Способ фазового анализа состава минеральных образований и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к аналитической химии горных пород, минералов, других многокомпонентных образований и может быть использовано в геохимии, экологии для изучения изоморфизма, процесса обогащения руд и др. Сущность изобретения заключается в том, что автоматизация способа влечет повышение чувствительности, надежности и производительности фазового анализа путем пробного экспонирования спектра через равные заданные интервалы времени в процессе поступления пробы в дуговой разряд. Регистрация факта изменения интенсивности спектральных линий в режиме фракционной дистилляции и составляет фазовый анализ. 2 с. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к аналитической химии горных пород, минералов, рыхлых отложений других многокомпонентных образований и может быть использовано в геохимии для изучения подвижности рудных и рассеянных элементов в породах и породообразующих минералах, в экологии для выделения антропогенной части привнесенных элементов от естественного их содержания в природных образованиях, для изучения изоморфизма, изучения процесса обогащения редкометальных, полиметаллических и других руд, для аналитического контроля стандартных образцов различного уровня и др.

В качестве аналога может быть использовано решение А.К.Русанова при изучении последовательности фракционного поступления соединений химических элементов в дуговой разряд из образующихся расплавов руд и минералов в канале электрода [1] Полученные сведения позволили составить ряды летучести элементов, сульфидных и других соединений при испарении минеральных веществ из канала угольного электрода. Они способствуют рациональному выбору условий возбуждения спектра, подбору добавляемых в пробу буферных соединений в количественном анализе с целью повышения чувствительности обнаружения конкретных элементов и увеличения точности установления их содержания в анализируемых образцах.

Поступление химических элементов в плазму дугового разряда из расплавов в канале электрода фиксировали на равномерно перемещаемую фотопластинку при проектировании светового потока на входную щель спектрографа В конструкции спектрографа предусмотрено устройство перемещения кассеты с фотопластинкой по направляющим от вращения винта. В спектрах визуально оценивали изменение почернения линий элементов основных компонентов минеральных образований и составленных смесей элементов. При этом рассматривали только те линии, в которых отсутствовал эффект самообращения. По взаимному смещению на спектрограмме линий определяли последовательность поступления элементов в плазму разряда.

Устройство при непрерывном перемещении кассеты (фотопластинки) не обеспечивает четкое изображение контура линий и точное их фиксирование во времени.

Прототипом может служить способ разделения химических элементов в режиме фракционной дистилляции для выявления различия или соответствия формы вхождения элемента в анализируемых пробах и в применяемых стандартных образцах [2] В качестве примера показано фазовое разделение кадмия для сфалерита и синтетических стандартов посредством фиксирования спектра на перемещаемую фотопластинку через некоторые интервалы времени в процессе дугового разряда испарения (эмиссии) пробы из канала электрода. Из сфалерита (природного минерала) цинк и кадмий из канала электрода испаряются синхронно в процессе всего времени эмиссии. Из синтетической смеси соединений (препаратов) кадмия и цинка длительности испарения цинка и кадмия резко различаются. Кадмий испаряется в начальные стадии дугового разряда, что приводит к значительному несоответствию интенсивности спектральных линий этих элементов в природных и синтетических стандартах.

Последовательное фотографирование ряда спектров в процессе испарения навески пробы из канала электрода обеспечивают передвижением кассеты спектрального прибора. Спектрографы, как правило, имеют устройства перемещения кассеты (в вертикальной плоскости) по направляющим с помощью ходового винта и гайки, скрепленной с кассетой. Устанавливаемая перед входной щелью спектрографа диафрагма (шторка) ограничивает высоту входной щели прибора. Для точного совмещения спектра железа (в качестве шкалы длины волн) и спектра пробы применяют шторку с отверстиями (окнами) на разной высоте (фотографирование спектров встык). Шторка может быть применена для фотографирования спектра в две экспозиции при различных режимах возбуждения.

Недостатки способа. Неизбежны потери чувствительности, так как при переходе от спектра к спектру перемещением пластинки световой поток разряда на время ее движения (на последующую ступень) перекрывается, не обеспечивается точное расположение спектров одного под другим. При этом трудно или вообще невозможно выдержать равномерно фиксирование всей серии спектров через короткие интервалы времени. Четкое фазовое разделение химических элементов возможно только при значительном их содержании в пробе.

Для геохимических исследований изучение подвижной формы рудных, других химических элементов в горных породах, в иных природных образованиях имеет народно-хозяйственное значение (поиски, прогнозирование месторождений). Практический интерес здесь составляют средние (кларковые) содержания химических элементов в горных породах десятитысячные, тысячные, сотые, десятые доли процента.

Фазовый анализ необходим и в экологии для установления степени подвижности элементов, представляющих потенциальную опасность. И здесь концентрации рассеянных элементов составляют малые доли процента.

Технический результат изобретения автоматизация способа, которая влечет повышение чувствительности, надежности и производительности фазового анализа точным воспроизведением развернутого спектра во времени путем дробного его экспонирования через равные заданные интервалы в процессе фракционной дистилляции скоротечного поступления пробы в дуговой разряд.

По предложенному способу для фазового разделения химических элементов ступенчато через заданные одинаковые интервалы времени фотографируют спектр пробы в процессе поступления ее из расплава в канале угольного электрода в плазму дугового разряда. Точно выдерживают заданное время экспонирования каждой ступени общего (развернутого) спектра. Всю серию спектров фиксируют точно один под другим на неподвижную фотопластинку посредством ступенчатого освещения дуговым разрядом различных участков входной щели спектрографа при автоматическом ее перемещении. Режим перемещения шторки с окном, расположенным под углом к щели прибора, исключает перерыв в освещении входной щели спектрографа от дугового разряда, что способствует получению высокой чувствительности обнаружения элемента.

Получают серию спектров через равные заданные интервалы времени в процессе фракционной дистилляции скоротечного поступления пробы из канала электрода в дуговой разряд. По развернутому общему спектру образца фиксируют изменение интенсивности спектральных линий химических элементов от спектра к спектру и по характеру изменения интенсивности линий в серии спектров делают заключение о фазовом составе пробы устанавливают форму вхождения элементов элементов, составляющих механические примеси (подвижная форма), и элементов, изоморфно связанных с кристаллической решеткой образца.

Преимущество заявляемого способа составляет регистрация скоротечного процесса (измеряемого секундами) в короткие равные интервалы времени без потерь светового потока дугового разряда, что и обеспечивает получение высокой чувствительности при фазовом разделении элементов (от десятитысячных, тысячных долей процента и выше), пригодной в решении геохимических и экологических проблем. Спектр фиксируют на неподвижную фотопластинку мгновенным перемещением освещения световым потоком разряда (диафрагмой) различных участков пластинки, поэтому при переходе от спектра к спектру не существует потеря излучаемого света от источника возбуждения спектра пробы. Полностью используется световой поток в течение каждого интервала для фиксирования составляющих спектров при развертке полного спектра пробы. Развернутый во времени спектр получают в виде серии отдельных спектров через точно заданные интервалы времени посредством автоматического включения поджига разряда через реле времени.

Скорость и точность автоматической регистрации развернутого спектра во времени (повышение производительности и качества фазового анализа) также преимущество предлагаемого способа. При этом спектры в сравниваемой серии на пластинке расположены встык (точно друг под другом без смещения), что делает более удобным и надежным их сопоставление.

Способ реализуется с помощью устройства, назначение которого последовательным получением спектров через заданные равные отрезки времени фиксировать скоротечный процесс фракционной дистилляции пробы за время возбуждения эмиссионного спектра.

На фиг.1 показана принципиальная схема привода (устройства) перемещения шторки (диафрагмы) 3 перед входной щелью 6 спектрографа 4 на восемь или двенадцать положений шторки 3 для получения последовательной серии спектров без перемещения фотопластинки (кассеты спектрографа). Верхний конец рычага (штанги) 7 имеет шарнирное крепление на кронштейне, который закреплен на корпусе спектрографа 4 (не показан). Рычаг 7 может качаться относительно шарнира в вертикальной плоскости параллельно плоскости входной щели 6. Нижний конец рычага 7 соединен с подвижной кремальерой 9 в той же плоскости. Движение нижнего конца рычага 7 от кремальеры 9 через упор 8 передает движение шторке 3. Расстояние от оси вращения рычага 7 (верхнего конца) до упора 8 примерно в десять раз меньше, чем расстояние от упора 8 до нижнего конца рычага 7. Этим обеспечивается точность малой подвижки шторки 3. Перемещение выреза (окна) 5 шторки 3, расположенного под углом к щели спектрографа, открывает последующие участки щели 6 для получения очередного спектра, так как окно 5, находящееся непосредственно перед входной (вертикальной) щелью 6 спектрографа 4, своим перпендикулярным движением относительно щели 6, пропускает излучение 1 дугового разряда через различные участки щели 6, что и обеспечивает получение заданной серии спектров в процессе поступления паров пробы в дуговой разряд. Для вращения шестерни привода 10 используют серийный мотор типа РД-9 с редуктором. Шкалы 11 контролируют действие устройства.

Половина оборота вала привода 10 через зубчатую шестеренку передвигает кремальеру 9 на одну восьмую часть полного ее перемещения (один шаг). Поворот вала привода 10 на одну треть определяет соответственно двенадцать фиксированных положений шторки 3 перед щелью 6 спектрографа 4.

В схему электропитания мотора (фиг.2) включено стандартное реле времени БРВ. Реле позволяет точно выдержать заданную экспозицию (по времени) при получении каждого фиксируемого спектра. После экспонирования первого спектра БРВ включает мотор М для перемещения шторки на один интервал, фиксируется второй спектр, аналогично и все последующие.

Переключением направления вращения вала мотора (тумблер 1) возвращают кремальеру в исходное положение. Торцовые микровключатели ограничивают движение кремальеры в начальном и конечном положении (не указаны). Свободные контакты микровыключателей служат для включения питания сигнальных устройств.

Для автоматического включения экспозиции и последующего перевода шторки (диафрагмы) при фиксировании всей серии спектров сделаны следующие изменения включения блока реле времени (БРВ). Кнопку пуска КН закорачивают через замкнутые боковые контакты 12 дополнительного магнитного пускателя Р (в выключенном положении). Магнитный пускатель Р включен в схему БРВ через контакты соединения затвора (гнездо "затвор"). При срабатывании магнитного пускателя Р (после экспонирования первого спектра) через его боковые контакты 13 включается мотор М на 1-2 с. При повороте кулачкового диска на валу мотора штырек микровключателя 14 выпадает из углубления и питание электромотора идет через его замкнутые контакты. При дальнейшем вращении диска штырек микровыключателя 14 западает в последующее углубление и вращение вала мотора М прекращается. В момент срабатывания магнитного пускателя контакт 12 разрывает цепь замыкания кнопки пуска КН (при включенном положении ВКЛ), "освобождая" ее для следующего включения экспозиции (это условие схемы БРВ). При этом на пульте БРВ стрелка шкалы "экспозиция" должна быть установлена на деление, соответствующее 1-2 с. При замкнутом включателе ВКЛ цикл повторяется. Таким образом, при любой заданной экспозиции (по шкале БРВ "обжиг") с помощью предлагаемого устройства автоматически осуществляется воспроизведение во времени развернутого спектра на неподвижную пластинку путем дробного экспонирования в процессе фракционной дистилляции плазмы дугового разряда, что исключает потери эмиссии от спектра к спектру и вместе с высокой точностью экспонирования каждого спектра определяет надежность и повышает чувствительность фазового анализа состава анализируемой пробы, сущность которого и заключается в регистрации изменения интенсивности спектральных линий химических элементов пробы в режиме фракционной дистилляции. Естественно, что автоматический перевод шторки щели спектрографа и одновременно включение нужной экспозиции повышают производительность труда.

Полученная с помощью автоматического устройства развертка общего спектра пробы маложелезистого боксита с повышенным содержанием свинца и титана (спектрограф СТЭ-1, длина волн линий в ) показывает, что свинец в образце содержится в виде самостоятельного минерала как механическая примесь (установлено минералогическим анализом), фиксируется в начальной стадии фракционной дистилляции. Другой элемент титан частично входит в кристаллическую решетку составляющих минералов, фиксируется синхронно с основными компонентами пробы (алюминий, магний, кремний, железо). Кроме того, титан фиксируется как примесь в конечные стадии дистилляции, подтверждено минералогическим анализом присутствие титана в пробе в качестве самостоятельных минералов. Хром, содержащийся в пробе, фиксируется синхронно с линиями железа, магния, кремния, изоморфно входит в кристаллическую решетку основных минералов образца.

Свинец в противоположность первому примеру, хотя и в заметно меньшей концентрации фиксируется в образце гранита синхронно с основными компонентами пробы (магний), что свидетельствует о его изоморфной связи с кристаллической решеткой главных компонентов образца.

Преимущество автоматизации фазового анализа, проявляющееся в увеличении его чувствительности и производительности, весьма существенно на примере геохимических поисков при изучении подвижности рудных и рассеянных элементов в породах и породообразующих минералах, так как задача геохимии не только в определении качественного и количественного состава элементов, но и в установлении формы их нахождения, именно форма нахождения определяет миграционную способность элементов, что и характеризует рудоносность тех или иных площадей. Таким образом, для любого геохимического исследования важно знать, что в изучаемом объекте не только много того или иного элемента, но и то, что значительная его часть является "миграционно способной". Именно эти вопросы и позволяет решить высокочувствительный и производительный фазовый анализ.

Формула изобретения

1. Способ фазового анализа состава минеральных образований, включающий испарение образца и возбуждение его эмиссионного спектра посредством дугового разряда, регистрацию в процессе фракционной дистилляции спектров образца при освещении разрядом входной щели спектрографа, снабженного шторкой, размещенной перед щелью, установление форм нахождения химических элементов в образце, отличающийся тем, что регистрируют на неподвижной фотопластинке серию спектров, расположенных строго один под другим, путем ступенчатого освещения разрядом различных участков входной щели спектрографа за счет автоматического перемещения шторки, при этом режим перемещения шторки выбирают таким, чтобы исключить перерывы в освещении щели, фиксируют изменение интенсивности спектральных линий химических элементов от спектра к спектру и по характеру изменения интенсивности линий в серии спектров устанавливают форму нахождения химических элементов в образце.

2. Устройство для фазового анализа состава минеральных образований, включающее источник возбуждения дугового разряда и спектрограф, снабженный входной щелью и шторкой, при этом разрядный промежуток оптически связан с входной щелью спектрографа, а шторка размещена перед щелью, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит привод, снабженный электродвигателем, магнитный пускатель и реле времени, причем в шторке выполнено окно, расположенное под углом к щели спектрографа, привод соединен со шторкой, а реле времени через магнитный пускатель присоединено к электродвигателю.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2