Рентгенофлуоресцентное определение железа в каменной муке

Химический анализ сложных материалов, таких как минеральное сырье, сложен и часто требует применения специфических методов анализа, при которых учитываются различные особенности материала. При выборе метода анализа учитывается также и влияние основных компонентов материала и различных примесей на ход анализа. Значительные трудности связаны с переводом исследуемого материала в раствор, маскированием и удалением мешающих компонентов при анализе.

С развитием научно-технического прогресса в аналитической химии все чаще стали применяться физические методы, отличающиеся экспрессностью, универсальностью и высокой селективностью. Одним из современных спектроскопических методов анализа является рентгенофлуоресцентный анализ (РФА). Он легко поддается автоматизации и способен к обнаружению элементов в низких концентрациях (5 ppm).

Целью исследования является определение содержания железа в следующих образцах: каменной муке, полученной из отсевов камнедробления базальтового порфирита, промытой каменной муке и каменной муке, полученной в лабораторных условиях. Метод исследования: рентгено­флуоресцентный анализ. В силу того, что разложенные образцы являются схожими по матрице, для анализа достаточно построения одной градуировочной зависимости.

По пикам спектров РФА качественно определяют наличие элементов в образце. Для получения точного количественного содержания элементов в образце спектры обрабатывают программой градуировки прибора, которая предварительно создается с использованием стандартных образцов. При этом важно учитывать матричные эффекты, так как они оказывают влияние на интенсивность рентгеновской флуоресценции [1, с. 38]. К матричным эффектам относятся поглощение аналитической линии материалом излучателя, поглощение первичного излучения, вторичная флуоресценция, влияние размеров частиц порошковых материалов на интенсивность рентгеновского спектра. Влияние матричных эффектов также сказывается и на интенсивности рентгеновского фона, однако, эту проблему часто относят к аппаратурным эффектам.

Проблемы, связанные с гетерогенностью проб сильны в длинноволновой области спектра и трудно поддаются учету, поэтому при силикатном анализе эти эффекты не учитывают, а устраняют путем гомогенизации проб [1, с. 61-62].

Предварительно, перед количественным определением проводились измерения в режиме качественного анализа в диапазоне длин волн от 800 до 2400 mÅ. Полученные спектры образцов с вычетом фона представлены на рисунке 1.

Рисунок 1. Рентгенофлуоресцентный спектр образцов

На представленном спектре видны пики, соответствующие флуоресценции цинка, меди, марганца и железа. При этом, интенсивности флуоресценции всех образцов практически одинаковы, однако, необходимо отметить различие интенсивностей по линиям FeKA и FeKB. В образце 3 (мука, измельченная в лабораторных условиях) – синий спектр – пики по железу менее интенсивны. Визуально мука, полученная в лабораторных условиях, имеет больший размер частиц, чем у отходов камнедробления – увеличение размера частиц сильно влияет на матричный эффект и эффекты поглощения, что незначительно меняет вид спектра.

Для количественного анализа пробы разлагали сплавлением с карбонатом натрия-калия, полученный плав растворяли в соляной кислоте.

Для построения калибровочного графика на основе априорных данных о продукте был выявлен диапазон содержания анализируемого элемента и подготовлен ряд образцов с известной концентрацией цинка. Аналитическая линия измерений – 1937,4 mÅ – FeKA (1 порядок отражения). Время экспозиции – 10 секунд. Для учета эффекта матрицы измеряли интенсивность некогерентного рассеяния линии 2-го порядка Ag (1182).

Полученный калибровочный график (рисунок 2) является линейным, коэффициент корреляции равен 0,99499, ошибка регрессии – 2,31504, зависимость отвечает уравнению вида C = A + B · N(Fe), значения коэффициентов A и B приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Коэффициенты градуировочного уравнения и их значимости

Рисунок 2. Градуировочный график для рентгенофлуоресцентного определения железа

Определение содержания железа проводили в солянокислых растворах, полученных после разложения плава и отделения кремниевой кислоты, при тех же параметрах, которые использовались при построении калибровочной зависимости. Содержание железа пересчитывалось на Fe₂O₃ абсолютно сухого вещества. Результаты анализов обрабатывали по критерию Стьюдента при уравнении значимости P < 0,95 [2, с. 39].

Результаты и расчеты РФА представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Результаты определения железа в образцах каменной муки базальтового порфирита

Таким образом, в ходе работы были проанализированы 3 пробы каменной муки на содержание в них железа. Наибольшее содержание приходится на образец, представляющий собой промытую каменную муку, наименьшее – на муку, полученную в лабораторных условиях.