)要求較高；物理法主要有分光光度法、原子吸收光譜法、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法、Ｘ射線熒光光譜法等[5]。其中波長色散X射線熒光光譜法（WDXRF）探測效率較好，但儀器本身較為精密龐大且價(jià)格昂貴，攜帶不方便且在經(jīng)濟(jì)上不占優(yōu)勢。能量色散X射線熒光光譜法（EDXRF），具有分析速度快、節(jié)省人力和材料、操作簡便、精度高等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用[6]。但在測定輕元素（原子序數(shù)Z<20）時(shí)，由于輕元素的激發(fā)效率低，同時(shí)存在譜線間吸收-增強(qiáng)效應(yīng)和能量相近譜線重疊等問題，使得該儀器對輕元素測量效果并不理想[7-9]。

因此，尋找一種更方便、準(zhǔn)確度更高的測量鋁土礦中鋁元素含量的方法更為必要?；贓DXRF原理，本文采用間接測量的方法，將鋁土礦樣品中的低原子序數(shù)鋁元素轉(zhuǎn)換成中等原子序數(shù)銀元素，通過對銀元素的測量及化學(xué)數(shù)量關(guān)系，計(jì)算出樣品中鋁元素的含量。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

a：鋁土礦中主要成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3以及鈣鉀氧化物和少量金屬雜質(zhì)。將1 g鋁土礦粉末溶于90%濃硫酸中，固液質(zhì)量比為1∶5，加熱至220 ℃，磁力攪拌反應(yīng)1 h。

b：此時(shí)，溶液中主要含有硫酸鋁、硫酸鐵，沉淀中主要為二氧化硅及少量酸性不溶物。加蒸餾水稀釋，再加入20%的碳酸氫銨溶液至pH=9左右，此時(shí)溶液中的Al3+和Fe3+均以沉淀的形式析出，80 ℃水浴加熱，恒溫50 min。

c：將沉淀過濾干燥后再放入馬弗爐中煅燒，使Al(OH)3和Fe(OH)3完全轉(zhuǎn)化為Al2O3和Fe2O3，收集沉淀放入燒杯中，加入適量蒸餾水后，逐滴加入稀鹽酸至pH=6～7, 再加硝酸銀溶液，使氯離子均以氯化銀沉淀形式析出。收集沉淀稱其質(zhì)量。

d：將沉淀壓片后用EDXRF儀測量，將結(jié)果帶入定標(biāo)曲線算出銀元素含量，此含量是由樣品中鋁鐵倆元素共同轉(zhuǎn)化來的，記為1。

e: 取1 g鋁土礦粉末，操作與a、b過程相同，只是在b過程中加20%碳酸氫銨溶液至溶液pH=4左右，此時(shí)溶液中的鐵離子以沉淀形式析出，而鋁元素則以離子的形式繼續(xù)留在溶液中。接下來的操作與c、d過程相同。此時(shí)得到的銀元素含量為鐵元素轉(zhuǎn)化來的，記為2。

g: 將1和2分別帶入定標(biāo)曲線，求出對應(yīng)銀元素含量為1和2，1-2的值為樣品中由鋁元素轉(zhuǎn)化的銀元素的含量，通過數(shù)量關(guān)系計(jì)算銀元素質(zhì)量Ag、鋁元素質(zhì)量Al和礦土中鋁元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)Al。

1.2 樣品制備

1.2.1 待測樣品制備

待測樣品1：制作方法同實(shí)驗(yàn)原理a-c過程，從該沉淀中取0.5 g置于手動(dòng)壓片機(jī)中，壓力大小設(shè)置為6 MPa、壓片時(shí)間為5 min，將粉末沉淀制成圓片樣品，裝入密封袋編號待測。

待測樣品2：同實(shí)驗(yàn)原理e過程，取0.5 g沉淀進(jìn)行壓片處理，與待測樣品1操作條件相同，壓片后裝入密封袋編號待測。

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)樣品制備

為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，自制一組標(biāo)準(zhǔn)樣品。取1 g鋁土礦粉末，加入90%濃硫酸，置于磁力攪拌器中攪拌，溫度設(shè)置為220 ℃，反應(yīng)時(shí)間1 h，取溶液冷卻至室溫，洗滌過濾烘干，取該空白沉淀與氯化銀分析純按5∶5、4∶6、3∶7、2∶8、1∶9比例梯度均勻混合，再對混合粉末進(jìn)行壓片，壓力大小、壓片時(shí)間與待測樣品均相同。壓片后將其裝入密封袋中編號待測。

1.3 最佳制樣條件

本實(shí)驗(yàn)以不同壓力值進(jìn)行壓片，壓片時(shí)間為180 s。每個(gè)樣品測量10次，測得最佳壓力值為6 MPa。同樣，在壓力為6 MPa條件下，從1～7 min依次改變壓片時(shí)間，每個(gè)樣品測10次，計(jì)算峰背比并取平均值，測得最佳恒壓時(shí)間為5 min。

1.4 最佳激發(fā)條件

根據(jù)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，選定光管電流為13μА，測量時(shí)間為120 s，從27～45 kV依次改變光管電壓值，每個(gè)工作點(diǎn)測10次取平均值，繪制管壓與銀元素特征峰峰背比圖像，如圖1可知在光管電壓為31～33 kV時(shí)，銀元素的激發(fā)效率均可達(dá)到最高, 所以，本文選取銀元素最佳激發(fā)電壓為32 kV。

選擇上述最佳光管電壓32 kV, 從6～15 μА依次改變光管電流值，每個(gè)電流值下測10次，計(jì)算峰背比并取平均值，由圖2可知銀元素最佳激發(fā)電流為12 μА。

圖1 管壓與銀元素特征峰峰背比關(guān)系圖

圖2 管流與銀元素特征峰峰背比關(guān)系圖

1.5 定標(biāo)曲線繪制

對五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行10次測量，取平均值，以樣品中銀元素的百分含量為橫坐標(biāo)，以EDXRF光譜儀探測的銀元素譜峰計(jì)數(shù)平均值為縱坐標(biāo)繪制定標(biāo)曲線，對曲線進(jìn)行擬合，曲線函數(shù)關(guān)系式：

Ag=111.70Ag+925.80，2=0.998 56。

圖3 銀元素標(biāo)準(zhǔn)曲線

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品結(jié)果分析

待測樣品1和待測樣品2各制取3個(gè)，用EDXRF法進(jìn)行探測，每個(gè)樣品測10次，取平均值，分別帶入曲線中，計(jì)算銀元素含量，并根據(jù)化學(xué)反應(yīng)關(guān)系推算出鋁元素含量。本實(shí)驗(yàn)方法測量鋁土礦中鋁元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為29.26%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.25%。

表1 待測樣品測量結(jié)果

2.2 定標(biāo)曲線驗(yàn)證

為確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，分別配制4種銀元素含量不同的樣品進(jìn)行同方法測量。每個(gè)樣品測10次，計(jì)算平均值，帶入定標(biāo)曲線中，求出每個(gè)樣品中銀元素含量，并將測量值與真實(shí)值進(jìn)行對比。通過表2可看出該定標(biāo)曲線準(zhǔn)確度較高。

表2 驗(yàn)證樣品測量結(jié)果 %

2.3 回收率實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了加標(biāo)回收率實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。以同樣方式制作3個(gè)加標(biāo)樣品進(jìn)行測量，其回收率分別為100.15%，99.73%，100.06%。由此可見，本方法準(zhǔn)確性較好。

2.4 對比實(shí)驗(yàn)

應(yīng)用熔鑄玻璃片（X射線熒光光譜分析）法進(jìn)行樣品檢測，鋁土礦中鋁元素的測量結(jié)果為29.57%，本實(shí)驗(yàn)的測量結(jié)果為29.26%，相對誤差為1.05%，證明本實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度較高。

3 結(jié) 論

本文通過將鋁土礦中的目標(biāo)元素鋁元素經(jīng)過化學(xué)轉(zhuǎn)換成銀元素，應(yīng)用能量色散X射線熒光光譜分析儀測量銀元素含量，再經(jīng)過銀元素與鋁元素的化學(xué)反應(yīng)數(shù)量關(guān)系計(jì)算出鋁土礦樣品中鋁元素含量，采用間接測量方法，既克服了能量色散熒光光譜儀器對輕元素測量時(shí)出現(xiàn)的探測效率低、熒光產(chǎn)額低等問題，又簡化了純化學(xué)方法冗長繁瑣的步驟，縮短了測量時(shí)間，提高了探測效率[10]。為測定物質(zhì)中輕元素含量提供了一種新方法。

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Quantitative Analysis of Aluminum in Bauxite by EDXRF Method

（Shenyang Normal University, Shenyang Liaoning 110034, China）

A new method for measuring the mass fraction of aluminum element in bauxite by using energy dispersion X-ray fluorescence spectroscopy (EDXRF) was proposed. Using indirect measurement method, the target element aluminum was converted into silver chloride precipitation after a series of chemical reactions, and the precipitation was washed, filtered and dried, the silver element mass fraction in the sample was measured by EDXRF, and the mass fraction of aluminum element in the sample was calculated according to the chemical quantity ratio of the chemical aluminum element and the silver element of the generator. At the same time, the optimal excitation conditions of silver element were also explored, and by calculating the peak-back ratio of the characteristic line of silver elements, its relationship curve with the excitation conditions was drawn, the optimal tube voltage of silver elements was determined as 32kV,and the optimal tube current was 12μА. The mass fraction of aluminum in bauxite was 29.26% and the deviation from the standard was 0.25%, which was consistent with the results of the test and analysis of cast glass sheet method.

Bauxite; Aluminium; EDXRF method

TQ012

A

1004-0935（2022）01-0142-04

2021-04-23

趙婷偉（1996-），女，遼寧省沈陽市人，碩士，2021年畢業(yè)于沈陽師范大學(xué)粒子物理與原子核物理專業(yè)，研究方向：輻射物理與技術(shù)。