Способ определения содержаний скандия в проницаемых породах и рудах гидрогенных месторождений

 

(57) Использование: для определения содержания скандия в полевых условиях с достаточной точностью. Сущность изобретения: пробы помещают в воду, размешивают, выдерживают в течение заранее определенного времени экспозиции, для которого коэффициент корреляции между содержаниями скандия, определенными любым аттестованным методом, и массой тонкозернистой фракции максимален, отделяют тонкозернистую фракцию путем слива, определяют ее массу и по уравнению регрессии или графику корреляционной связи находят содержание скандия в породах и рудах данного месторождения. 3 ил.

Изобретение относится к области методов анализа редких и рассеянных элементов в проницаемых горных породах гидрогенных месторождений урана и может быть использовано для экспрессных массовых определений скандия в полевых условиях на стадиях поисковых, разведочных или эксплуатационных работ.

В настоящее время скандий определяют следующими методами: экстракционно-фотометрическим (ЭФА), эмиссионно-спектральным (ЭСА) или нейтронно-активационным (НАА) (см. "Определение редких и радиоактивных элементов в минеральном сырье" (под ред. Остроумова Г.В. М. Недра, 1983, с.4-13).

В ЭФА технология анализа сложна и многоступенчата. Для реализации этого метода требуется более 20 различных химических соединений, часть из которых можно смело отнести к разряду экзотических и стабильное снабжение которыми не может быть гарантировано. Метод этот малопроизводительный (3-4 пробы в смену) и требует привлечения специалистов-химиков высокой квалификации.

ЭСА метод достаточно производительный, но предел обнаружения скандия у него не бывает лучше 5 · 10^-4% а такой предел недостаточен для исследований кларковых содержаний скандия в породах и рудах гидрогенных месторождений.

Предел обнаружения скандия при реализации НАА колеблется от 1 · 10^-4% до n 10^-7% (при радиохимическом выделении скандия). Но период подготовки пробы к анализу составляет 15-20 дней (время "остывания" после облучения потоком нейтронов) и для повышения точности требуется определить химическим способом содержания железа и кобальта, так как определению малых содержаний мешает комптоновский фон, создаваемый излучением ⁵⁹Fe и ⁶⁰Co. Метод требует больших затрат времени и его невозможно реализовать в полевых условиях.

Ближе всего к предлагаемому способу гранулометрического анализа проб керна проницаемых горных пород (см. В.Д.Ломтадзе "Методы лабораторных исследований физико-механических свойств горных пород", Недра, Л. 1972, с.34-68). Прямой гранулометрический анализ позволяет разделять породу по крупности зерен, однако авторам неизвестны случаи применения его для анализа содержаний элементов, ибо основной недостаток способа большие затраты времени на его проведение (при проведении гранулометрического анализа пипеточным способом первую пробу, <0,05 мм, где средний диаметр частиц, берут через 4 мин, а четвертую, <0,001 мм, через 15 часов 36 мин) и привлечение специалистов высокой квалификации.

Задачей изобретения является создание простой в исполнении, экспрессной и достаточно точной методики определения содержаний скандия, реализация которой была бы возможна в полевых условиях.

Сущность изобретения, основанного на отборе проб, помещении их в воду, выдержке в течение времени экспозиции и отделении тонкозернистой фракции частиц, состоит в том, что находят оптимальную величину экспозиции, соответствующую области максимума коэффициента корреляции между опорными содержаниями скандия и массой тонкозернистой фракции, выдерживают взмученную смесь пробы с водой в течение времени оптимальной экспозиции, отделяют тонкозернистую фракцию от взмученной смеси путем слива воды со взвесью тонкозернистой фракции, определяют ее массу и по уравнению регрессии или по графику корреляционной связи определяют содержания скандия в породах и рудах данного гидрогенного месторождения.

В результате исследований авторами было подтверждено наличие корреляционной связи между содержаниями скандия q^sc_НАА, определенными по НАА, и глинистостью. Позднее было экспериментально найдено, что наиболее тесная корреляционная связь существует между q_НАА и массой тонкозернистой фракции частиц (Δp) с крупностью зерен меньше 20 мкм. Такую фракцию можно было отделить, подобрав экспозицию t_i после взмучивания смеси пробы с водой. Оказалось, что существует некая оптимальная область, где при определенном времени экспозиции t_э появляется пик значений коэффициента корреляции r между опорными (определенными любым аттестованным методом) содержаниями скандия и массой тонкозернистой фракции Δp с частицами, диаметр которых меньше 20 мкм.

На фиг.1 представлено поле корреляции между q^sc_НАА и массой тонкозернистой фракции Δp, полученной при сливе при экспозиции t_i t_э (для месторождений "К" t_э (5 ± 1,5) мин).

На фиг.2 приведена полученная экспериментально для группы месторождений "К" зависимость r от t_i. Рабочая область представлена пиком и ближайшими его окрестностями [r^max (1±0,1)] Для других месторождений местоположение пика значений r и рабочей области может оказаться иным, так что на каждом новом месторождений придется искать этот максимум и t_э экспериментально.

На фиг.3 представлена зависимость максимальной крупности зерен во взвеси (d_max, мкм) от экспозиции t_i после взмучивания, причем зависимость эта рассчитана по формуле Стокса для стакана (сосуда) высотой 18^oC20 см и емкостью 1000 мл. Как видно из графика, при экспозиции t_э 5 мин значение d_max 20 мкм. При реализации заявляемого способа предусматривается следующая последовательность операций: I. Определяют интервал времени t_э после взмучивания (экспозицию), при котором коэффициент корреляции r между содержаниями скандия в пробах керна, определенными любым аттестованным методом (например, НАА) и весом тонкозернистой фракции Δp, будет максимальным. Для этой цели: 1) в кернохранилище отбирают пробы керна весом не менее 1 кг, по которым заранее определено (например, методом НАА) содержание скандия. Выборки из таких проб по количеству должны отвечать двум требованиям: быть статистически надежными и представительными для данного месторождения; 2) каждую пробу тщательно перемешивают и высушивают при температуре около 100^oС, после чего из пробы отбирают 5-6 навесок при "р" грамм, причем каждое взвешивание производят на аналитических весах с точностью до 10 кг. Величина навесок "р" выбирается такой, чтобы масса тонкозернистой фракции превышала точность взвешивания не менее, чем в 10 раз; 3) каждую навеску смешивают с водой или дистиллятом при соотношении твердой и жидкой фазы т/ж ≈ 1/20. Такое соотношение диктуется тем, что при р 50 г необходимое количество воды составляет 1000 мл, что в свою очередь соответствует стандартной емкости химической посуды. Поместив навеску в стакан с водой, ее оставляют на время t_p для размачивания. Смешивание пробы с водой осуществляют в химическом стакане высотой 18^oC20 см и емкостью 1000 мл; 4) спустя время t_p смесь энергично взмучивают вручную (стеклянной палочкой) 1-2 мин; 5) в течение различных экспозиций t_i (от 10 до 10 мин) смеси отстаивают; 6) спустя время t_i осуществляется слив воды со взвесью тонкозернистой фракции таким образом, чтобы крупнозернистый остаток пробы покрывал слой воды толщиной примерно 10 мм; 7) по каждой из проб производится определение массы тонкозернистой фракции Δp, ушедшей в слив, либо выпариванием слива с последующим точным взвешиванием на аналитических весах, либо точным взвешиванием крупнозернистой фракции (остатки после слива) на таких же весах после просушивания;
8) из полученных данных формируется несколько (но не менее 5) выборок, состоящих из l сопоставляемых пар каждая, причем пары образуются из Δp_i и q^sc_НАА, где Δp_i масса тонкозернистой фракции при различных t_i. В результате обработки каждой из выборок определяют коэффициент корреляции r_i и по значениям r_i строят зависимость r_i от t_i и находят r^max. В области максимума и выбирают оптимальное значение экспозиции t_э.

Если r^max <0,6, то метод взмучивания для определений скандия на данном месторождении не может быть применен в качестве количественного метода;
9) по данным выборки, в которой Δp получали при t_i t_э, строят поле корреляции (см. фиг. 1) и рассчитывают коэффициенты уравнения регрессии (там же).

II. В дальнейшем производят периодические проверки устойчивости коэффициентов уравнения регрессии на дополнительных пробах керна, взятых из скважин, которые все дальше "уходят" от места работ, в результате которых было построено поле корреляции и рассчитано уравнение регрессии. Из взятых дополнительно проб керна формируется новая дополненная выборка, в которой для всех проб имеются значения q^sc_НАА.
Для указанной цели
10) отбирают из керна пробы весом "p^'" грамм и из каждой пробы формируют несколько (n ≥ 2) навесок массой р грамм, а из последних образуют несколько выборок. Пробы перемешивают, сушат, взвешивают и выполняют операции по п.п. 1 3, 1 4, 1 6 (при выбранной экспозиции t_э), 1-7, 1 8;
11) полученные значения Δp с помощью графика корреляционной связи или применяя уравнение регрессии переводят в содержания скандия q^sc_МВ;
12) вычисленные значения содержаний скандия q^sc_МВ сопоставляют с данными опорных анализов q^sc_НАА.

Сопоставление q^sc_НАА с q^sc_МВ производят в соответствии с ОСТом 41-08-205-81, вычисляя запас точности и категорию анализов на скандий на данном этапе разведки.

Если результаты сопоставления укладываются в нормативы ОСТа 41-08-205-81, значит коэффициенты уравнения регрессии определены правильно для данного месторождения по методу взмучивания.

III. Убедившись в правильности расчета коэффициентов уравнения регрессии, начинают выполнять анализы на скандий проб керна, которые предварительно не исследовались на скандий. При этом выполняются операции по пп. II 10, 1-3, 1-4 и, при выбранном t_э, 1-6 и 1-7.

Полученные результаты обрабатывают по уравнению регрессии (п.II-11) или с помощью графика q^sc_НАА = f(Δp), строящегося по данным, полученным при выполнении операций по п.II-10. Все изменения по п.III проводятся при 30% повторных и 20% контрольных измерений, предполагающих сопоставление q^sc_МВ с любым из аттестованных методов, например, с НАА.

В нашем случае, работы проводились на одном из 3 гидрогенных месторождений рудного поля "К". На аналитических весах отвешивались навески по 50 г с точностью ^oC10 мг. Навески помещались в химический стакан высотой 20 см и емкостью 1000 мл. Δp отбирались из слива при t_э 5 мин. По результатам сопоставления Δp и q^sc_НАА построено поле корреляции (см. фиг.1) и найдены коэффициенты корреляции r и коэффициенты уравнения регрессии: q^sc_МВ = 0,76Δp + 1,59. Величина выборки n 31.

По этим же пробам получена зависимость r_i от t_i (см. фиг.2) при t_i 1 мин; 2 мин; 5 мин и 10 мин. Как видно из графика, r^max приходится на t_э 5 мин и эта экспозиция была принята за рабочую.

По полученным закономерностям были обработаны 82 пробы с двух других месторождений того же рудного поля. Обработка результатов определения содержаний скандия по ОСТУ 41-08-205-81 показала, что имеющиеся расхождения носят случайный характер, а значения средней квадратической суммарной погрешности составляют ±14,9% при запасе точности z 1,2, что соответствует III-ей категории точности анализа (по тому же ОСТу) и позволяет надеяться, что определения содержаний скандия по методу взмучивания будут количественными. Предел обнаружения содержаний скандия оценен, как 2 · 10^-4% (2 г/т).

Для реализации заявляемой методики не требуется ни специальной аппаратуры, ни химреактивов. Основное оборудование здесь: аналитические весы, электроплитка, секундомер и сушильный шкаф с предельной температурой 80^oC100^oС. Для выполнения анализов не нужны квалифицированные специалисты и специальное помещение. Организовать такие измерения скандия возможно где угодно, то есть в любой полевой партии, любом отряде.

Производительность 10-15 определений в смену на одного человека. Весь процесс длится около 4 часов (с момента отбора пробы до получения результата), то есть способ достаточно экспрессен. При такой производительности в течение года можно сделать не менее 3000 анализов на скандий, что обеспечит потребности крупной геологоразведочной партии.

Формула изобретения

Способ определения содержания скандия в проницаемых горных породах гидрогенных месторождений, предусматривающий отбор проб, помещение их в воду, выдержку в течение времени экспозиции и отделение тонкозернистой фракции частиц, отличающийся тем, что находят оптимальную величину экспозиции, соответствующую области максимальных значений коэффициента корреляции между опорными содержаниями скандия и массой тонкозернистой фракции, причем ширину этой области определяют для каждого месторождения в зависимости от требуемой точности определения, выдерживают взмученную смесь пробы с водой в течение времени оптимальной экспозиции, отделяют тонкозернистую фракцию от взмученной смеси путем слива воды со взвесью тонкозернистой фракции, определяют массу тонкозернистой фракции в сливе и по уравнению регрессии или графику корреляционной связи находят содержание скандия в породах и рудах данного месторождения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3