ГЕОХИ РАН

Лаборатория химических сенсоров и определения газообразующих примесей

Основные научные направления

Одним из направлений лаборатории является совершенствование и исследование режимов работы атомно-эмиссионного спектрометра на основе двухструйного дугового плазматрона.

Спектрометр укомплектован дифракционным спектрографом ДФС-8-3 с регистрирующей системой производства ООО «МОРС» г. Троицк и, в качестве источника возбуждения спектров, - двухструйным дуговым плазматроном с устройством ввода порошка .

Спектрометр предназначен для прямого элементного анализа порошков и растворов.

Обладает следующими достоинствами:

• нерасходуемые электроды двухструйного дугового плазматрона и практически неограниченный ресурс непрерывной работы;
• температура плазмы в аналитической зоне от 8000K
• высокая пространственная и временная стабильность плазмы;
• удобная геометрия плазмы для интенсивного термического воздействия на вводимые материалы;
• возможность распыления любого материала – электропроводного и неэлектропроводного без загрязнения электродных узлов;
• минимальные матричные помехи при изменении валового и минералогического состава проб;
• возможность анализа любых навесок проб от нескольких миллиграмм до десятка грамм;
• малый (по сравнению с ИСП-плазматроном) расход аргона - 4 л/мин;
• универсальность – анализ порошковых проб и растворов;
• простота пробоподготовки (для порошковых проб только измельчение);
• плазматрон практически бесшумен;

Регистрирующая система позволяет:

• устанавливать длительность одного кадра экспозиции до 10 мс, что существенно сокращает перенасыщение линий и сокращает их уширение,
• автоматически перестраивать графики по всем спектрам в папке эталонов (существенно ускоряет процесс построения новой аналитической методики),
• синхронизировать по вспышке съем спектра,
• точнее устанавливать уровень фона (Можно исключить любые проблемные ПЗС. Можно работать по одной ПЗС.),
• составлять базы линий определяемых элементов (в прежней программе существовал ряд неточностей (исключались строчки и пр). В новой программе база имеет дополнительный сервис)
• исключать отрицательные значения сигнала из обработки полностью
• при перезакраске аналитической линии и установки других параметров обработки программа автоматически перестраивать график закрашиваемой линии и вести пересчет концентрации по линии элемента,
• оформлять отчет о анализе в Excel
• работать с числом ПЗС до 24 ( прежняя- только до 12 ПЗС),
• синхронизировать два спектра (можно очень быстро сопоставлять аналитические линии эталона и образца, искать линии помехи),
• выводить на экран любой спектр рабочей сессии,
• при наличии одной точки на графике строить график совместно с точкой 0.0 автоматически в реальном режиме времени.
• по умолчанию, после снятия 2 точек эталонов, программа предлагает логарифмический график (как наиболее часто употребляемый)
• программа автоматически входит в ту методику, из которой был проведен выход.

На рис. 1 представлены результаты сравнения спектрометров на базе двухструйного дугового плазматрона и дуги постоянного тока.

Процедура анализа происходит следующим образом.

Подготовленные к анализу образцы сравнения и анализируемые пробы насыпаются в стаканчики. Согласно инструкции спектрометр подготавливают к работе. Стаканчик по-очереди вставляются в устройство ввода порошка, где созданные разрядом ударные волны равномерно взмучивают всю поверхность порошка. Аэровзвесь транспортирующим газом выносится по трубке из устройства и подается между струями плазмы соосно основному потоку (рис. 2).

Рис. 2. Плазма двухструйного дугового плазматрона.

С помощью редукторного двигателя стакан с порошком движется вверх по внутренней поверхности направляющих, равномерно подавая в зону действия диспергатора анализируемый порошок. Скорость перемещения стаканчика с пробой регулируется в зависимости от сыпучести анализируемой пробы.

Подача анализируемой пробы вместе со стаканом без перемещения относительно стенок стакана исключает прессование пробы и способствует равномерной подаче пробы в зону искрового разрядника. Между поршнем и внутренней поверхностью стакана сохраняется зазор, продуваемый газом по всей длине хода стакана. Это исключает возникновение трения между поршнем и внутренней поверхностью стакана, загрязненного налипшими частицами порошка, что предотвращает износ поршня и повышает ресурс работы и надежность устройства.

Стаканчик для пробы выполнен из оргстекла. Каждая проба на анализ насыпается в отдельный стаканчик. После работы стаканчики моются водой с содой и высушиваются.

Применение спектрометра для анализа минерального сырья, содержащего благородные металлы.

Прямой анализ порошковых проб.

При прямом анализе порошковых проб, когда аналитик не ограничен количеством пробы, используемом на одно определение, можно варьировать расход пробы, меняя скорость подачи стаканчика и расход транспортирующего газа. Параллельные определения, как и вся партия проб, выполняются без выключения плазматрона.

Расход пробы на одно определение от 100 мг, экспозиция от 5 сек. Все определяется конкретной методикой анализа.

На рисунке 3 представлен градуировочный график, построенный по золотосодержащим государственным стандартным образцам. Государственные стандартные образцы, используемые в работе как образцы сравнения, имеют разный состав породообразующих элементов. Все экспериментальные точки легли на одну прямую. График иллюстрируют независимость результатов прямого анализа порошковых проб от их элементного и минералогического состава (таб. 1). В стандартных образцах – РУС-2, РУС-3 и РУС-4 концентрация золота одна и та же. Измерение интенсивности аналитической лини золота в этих образцах дали одну экспериментальную точку на графике.

Рис. 3. Градуировочный график для определения Au.

Таблица 1. Концентрация Au в государственных стандартных образцах.

В таблице 2 приведены пределы обнаружения благородных металлов в минеральном сырье. Образцы сравнения синтетические готовились разбавлением СОП ШМ-М ГМК НН 185-04 пустой породой, не содержащей благородные металлы.

В качестве предела обнаружения принят критерий I_л+ф – I_ф > 3σ_ф

Малые навески. Анализ концентрата.

Возможность анализа навесок в несколько миллиграмм на разработанном устройстве позволяет применить двухструйный дуговой плазматрон для спектрального анализа концентрата после химического обогащения проб минерального сырья, содержащего благородные металлы.

Для проверки взяты образцы сравнения и контрольный образец геологической организации северное государственное региональное геологическое предприятие "Пивничгеология" (СГРГП) (г. Киев). Образцы сравнения на предприятии готовились внесением в чистый графитовый порошок аликвот растворов, содержащих благородные металлы (Au, Pt, Pd, Rh, Ir). Ниже в таблице 3 приведены концентрации золота, палладия, родия, иридия и платины в образцах сравнения предприятия СГРГП.

Навеска в 60 мг в течение 5 секунд в виде аэрозоля подавалась из порошкового устройства в плазму плазматрона. Использовался спектрограф PGS-2. Регистрация спектров - линейными ПЗС с последующей компьютерной обработкой. Кассета и программное обеспечение фирмы ООО «МОРС».

Правильность определялась по контрольному образцу предприятия СГРГП методом «введено – найдено». Относительная среднеквадратичная погрешность определения не превышала 7%.

Для иллюстрации на рис.4 приведены градуировочные графики определения золота и платины в графитовом коллекторе.

Рис. 4. Градуировочные графики для определения золота и платины.

Графики для Pd, Rh, Ir аналогичны в интервале концентраций 1·10 ^-5-1·10 ^-3мас. дол. %.

Большие представительные навески проб.

Если программа получения и обработки результатов измерений на ФЭК позволяет работать в режиме временной развертки, когда длительность кадра 200 мс и менее, то применение разработанного устройства подачи пробы в спектрометре с двухструйным дуговым плазматроном позволяет реализовать сцинтилляционный метод анализа. Регистрируется аналитический сигнал только в момент пролета частицы пробы с определяемым элементом. В этом случае сигнал (аналитическая линия) не теряется на флуктуирующем фоне. Пределы обнаружения при этом снижаются на 1-2 порядка.

На рис. 5 представлены три последовательных кадра временной развертки – №1024, №1025 и №1026. На кадре №1025 четко регистрируется аналитическая линия золота 267,595нм. На соседних кадрах линия золота отсутствует. Концентрация золота в этой пробе, оцененная прямым интегральным методом составляет 0,000005 масс. дол. %.

Рис. 5. Три последовательных кадра из серии спектров, снятых в режиме временной развертки. Длительность кадра 200 мс.

Сцинтилляционный метод применим при анализе объектов, где определяемые элементы распределены не равномерно и где важна представительность навески. Предложенное нами устройство позволяет за одну экспозицию анализировать большую представительную навеску в несколько грамм.

Для сравнения величины сигнала при регистрации спектров одной и той же пробы разными методами на рис. 6 приведены фрагменты спектров золотосодержащей пробы (Норильск) с линией золота 267,595 нм. Рис. 6 а) – спектр получен методом интегральной регистрации, 6 б) – один из серии спектров, снятых в режиме временной развертки, позволяющей разбить время экспонирования всей пробы на отдельные кадры. Спектры получены на спектрографе PGS-2, обратная линейная дисперсия 1,8 А/мм. Регистрация спектров на ФЭК с линейными ПЗС и программным обеспечением ООО «МОРС». В нашей работе длительность кадра была 200 мс, количество кадров в серии (300 – 1500) зависело от величины навески пробы.

Рис. 6. Фрагмент спектра золотосодержащей пробы (Норильск).

а) интегральная экспозиция - 20 секунд.

б) один из кадров серии временной развертки. Длительность кадра – 200 мс.

На рис. 7 представлен результат измерения интенсивности I_лин - I_фон линии Au 267,595 нм в кадрах трех параллельных серий спектров. В каждой серии 1500 кадров.

Рис. 7. Интенсивность линии Au 267,595нм в кадрах трех параллельных серий спектров.

Современная система регистрации на ФЭК с линейными ПЗС или диодными линейками с наличием опции временной развертки в программном обеспечении позволяет реализовать сцинтилляционный метод анализа, не изменяя структуры спектрометра (двухструйный плазматрон, порошковое устройство, спектрограф, ФЭК и компьютер с программой). После выполнения анализа пробы сцинтилляционным методом спектрометр готов к выполнению работы по другим методикам анализа.

Рис. 8. Устройство подачи порошка в сборе.

Двухструйный дуговой плазматрон с разработанным устройством подачи порошковых проб (рис. 8) применяется при анализе промпродуктов и проб сложного состава на другие элементы периодической таблицы.

Разработанное устройство может быть использовано и с другими источниками возбуждения спектров, где проба вводится в виде аэровзвеси методом вдувания.

Copyright © 2011 Geokhi | Design by Tatyana Fedenko