Способ элементного инструментального анализа твердых материалов

Изобретение относится к технике оптических измерений. Способ включает испарение порошка анализируемой пробы и атомизацию. Атомизации подвергают коллоидный раствор, полученный при диспергировании сублимата анализируемой пробы в жидкости, при этом указанный сублимат получают испарением анализируемой пробы в электрической дуге, а частицы коллоидного раствора имеют крупность 0,05-0,1 мкм. Проводят атомизацию в газовой горелке или в графитовой кювете атомно-абсорбционного спектрометра или в плазматроне с индуктивно-связанной плазмой. Технический результат - повышение точности или чувствительности анализа.

 

Изобретение относится к аналитической химии и может быть использовано при анализе горных пород, руд, минералов и продуктов их переработки.

Известны методы химического анализа с инструментальным окончанием [1], в которых анализируемая проба перед проведением измерений подвергается химическому разложению и переводится в раствор. Основным недостатком этих методов является длительность, сложность и трудоемкость операций химического разложения, а также отсутствие универсальных технологий разложения для широкого круга элементов и материалов.

Предложен способ прямого атомно-абсорбционного анализа твердых материалов, заключающийся в том, что в горелку спектрометра пробу вводят в виде коллоидного раствора с размером частиц дисперсной фазы не более 5 мкм [2]. Коллоидный раствор получают одним из известных методов: истирание в коллоидной мельнице, или дробление высокочастотным искровым разрядом. Для улучшения прохождения по всасывающему капилляру и распыления в раствор добавляют стабилизирующие добавки высокомолекулярных органических соединений. Однако, поскольку содержащиеся в анализируемой пробе элементы, как правило, присутствуют в виде различных химических соединений или имеют различную минералогическую форму, при анализе коллоидного раствора, полученного таким способом, могут появляться значительные систематические ошибки, связанные с различиями форм химических соединений элементов анализируемой пробы и применяемых образцов сравнения.

В качестве прототипа предлагаемого изобретения выбран известный способ термохимической обработки порошковых проб для эмиссионного спектрального анализа [3], который обеспечивает эффективное устранение влияния на результаты анализа различий форм соединений элементов, минералогических форм и крупности частиц порошка. Способ предусматривает испарение анализируемой пробы в плазме электрической дуги. Материал пробы или образца сравнения, предварительно доведенные до крупности 50-100 мкм, помещаются в отверстия двух графитовых электродов, между которыми возбуждается электрический разряд. Образующиеся пары улавливаются зонтом, снабженным фильтром и вакуумной откачкой. Собранный с фильтра сублимат анализируется одним из методов эмиссионного спектрального анализа, например методом вдувания в плазму мощной электрической дуги при силе тока 20-30 А. При испарении в электрической дуге, имеющей температуру 5000-7000К, входящие в состав анализируемой пробы химические соединения разлагаются, составляющие пробу элементы реагируют с кислородом воздуха и каждый из них образует свойственные ему кислородные соединения. Поскольку термохимической обработке подвергаются как анализируемые пробы, так и применяемые образцы сравнения, систематические ошибки, связанные с различием форм химических соединений элементов анализируемой пробы и применяемых образцов сравнения, эффективно устраняются.

Недостатком известного метода является то, что частицы испаренной пробы, поступающие в зону улавливания и имеющие весьма малые размеры (порядка 0,05-0,1 мкм), при осаждении агрегатируются, что приводит к практически полной потере сыпучести сублимата. Поэтому при анализе сублимата методом просыпки-вдувания в плазму электрической дуги для придания сыпучести его смешивают с буферным порошком. При этом частицы сублимата агрегатируются на более крупных частицах буферного порошка, который, как правило, имеет крупность 50-100 мкм. Механическое или электроискровое распыление порошка, вдуваемого в плазму дуги, не устраняет агрегатирование частиц сублимата, что снижает испаряемость анализируемого материала и приводит к появлению систематических ошибок анализа. Кроме того, частицы смеси сублимата и буферного порошка можно атомизовать только в высокотемпературной (5000-7000К) и мощной (сила тока 20-30 А) электрической дуге. В источниках такого типа наблюдается сильная зависимость электрических параметров плазмы, а следовательно, и условий возбуждения элементов от валового состава анализируемой пробы.

Применение в качестве атомизаторов газового пламени, электротермических атомизаторов (графитовых кювет) или индуктивно-связанной плазмы невозможно, поскольку крупность частиц аэрозоля, вводимого в такие атомизаторы, должна составлять 1-5 мкм. На практике это достигается предварительным химическим разложением анализируемой пробы и введением ее в атомизатор в виде истинного раствора.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности и чувствительности анализа твердых образцов при использовании в качестве атомизаторов более стабильного газового пламени, электротермических атомизаторов и высокотемпературных плазматронов ИСП, а также ускорение разложения анализируемой пробы и унификация этого процесса для широкого круга элементов и материалов.

Предложенный способ элементного инструментального анализа твердых материалов включает испарение порошка анализируемой пробы и атомизацию, причем атомизации подвергают коллоидный раствор, полученный при диспергировании сублимата анализируемой пробы в жидкости, при этом указанный сублимат получают испарением анализируемой пробы в плазме электрической дуги, а частицы коллоидного раствора имеют крупность 0,05-0,1 мкм, атомизацию проводят в газовой горелке или в графитовой кювете атомно-абсорбционного спектрометра либо в плазматроне с индуктивно-связанной плазмой.

Поставленная цель достигается диспергированием сублимата, полученного испарением анализируемой пробы в электрической дуге, в жидкости. Частицы полученного коллоидного раствора имеют такую же крупность, что и пары пробы, подаваемые в зону улавливания сублимата (0,05-0,1 мкм). Крупность частиц коллоидного раствора значительно (в среднем на полтора-два порядка) меньше, чем после обработки пробы с помощью коллоидной мельницы [2], соответственно, отпадает необходимость контроля крупности частиц при размоле пробы и добавления стабилизаторов. При подготовке проб в рамках предлагаемого метода высокотемпературного разложения все химические соединения и минералогические структуры, в которые входят анализируемые элементы, разрушаются, чего не происходит при механическом размоле твердой пробы в коллоидной мельнице.

Практически полностью устраняется агрегатирование частиц сублимата анализируемой пробы, чего невозможно достичь при распылении сухого сублимата, смешанного с буферным порошком. Появляется возможность проведения прямого (без применения методов химического разложения) многоэлементного анализа твердых материалов с использованием более стабильных в сравнении с мощной электрической дугой по методу [3] атомизаторов: газового пламени, электротермических атомизаторов, индуктивно-связанной плазмы. При этом улучшаются метрологические характеристики прямого многоэлементного анализа: точность, воспроизводимость, чувствительность, снижаются трудозатраты при проведении прямого многоэлементного анализа с использованием современных высокотехнологичных спектрометров, оснащенных более совершенными устройствами измерений аналитического сигнала и методами обработки полученной информации.

Пример конкретного выполнения способа.

Навеска сублимата анализируемой пробы или образца сравнения, полученного в соответствии с [3], помещается в жидкость и перемешивается с применением ультразвукового диспергатора. Время перемешивания составляет 3-5 мин в зависимости от массы диспергируемого сублимата. Существенного осаждения частиц полученного коллоидного раствора в период работы не выявлено. Коллоидные растворы анализируемых твердых проб и образцов сравнения атомизуются в газовых горелках или в электротермических атомизаторах атомно-абсорбционных спектрометров либо в плазматронах атомно-эмиссионных ИСП-спектрометров. Далее выполняется измерение содержания элементов обычными методами.

Источники информации

1. Г.Юинг. Инструментальные методы химического анализа М.: Мир, 1989, С.132-136, С.198-200.

2. Авторское свидетельство СССР №587342, кл. G 01 J 3/42, 1978.

3. А.К.Русанов Основы количественного спектрального анализа руд и минералов. М.: Недра, 1978, С.136-141.

Способ элементного инструментального анализа твердых материалов, включающий испарение порошка анализируемой пробы и атомизацию, отличающийся тем, что атомизации подвергают коллоидный раствор, полученный при диспергировании сублимата анализируемой пробы в жидкости, при этом указанный сублимат получают испарением анализируемой пробы в электрической дуге, а частицы коллоидного раствора имеют крупность 0,05-0,1 мкм, проводят атомизацию в газовой горелке или в графитовой кювете атомно-абсорбционного спектрометра или в плазматроне с индуктивно-связанной плазмой.