微波能分解法在岩石矿物分析中的应用

摘要：随着经济的不断发展，我国的采矿业也取得了非常显著的发展成就，为我国的生产和生活领域提供了大量的可供利用的资源，而这一切都离不开相关的科学技术的支持。尤其是岩石矿物中各种化学成分和元素含量的分析方法，不仅为矿山的矿物开采提供了理论依据，也为矿物的提取工作提供了非常大的帮助。所以，本文中笔者将对目前化学分析中的一种新型矿物分析法——微波能分解法做相关的应用论述。

关键词：微波能;加热分解;岩矿分析

近代化学分析领域中，如何同时做到多元素的快速分析一直是一个待突破的技术重点和难点，通过各国科研人员的不断探索和试验研究，发现应用原子发射和原子吸收等方法对于多元素的快速分析的效果是十分明显的。但是这些分析方法的在具体的应用中还存在一定的弊端，主要表现为试验中的试液制备的时间较长、试样分解过程较慢，尤其是对于一些难溶试样进行的分解，不仅会使操作更加复杂，还会耗费更长的试验时间，这种应用中的缺点，严重制约着原子发射和原子吸收法的试验效率，使得该类分析方法并不适合大量的推广和应用。所以，急需一种更加有效和高速的加热方法来取代现有的加热方式，以便可以更加快速的分解实验试剂。

为了突破这种传统加热方式的局限性，国际上的一些国家的科研人员，已经在研究和应用一种新型的微波炉加热快速分解试样的新技术，并取得了一定的研究成果。在最初的研发阶段，该种加热技术主要应用于敞口系统中，而随着该技术的不断发展，目前已经实现了微波能加热与热压分解技术的结合。微波能加热的最主要的优点是受热物内外瞬间一起加热，速度快且热损耗小，热能利用率高。近些年我国的化学分析专业人士对于该技术也进行了一定的研究，先是何华生及钱鸿森对微波能加热及其在国民经济发展中的应用作过相关的介绍，而后李明等首次在国内应用微波分解矿样，另外，张玉祥在论述近代分析化学的新进展中，也把微波能技术推荐为重要的新进展之一。同时还有，吴瑞林在对难溶试样热压分解法的论述中，指出微波加热是改进热压分解法的一种重要途径。所以，基于以上这些学者的研究和论述，笔者将在本文中重点对微波能分解岩石、矿物在化学分析中的应用进行阐述。

一、微波能加热原理

微波加热系统的主要工作原理是：用直流电源可提供微波发生器的磁控管所需的直流功率。通电的情况下，磁控管会产生一定的微波功率，然后将通过波导输送到微波加热器中，在微波场的作用下使被加热物体的内外部同时受到加热。我们已经知道在外加电场的作用下，可大大影响分子内部的结构，因而也影响分子和原子们的性质。另外，在加热的过程中除了极性分子外，非极性分子受到外界电场的作用，也会因此而极化而暂时变成极性分子。

在微波能作用下加热的简要原理：在电容器的两极板之间放一杯水，电容器与转换开关以及电池相连接。当开关合上时两极板间产生的电场作用，使杯中的水分子带正电的氢端趋向电容器的负极，并使带负电的氧端趋向正极，这就使水分子按电场方向规则地排列。如转换开关打向相反方向，则电容器极板产生的电场方向与前相反，水分子的排列也跟着转向。如不断地快速转换开关方向，则外加电场方向也迅速变换，导致水分子的方向也不断变化而摆动并受相邻分子的阻碍，产生相似于摩擦的作用，使部分能量转化为分子杂乱运动的能量，加剧了分子运动，使水温迅速升高。外加电场频率越高，极性分子摆动越快，产生的热量就越多，外加电场越强，分子摆动振幅也越大，产生的热量也越大。

由此可见，微波能加热的工作原理是通过影响物质中的原子或者分子的带点方向实现的，并且通过不同方向的快速转换，形成高频率和高强度的电场，从而产生热量。

二、微波能分解试样的反应原理

在化学分析中，为了分解试样必须同时进行化学反应，而为了促进化学反应的形成就必须要加入化学溶剂。与常见的传统加热反应的方法不同，微波加热同时发生在试样内部与外部。由于待分解试样的微粒和溶剂（如混合酸等)的良好接触是快速溶解的关键，那么产生在微粒上的局部内热量促使微粒破裂，暴露出新鲜的表面，有利于化学反应，所以微波加热是一种更加快速和有效的加热分解的方式。另外，被加热的介电液体(酸或者水)和介电微粒反应，形成高于微粒表面的热量，产生较大温差，从而形成了强烈的热传递流，并搅动着粒子表面的薄层及溶液，使新鲜表面不断暴露于新鲜的溶液中，从而大大加速与强化了分解过程，达到快速分解试样的目的。如分解反应不是在敞口容器中，而是在封闭的高压弹中进行时，溶剂，例如王水中分解所产生的氯、氧化氮等不会逸出容器而损失，在高温产生的高压下，它们在溶液中的浓度较高，且由于高温及微波能的作用，加速氯分子分解为氯原子，起到活化作用，进一步加速了试样的分解反应。

所以，从分解试样的角度来看，微波能加热是一种内外同时进行的分解，相较于传统的由外至内的加热方式，能够起到更好的促进作用，不仅可以均匀导热，还能够加速分解效率。

三、微波能加热过程中的问题与特点

微波能加热虽然有着先进的技术优势，但是就其实际应用来看，并不是十分完善的，同其他的加热技术一样，也存在着一些问题，下文中，笔者将主要对微波能加热过程中易出现的各种问题和其应用特点进行阐述。

在化学分析试样的分解中，国外使用的微波加热炉通常都是市售微波炉，因而价廉，购买方便。而供分析应用的微波炉如美国麦克仪器公司和美国国家标准局联合研制的MDS-siD型微波热压装置，以及中国9759工厂研制的微波高压溶样器，这两种装置都已在国内出售。但使用时应该注意的是，对没有应用密闭热压器的微波炉，须避免酸雾的腐蚀，因为一旦出现微波辐射的泄漏，会严重的伤害操作人员。炉内腔材料的特性应具有防止酸的侵蚀、能承受快速加热和冷却的能力，所以可选用硼硅酸盐玻璃箱、酸雾气体洗涤器及玻璃干燥器作为设备配置。还应注意微波炉存在过热点所产生的不平衡加热，避免在空的或类似于空的情况下操作，不然会损伤磁控管，有时可把盛水的烧杯放入炉内，来平衡其炉内的温度。

另外，实践中我们总结出的应用过程中微波能加热的主要特点主要有以下几个:

（1）场强高温

所谓的场强高温的特点，就是指在使用微波能加热的过程中，因为受到电磁的影响，会在一定的作业范围内形成较强大的磁场，所以要注意对实验周围的环境进行事先处理。另外，加热的过程中会产生很高的热量，所以操作员要注意做好相关的防护措施，以免在试验过程中被意外灼伤。

（2）高频高温

这一特点指的是在微波能加热的过程中，会产生较大频率的炉内高温震荡，因为微波加热是一种对物质内部和外部同时进行的加热，所以其具有高频高温的特点。

（3）穿透力强

同样的原理，因为微波能加热是一种利用物质中的分子和原子的电荷方向的不断调转而形成的加热方式，其对于待加热的物质来说，具有很强的穿透效果，可以直接作用于岩石矿物质的内部，对其进行加热，所以这种穿透性是同它的作用原理密不可分的，传统的方法之所以没有这样的穿透力，就是受限于由外至内的加热方式。

（4）热惯性小

所谓的热惯性，指的是物质在加热前会有一个比较缓慢的反应和适应阶段，而加热后对于热量的消解也需要很长的时间。微波能是一种在电磁作用的基础上形成的能量，所以其在使用的过程中具有比其他加热方法更小的热惯性，这种性质同时也使其获得了更加灵活的操作性，并且能够在操作的过程中实现能量和能源的节约。

（5）选择性加热

即有针对性的加热，该特点与上文中阐述的内外部同时加热的特点并不相矛盾，因为微波能加热更加便于我们的灵活操作，我们可以有针对性的对目标加热地区进行电磁作用，而被选定的范围内会产生内外部同时加热的现象。

（6）改善劳动环境和劳动条件

通过对微波能加热原理的分析，我们发现其无论是使用的设备还是操作的程序，都更加的简单方便，有利于改善实验室内的工作环境，给技术人员提供一个相对安全洁净的工作场所。另外，由于操作程序简单，可以在相同的工作任务的前提下降低技术人员的工作强度和工作量，从而改善了技术员的劳动条件。

四、在岩石、矿物分析中的应用

上文中对于微波能技术的这些原理和特点的分析，都是为了使其能够更好的应用于岩石矿物的解析中，试验中具体的操作如下：

1、称取粉末试样200毫克置于聚四氟乙烯或聚碳酸醋杯里，加5毫升王水和2毫升氢氟酸，加盖后置于硼硅玻璃真空干燥器里。

2、放上一个盛50毫升水的小烧杯，进行部分抽空，然后放在微波炉里加热3分钟，取出干燥器放在通风柜里排除酸雾。

3、在分解试样的杯中加1克硼酸，加热10分钟，滤去残渣，滤液稀释到100毫升，用ICP-AES法测定试样中的铝、砷、钡等二十多个元素。

实践中此方已用于分析岩石、矿物(如辉绿岩及玄武岩等)、油页岩及沉积物，并且应用结果表明该方法具有良好的重现性和准确度。

整个试验过程中我们可以看到，微波能加热分解的方法的操作步骤简单，仅需三步即可完成，这样不仅便于技术人员学习和操作，还大大的提高了分解的效率。另外值得注意的是，微波加热分解试样的过程中，最重要的是防止样品过热或蒸干，否则将会引起硅呈气态的四氟化硅而损失，还可能会损失一些其它挥发性元素，将会降低分解后的式样的浓度和纯度。过去，传统的分析方法要做到岩石、矿物在酸中分解需几个小时才能完成，而用微波分解只用几分钟，这种分解时间上的差异是微波能分解优于传统的分析方法的又一个非常重要的特点。

国外的学者研究了矿山、工厂及熔炼厂的试样分析，使用了几种酸溶解方法，其中一种是采用传统的方法在电热板上用敞口烧杯分解，这种方法在一般情况下加热约需一至两个小时，能获得适于原子吸收分光光度法测定所用的试液；

而另一种方法是采用在高压弹中微波加热分解。将待加热的试样(原料及精矿0.5克，尾矿1克)与1.5克氯酸钾，10毫升浓硝酸及5毫升氢氟酸，一同加入150毫升容积的聚四氟乙烯容器中，用扳手拧紧盖子。一次性放入四个这样配置的容器在炊具式微波炉(Toshi-b二式ER-BOOBTC)中，使其在477W下保持3分钟，然后取出容器再于冰槽中冷却5分钟后打开盖子，此法可在10分钟内制得试液。

同样的，使用上述两种不同方法对试样中的镍和铜进行加热分解，结果表明，两种试验所得的分析值基本相同，但是试验效率的差距却非常大，微波能加热分析法明显的要优于传统的加热方法。

所以，研究人员得出结论:对某些矿泥来说，用通常方法进行干燥的时间约需3或5个小时，而凡能缩短这一过程的任何手段都能节约时间和能耗，所以只要是在保证干燥效果的基础上，作业时间越短的方法就越应该被优先采用。

上述两种实验的结果说明:对大多数的矿泥和湿的含水块状试料，如采用微波干燥法能在十五分钟内成功地完成烘干操作，而传统的加热方法则需几倍的时间才能完成。例如二十克重含有68肠水份的碳酸钡试样，在一百零五摄氏度的电烘箱中烘干至恒重需要三个小时，而微波烘干仅需15分钟。这是因为通常的烘干方法，加热多是由表及里。而微波则是里外一起均匀、快速地加热。

随后，该研究组的人员又对微波加热分解各种试样(无机试样与有机物试样)进行了试验，以制备原子吸收和电感祸合等离子发射光谱分析用的试液。试验中检测了试样粒度对分解时间的影响，及微波加热硝酸的温度一压力曲线，并讨论了使用各种酸来分解无机试样的情况。

五、微波能在化学分析中的应用前景

因为微波能具有的一系列使用中的优势和特点，使得微波能近些年来的发展很快，尤其是在化学分析领域中，微波加热分解岩石、长石、矿物、煤、烟灰、沉积物、油页岩、生物、塑料、合金钢等试样己有一些相关，但总体来看数量不多，而且研究所涉及的研究面还比较小，深度也有待挖掘，尤其是难分解的许多岩石、矿物、氧化物(如氧化铝)、氮化物(如氮化硅)、稀有金属(如错、铅)、贵金属及贵金属合金(如铱、锗、饿、钉等的合金)等的分解，及分解机理还待深入的研究。与此同时，相对于国外而言，我国在微波能加热分解技术方面的试验研究还处于起步阶段，对于微波能的试验中的各种特点的研究还不够深入，不利于微波能的广泛的推广，科研人员应该加强对于其试验特性的研究，以便更好的应用于岩石矿物的分析实际中。由于热压分解技术在解决难溶试样分解方面有其独到的优点，已有大量资料发表，而近年来把微波加热与热压分解的两技术结合使用，已是一项发展中的新技术，它必定将为上述难分解试样的研究与应用作出新的贡献。

在分析化学领域，微波能除用于加热外，还有许多其它方面的研究与应用，如微波化学和微波等离子体可用来促进某些化学反应，常见的如微波等离子体——发射光谱，微波等离子体——质谱，气相色谱——微波等离子体发射光谱，以及利用微波测定稀土溶液的浓度，试验中还发现微波能产生活性氧灰化有机物根据带线传感器的测湿原理的微波法测定原盐含水量，这些都是微波法在分析化学领域的多方面应用的成果，在此基础上，我们要不断的研究和探索，发掘微波法的更多应用优势领域，使我国在这方面的技术能够迅速追赶和超越其他国家，其中，使微波法用于煤中无机硫的测定就是一个很好的新的拓展方向。

总之，我们看到在分析化学领域中的几个方面，微波能的研究都有不同程度的进展，但仍有许多问题尚待拓展与深化，微波光声谱就是其中之一。结合微波在讯、导航、食品、木材、印刷、染料、灭菌、醇化、治癌等方面的发展，微波能应用技术己在科技与工业等领域展现出广阔的前景，也必将为分析化学的发展作出新贡献。

综上所述，本文中笔者从微波能加热原理、微波能分解试样的反应原理、微波能加热过程中的问题与特点、微波能加热在岩石、矿物分析中的应用以及微波能在化学分析中的应用前景等五个方面阐述了微波能分析方法在的应用，并认为微波能是一种较之传统的加热方法更为先进和高效的分析方法，应该被广泛的应用于岩石矿物的分析中，笔者希望以此能够为推动我国的微波能技术的发展尽一些绵薄之力，也希望能够抛砖引玉，引发学界对该技术的相关探讨，诸多不足，还望批评指正。

参考文献

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