НОВЫЙ ПОДХОД К АНАЛИЗУ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ТЕХНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ АЭС-ИСП

ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. Литературный обзор 9
1.1 Особенности и методы анализа геологических и технических
материалов 9
1.2 АЭС-ИСП силикатный анализ горных пород, минерального сырья и
технических материалов 13
1.2.1 Способы пробоподготовки 14
1.2.2 Способы градуировки 24
1.2.3 Методики и их метрологические характеристики 28
ГЛАВА 2. Объекты исследования, оборудование, реактивы 33
ГЛАВА 3. Пробоподготовка образцов 38
3.1 Кислотное растворение 39
3.2 Сплавление с гидроксидом лития 42
ГЛАВА 4. Градуировка по отношениям концентраций в АЭС-ИСП измерениях 46
ГЛАВА 5. АЭС-ИСП анализ силикатных горных пород 56
5.1 Пробоподготовка 56
5.2 Г радуировка и условия измерений 56
5.3 Результаты определений 64
ГЛАВА 6. АЭС-ИСП анализ материалов с карбонатной матрицей 76
6.1 Пробоподготовка 76
6.2 Г радуировка и условия измерений 76
6.3 Результаты определений 79
ГЛАВА 7. АЭС-ИСП анализ железорудного сырья 83
7.1 Пробоподготовка 83
7.2 Г радуировка и условия измерений 83
7.3 Результаты определений 84
ГЛАВА 8. АЭС-ИСП анализ технических материалов 87
8.1 Пробоподготовка 87
8.2 Г радуировка и условия измерений 88
8.3 Результаты определений 90
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 94
ВЫВОДЫ 96
Список сокращений и условных обозначений 98
Список литературы 99
Приложение А Расчет среднеквадратичного отклонения повторяемости.... 111
Приложение Б Метод оценки показателей качества методики анализа с применением методики с известными (оцененными) значениями показателя точности (методики сравнения) 113
Приложение В Данные по расчету показателей качества
Купить

Актуальность работы. Значение химического анализа минерального сырья, горных пород, технических материалов на их основе, прежде всего, для геологии, геохимии, черной и цветной металлургии трудно переоценить. Среди многообразия решаемых задач исторически особое место принадлежит силикатному анализу - определению массовых долей оксидов породообразующих элементов SiO2, TiO2, Al2O3, Fe2O3, FeO, MnO, MgO, CaO, Na2O, K2O, P2O5 сумма которых может достигать 99 % массы горных пород. Вследствие, установленных нормативными документами, повышенных требований к точности измерений на уровне 0,3-0,8 % отн. в диапазоне содержаний массовых долей компонентов 2070 %, в силикатном анализе большую долю занимают классические химические методы [1, 2]. Однако, несмотря на обеспечение требуемой точности измерений, эти методы имеют ряд недостатков: являются одноэлементными, трудоёмкими, требуют большого расхода, в ряде случаев, токсичных реагентов и зачастую связаны с субъективной оценкой окончания соответствующих процедур. Поэтому одним из основных трендов современного силикатного анализа является привлечение альтернативных инструментальных, многоэлементных методов, в частности, атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (АЭС-ИСП) [3-5]. Использование АЭС-ИСП позволяет в значительной степени повысить эффективность силикатного анализа, однако точность измерений (1-10 % отн.) остается проблемным вопросом. Во многом это связано с недостаточно эффективными способами пробоподготовки и градуировки. Так, в стандартизованных методиках c применением АЭС-ИСП используются процедуры, которые не выглядят идеальными - щелочное сплавление проб с флюсом в платиновых тиглях [6-8]. Значительный прогресс в повышении точности АЭС-ИСП измерений был достигнут при анализе ряда металлов с использованием способа градуировки спектрометров по отношениям концентраций [9-11]. В данном случае в качестве внутреннего стандарта выступает матричный компонент пробы. При этом, погрешности определения основных компонентов могут составлять 0,1 % отн., а в отдельных случаях - 0,003 % отн. [12, с. 339 - 354].
Однако, для реализации данного способа градуировки в АЭС-ИСП анализе геологических и технических материалов потребовалось решение ряда задач, связанных с модернизацией известных и разработкой новых эффективных процедур пробоподготовки, а также выводом базовых уравнений для построения градуировочных зависимостей с учетом особенностей исследуемых объектов [1316].
Цель исследования: разработка нового подхода к выполнению силикатного анализа геологических и технических материалов методом АЭС-ИСП, включающего оптимальное сочетание направленных способов пробоподготовки и градуировку по отношениям концентраций.
Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать способы пробоподготовки с улучшенными показателями эффективности и экономичности.
2. Вывести уравнения для построения градуировочных зависимостей по отношениям концентраций с учетом особенностей объектов анализа.
3. Предложить алгоритмы АЭС-ИСП измерений в рамках нового подхода.
4. Разработать АЭС-ИСП методики силикатного анализа геологических и технических материалов и провести их апробацию.
Научная новизна работы:
1. Предложен и реализован новый подход к силикатному анализу геологических и технических материалов методом АЭС-ИСП, обеспечивающий точность измерений на уровне классических химических методов анализа.
2. Модернизированы известные и разработаны новые способы пробоподготовки с улучшенными показателями эффективности и экономичности в сравнении с существующими процедурами: кислотное растворение проб в закрытых тефлоновых пробирках и автоклавах при нагревании (геологические материалы с силикатной, карбонатной матрицами, железорудное сырье) и щелочное сплавление с гидроксидом лития в серебряных тиглях (ильменитовые, цирконовые концентраты, огнеупоры с высоким содержанием хрома).
3. Получены и обоснованы уравнения для градуировочных зависимостей по отношениям концентраций, обеспечивающие наилучшую точность АЭС-ИСП измерений при проведении силикатного анализа по сравнению с другими способами градуировки.
4. Предложен алгоритм АЭС-ИСП измерений, определяющий направленный выбор способов пробоподготовки и градуировочных зависимостей по отношениям концентраций для разработки АЭС-ИСП методик анализа.
Практическая значимость.
Разработаны методики АЭС-ИСП силикатного анализа ряда геологических и технических материалов, позволяющие единовременно определять массовые доли оксидов породообразующих элементов с метрологическими характеристиками на уровне требований нормативных документов.
АЭС-ИСП методика анализа железорудного сырья позволяет определять железо с заданной, а все остальные компоненты, как правило, с превосходящей ГОСТ 23581 точностью и в более широких диапазонах содержаний.
АЭС-ИСП методика анализа карбонатных пород успешно апробирована во время межлабораторной аттестации стандартного образца шлака Ш17 производства ЗАО «Институт стандартных образцов» (Екатеринбург).
АЭС-ИСП методика силикатного анализа геологических материалов аттестована и функционирует в Аналитическом центре АО «Сибирское ПГО» Росгеологии в ранге стандарта предприятия СТП № 04-КХА.
Получена дополнительная информация о компонентах стандартных образцов ильменитового (ГСО 8850-2006), цирконового (ГСО 4087-87) концентратов, огнеупора хромитопериклазового типа ХПЗ (ГСО 4117-87).
Личный вклад автора: состоял в обобщении, систематизации литературных данных по методам анализа геологических и технических материалов, а также в проведении необходимых АЭС-ИСП процедур, интерпретации и обработки экспериментальных результатов.
Положения, выносимые на защиту:
1. Научно обоснованный подход к оценке и минимизации влияния факторов, формирующих погрешности АЭС-ИСП методик силикатного анализа.
2. Способы пробоподготовки, оптимизированные по критериям эффективности и экономичности, и уравнения для градуировочных зависимостей по отношениям концентраций с учетом особенностей объектов анализа.
3. Алгоритм АЭС-ИСП измерений, определяющий направленный выбор способов пробоподготовки и градуировочные зависимости по отношениям концентраций для разработки АЭС-ИСП методик анализа.
4. АЭС-ИСП методики анализа силикатных горных пород, материалов с карбонатной матрицей, железорудного сырья и концентратов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены и обсуждались на II International (XII Ukrainian) scientific conference for students and young scientists «Current chemical problems» (Ukrain, Vinnytsia, 2019), XXI Менделеевском съезде по общей и прикладной химии «МЕНДЕЛЕЕВ-2019» (Санкт-Петербург, 2019), III Всероссийской конференции по аналитической спектроскопии с международным участием (Туапсе, 2019), XVI Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной году памяти и славы (75-летию Победы в Великой Отечественной войне 1941-1945 годов) «ПРОСПЕКТ СВОБОДНЫЙ - 2020» (Красноярск, 2020), XI Всероссийской Научной конференции и школе «Аналитика Сибири и Дальнего Востока» (Новосибирск, 2020), XI Всероссийской Научной конференции и школе «Аналитика Сибири и Дальнего Востока» (Новосибирск, 2021), IV Съезде аналитиков России (Москва, 2022), V Международной научной конференции «Стандартные образцы в измерениях и технологиях» (Екатеринбург, 2022), IV Всероссийской конференции по аналитической спектроскопии с международным участием (Краснодар, 2023).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ: 5 статей в рецензируемых научных журналах из списка ВАК, а также 10 тезисов докладов на всероссийских и международных конференциях.
Структура и объем работы: Диссертационная работа состоит из введения, главы литературного обзора, восьми глав экспериментальной части, заключения, выводов, списка сокращений и условных обозначений, списка цитируемой литературы и приложений. Диссертационная работа изложена на 123 страницах машинописного текста, включает 31 таблицу, 16 рисунков и список литературы из 110 наименований.

Купить