Двухструйный дуговой плазмотрон в атомно-эмиссионном анализе геологических проб и дисперсных технологических материалов - Автореферат

В отечественной аналитической практике широкое распространение для анализа твердофазных геологических проб получили дуговые двухструйные плазмотроны, разработанные в 70-х годах прошлого столетия, к настоящему времени многие из них исчерпали свои материальные ресурсы. Корректно решить задачу оптимизации условий проведения анализа с применением плазмотрона новой конструкции невозможно без исследования условий формирования аналитического сигнала в плазменном источнике. Для достижения цели были поставлены следующие задачи: Выявить связь энергетических характеристик плазмотрона, задаваемых применяемыми конструкциями электродных головок: током, формирующим плазму; углом между плазменными струями, а также расходами плазмообразующего и транспортирующего пробу газов - с температурой плазмы. На основе полученных результатов на защиту выносится следующее: Разработанная экспериментальная установка, состоящая из ДДП новой конструкции и двух спектрографов, позволяющая проводить атомно-эмиссионный спектральный анализ геологических и дисперсных технологических проб одновременно двумя способами: традиционным интегральным и разработанным кинетическим. Результаты исследования распределений температуры, интенсивностей аналитических линий БМ и отношений интенсивностей аналитических линий к фону по вертикальной оси плазменного факела, полученные для разных конструкций электродных головок и рабочих характеристик плазмотрона (варьировались величины тока, формирующего плазму; угла между плазменными струями и соотношения расходов плазмообразующего и транспортирующего пробу газов).Для прямого атомно-эмиссионного спектрального анализа дисперсных проб проведено комплексное исследование автоматизированной установки на базе дугового двухструйного плазмотрона и двух спектрографов с регистрацией посредством применения анализаторов МАЭС. Максимальная температура факела плазмотрона ДДП Тмах, ДДП = 7900±10 0К. выше, чем достигается в плазмотроне ДГП-50, Зона высоких температур плазмотрона ДДП существенно уже, чем в плазмотроне ДГП-50, и находится ближе к основанию факела. Анализ экспериментальных данных позволяет заметить, что применение корреляционных зависимостей интенсивностей аналитического сигнала от параметров плазмы при построении градуировочных графиков уменьшает погрешности результатов анализа, за счет учета изменения условий возбуждения и матричных эффектов. Оптимальные условия проведения анализа выбраны на основе математического метода планирования оптимального эксперимента с учетом полученных экспериментальных данных по распределению температуры и интенсивностей спектральных линий по высоте плазменного факела дугового двухструйного плазмотрона. Для плазмотрона ДГП-50 в оптимальных условиях получены пределы обнаружения (по критерию 3s) для золота, серебра и платиновых металлов (ppm ): Ag, - 0.03; Au - 0.3; Pt-0.7; Pd - 0.5; Ru, Rh-1 . За счет оптимизации условий анализа и применения новой конструкции электродных головок плазмотрона ДДП пределы обнаружения благородных металлов снижены в 2-3 раза.

. Основное содержание диссертации

Для прямого атомно-эмиссионного спектрального анализа дисперсных проб проведено комплексное исследование автоматизированной установки на базе дугового двухструйного плазмотрона и двух спектрографов с регистрацией посредством применения анализаторов МАЭС. Созданная экспериментальная установка позволяет проводить атомно-эмиссионный спектральный анализ одновременно двумя способами: традиционным интегральным и новым вариантом сцинтилляционного - спектральным кинетическим.

Для установления закономерностей формирования аналитического сигнала проведено измерение распределений «эффективной» температуры и интенсивностей аналитических линий благородных металлов по высоте факела двухструйного плазмотрона. Максимальная температура факела плазмотрона ДДП Тмах, ДДП = 7900±10 0К. выше, чем достигается в плазмотроне ДГП-50, Зона высоких температур плазмотрона ДДП существенно уже, чем в плазмотроне ДГП-50, и находится ближе к основанию факела.

Впервые показано, что максимальные значения интенсивностей аналитических линий и максимум отношения Ілинии/Іфон могут при определенных условиях находиться на разной высоте от основания плазменного факела.

Выявлены закономерности влияния параметров плазмотрона на распределение интенсивностей аналитических линий. Анализ экспериментальных данных позволяет заметить, что применение корреляционных зависимостей интенсивностей аналитического сигнала от параметров плазмы при построении градуировочных графиков уменьшает погрешности результатов анализа, за счет учета изменения условий возбуждения и матричных эффектов.

Изучены и продемонстрированы аналитические возможности плазмотронов.

Оптимальные условия проведения анализа выбраны на основе математического метода планирования оптимального эксперимента с учетом полученных экспериментальных данных по распределению температуры и интенсивностей спектральных линий по высоте плазменного факела дугового двухструйного плазмотрона. Для плазмотрона ДГП-50 в оптимальных условиях получены пределы обнаружения (по критерию 3s) для золота, серебра и платиновых металлов (ppm ): Ag, - 0.03; Au - 0.3; Pt-0.7; Pd - 0.5; Ru, Rh -1 . За счет оптимизации условий анализа и применения новой конструкции электродных головок плазмотрона ДДП пределы обнаружения благородных металлов снижены в 2 -3 раза.

3. Проведенные исследования с использованием трудно разлагаемых стандартных образцов состава геологических проб показали, что окислительное фторидное разложение проб тетрафтороброматом калия с их последующей сульфатизацией является удобным и экспрессным методическим приемом. Установлено, что предложенная комбинированная двухстадийная пробоподготовка не искажает результаты определений. Данные определений содержаний БМ атомно-абсорбционным и атомно-эмиссионным методами практически совпадают с аттестованными данными других методов анализа. Для этого комбинированного метода получены пределы обнаружения (ppm): Ag - 0.01, Au - 0.05; Pt, Pd - 0.07; Ru, Rh - 0.09

4. Изучена возможность определения одновременно с золотом, серебром и платиновыми металлами большой группы сопутствующих элементов (Смин на уровне (0.01-0.03 ppm). Перспективность применения плазмотрона ДДП продемонстрирована на анализе различных дисперсных объектов: экологических, геологических - углеродистых (черносланцевых) пород, предполагаемого стандартного образца щелочного гранита СГ-4, технологических (Li-содержащих материалов, углеродных-фторуглеродных композитных наноматериалов). При проведении экологических исследований важными являются определения тяжелых токсичных металлов в почве, в том числе таких «суперэкотоксикантов» как ртуть и таллий, а также их одновременного определения в модифицированных углеродных сорбентах, применяемых для очистки сточных вод химического производства.

5. Разработан кинетический спектральный способ (КСС) одновременного определения распределения частиц золота и элементов платиновой группы по массе и концентрации элементов в дисперсной пробе. За счет уменьшения времени экспозиции предел определения БМ снижен и составляет для Au -1.10-2 ppm, для Pt - 2.5.10-2 ppm (3s-критерий). Предложенный способ регистрации дает инструмент для изучения распределений частиц в исследуемом объекте, по данным гистограммы можно судить о массе частиц БМ, а также концентрации элементов в дисперсной пробе.

6. Одновременная регистрация спектра пробы двумя способами дает мощный инструмент геохимикам не только для определения количественного содержания БМ в пробе, но и информацию о распределении элементов и формы их нахождения в пробе.

Атомно-эмиссионный анализ дисперсных проб с применением дугового двухструйного плазмотрона реализован в Институте геологии и минералогии СО РАН, г.Новосибирск. Дальнейшее развитие этого способа требует разработки новых систем регистрации с временем экспозиции менее 10-3с, а также разработки программного обеспечения метода.

1. Заякина С.Б., Дамен Ф.И., Юделевич И.Г. Исследование возможностей емкостно-связанной плазмы для атомно-эмиссионного спектрального анализа. //Высокочистые вещества, 1994, № 1, с.120 - 129.

2. Заякина С.Б., Аношин Г.Н., Герасимов П.А, Смирнов А.В. Автоматизированная установка для атомно-эмиссионного определения золота, серебра и платиновых металлов // Журнал аналитической химии, 1999,№ 8 с. 877-884

3. Zayakina S.B., Anoshin G.N. Determination of Gold, Silver and Platinum - Group Elements in Geochemical Reference Materials by Direct Atomic Emission Spectral Analysis Using a Multichannel Analyser Recording Device. // Geostandards Newsletter: The Journal of Geostandards and Geoanalysis. 2001. Vol.25. N1, pp. 57-66.

4. Заякина С.Б, Конарбаева Г.А. Сравнительная оценка методик определения валового таллия на примере почв юга Западной Сибири // Сибирский экологический журнал. 2000, №6, с. 671-677

5. Митькин В.Н., Заякина С.Б., Цимбалист В.Г. Методы пробоподготовки и многоэлементного спектрального экспресс-определения благородных металлов и элементов макроосновы в сырье с применением двуструйного плазмотрона и МАЭС-10. // XVII Международное Черняевское совещание по химии, анализу и технологии платиновых металлов. Москва. 2001.c.150

6. Митькин В.Н., Заякина С.Б, Цимбалист В.Г, Корда Т.М., Аношин Г.Н. Метрологические результаты анализов геохимических стандартных образцов состава на благородные металлы и элементы макроосновы с применением окислительного фторидного разложения в сопоставлении с данными межлабораторных экспериментов //XVII Международное Черняевское совещание по химии, анализу и технологии платиновых металлов. Москва. 2001.С.166

7. Митькин В.Н., Цимбалист В.Г., Заякина С.Б Сочетание окислительного фторидного разложения с сульфатизацией - метод вскрытия и гомогенизации пробы при инструментальном определении благородных металлов в геологических материалах. //XVII Международное Черняевское совещание по химии, анализу и технологии платиновых металлов. Москва. 2001. С.152

8. Заякина С.Б., Митькин В.Н., Аношин Г.Н. Повышение чувствительности и точности многоэлементного атомно-эмиссионного метода при геохимических исследованиях. //Всероссийская конференция «Актуальные проблемы аналитической химии» Москва. 2002 т.2.С. 179-180

9. Левченко Л.М, Митькин В.Н., Заякина С.Б., Денисова Т.Н. Контроль содержания ртути в технологических растворах и отработанных ртутьсодержащих углеродных сорбентах литиевого производства. // III Международный Симпозиум «Контроль и реабилитация окружающей среды», Томск.. 2002.

10. Митькин В.Н., Заякина С.Б., Цимбалист В.Г. Пробоподготовка с использованием окислительного фторидного разложения и сульфатизации на примере определения благородных металлов в стандартных образцах состава геологических проб. //Журнал аналитической химии . 2003 №1,c.22-33

11. Mitkin V.N., Zayakina S.B., Tsimbalist V.G., Galizky A.A. Application of potassium tetrafluorobromate to the rapid decomposition and determination of noble metals in chromites and related materials. // Spectrochimica Acta, 2003 Part B 58 pp.297-310

12. Mitkin V.N., Zayakina S.B., Anoshin G.N. New technique for the determination of trace noble metal content in geological and process materials. // Spectrochimica Acta, 2003 Part B 58, pp.311 - 328

13. Mitkin V.N., Zayakina S.B., Galizky A.A. Application of bromine trifluoride and potassium tetrafluorobromate (III) for rapid chemical sampling and noble metals n determination in the persistent materials”. // Advanced Inorganic Fluorides . Proceedings of ISIF -2003. The First International Siberian Workshop INTERSIBFLUORINE 2003. Novosibirsk.2003

14. Заякина С.Б., Аношин Г.Н., Митькин В.Н., Левченко Л.М.. Расширение возможностей и информативности при компьютеризации атомно-эмиссионного спектрального анализа //XVII Менделеевский съезд по общей и прикладной химии. Казань. 2003. Тез. докл. Т.1. с.334

15. Левченко Л.М., Митькин В.Н., Шавинский Б.М., Заякина С.Б и др. Модифицированные синтетические углеродные сорбенты //XVII Менделеевский съезд по общей и прикладной химии. Казань. 2003. Тез.докл.Т.3.с.244

16. Заякина C. Б., Аношин Г.Н., Левченко Л.М., Митькин В.Н., Путьмаков А. Н. Высокая информативность прямого атомно-эмиссионного спектрального анализа при применении МАЭС. // Аналитика и контроль, 2004, Т.8, № 3. С. 236-247.

17. Zayakina S.B., Anoshin G.N. Account for the spatial parameter distribution in two-jet plasma torch plasma while analytic procedures are developed. // XII International Conference on the Methods of Aerophysical Research. Proceedings. Part III. Novosibirsk : Publishing House “ Nonparel”, 2004, pp.193-197.

18. Заякина С.Б., Аношин Г.Н., Путьмаков А.Н. Компьютеризированный эмиссионный спектральный анализ: перспективы и возможности. // Всероссийская конференция по аналитической химии «Аналитика России», Москва, 2004, с.115.

19. Заякина С.Б., Путьмаков А.Н., Аношин Г.Н. Модернизация дифракционного спектрографа ДФС-458С: расширение возможностей атомно-эмиссионного спектрального анализа //Аналитика и контроль, 2005, № 2с.212-21

20. Заякина С.Б., Засыпкин И.М., Аношин Г.Н., Путьмаков А.Н. Параметры плазмы двухструйного дугового плазмотрона, применяемого для прямого атомно-эмиссионного спектрального анализа твердых геохимических образцов //4-й Международный Симпозиум по теоретической и прикладной плазмохимии (Сборник материалов), Иваново,2005. Т.2 с. 543-547

21. Заякина С.Б., Аношин Г.Н. Перспективы и возможности современного эмиссионного спектрального анализа - модернизация оборудования и автоматизация, компьютеризация всего процесса анализа//Электронный журнал» Исследовано в России» 2005, c.1025-1033

22. Митькин В.Н., Левченко Л.М., Ханчук А.Н., Заякина С.Б. и др . Определение благородных металлов в черносланцевых материалах рудных месторождений Восточной Сибири, Северо-Востока и Приморья с применением окислительного фторирования и других методов разложения // Материалы конференции «Благородные и редкие металлы Сибири и дальнего Востока. Иркутск. 2005. Т.2. С. 228 - 231.

23. Заякина С.Б. К вопросу об определении эффективных температур в двухструйном дуговом плазмотроне // Журнал аналитической химии,2006 №3 с.275-280

24. Заякина С.Б., Аношин Г.Н. Учет влияния условий возбуждения в аргоновом дуговом двухструйном плазмотроне при определении микропримесей // Журнал аналитической химии, 2006 № 8 С 350-365

25. Заякина С.Б, Левченко Л.М., Митькин В.Н. Атомно-эмиссионный способ определения ртути и широкого круга элементов в углеродных сорбентах, применяемых в технологии очистки сточных вод литиевого производства //Химия в интересах устойчивого развития, 2006 с.127-135

26. Левченко Л.М., Митькин В.Н., Заякина С.Б., Денисова Т.Н., Галкин П.С., Уланов А.В. Определение ртути в технологических литий содержащих растворах и ртутьсодержащих углеродных сорбентах //Химия в интересах устойчивого развития,2006 №2с.251-258

27. Заякина С.Б, Аношин Г.Н., Левченко Л.М., Митькин В.Н. Определение тяжелых и токсичных металлов в экологических твердых объектах на универсальной установке для атомно-эмиссионного анализа //Материалы VI Всероссийской конференции по анализу объектов окружающей среды «ЭКОАНАЛИТИКА-2006». Самара 2006

28. Митькин В.Н., Галицкий А.А., Заякина С.Б., Ханчук А. И., Лихойдов Г.Г., Плюснина Л.П., Колмогоров Ю.П., Андросова Н.В., Сапрыкин А.И. Особенности окислительной фторидной пробоподготовки и определения благородных металлов в углеродсодержащих геологических материалах месторождений Приморья //XVIII Международное Черняевское совещание по химии, анализу и технологии платиновых металлов. Тезисы докл. Часть II. Москва. 2006. С.73-75

29. Заякина С.Б., Митькин В.Н., Галицкий А.А., Миронов А.Г., Аношин Г.Н. Определение благородных металлов в черносланцевых, золото-сульфидных и серебряно-полиметаллических рудах Западного Забайкалья с применением окислительного фторидного разложения //XVIII Международное Черняевское совещание по химии, анализу и технологии платиновых металлов. Тез. докл. Часть II. Москва. 2006.с.48-49

30. Заякина С.Б., Митькин В.Н., Аношин Г.Н. Количественное атомно-эмиссионное определение металлов платиновой группы в природных и технологических материалах с применением окислительного фторидного разложения, двухструйного дугового плазмотрона и регистрации МАЭС. // XVIII Международное Черняевское совещание по химии, анализу и технологии платиновых металлов. Тезисы докл. Часть II. Москва. 2006 С. 9-11

31. Zayakina S.B. Study of impact of plasmatron characteristics on analytical line intensity of elements being determined // International Conference on the Methods of Aerophysical Research ICMAR07. Proceedings. Part II. Novosibirsk : Publishing House “Parallel”, 2007, pp 235-239

32. Заякина C. Б., Аношин Г.Н., Лабусов В.А., Веряскин А.Ф. Исследование геохимических объектов на новой универсальной установке при одновременном применении двух способов регистрации эмиссионного спектра: сцинтилляционного и интегрального //Заводская лаборатория.2007, Специальный выпуск С.100-106

33. Заякина С.Б., Аношин Г.Н, Митькин В.Н., Миронов А.Г. Возможности новой универсальной установки для атомно-эмиссионного анализа дисперсных природных и технологических проб //Заводская лаборатория.2007. Специальный выпуск С.73 - 79

34. Заякина С.Б., Аношин Г.Н. Сравнение распределений температуры возбуждения и интенсивностей аналитических линий благородных металлов в двухструйных дуговых плазмотронах, применяемых в атомно-эмиссионном анализе// Химия высоких энергий, 2007,том 41, №4.С. 319-324

35. Заякина С.Б., Аношин Г.Н., Лабусов В.А., Митькин В.Н. Новая автоматизированная установка для атомно-эмиссионного анализа порошковых геологических проб одновременно двумя способами: интегральным и сцинтилляционным // XVIII Менделеевский Съезд по общей и прикладной химии. Москва 2007.Т.4 С.141

36. Заякина С.Б., Аношин Г.Н., Лабусов В.А. Спектральные характеристики дугового двухструйного плазмотрона //Материалы Всероссийской (с международным участием) конференции по физике низкотемпературной плазмы "ФНТП-2007" С-Петербург. 2007. С.62-66.

37. Жмодик С.М., Аношин Г.Н., Заякина С.Б. и др. Роль наночастиц в геологических процессах рассеяния и концентрации благородных и редких элементов.//Наука и нанотехнологии. Материалы научной сессии Президиума СО РАН. Новосибирск.2007.С. 208-226.

38. Ханчук А.И., Лихойдов Г.Г., Митькин В.Н., Заякина С.Б., Галицкий А.А., Цимбалист В. Г. Благородные металлы в графитизированных породах Ханкайского террейна (Приморье) по результатам анализа на основе окислительного фторидного разложения //Доклады АН, 2008,т.422, №2 с.239-243.

39. Митькин В.Н., Ханчук А.И., Лихойдов Г.Г., Заякина С.Б., Галицкий А.А., Цимбалист В. Г. Изучение кандидата в стандартные образцы состава благородных металлов (МПГ,Au.Ag) графитизированных пород //Доклады АН, 2009,т.424,№3,с. 380-384.

40. Миронов А.Г., Жмодик С.М., Колесов Г.М., Митькин В.Н., Дамдинов Б.Б., Заякина С.Б. Элементы платиновой группы в золото-сульфидных и полиметаллических рудах Саяно-Байкальской складчатой области и возможные формы нахождения платины и палладия в сульфидах// Геология рудных месторождений, 2008, т.50, №1 с.47-66.

41. Способ одновременного определения распределения частиц по массе в дисперсной пробе и концентрации элементов в частице пробы /ЗАЯКИНАС.Б., Лабусов В.А., Аношин Г.Н., Путьмаков А.Н.// заявка №2007124240/28(026399) положительное решение от 27.11.2008, дата подачи заявки 27.06.2007

Размещено на .ru