岩石矿物分析中微波能分解法的运用实践

梁博文(广西玉林市科技开发实验中心，广西 玉林 537000)

0 引言

随着我国科学技术水平的不断提升，促进了我国化学分析领域的多元素分析技术的发展，其中较为典型的包括有原子发射法和原子吸收法等[1]。但大多数分析普遍存在试液制备时间较长，试样分解过程缓慢的现象，特别是针对溶解度较低的试样，其分解情况较差。针对传统加热方式存在的弊端，国外开展研究微波能分解技术，通过快速加热分解试样来达到实验效果，并取得了较好的成效。该项技术最先应用于敞口系统中[2]。微波能加热法所具备的优点在于能同时瞬间加热受热物体内部和外部，具备较快的加热速度和较小的热能损耗，有效提升了热能的利用率。

1 微波能加热原理

常见的微波能加热系统(如图1所示)。通过直流电形式为该设备磁控管供给恒定可靠的直流电能。同时该组件得到对应微波，并传递至加热模块，结合微波场等的影响最终达到加热的效果[3]。

图1 微波加热系统

加热物体经外加电场作用后，其内部的分子结构通常会产生一定的变化，继而造成其性质的改变。除极性分子外，非极性分子经外加电场作用后也会发生极化转变成暂时性的极性分子。

微波能加热原理如图2所示，将水杯放置于电容器的两极板之间，电容器连接转换开关和电池。当开关闭合时，杯中的水分子受两极板之间形成的电场作用，使带负电的O2-趋向电容器的正极，带正电的H+趋向负极，促使水分子基于电场方向实现恒定排布。此外，如若转换模块处在反方向点位情况下，对应的电容器内出现的电场方向和水分子排列形式也随之发生改变。假若转换开关方向处于不同的转换状态时，会导致外加电场方向的改变，从而导致水分子受方向转变而出现晃动。基于毗邻分子之间的影响会出现诸如摩擦等情况，继而影响分子能量等激发出现无序的活动，这在某些层面上切实提增了分子运动情况，导致水温攀升。基于外加电场评率攀升，极性分子晃动速率也进一步加剧，带来的热也额外的提高，外加电场的提高，分子晃动幅度也随之变大，相应形成的热量也会增多。

图2 微波能加热原理图

2 微波能分解试样的反应原理

化学分析中，分解试样是基于化学反应的基础上进行的，即在试验过程中需科学应用化学试剂。和以往的加热反应不同，此次加热形式可以进一步使得物体之中和外界一起加热。试剂快速分解的关键在于试剂的微粒和溶剂的接触是否良好，形成于微粒层面的部分内热能加速裂开，持续生成新的表层，提高了其反应效率。此之外，受热的媒介液体以及介电微粒等会彼此反应，导致的热高于其表层的热温，由此构成明显的温差，出现较为激烈的热传递流情况，晃动粒子表层和液体，不断地将新表面露在新鲜溶液中，继而实现试样的快速分解。

假若分解反应容器并非敞口容器，而是封闭的高压弹，那么溶剂内的氯和NO等物质随机存储于容器之中，在高温高压等影响下，溶液中的含量会大幅度增加；同时受高温和微波能作用，会促进氯离子价态的变化，产生一定的活化性，有效提升试样的分解反应速度。

3 微波能加热特点以及加热过程中存在的问题

目前，国外试样的化学分析中，微波能加热炉主要为市场售卖的微波炉，其价格较低，且易于交易。但是支持分析的微波炉，涵盖MDS-81D型微波设备等和我国推出的微波高压熔样器，国内市场都有销售。就具体的运用层面分析，对于未有使用封闭容器微波炉，需避免和酸接触，导致腐蚀问题还需要规避微波辐射等的疏漏对作业人员的安全造成威胁。微波炉内腔的材料应科学选用不会与酸发生作用，且能承载高速加热以及冷却性能的硼硅酸盐玻璃箱等等。同时还应对微波炉在加热过程中形成的不平衡加热予以重视，防止在容器处于空置状态下进行操作，以免对磁控管造成损坏，部分情况下可将装水的烧杯置于炉内。硼硅酸盐玻璃箱(内腔)如图3所示。

图3 硼硅酸盐玻璃箱(内腔)

微波能加热的特性主要包括有：(1)场强高温：即在微波能加热时，受电磁影响在一定作业区域内产生加强的磁场，同时加热过程中通常伴有较高的热量。(2)高频高温：其特点为微波能加热时形成频率较大的炉震荡。(3)穿透力强：微波能加热为不断调转物质中分子和原子的来向来进行加热，对物质而言具备一定的穿透效果，能直接作用于岩石物质的内部进行加热。(4)热惯性小。热惯性通常指物质经加热前具备较为缓慢的反应阶段，经加热后对能量的消耗需耗费较长的时间。 (5)选择性加热。由于微波炉的操作灵活度较高，可针对性的对目标加热区域进行电磁作用。(6)改善劳动环境与劳动条件。由于微波能使用的设备以及相应的操作流程都较为建议，能有效改善试验场所的工作环境，同时也有利于降低试验人员的工作强度。

4 岩石矿物分析中微波能法的应用

称取适量矿物粉末试样放于聚碳酸酯杯内，加入硝基盐酸(HNO3·3HCl)5 mL、氢氟酸(HF)2 mL，加盖后置于硼硅玻璃真空干燥器内，在试样杯旁放置一个装有50 mL水的烧杯，盖上真空干燥器盖，进行适度抽真空后，将真空干燥器置于微波炉内，加热时长设定为3 min，将干燥器取出并放置于通风环境下，打开盖子并把其中的酸雾去除。网试样内添加硼酸1 g，随后持续性的给予10 min左右的加热处理并去除其中的残渣成分，把整个的滤液进一步稀释到100左右，选择ICP-AES策略就其中的铝等其他的数十种不同的元素成分予以准备分析，进行检测。该类试样法目前已被应用于岩石、矿物、油页岩以及沉积物的分析，具备较高的精准度和准确性。

微波加热分解试样时，应避免试样温度过高过出现蒸干现象，否则会导致四氯化硅过度受热呈现为气态而造成不必要的损耗，同时也可能会对部分具有挥发性的元素造成影响。以往针对岩石、矿物试样分解的常用试验方法往往需要耗费较长的时间，而微波能加热分解法的应用大幅度的减少了分解时间，可以从数小时缩短至数分钟，显著提高了分解效率。

分析工作者提出就矿山、企业还有熔炼厂等的样品开展分析探究，结合各种差异化的酸溶解方式，分别为：(1)将敞口烧杯置于电热板上进行分解，持续性的给予加热处理保持一个半小时，之后得到能够兼容原子吸收分光光度策略检测所需的试液；(2)利用高压弹中微波炉分解方式。取试样，即0.5 g原料与精矿以及1 g尾矿，加入KCl、HNO3和HF分别为1.5 g、10 mL以及5 mL。全部安置于150 mL的容积占总的聚四氟乙烯容器之中，并把盖子牢牢固定同时将4个相同的容器放置于微波炉内，在477 W下放置3 h后，将容器取出并置于冷却槽内进行冷却，5 min后可将盖子打开。该种方式所获得的溶液所需耗费的时间不超过10 min分钟。以上两种方式对试样中的镍和铜的分析数值基本一致(如表1所示)。

表1 用微波、电热板加热分解试样的结果比较

试验发现，对一些湿度较高的矿泥使用传统试验方式所耗费的干燥时长约为4 h，而大部分矿泥和水分含量较高的块状试料，使用微波干燥法的干燥时间不超过15 min。如取含68%水分的碳酸钡试样20 g，将其置于105 ℃的电烘箱内进行烘干至恒重，大约需要4 h，而使用微波烘干只需15 min。主要原因是通常的烘干方式的解热原理是有外到内的加热，而微波炉则是内外同时快速加热。另外，经相关试验结果显示，岩石、矿物在采用微波炉进行试验分解时，能有效避免试样在分解过程中亚铁的氧化，并取得了较好的成果。

此外，研究人员还研究了微波加热分解试样中使用不同的混酸来制备原子吸收和电感耦合等离子发射光谱分析的试液。对试样粒度与分解时间之间的关系、微波加热硝酸的温度与压力曲线(如图4所示)进行了试验，并对各种酸应用于无机试样的分解情况进行了探究。

图4 硝酸的微波加热温度-压力曲线

5 微波能在化学分析中的应用前景

由于在化学分析领域中，微波能具备较多的优势应用于分解岩石、长石、矿物、沉积物、油页岩和合金钢等试样，且都取得了较好的效果。但相关的研究面还较小，研究深度不足，特别是分解难度较大的岩石、矿物、氧化物(氧化铝)、氮化物(氮化硅)、稀有金属、贵金属以及贵金属合金(铱、铑、钌等合金)等，还需深入研究其相应的分解机理。对较难溶解试样的分解，热压分解技术具有一定的优势。且有资料表明，经微波加热结合热压分解的新技术，能有效改善难分解试样的研究效果。

此外，微波能在化学分析领域中除了加热作用外，还可以应用于其他多方面的研究，如用微波化学和微波等离子体来加速化学反应，微波等离子体-发射光谱，微波检测稀土溶液的浓度，微波能形成活性氧灰化有机物，结合带线传感器的测试原理的微波检测原盐含水量以及微波法检测煤中的无机硫含量等。

6 结语

文章通过分析微波能加热原理、微波能分解试样的反应原理、微波炉加热过程中存在的问题以及特点、微波能在岩石、矿物分析中的应用以及微波能在化学分析中的前景，对岩石、矿物找那个微波能分解法的应用进行了论述。从中发现，与传统常规的加热分解方式相比，微波能分解试样具有场强高温、高频高温、穿透力强、热惯性小、选择性强、能改善工作环境和效率的特性，可以应用于岩石矿物分析中，其在化学分析领域具有较好发展前景，通过对微波能分解法应用的深入研究，有助于科学发展矿物分析技术，有利于对我国岩石矿物资源合理“采、选、冶”。